閔 超

（湖北國土資源職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430090）

0 引言

我國工業(yè)技術(shù)和人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，推動了工業(yè)生產(chǎn)智能化和自動化進程，目前工業(yè)機器人技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)自動化控制過程中應(yīng)用極為廣泛[1]，如產(chǎn)品自動包裝、物流分揀運輸、元件焊接、繪畫噴涂等多個領(lǐng)域均應(yīng)用工業(yè)機器人完成大部分工作內(nèi)容，因此工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。就目前來看，工業(yè)機器人技術(shù)雖然在不同自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[2]，但當(dāng)前并沒有詳盡的工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制領(lǐng)域中的實踐研究，為呈現(xiàn)工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制領(lǐng)域中的應(yīng)用效果，本文從焊接工業(yè)機器人角度入手，對工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制中的實踐展開詳盡分析。

1 工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制中的實踐

工業(yè)機器人分為多種類型，本文以焊接領(lǐng)域的工業(yè)機器人技術(shù)作為研究視角，分析該工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制中的實踐。

1.1 焊接工業(yè)機器人技術(shù)的起始點識別與定位方法

焊接工業(yè)機器人負責(zé)焊接不同類型電子元件、設(shè)備等，其代替人工焊接后，不僅可提升焊接效率還可提升焊接質(zhì)量。但焊接工業(yè)機器人在工作過程中[3]，受機械定位誤差和替換焊絲影響，其焊槍與焊縫之間會存在誤差，導(dǎo)致焊接工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制過程中應(yīng)用效果不佳。在此利用工業(yè)CCD 相機拍攝焊點圖像，利用圖像處理技術(shù)識別焊槍焊接起始點并定位，保障焊接工業(yè)機器人焊槍對準焊縫起點。給出焊接工業(yè)機器人技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 焊接工業(yè)機器人技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在焊接工業(yè)機器人技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)，利用工業(yè)CCD 相機采集焊接機器人焊接起始點圖像，利用圖像識別技術(shù)得到焊接機器人焊槍位置，在理想狀態(tài)下[4]，焊槍起始點位置是規(guī)則圓形區(qū)域，該圓形的圓形即為焊槍位置，但在焊接工業(yè)機器人實際運行過程中，受焊接機器人動力系統(tǒng)以及焊接電流、電壓等因素影響，焊縫起點位置圓形呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)。為使焊接機器人焊接起始點位置更加清晰[5]，先對焊接起始點圖像進行線性灰度變換，提升焊接起始點圖像亮度，使圖像內(nèi)焊接起始點區(qū)域更加清晰。

令y表示線性灰度變換后的焊接起始點圖像灰度，x表示焊接起始點圖像初始灰度值，則焊接起始點圖像線性灰度變換表達公式如下：

式中，a、b表示預(yù)先設(shè)置的線性變換灰度閾值。通過調(diào)節(jié)該閾值，即可提升焊接起始點圖像亮度。

以線性灰度變換后的焊接起始點圖像為基礎(chǔ)，利用Prewitt 算子去除焊接起始點圖像內(nèi)干擾噪聲和獲取其邊緣，則焊接起始點圖像內(nèi)x和y方向的Prewitt算子表達公式如下：

式中，Sx、Sy分別表示焊接起始點圖像內(nèi)x和y方向的Prewitt 算子。利用該公式可去除焊接起始點圖像內(nèi)干擾噪聲。

令f[i，j]表示焊接起始點圖像邊緣位置，其表達公式如下：

式中，UT表示焊接起始點圖像邊緣位置灰度閾值；Ux、Uy分別表示行和列的灰度值；i、j表示焊接起始點圖像邊緣位置像素點。通過調(diào)節(jié)行和列的灰度值可保留較長且有效的焊接起始點圖像邊緣。

提取到焊接起始點圖像邊緣位置后[6]，采用霍夫變換方法提取焊接起始點的圓形感興趣區(qū)域，該圓形感興趣區(qū)域的中心即為焊接工業(yè)機器人技術(shù)的起始點識別與定位結(jié)果。令r表示焊接起始點圖像圓形感興趣區(qū)域半徑，其圓心坐標(biāo)由（m，n）表示，則該焊接起始點圖像圓形感興趣區(qū)域在參數(shù)空間內(nèi)表達公式如下：

式中，（xi - yi）表示焊接起始點圖像邊緣坐標(biāo)。

以公式（5）結(jié)果為基礎(chǔ)，利用霍夫變換算法，在參數(shù)空間內(nèi)建立三維累加數(shù)組，該數(shù)組由A（m，n，r）表示，按照焊接起始點圖像數(shù)據(jù)點計算累加數(shù)組的累加和后，將數(shù)值最大三維數(shù)組的作為焊接起始點圓形區(qū)域，該區(qū)域圓心為焊接點定位點。

