模块化工业机器人运动控制系统研究与设计Research and design of motion control system for modular industrial

robot

李树民邸韬邸仕虎(兰州职业技术学院，

甘肃兰州

730070)

摘要：工业机器人可代替工人完成各种操作，在工业生产中应用机器人，可以提高生产效率，提高产晶质量，降低生产成 本与工人的劳动压力 运动控制系统是工业机器人的关键部件，它直接决定机器人的性能

因此，

必须抓好运动控制系统的

研究与设计 本文将就这一方面的问题展开探讨

关键词：工业机器人；运动控制系统；模块化；

研究；

设计

Abstract: Industrial robots can replace workers to complete various operations. The application of robots

in industrial

production can improve production efficiency, improve product quality, and reduce production costs and labor pressure of workers.

The motion control system is a key component of industrial robots, which directly determines the performance of the robot. Therefore, we must do a good job in the research and design of motion control systems. This article will explore the issue in this regard.Keywords: industrial robot; motion control system; modularization; research;

design

中图分类号:TP242文章标识码：B

文章编号：

1003-8965(2019)02-0108-02

1920年，捷克斯洛伐克作家卡雷尔在科幻戏剧《罗

素姆万能机器人》中创造了 "机器人” 一词m。今天，人

们对机器人已经不再陌生。在《终结者》、《机械公敌》

等美国科幻片中，经常可以看见仿真机器人或高智能机器 人。但现实中的机器人与导演的幻想仍然存在很大的差距， 现实中的工业机器人是一种高度自动化的机器。

1机器人及机器人技术的简史机器人是依靠自身动力和控制能力来实现各种功能的 一种自动化机器，一种具有高度灵活性的、可编程和多功 能的操作机；这种机器具备一些类似人类的智能能力，包

括感知能力、

动作能力、规划能力、协同能力

。

18世纪末，第一次工业革命在英国兴起；20

世纪初，

美国掀起第二次工业革命，机器大规模自动化生产席卷全

球。同时，工人的劳动强度与劳动压力也越来越大（卓别 林在《摩登时代》中夸张再现了机器大生产让工人异化成 只会拧螺帽的工作狂）。

在这种时代背景下，卡雷尔对于

机器人的设想逐渐受到工程师与设计师的重视l2lo二战后，

第三次工业革命（电子计算机革命）兴起，信息论、控制论、

仿生学飞速发展,1959年，世界上第一台工业机器人问世

。

从此，机器人技术进入人类生产，开始取代工人的体力劳

动。二十世纪末，第四次工业夫革命（互联网革命）兴起

，

网络、人工智能又给机器人技术注入了新的动力。今天

，

机器人技术已经发展成为一门集合人工智能、

机械

、自动

控制、微电子、信息处理、计算机、传感等多种先进技术

于一体的高度交叉的前沿技术。可以说，机器人技术是现 代工业化的产物，它又反过来推动了现代工业化的发展。2机器人的组成众所周知，人是由运动、神经、呼吸、消化等八大系 统组成的。现实中的机器人亦属于一项高度复杂的系统工 程，一个完整的机器人，一般由执行机构（操作机）、驱 动装置、控制系统、人工智能装置等四大系统共同组成（与 人类不同，机器人不需要呼吸、消化、血液循环，目前机 器人的运动系统仍无法与人类运动系统匹敌）。一一操作 机由机械手手部（末端执行器）、手腕、手臂（机械臂）、 机座四部分构成，它模仿人类手臂的动作，完成各类作业； 驱动装置由驱动器、减速器、检测元件构成，它将电能转 换成机械能，采取电力驱动、液压驱动或气压驱动的方式， 为操作机提供动力；控制系统是人对机器人进行操作的装 置，控制系统包括检测（传感器）和控制（电子计算机） 两大部分，检测机器人运动参数是否符合要求，并对机器 人进行反馈控制，完成规定的动作叫人工智能系统不仅 包含传感系统（依靠传感器实现感知功能），还包括决策、 规划、专家系统，具有逻辑判断、模式识别、规划操作程 序等功能。3机器人运动控制系统的研究与设计显而易见，运动控制系统相当于机器人的大脑，没有 运动控制系统，机器人便不可能进行任何工作。运动控制 系统的发展，经历集中控制、主从控制、分级控制三个阶段 集中控制，即利用一个CPU实现全部控制功能；主从控制， 即利用主CPU计算坐标变换、轨迹生成，从CPU用于控 制机械手动作；分级控制是主从控制的升级版，上级主控 计算机负责整个系统的管理、坐标变换、生成轨迹，下级 若干个微处理器分管机械手各个关节的坐标及伺服控制处 理。——机器人的应用越来越广泛，在研究、设计运动控 制系统时，必须考虑：开放式系统结构，否则无法适用于

