技术猿 | 机器的未来：自主控制系统

概览 机器制造商在开发可快速完成重复性任务的技术方面已经取得了很大的进展。下面我们来看一下如何将下一代机器集成到控制系统中。 当我们仔细研究机械行业的发展趋势时，总能发现可提升高端机器性能和吞吐量的新控制器技术、电机技术或节能算法，又或者了解到可降低机器设计成本的开发工具。在过去的几十年中，机器制造商在开发可日益快速完成重复性任务的机器方面已经取得了很大的进展。但是也不排除还有一些其他的趋势和技术可能也会对下一代机器及其集成到工艺流程的方式产生更为重要的影响。 过去几十年，机械行业一直专注于不断优化机械设备的运行速度，但目前却遭遇到新的瓶颈。高速运行和机器的满负荷运行加大了机械元件和工具的磨损。这使得维护及开发可确保正常运行时间的系统变得更加重要。此外，工业中的许多任务并不是完全重复的。针对某些应用问题的解决方案也远未实现，比如从容器中筛选出不规则形状的零件。最后也同样重要的一点是，一些生产制造过程仍需要大量的人工劳动。机械行业需要解决人类与机器或机器人系统一起工作时存在的安全问题。 环境、流程和机械参数等数据和信息的可用性对于解决机械行业的新挑战至关重要。因此，能够获取该类信息的传感器和测量技术在下一代机器中发挥了巨大的作用。在过去几十年中传感器市场的发展停滞不前，但近几年却发生了重大的变革。不断发展的传感器技术被应用到从智能手机到家庭自动化系统等许多电子设备中，传感器价格也降至有史以来的最低点。 您可以使用传感器来构建可识别所处环境、实时监测流程和了解机械组件健康状态的系统。然而，如果仅仅只是传感器，其价值并不会超过过去的控制系统。解决新挑战的关键在于构建控制系统，这些系统必须能够集成传感器数据、实时收集信息并可充分利用来自高速控制回路中各传感器的信息。具有工业级耐用性的高性能嵌入式系统，比如NI CompactRIO可通过模块化的I/O设备与各种传感器直接相连。利用可重配置现场可编程门阵列(FPGA)，您甚至可在信息传至实时处理器之前预处理传感器数据，之后实时处理器执行在NI LabVIEW图形化开发环境中开发的自定义控制或监控任务。 那么传感器和测量技术又是如何改变机器的未来呢？ 首先，您可以通过将先进的测量和传感器技术集成到机械系统及机器中来实现监测机器状态的应用。基于状态的维护系统有助于减少非正常停机、优化机器性能以及降低维修成本。此外，测量和传感器技术可用于提高机械和设备的安全性，并可在运行过程中随时为控制系统提供系统健康信息。您还可以通过嵌入式子系统添加机器状态监测任务，嵌入式子系统可通过网络技术连接到控制系统，也可作为另一个任务集成到控制系统中。

（图1. CompactRIO可连接数百个传感器和执行器，如图中所示的来自俄勒冈州立大学的应用） 其次，通过控制器与传感器信息之间更加无缝的集成，您可以构建自修复或自适应的机器和系统，根据诸如机械组件的特性变化来进行调整。通过让控制系统自动识别机械元件磨损造成的状态变化，可以实现机器启动或运行时自动采集数据的例行程序，并应用自适应控制算法，从而优化机器的运行效率。 最后，您可以通过集成先进传感器来开发动态机器，它能适应不断变化的环境参数和监测运行参数，以确保近乎完美的生产结果。根据采集的其他流程数据信息，机器可以检测出原材料的缺陷和变化，根据加工零件内部可能产生的振动进行调整，或者处理每个加工零件或每次流程循环中不同的任务。医疗机械和设备就是很好的例子，比如细胞分选系统或DNA测序仪必须处理一些像自然生长细胞之类的不可预知结构。这些系统根据从图像传感器、摄像系统或其他高级传感器系统收集到的信对处理过程进行大幅调整。

（图2. 高性能NI Smart Camera系统可用于开发视觉引导型机器人应用，图中为来自Vetraco的应用） 测量和传感器技术在控制应用中日益广泛的应用将会推动机器人机械行业的变革。如果仔细看看焊接机器人的精细操作就会发现，它们只是一遍又一遍地简单地重复预定义的动作。这就需要使用先进的传感器技术来改变已在行业中使用了数十年之久的工业机器人系统，以执行更高级的应用，比如从容器中筛选零件或者处理精细零件和产品。您可以使用触觉传感器、光探测和测距(LIDAR)以及摄像系统，使机器人能够侦测出人和物的出现及方位，或者控制对零件和物件的压力。这为机器人开辟了新的应用领域。 传感器一直是高端设备的一部分。随着新技术的发展、价格的不断降低以及可集成和处理来自各种传感器的信息的高性能控制系统的出现，您可以开发能够全面感知环境并监测所有机械和运行参数来适应不断变化的环境的下一代机器和设备。