李春晖
哈尔滨岛田大鹏工业股份有限公司 150000
摘要：近几年，工业机器人得到了较快的发展，工业机器人的使用促进了工业生产各个方面的管理发展，为生产企业带来规范和秩序，提高了企业的生产效率。工业机器人之所以能够应用在自动化控制领域中，主要是因为它自身具有示教再现与运动控制这两项功能。本文围绕控制系统探讨了工业机器人运动控制系统的设计原理。
关键词：工业机器人；运动控制系统；系统设计
引言
现如今，工业机器人已经广泛应用于汽车及其零部件制造、机械加工、食品工业、木材与家具制造业等领域。工业机器人是各国先进制造业中不可或缺的重要装备与关键技术。在工业机器人运作之前，操作人员将机器人的运动数据（如运动速度、所在位置等）以及动作代码输入工业机器人的控制系统。随后启动工业机器人。此时，工业机器人就会按照操作人员在其控制系统中输入的相关数据与动作代码进行一些移动、抓取、放置、喷涂、焊接等操作。
1工业机器人运动控制系统概述
工业机器人是工业领域中实现某种操作的机械装置，其依靠事先编程好的程序和机器自身的动力系统自动开展工作。运动控制系统是工业机器人的重要组成部分，决定工业机器人的动作完成精度和自动化程度。工业机器人通过事先编好的程序实现多种运动轨迹和操作流程。运动控制强调的是工业机器人操作的连续性。从A到B，再从B到C，再从C到D。工业机器人在整个操作过程中要保持连续，不能中断。连续轨迹运动控制要实现工业机器人操作的连续性，需要操作人员在工业机器人的控制系统中设置它连续轨迹运动的相关数据，如所在位置、运动轨迹、运动速度等。需注意的是，连续轨迹运动控制的连续性，不仅仅要求工业机器人操作的不中断，还要求工业机器人的运动速度可控、运动状态平稳。鉴于此，连续轨迹运动控制的主要技术指标是运动控制系统对工业机器人运动轨迹跟踪的精确性，以及工业机器人自身运动速度的可控性和运动状态的平稳性。
2工业机器人在运动控制系统中的控制方式
2.1点位控制点位控制是一种点到点的控制，如从A点到B点，再从B点到C点。点位控制的优点是让工业机器人快速且准确地从某一点到另外一点，即实现点与点之间快速、准确地位移。缺点是无法对工业机器人的位移路径进行控制。因为讲究快速与准确，所以点位控制的主要技术指标是运动（位移）速度和定位精度。PTP是工业机器人控制方式中最简单、最易实现的一种方式，它常被应用于一些只要求点对点的生产环节中，如简单、重复的上下料环节。
2.2连续轨迹运动控制
连续轨迹运动控制强调的是工业机器人操作的连续性。从A到B，再从B到C，再从C到D。工业机器人在整个操作过程中要保持连续，不能中断。连续轨迹运动控制要实现工业机器人操作的连续性，需要操作人员在工业机器人的控制系统中设置它连续轨迹运动的相关数据，如所在位置、运动轨迹、运动速度等。需注意的是，连续轨迹运动控制的连续性，不仅仅要求工业机器人操作的不中断，还要求工业机器人的运动速度可控、运动状态平稳。鉴于此，连续轨迹运动控制的主要技术指标是运动控制系统对工业机器人运动轨迹跟踪的精确性，以及工业机器人自身运动速度的可控性和运动状态的平稳性。
2.3力伺服控制
力伺服控制以工业机器人的力伺服控制系统为核心，以输出力（力矩）为控制变量，其执行机构是各种类型的驱动元件，如伺服阀+液压马达、伺服阀+油缸、驱动器+电马达等。工业机器人在执行一些物料搬运、分拣物品等工作时，除了要保证定位的精度之外，还要求机械手臂使用适度的力（力矩）。在这种作业环境下，工业机器人机采用的就是力伺服控制方式。力伺服控制最鲜明的特征是系统输入和反馈信号是一种力信号，而点位控制和连续轨迹运动控制的系统输入和反馈信号是一种位置信号。
