基于工业机器人技术在自动化控制中的实践分析

闵 超

（湖北国土资源职业学院，湖北 武汉 430090）

0 引言

我国工业技术和人工智能技术飞速发展，推动了工业生产智能化和自动化进程，目前工业机器人技术在工业生产自动化控制过程中应用极为广泛[1]，如产品自动包装、物流分拣运输、元件焊接、绘画喷涂等多个领域均应用工业机器人完成大部分工作内容，因此工业机器人技术在自动化控制领域发挥着举足轻重的作用。就目前来看，工业机器人技术虽然在不同自动化控制领域应用较为广泛[2]，但当前并没有详尽的工业机器人技术在自动化控制领域中的实践研究，为呈现工业机器人技术在自动化控制领域中的应用效果，本文从焊接工业机器人角度入手，对工业机器人技术在自动化控制中的实践展开详尽分析。

1 工业机器人技术在自动化控制中的实践

工业机器人分为多种类型，本文以焊接领域的工业机器人技术作为研究视角，分析该工业机器人技术在自动化控制中的实践。

1.1 焊接工业机器人技术的起始点识别与定位方法

焊接工业机器人负责焊接不同类型电子元件、设备等，其代替人工焊接后，不仅可提升焊接效率还可提升焊接质量。但焊接工业机器人在工作过程中[3]，受机械定位误差和替换焊丝影响，其焊枪与焊缝之间会存在误差，导致焊接工业机器人技术在自动化控制过程中应用效果不佳。在此利用工业CCD 相机拍摄焊点图像，利用图像处理技术识别焊枪焊接起始点并定位，保障焊接工业机器人焊枪对准焊缝起点。给出焊接工业机器人技术系统结构，如图1 所示。

图1 焊接工业机器人技术系统结构

在焊接工业机器人技术系统结构内，利用工业CCD 相机采集焊接机器人焊接起始点图像，利用图像识别技术得到焊接机器人焊枪位置，在理想状态下[4]，焊枪起始点位置是规则圆形区域，该圆形的圆形即为焊枪位置，但在焊接工业机器人实际运行过程中，受焊接机器人动力系统以及焊接电流、电压等因素影响，焊缝起点位置圆形呈现不规则状态。为使焊接机器人焊接起始点位置更加清晰[5]，先对焊接起始点图像进行线性灰度变换，提升焊接起始点图像亮度，使图像内焊接起始点区域更加清晰。

令y表示线性灰度变换后的焊接起始点图像灰度，x表示焊接起始点图像初始灰度值，则焊接起始点图像线性灰度变换表达公式如下：

式中，a、b表示预先设置的线性变换灰度阈值。通过调节该阈值，即可提升焊接起始点图像亮度。

以线性灰度变换后的焊接起始点图像为基础，利用Prewitt 算子去除焊接起始点图像内干扰噪声和获取其边缘，则焊接起始点图像内x和y方向的Prewitt算子表达公式如下：

式中，Sx、Sy分别表示焊接起始点图像内x和y方向的Prewitt 算子。利用该公式可去除焊接起始点图像内干扰噪声。

令f[i，j]表示焊接起始点图像边缘位置，其表达公式如下：

式中，UT表示焊接起始点图像边缘位置灰度阈值；Ux、Uy分别表示行和列的灰度值；i、j表示焊接起始点图像边缘位置像素点。通过调节行和列的灰度值可保留较长且有效的焊接起始点图像边缘。

提取到焊接起始点图像边缘位置后[6]，采用霍夫变换方法提取焊接起始点的圆形感兴趣区域，该圆形感兴趣区域的中心即为焊接工业机器人技术的起始点识别与定位结果。令r表示焊接起始点图像圆形感兴趣区域半径，其圆心坐标由（m，n）表示，则该焊接起始点图像圆形感兴趣区域在参数空间内表达公式如下：

式中，（xi - yi）表示焊接起始点图像边缘坐标。

以公式（5）结果为基础，利用霍夫变换算法，在参数空间内建立三维累加数组，该数组由A（m，n，r）表示，按照焊接起始点图像数据点计算累加数组的累加和后，将数值最大三维数组的作为焊接起始点圆形区域，该区域圆心为焊接点定位点。

1.2 工业焊接机器人焊缝跟踪控制方法

工业焊接机器人运动机构由两个驱动电机组成，共有2 个轮，前轮为辅助轮后轮为驱动轮，驱动电机可驱动焊枪向上下、左右移动。令AXY表示工业焊接机器人的全局坐标系，BX1Y1为工业焊接机器人的移动坐标系，由于焊接机器人在跟踪焊缝时，其焊缝为横向，需要将工业焊接机器人移动坐标系转换为全局坐标系，即可得到焊枪在全局坐标系内的位置姿态，其表达公式如下：

式中，W表示焊枪位置；B为移动坐标系原点；γ表示工业焊接机器人全局坐标系与移动坐标系原点夹角；z1、z2、z3分别表示滑块到X、Y、Z三个方向的距离。

对工业焊接机器人坐标转换完成后，建立与焊接机器人的动力学模型，其表达公式如下：

式中，g表示焊接机器人状态向量；M（g）表示惯性矩阵；和分别表示g的一阶微分和二阶微分变量；Vm表示与焊接机器人速度相关的向心力项；F（）表示动静摩擦项；τd表示未知扰动；A（q）表示约束项。

以公式（6）和（7）结果为基础，设计滑膜变结构控制器，利用该控制器控制焊接机器人按照既定焊缝进行跟踪。定义滑膜变结构控制器控制切换函数如下：

式中，Lm表示滑膜变结构控制器控制切换函数；e表示焊缝跟踪偏差为焊缝跟踪偏差一阶微分变量；c0表示滑膜变结构控制器的负实部。

以公式（8）结果为基础，建立滑膜变结构控制器控制切换函数的控制函数，表达公式如下：

式中，v表示滑膜变结构控制器控制切换函数的控制量表示不确定项控制；ζ表示时变控制增益；sgn 为阶跃函数。

当工业焊接机器人全部状态量为已知时，可利用连续化函数替换符号函数，则其焊缝跟踪的变结构控制器表达公式如下：

式中，γ表示焊缝跟踪的变结构控制器；δ表示连续化参数；A-1表示约束矩阵的逆矩阵；H表示解耦矩阵。利用公式（10）即可实现工业焊接机器人焊缝跟踪。

经过工业机器人技术，即可实现工业焊接机器人在自动化控制中的应用。

2 实验分析

以某型号工业焊接机器人作为实验对象，该工业焊接机器人最大运动半径为1 736 mm，额定负载为30 kg，重复精度可达到±0.06 mm。为验证本研究的方法控制焊接机器人焊缝跟踪能力，设置了5 个焊缝点位，应用本文方法控制焊接机器人跟踪焊缝，分析跟踪点位和实际点位之间的偏差值，结果见表1。

表1 制焊接机器人焊缝跟踪结果

分析表1 可知，本方法应用后，该焊接机器人在跟踪焊缝点位是仅在编码为2 的焊缝X轴方向上的跟踪值与实际值存在偏差，但偏差数值仅为0.01 mm，该数值较小位于焊缝跟踪允许偏差内。上述结果说明：工业机器人技术应用后，可有效控制焊接机器人跟踪焊缝，焊接效果较好，具备较为显著的应用效果。

3 结语

从工业焊接机器人角度对工业机器人技术在自动化控制中的应用进行了实践分析，实践分析结果表明应用工业机器人技术可有效控制工业机器人在其应用领域的使用，有效提升了其领域应用效果。未来可将工业机器人技术更多应用在自动化控制中，为工业发展提供一定的支撑。