余金永,蘇冠領(lǐng),莫中凱
(廣西城市職業(yè)大學(xué),廣西 崇左 532200)
工業(yè)機器人是人工智能的一個分支,有非常廣闊的前景,而控制系統(tǒng)對機器人智造至關(guān)重要。無論是“大數(shù)據(jù)+工業(yè)機器人”還是“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)機器人”,都在催促著工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的更新與換代。只有對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的不斷優(yōu)化,才能快速適應(yīng)市場日新月異的要求與需求。
為了進一步的提高工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的總體水平,將其更好地應(yīng)用在生產(chǎn)線上,為社會進步做出更多貢獻,首先要分析工業(yè)機器人控制系統(tǒng)研究中的基本內(nèi)容并對其必要性進行分析。從宏觀角度來看,工業(yè)機器人的快速發(fā)展是實現(xiàn)自動化的必經(jīng)之路,也是推動相關(guān)行業(yè)自動化發(fā)展的一個重要途徑。實現(xiàn)自動化的生產(chǎn),尤其是在生產(chǎn)線上實現(xiàn)自動投料,可以進一步降低成本。相對于人力成本而言,工業(yè)機器人的成本較低。雖然在早期研發(fā)以及使用的過程中可能會投入大量的成本,但是從長遠的角度來看,如果能夠穩(wěn)定運行,便可以獲得較好的經(jīng)濟效益。相對于長期的雇傭工人,又或者是承擔(dān)相應(yīng)的人為因素風(fēng)險,工業(yè)機器人顯然極其重要,對于降低成本是有著極其重要的現(xiàn)實意義的。工業(yè)機器人的外觀如圖1 所示,由圖1 可以看出,其基本結(jié)構(gòu)大多類似機械臂,可以適用于各類工業(yè)場合。
圖1 工業(yè)機器人外觀圖
另外一方面,工業(yè)機器人在生產(chǎn)線上可以24 h進行工作,不知疲憊地進行投料生產(chǎn)等。相對于人工生產(chǎn)而言,工業(yè)機器人的效率更高,質(zhì)量也更高。在相關(guān)行業(yè)當(dāng)中,能夠發(fā)揮出一定的作用。當(dāng)然最重要的還是工業(yè)機器人的安全性能比較高一些,適用于危險程度較高、且存在安全隱患的工種以及具體任務(wù)的執(zhí)行,這些工作單純依靠人力是無法完成的。不僅會給人們的生命安全造成威脅,同時也會留下很多安全隱患,不利于流水線上的生產(chǎn)。使用工業(yè)機器人可以大幅度減免問題的發(fā)生,也能夠有效地規(guī)避風(fēng)險,對于提高生產(chǎn)效率,保證生產(chǎn)質(zhì)量,推動流水線生產(chǎn)的高質(zhì)量發(fā)展是有一定幫助的。在具體設(shè)計的過程中,研究工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的必要性主要在于控制系統(tǒng)是整個工業(yè)機器人的核心。通過良好的控制策略實現(xiàn)軟硬件相互結(jié)合,是保證工業(yè)機器人正常使用并投入生產(chǎn)中的重要途徑??刂葡到y(tǒng)的設(shè)計需要對算法進行優(yōu)化,同時也需要通過軟硬件相互結(jié)合,利用通信知識、控制知識、人工智能知識來解決實際問題。因此對工業(yè)機器人進行研究,對設(shè)計更好的控制系統(tǒng)是具有重要的現(xiàn)實意義的。
目前來看,在工業(yè)機器人使用的過程中還存在著若干問題,主要矛盾在于控制系統(tǒng)的設(shè)計還存在問題。首先從算法角度進行分析,也可以稱之為從軟件角度進行分析。目前的控制系統(tǒng)主要算法是PID 控制算法。PID 控制算法由于比較簡單容易調(diào)節(jié),在使用的過程中僅需調(diào)解比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)就可以得到控制的作用。不需要對系統(tǒng)進行復(fù)雜的建模,同時也不需要進行過多的參數(shù)調(diào)節(jié)。相對于其他的控制策略而言比較簡單,這也是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一個控制算法。但是不可否認(rèn)的是,PID 控制算法由于滯后性比較強,在使用的過程中可能會無法達到精準(zhǔn)控制的作用。在一些精準(zhǔn)性要求較高的場合,PID 控制算法難以發(fā)揮出實際的作用,這也就給工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計帶來了很多的矛盾。