工业机器人机械设计方法与机器人算法分析

苏勃赫 张文瑞 杨兴旺 王树伟 王雪

摘要：本文分析了国内的机器人现状，并且从明确设计任务、预测原始可靠性、使用高刚度构造、选择高强度材料四个方面分析了工业机器人机械设计的方法，另外从PID控制法、滑模控制算法、迭代学习控制算法三个方面分析了工业机器人的常用算法，希望能为相关人员提供参考。

关键词：工业机器人;机械设计方法;算法分析

前言：

随着科学不断的进步，工业用机器人的使用领域也在不断的扩大，对我国工业发展起到了一定的作用。为提升智能设备的利用效率，相关部门应该对工业机器人的设计方法和机器人算法进行整体的优化，从而能让工业机器人被应用到更广的场合中。

1.国内机器人现状

我国的机器人研究始于1997年的北京机械工业自动化实验室，从该实验室开办开始，对于我国的大型工业机器人的相关研究已经提上了我国的发展日程，国家开始举办各种研究课题和项目，为促进工业生产中大型机械设备的应用打下了良好的基础。现在，经过多年的发展以后，我国目前已经基本掌握了机器人的结构、机器人的运动控制和计算方法，并且已经在多种工业领域实际运用了大型的工业机器人，但是国产机器人的加工稳定程度和加工速度目前正有待提升，相关核心技术仍然有待突破。

2.工业机器人机械设计方法分析

2.1明确设计任务

应用于工业生产的大型机器人和应用于其他项目的机器人的设计有着相似之处和不同之处，一般，应用于工业的机器人运动分析方法和具体的设计，还有机械机制都于普通机械不同，需要设计者在进行大型工业机器人设计的时候明确设计的任务。工业机器人应该严格按照使用和要求的任务来进行设计，同时结合使用的环境来差异性的设计机器人。如应用于喷漆工作的机器人必须具有防爆性，而水下机器人则需要考虑密封车身等方面。在进行设计的时候，要尽量使机器人整体能够方便安装，以方便使用。

2.2预测原始可靠性

在机器人的初始设计阶段，可以通过应用手段对机器人组件和系统机械的可靠性进行预测，预测机器人组件的可靠性时可以对组件的使用寿命进行计算，可采用的方法有查表法、类比法等。預测机器人软件的可靠性则可以采取多重分析、神经网络和对分类收益树等多种预测方法，从而确保机器人所搭载的软件稳定可靠，能够胜任工业的需求。在进行机器人制造的时候，需要对制造机器人所使用的零件进行可靠性分析，对所用的零件进行可靠性测试。在制造完成，准备投入实际使用之前，工厂方面也应该及时检查，发生错误报告要及时进行反馈。

2.3使用高刚度构造

由于材料的刚度会对机器人的精度造成影响，在一定的载荷下，材料的刚度越大，结构的变形越小。在进行机器人的设计工作时，应该贯彻刚度比强度更重要的原则，仔细对机器人的制造材料进行甄选。对于机器人自身的结构来说，材料的刚度不仅与其自身的弹性有关。而且和结构的横截面积之间有一定的联系。所以为了提高机器人结构的整体刚度，减少元件弯曲变形的情况发生，需要在进行机器人的设计工作时适当设计横截面的形状和大小，确保力和力矩能够布置在元件上。

2.4选择高强度材料

机器人的手臂在机器人从事的日常生产工作中负责大量的业务工作，是机器人整体最重要的运动部件。所以为了提升机器人的运动效率，降低机器人的日常磨损情况，在进行机器人的手臂设计使，应该采用较为轻质的材料。同时，由于机器人的手臂为机械的末端，在日常的工作中会客服最大的力矩，所以一般工艺机器人的末端是变形最强的区域。为了对机器人的变形情况加以环节，在进行工业机器人的整体设计时，需要在机器人的手臂末端使用预算范围内强度最高、密度最低的材料。

3.工业机器人算法分析

目前常用的机器人常用控制法有PID控制法、滑模控制算法、迭代学习控制算法等。

3.1PID算法

PID算法的历史较为悠久，是现在使用的时间最长、应用范围最广的算法。该算法广泛应用与各种工业现场，在不同的机器人设计中都能取得较为良好的作用。该算法拥有控制简单、无需建模而且易于实现的优点，是最能反馈控制思想的方法。该算法的执行流程是通过反馈来检测偏差的信号，并且通过偏差信号来实现对被控量的控制。该算法的控制公式有位置型和增量型两种，在使用时需要设计者结合具体的情况来进行选择。

3.2滑模控制算法

滑块控制算法具有能够根据预设滑模板进行滑动来提高整体系统性能的功效，整体操作较为灵活，同时也易于实现多种系统功能，但是该算法在具体的操作时切换的频率较高，对系统硬件的要求也较为严格。同时，滑模在且二环的过程中会对电机造成一些冲击，会对电机的正常使用寿命造成一定的影响。需要对这种算法进行改良。

3.3迭代学习控制算法

迭代学习控制算法则属于智能控制的范畴，属于以数据驱动控制目标，对不知道具体动作模型的对象进行控制，一般被应用于动态目标的跟踪方面。该算法的核心机制为“可重复性+记忆”，可重复性指的是，控制对象在多次实验中，动态保持一致（一样）;记忆指的是，第k+1次的控制输入能利用前面k次（一般是第k次）的实验信息。分为开环学习的方式和闭环学习的方式。

4.结论

在工业机器人的整体设计工作中，按照标准化的设计对机器人的整体制造进行有序的设计工作，有助于设计出能够完善处理工业机制的机器人，能够极大程度上的提高科学发展，促进机器人结构和算法的整体改良发展。

参考文献

[1] 张鑫. 工业机器人机械设计方法与机器人算法研究[J].农家参谋. 2020（24）.

[2] 刘暾东，陈馨，吴晓敏，邵桂芳. 工业机器人运动规划研究进展[J]. 自动化博览. 2020（04）.

[3] 赵建峰，徐志玲，厉志飞，沈斌，陈刚. 工业机器人绝对定位精度测量的研究[J]. 机床与液压. 2020（03）.

[4]. 龙凯，张卫兵. 高职院校《工业机器人技术》课程教学改革[J]才智. 2016（24）.

[5] 李红. 日本的工业机器人为什么发展特别快？[J].机器人技术与应用. 1995（02）.

[6] 张保生. 机器制造业中工业机器人的发展趋向[J].唐山工程技术学院学报. 1991（04）.

[7] 晓云.  采用工业机器人经济效益的确定方法[J].国外自动化. 1985（05）.

[8] 于果然.  工业机器人在工业发展与现代生活中的应用[J].大众标准化. 2020（23）.

作者简介：苏勃赫（1996.8—），男，汉族，籍贯：河北张家口人，北华航天工业学院电子与控制工程学院，20级在读研究生，硕士学位，专业：电子信息，研究方向：控制工程.