浅谈工业机器人

浅谈工业机器人

发表时间：2018-05-16T17:18:46.193Z 来源：《基层建设》2018年第3期作者：杜景荣王重人程嘉锐刘飞鸿[导读] 摘要：工业机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来的，因此两者之间并没有什么不同。

齐齐哈尔工程学院机电工程系齐齐哈尔 161000 摘要：工业机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来的，因此两者之间并没有什么不同。在工业上，工业机器人承担的工作越来越多，智能化和自动化的趋势越来越强，机器人的高效率的工作，极大的提高了生产效率，节省了人工，解放了一部分重劳动力的工作人员。

关键词：控制系统；智能控制；适应性

1、工业机器人的控制系统特点和基本要求

1.1特点

工业机器人有若干个关节，典型的工艺机器人有五至六个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作；工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动;工业机器人的工作任务是要求操作机的手部进行空间点位运动或者链接轨迹运动，对工业机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算；工艺机器人的数值模型是一个多变量，费线性和变参数的复杂模型，各个变量之间还存在着耦合，因此，工艺机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂的控制技术；较高级的工业机器人对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。

1.2工业机器人控制系统的基本要求有：

实现对工业机器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，对于连续轨迹运动的工业机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能；方便的人-机的交互功能，操作人员采用直接指令代码的形式对工业机器人进行作业指示。使得工业机器人具有作业知识的记忆、修改和工作程序的跳转功能；具有对外部环境的检测和感觉功能，为使工业机器人具有对外部状态变化的适应能力，工业机器人能对诸如视觉、力觉、触觉等有关信息进行诊断、理解等功能，在自动生产线中，工业机器人应有与其它设备交换信息的能力；具有诊断、故障监视等功能。

2、工业机器人控制系统的分类

2.1程序控制系统

目前工业用的绝大多数第一代机器人属于程序控制机器人，其程序控制系统的结构包括程序装置、信息处理器和放大执行装置。信息处理器对来自程序装置的信息进行变换，放大执行装置则对工业机器人的传动装置进行作用。

2.2适应性控制系统

适应性控制系统多用于第二代工业机器人，即拥有知觉的工业机器热，它具有力觉、触觉或视觉等功能。在这类控制系统中，一般不事先给定运动轨迹，由系统根据外界环境的实时状态实现控制，尔外界环境状态用相应的传感器来检测。

2.3智能控制系统

智能控制系统是最高级、最完善的控制系统，对外界环境变化不定的条件下，为了保证要求的品质，控制系统的结构和参数能自动改变。智能控制系统具有检测所需要新信息的能力，并能通过学习和积累经验不断完善计划，该系统在某种程度上模拟了人的智能活动过程，具有智能控制系统的工业机器人为第三代工业机器人，即自治式工业机器人。

3、工业机器人的控制系统

目前大部分的工业机器人都采用二级计算机控制，第一级为主控制机，第二级为伺服控制系统。主控制级由主要控制计算机及示教盒等外围设备组成，主要用以接受作业指令，协调开关运动，控制运动轨迹，完成作业操作，伺服控制级为一组伺服控制系统，其主体亦为计算机，每一伺服控制系统对应一定关节，用于接收主控制计算级向各关节发出的位置、速度等运动指令信号，以及实时控制操作机各关节的运行。

系统的工作过程是：操作人员利用控制键盘或示教盒输入作业要求，比如要求工业机器人手部在两点之间连续轨迹运动。主控制计算机完成以下工作，分析解释指令，坐标变换，弥补计算，矫正计算，最后求取相应的各个关节协调运动参数。坐标变换即用坐标变换原理。根据运动学方程和动力学方程计算工业机器人与工件的关系，相对位置和绝对位置的关系，是实像控制所不可缺少；插补计算是用直线的方法解决教点之间的过渡问题；矫正计算是为了方便保证在手腕轴运动过程中保持与工件的距离好姿态不变对手腕各轴的运动误差补偿量的计算。运动参数输出到伺服控制级作为各个关节伺服系统的给定信号，实现各关节确定运动。控制操作机完成两点间的连续轨迹运动，操作人员可以直接监视操作机的运动，也可以从显示器控制屏幕上得到有关信息。这一过程反映了操作人员、主控制级、伺服控制级和操作机之间的关系。

主控制级的主要功能是建立操作和工业机器人之间的信息通道，传递作业指令和参数，反馈工作状态，完成作业所需要的各种计算，建立与伺服控制级之间的接口。总之，主控制级是工业机器的“大脑”。

3.1主控制计算机

主要完成从作业任务，运动指令到关节运动要求之间的全部运算，完成机器人所有设备之间的运动协调。对主控制计算机硬件方面的主要要求是运算速度和精度，存储容量及中断处理能力。

3.2主控制软件

工艺机器人控制编程软件是工业机器人控制系统的重要组成部分，指令的分析解释；运动规划；插值计算；坐标变换。

4、工业机器人的应用

工业机器人能够高强度的地、持久地在各种工作环境中从事单调重复的劳动，使得人类从繁重的体力劳动中解放出来。人在连续工作几个小时之后，特别是重复性单调的劳动会产生疲劳和厌倦的感觉，工作效率降低，出错率上升，而工业机器人在正常的额定工作条件下是不受时间限制的。例如：汽车制造生产线中的电焊和螺纹件装配的工作量极大，且由于采用传送带流水作业，速度快，上下工序衔接严格，所以采用工业机器人保质保量的完成生产任务。

工业机器人对工作环境有很强的适应能力，能够替代人在有害的环境中从事危险的工作，只要根据工作环境的情况，对工业机器人的用材和结构进行适当的选择，并进行合理的设计，就可以在夜场高温或者低温、异压的场合，在有害气体、粉尘、烟雾、放射性辐射等环境下从事操作作业，也可以由工艺机器人代替从事灭火、消爆、排雷、高空作业等高危作业。

使用平面关节型工业机器人的电弧焊和切割的工业机器人系统，由敢接工艺机器人操作机以及控制系统，焊接电源，焊接电源、焊接工具以及焊接材料供应装置，焊接夹具以及其控制装置组成。

5、工业机器人的优势

节约成本，机器人可以24小时进行操作。另外，采用工业机械手操作的模式，自动流水线更能节省厂地，使整厂规划更小更紧凑精致。

生产效率高，机械手生产一件产品耗时是固定的。同样的生存周期内，使用机械手的产量也是固定的，不会忽高忽低。并且每一模的产品生产时间是固定化，产品的成品率也高，使用机器人生产更符合老板利益。

安全系数高，采用机械手生产，可以更大程度保障工人的工作安全性。不会出现由于工作疏忽或者疲劳造成的工伤事故。在需要倒班的生存车间中，晚上更容易出现生理性疲劳，导致发生安全事故，使用机械手则可确保安全生产。另外，有些较为危险的工种，采用工业机器人操作，精确度更高，稳定性更高，安全性更强，可以保障人员安全。

参考文献：

[1] 杜祥瑛.工业机器人及其应用[M].机械工业出版社.2004

[2] 马光.申桂英.工业机器人的现状及发展趋势[J].组合机床与自动加工技术.2004

[3] 吴振彪.工业机器人[M].华中科技大学出版社.2002