而隨著相關(guān)理論的進一步發(fā)展,魯棒控制策略、預(yù)測控制策略、LQR 控制等也廣泛地應(yīng)用于工業(yè)機器人當(dāng)中。對于不同要求有著不同的算法使用方案,但是以上幾種控制算法相對于傳統(tǒng)的PID 控制算法而言,相對來說較為復(fù)雜,需要對系統(tǒng)本身進行準(zhǔn)確的建模,同時也需要進行大量的參數(shù)調(diào)節(jié),對于工作人員而言是有著一定的難度的,對于工業(yè)機器人的正常應(yīng)用也是帶來了一系列影響。由此可以看出,目前在算法上還存在著一定的矛盾,工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計還存在著諸多問題。而從硬件角度進行分析,工業(yè)機器人對于硬件要求是比較高的。一方面是穩(wěn)定程度比較高,另外一方面是精度比較高。由于工業(yè)生產(chǎn)所面臨的情況比較復(fù)雜,很多設(shè)備都無法正常使用。在外界干擾的情況下,出現(xiàn)了精度低、效率低且穩(wěn)定程度不好等現(xiàn)象。不僅帶來了嚴(yán)重的成本問題,同時也給生產(chǎn)效率造成了嚴(yán)重的影響。因此在未來發(fā)展的過程中,對于軟件硬件等方面問題還需要進行深入探索,并提出科學(xué)的解決方案,讓工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計得更加合理。
目前在工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中,其實還是存在著一些問題的。主要原因在于理論界和工業(yè)界存在著較大的差距,理論無法更好地應(yīng)用,而工業(yè)界往往為了追求穩(wěn)定性與魯棒性,大多數(shù)時候都會選擇傳統(tǒng)的控制算法。先進的算法無法落地,沒有辦法給工業(yè)機器人的生產(chǎn)帶來一定的幫助,使得工業(yè)機器人的發(fā)展受到了嚴(yán)重的限制。因此從目前工業(yè)機器人控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域當(dāng)中可以看出,其基本的方向又或者是基本的內(nèi)容還是要加強和重點企業(yè)交流與合作。一般來講,學(xué)校有大量的研究者對算法進行研究優(yōu)化,并對理論進行創(chuàng)新。而企業(yè)則是將相關(guān)的算法以及理論進行更好的落地,并通過相應(yīng)的設(shè)計方案使其應(yīng)用在各種各樣的場合當(dāng)中。尤其是在生產(chǎn)線上大量地應(yīng)用工業(yè)機器人,可以降低人力成本,同時也能夠縮短工作時間,對于提高產(chǎn)品的核心競爭力有著一定的幫助。因此研究機構(gòu)應(yīng)加強和重點企業(yè)的交流合作,一方面是讓更多的理論和實踐相互結(jié)合,另外一方面是從實踐當(dāng)中反饋更多的數(shù)據(jù)信息。對于工業(yè)界目前的實際難題以及可能存在的風(fēng)險進行研究,反饋給相關(guān)的理論研究學(xué)者。對于其繼續(xù)研究工作能夠提供相應(yīng)的幫助,也能夠積累更多的經(jīng)驗,這對于促進工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的研究有著很大的幫助。
在工業(yè)機器人控制系統(tǒng)生產(chǎn)的過程中,軟件的更新和硬件的設(shè)計都是十分重要的環(huán)節(jié)。軟件和硬件相互配合保障其穩(wěn)定性和精度,是促進工業(yè)機器人快速發(fā)展的一個重要途徑。因此在工業(yè)機器人系統(tǒng)研究的過程中,首先應(yīng)當(dāng)對算法進行充分的分析。傳統(tǒng)的PID算法固然能夠適應(yīng)于大多數(shù)的場合,但是隨著控制精度要求越來越高,社會生產(chǎn)的復(fù)雜程度越來越高,傳統(tǒng)的工業(yè)機器人控制算法也就不再適合一些高精度的場合。PID 控制算法流程如圖2 所示,只需調(diào)節(jié)P、I、D 3個參數(shù),不需要復(fù)雜的系統(tǒng)建模,相對較為簡單,但是控制精度一般,滯后性也較為明顯。研究更多性能更好的算法,并將其應(yīng)用在實際場景當(dāng)中,對于工業(yè)機器人的快速發(fā)展是具有很重要的現(xiàn)實意義的。同時在軟件設(shè)計的過程中,多數(shù)的工業(yè)機器人采用PLC 進行程序編寫,由于PLC 代碼比較簡潔,相對來說門檻比較低,對于大多數(shù)的工程技術(shù)人員而言,進行設(shè)計也是比較容易的。但單純地依靠PLC 還不能完全解決實際問題,在一些高尖端的工業(yè)機器人生產(chǎn)過程中,還需要采用高級語言來進行編寫,如C++。因此在軟件系統(tǒng)設(shè)計的過程中一方面提高算法精度,另外一方面對具體的軟件設(shè)計方案進行更新,也具有很重要的現(xiàn)實意義。在硬件使用的過程中,多數(shù)工業(yè)機器人對于硬件的穩(wěn)定性要求比較高,需要能抵抗外界干擾,即使是在惡劣的工廠條件下依然能夠長期地進行工作。因此在進行硬件設(shè)計以及生產(chǎn)的過程中,需要考慮到穩(wěn)定性的問題以及精度的問題。