2.4智能控制方式
目前，采用智能控制的工业机器人主要是通过传感器获取周围环境的信息，然后根据内部控制系统的相关指令做出相应的操作。
3分析工业机器人运动控制系统设计
3.1硬件的总体规划
在设计硬件要考虑时芯片的运算能力、PC机和控制器的通讯方式、硬件信号接口、CPU任务处理能力，采用DSP数字信号处理芯片作为控制系统的核心处理芯片，考虑到硬件接口的需求，添加一个现场可编程门阵列与DSP组成双CPU架构。借助DSP芯片高效的运算能力、强大的控制能力，运动控制系统可以完成精准插补、准确定位等任务。现场可编程门阵列芯片则依靠其丰富的逻辑资源为硬件系统提供多个输入输出端口和驱动接口，满足了通讯的需求。电机驱动接口采用交流伺服驱动器输入的模拟量完成对电机的闭环控制，系统通过编码器将缓慢变化的输入信号转变为清晰稳定的输出信号。
3.2机器人核心控制器
核心控制器是工业机器人的关键构件，是保障机器人可以有效完成指令进行作业的重要装置，与机器人的整体工作性能息息相关。机器人核心控制器能实现网络通信，在一定程度上保证了有效提高工作质量和效率，同时与计算机和互联网之间的互通促进了工业生产时的多功能操作实现。此外，控制器对于机器人的控制分为并行、串行两种，并行主要是实现机器人操作时的控制算法并行处理，串行则是控制算法的串行机处理。总体来说，机器人核心控制器在工业生产中有着实时性高、通信性强、人机高效合作的优势，对于机器人的开放性系统结构和模块化设计意义重大，从科技发展角度来说有利于工业领域实现智能化、自动化。
3.2控制系统数学模型的建立
工业机器人运动控制系统的数学模型包括工业机器人的运动学模型和动力学模型。运动学模型主要研究机器人在空间中按照预设的轨迹进行的运动和机械臂末端的位置变化。建立运动学模型需要考虑机器臂的姿势、机器臂末端的位置以及机器臂的关节活动。动力学模型主要考虑动力源施加的外力或者力矩来推动机器人运动的问题。
3.3控制系统算法的设计
运动控制算法的核心是控制算法。常见的算法控制有PID控制、模糊逻辑控制、神经网络控制和迭代学习控制。这些算法结构各有优劣，本设计为了提高控制的精度，加快机械学习的速度，将PID反馈控制与迭代学习控制相结合。PID反馈控制是由比例、积分和微分3个环节组成的线性控制器，优点是控制率简单且应用方便。迭代学习控制是让机器根据自身的实际操作与期望操作之间进行对比，不断缩小两者差距来提高动作精确度的方法，具有算法简单、建模精确、所需经验少等优点。法利用控制系统前一次的控制经验，根据系统实际的输出信息与期望的轨迹之差修正控制信号，运用学习控制算法确定一个新的控制输入，令被控制对象按照期望运动，通过反复的修正训练，使系统的实际输出无限趋近直至达到期望的轨迹。
结束语
综上所述，工业领域中的工业机器人运动控制系统设计复杂而又艰难，需要设计者以及研发制造者不断的进行完善，从而保障工业生产的质量和效率，促进工业行业发展逐渐走向智能化、自动化，在保证工业领域安全生产的基础上有效增强国家经济增长，确保国家在当前经济全球化背景下的国家地位与核心竞争力。
参考文献
[1]李树民,邸韬,邸仕虎.模块化工业机器人运动控制系统研究与设计[J].中国建材科技,2019,28(2):107-108.
[2]黄文嘉.工业机器人运动控制系统的研究与设计[D].杭州:浙江工业大学,2014.
[3]李黎.高精度工业机器人运动控制及轨迹规划研究与应用[D].北京:中国航天科工集团第二研究院,2019.