1.2 工業(yè)焊接機器人焊縫跟蹤控制方法

工業(yè)焊接機器人運動機構(gòu)由兩個驅(qū)動電機組成，共有2 個輪，前輪為輔助輪后輪為驅(qū)動輪，驅(qū)動電機可驅(qū)動焊槍向上下、左右移動。令A(yù)XY表示工業(yè)焊接機器人的全局坐標(biāo)系，BX1Y1為工業(yè)焊接機器人的移動坐標(biāo)系，由于焊接機器人在跟蹤焊縫時，其焊縫為橫向，需要將工業(yè)焊接機器人移動坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)系，即可得到焊槍在全局坐標(biāo)系內(nèi)的位置姿態(tài)，其表達公式如下：

式中，W表示焊槍位置；B為移動坐標(biāo)系原點；γ表示工業(yè)焊接機器人全局坐標(biāo)系與移動坐標(biāo)系原點夾角；z1、z2、z3分別表示滑塊到X、Y、Z三個方向的距離。

對工業(yè)焊接機器人坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成后，建立與焊接機器人的動力學(xué)模型，其表達公式如下：

式中，g表示焊接機器人狀態(tài)向量；M（g）表示慣性矩陣；和分別表示g的一階微分和二階微分變量；Vm表示與焊接機器人速度相關(guān)的向心力項；F（）表示動靜摩擦項；τd表示未知擾動；A（q）表示約束項。

以公式（6）和（7）結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)計滑膜變結(jié)構(gòu)控制器，利用該控制器控制焊接機器人按照既定焊縫進行跟蹤。定義滑膜變結(jié)構(gòu)控制器控制切換函數(shù)如下：

式中，Lm表示滑膜變結(jié)構(gòu)控制器控制切換函數(shù)；e表示焊縫跟蹤偏差為焊縫跟蹤偏差一階微分變量；c0表示滑膜變結(jié)構(gòu)控制器的負實部。

以公式（8）結(jié)果為基礎(chǔ)，建立滑膜變結(jié)構(gòu)控制器控制切換函數(shù)的控制函數(shù)，表達公式如下：

式中，v表示滑膜變結(jié)構(gòu)控制器控制切換函數(shù)的控制量表示不確定項控制；ζ表示時變控制增益；sgn 為階躍函數(shù)。

當(dāng)工業(yè)焊接機器人全部狀態(tài)量為已知時，可利用連續(xù)化函數(shù)替換符號函數(shù)，則其焊縫跟蹤的變結(jié)構(gòu)控制器表達公式如下：

式中，γ表示焊縫跟蹤的變結(jié)構(gòu)控制器；δ表示連續(xù)化參數(shù)；A-1表示約束矩陣的逆矩陣；H表示解耦矩陣。利用公式（10）即可實現(xiàn)工業(yè)焊接機器人焊縫跟蹤。

經(jīng)過工業(yè)機器人技術(shù)，即可實現(xiàn)工業(yè)焊接機器人在自動化控制中的應(yīng)用。

2 實驗分析

以某型號工業(yè)焊接機器人作為實驗對象，該工業(yè)焊接機器人最大運動半徑為1 736 mm，額定負載為30 kg，重復(fù)精度可達到±0.06 mm。為驗證本研究的方法控制焊接機器人焊縫跟蹤能力，設(shè)置了5 個焊縫點位，應(yīng)用本文方法控制焊接機器人跟蹤焊縫，分析跟蹤點位和實際點位之間的偏差值，結(jié)果見表1。

表1 制焊接機器人焊縫跟蹤結(jié)果

分析表1 可知，本方法應(yīng)用后，該焊接機器人在跟蹤焊縫點位是僅在編碼為2 的焊縫X軸方向上的跟蹤值與實際值存在偏差，但偏差數(shù)值僅為0.01 mm，該數(shù)值較小位于焊縫跟蹤允許偏差內(nèi)。上述結(jié)果說明：工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用后，可有效控制焊接機器人跟蹤焊縫，焊接效果較好，具備較為顯著的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語

從工業(yè)焊接機器人角度對工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制中的應(yīng)用進行了實踐分析，實踐分析結(jié)果表明應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)可有效控制工業(yè)機器人在其應(yīng)用領(lǐng)域的使用，有效提升了其領(lǐng)域應(yīng)用效果。未來可將工業(yè)機器人技術(shù)更多應(yīng)用在自動化控制中，為工業(yè)發(fā)展提供一定的支撐。