圖2 PID 控制算法流程圖
提升工業(yè)機器人投料裝置與自動化生產(chǎn)線的結(jié)合程度,是未來的一個主流發(fā)展趨勢。由于工業(yè)機器人在目前自動化生產(chǎn)線上的主要應(yīng)用場景是投料,而投料也是需要24 h 進行工作,才能夠保障其長期生產(chǎn)。但是由于很多工業(yè)機器人的投料裝置無論是在軟件設(shè)計還是硬件設(shè)計的過程中,都不符合實際情況。只能夠適用于某些特定的場景,在一些自動化生產(chǎn)線上結(jié)合程度不高,沒有辦法發(fā)揮作用,反而產(chǎn)生了若干的不穩(wěn)定性問題。因此在未來的發(fā)展過程中,優(yōu)化工業(yè)機器人的設(shè)計方案,并將其投料裝置應(yīng)用在自動化生產(chǎn)線上,不斷的進行調(diào)整。和自動化生產(chǎn)線的結(jié)合力度越強,也能夠保證自身的精度越高,才能夠適用于更多復(fù)雜的場景,以此來發(fā)揮出相應(yīng)的作用。工業(yè)機器人生產(chǎn)流水線如圖3 所示,可以實現(xiàn)無人化24 h 生產(chǎn),具有較高的生產(chǎn)效率。
圖3 無人化工業(yè)機器人生產(chǎn)流水線
在傳統(tǒng)工業(yè)機器人的設(shè)計過程中,很多高校對于機器人的控制算法控制系統(tǒng)的設(shè)計精度都比較高。但是只適用一些特定的場合,在具體應(yīng)用的過程中可能存在不適應(yīng)的情況。尤其是目前理論界和工業(yè)界存在著較大的鴻溝,使得很多算法沒有辦法落地,工業(yè)界所使用的一些工業(yè)機器人生產(chǎn)方式以及控制系統(tǒng)的設(shè)計方案大多數(shù)都沒有辦法進行更新。為了保證自身的穩(wěn)定,需要犧牲精度,犧牲其自身的性能,這就使得工業(yè)界的發(fā)展相對落后。在未來工作的過程當(dāng)中,為了保證工業(yè)機器人控制系統(tǒng)設(shè)計的更加合理,讓投料裝置在自動化生產(chǎn)線上得到更好的應(yīng)用。不斷的實踐,不斷地提高機器人控制系統(tǒng)的精度,是具有很重要的現(xiàn)實意義的??刂凭鹊奶岣咭环矫嬉WC硬件的性能比較好,需要提高總體水平。另外一方面需要從算法出發(fā),對控制策略進行不斷的改進。算法的穩(wěn)定性要強,還需要對算法的參數(shù)進行大量的調(diào)節(jié)工作,需要根據(jù)實踐來反饋相關(guān)的數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)場的情況進行調(diào)優(yōu)工作。依靠工作人員的大量經(jīng)驗以及先進技術(shù)進行參數(shù)設(shè)置,才能夠提高工業(yè)機器人的控制精度。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,越來越多的智能化控制方法以及智能化的系統(tǒng)設(shè)計方案不斷涌現(xiàn),通過人工智能算法,也可以進行自動的參數(shù)調(diào)優(yōu)。采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方式進行機器人控制系統(tǒng)的建模工作,在后續(xù)的研究過程中,可以利用電子計算機進行訓(xùn)練和測試等工作,以此來不斷調(diào)優(yōu)算法,提高工業(yè)機器人的控制精度。因此在未來發(fā)展的過程中,通過不斷結(jié)合新的技術(shù),讓理論和實踐不斷的發(fā)展,以此來提高工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的精度,具有重要現(xiàn)實意義。
總而言之,工業(yè)機器人的大量應(yīng)用是推進生產(chǎn)快速發(fā)展的重要途徑。但是在目前的控制系統(tǒng)設(shè)計中還存在精度不高、穩(wěn)定性不強的問題。在未來發(fā)展的過程中,仍需要進一步優(yōu)化算法,更新硬件,并和行業(yè)內(nèi)的先進企業(yè)進行聯(lián)合生產(chǎn),不斷地提高工業(yè)機器人的應(yīng)用水平。