不同类型的机器人；

模块化设计，

可以提高系统的可靠性

；

合理的任务划分，

运动控制系统应包括若干不同的功能模

块，分别实现不同的子任务，以利于修改、增添功能；网

络通讯功能，运动控制系统必须与网络相连

，以实现对多

台机器人的协同控制与资源共享；形象、直观的人机接口，

以利于人机互动l4lo我们认为：

设计模块化工业机器人运动控制系统

，

基金项目：2018年度甘肃省高等学校科研项目《可拆装模块化工业机器人教学组件研发

》（项目编号

：2018A-247）

108（下转第27页）蚀速度有限，且侵蚀从试件表面开始，逐渐深入内部

，

30d的浸泡使得试件中靠近表面的一部分受到海水的侵

蚀，故在不同浓度海水中浸泡的、龄期为30d的试件之间 电通量值差异不大。

3） 经一倍、

三倍以及五倍海水浸泡的试样电通量随 浸泡时间的增加而增加，这是由于海水的浸泡使得试样表 面受到侵蚀，影响了试件的密实度，并形成更多的微裂缝 和微孔洞，侵蚀液即利用微裂缝和微孔洞向试件内部扩散， 使试件被进一步侵蚀。4） 经不同浓度侵蚀液浸泡的试样，其浸泡时间与电 通量的关系曲线在形态和发展方向上高度相似，均表现为 随着侵蚀时间的增加，试件的电通量值增长速率越来越快。 说明受到长时间侵蚀的水泥胶砂试件，侵蚀液已经由表面 渗透进入其内部，在不同的深度范围内破坏水泥胶砂试件 的密实度，侵蚀严重时，试件发生沙化、剥离、崩塌。5） 随着浸泡时间的延长，同种侵蚀液浸泡的不同龄 期试件之间的电通量值之连线呈明显的发散状。这表明即 使两种胶砂试件浸泡的侵蚀液浓度仅有较小的差别，在受 到侵蚀的初期抗氯离子渗透性能差距较小，但随着时间的 推移，其抗氯离子渗透性能差异会越来越大。2.2扫描电镜结果及分析通过扫描电镜获得的图像显示了表面裂纹、孔洞、与 骨料的结合情况：1 ）淡水中浸泡90d的样品表面形貌较为均匀、致密， 水化稈度较高，C-S-H凝胶相互连接，并紧密堆积，仅 观察到少量微小裂纹，无明显孔洞。凝胶与骨料结合紧密。2 ） 一倍海水中浸泡90d的样品表面形貌较为致密， C-S-H凝胶连接紧密，但可见表面崎岖不平，并有明显 裂缝，说明样品已受到海水侵蚀作用的影响。凝胶与骨料 之间裂缝较轻微，结合较为紧密。3 ）在三倍人工海水中浸泡90d的样品表面一致性和 密实度受到较大影响，可见C-S-H凝胶之间的结合受到 —定程度的破坏，可见较多数量的孔洞，并漏出内部钙矶 石等晶体结构，该样品表面出现大量裂纹，并相互连通。 凝胶与骨料之间存在明显裂缝，有轻微剥离的现象。4）在五倍人工海水中浸泡

90d的样品表面出现严重侵

蚀迹象，C-S-H凝胶之间的结合受到严重破坏，大量孔洞与 裂缝相互贯通，表面形貌支离破碎

。可观察到凝胶与骨料之

间缝隙较大、剥离现象较为严重，

并存在骨料脱落现象

。

3结论1 ）

海水侵蚀降低了胶砂试件的抗氯离子渗透性能，

并且随着海水浓度以及浸泡时间的增加，试件抗氯离子渗

透性能加速下降。

2）

即使两种胶砂试件浸泡的侵蚀液浓度仅有较小的

差别，但随着时间的推移，其抗氯离子渗透性能的差异会 越来越大。

3） 根据SEM

微观分析结果，海水的侵蚀作用导致试

件内部出现了微裂缝和微孔隙，并削弱了骨料与

C-S-H凝

胶的结合作用，使得氯离子及其他有害物质更容易渗透进

入试件内部，并且随着海水浓度的增加，这种现象更为显著。

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[5] GB/T 17671-1999,

水泥胶砂强度检验方法[S].北

京：中国标准出版社，

1999.

（上接第108页）

应当包括上位机（工业PC机）、区域控制器、智能模块 三大部分。——工业PC机负责完成机器人系统管理，将

操作员发出的位姿指令下传至区域控制器，并对机器人

进行实时监控；

区域控制器包括数字信号处理器

（32位

DSP ）、

CAN总线接□模块、以太网模块、外扩存储器模块、

电源管理模块，负责进行机器人各关节坐标变换、生成轨

迹、运动协调计算

；

智能模块由

16位DSP

、编码器接口

模块、CAN总线接□模块、电机驱动模块、电源管理模块、

外扩存储器模块组成，负责检测机器人位姿，

实时采集机

器人工作状态，完成机器人各关节伺服运动控制。在设计工业机器人运动控制系统时，应秉持模块化设

计原则，采用组合式结构搭建三级多个CPU控制系统， 这样可以避免集中控制结构封闭、计算负担重、实时性差 的问题；三级多个CPU控制系统其中的每一级控制器分

别对应单一、完整的任务，

可以实现更高的系统性能，同

时降低开发成本，

缩短开发周期

。

在设计工业机器人运动控制系统时，还应用分布式控