工业机器人控制概述

工业机器人控制概述

摘要：本概述简单介绍了工业机器人的定义及发展,介绍了有关工业机器人控制的特点、功能、控制方式及控制系统的组成。对比说明目前应用于工业机器人的驱动器特点，包括电驱动器、液压驱动器，并针对在工业机器人中应用最为广泛的电动执行器，分析工业机器人对于电动驱动器的具体应用要求。列举了几种在工业机器人技术中常用的控制策略, 如变结构控制、自适应控制、鲁棒控制和智能控制等。最后通过分析全球控制器专利的分布，对目前机器人控制的各国发展的说明，探讨了工业机器人控制技术的发展趋势。

关键字：工业机器人、控制、控制策略; 发展趋势

0.前言

随着生产和科技的进步，人们需要用及其代替人完成一些人类无法完成或不能高质量完成的任务。另外由于市场经济的发展，对增加商品种类、提高质量、降低成本提出了越来越高的要求，产品生产也从单一品种、大批量生产向多品种、小批量过渡。机器人正是为使用生产自动化及市场应变性地更高要求而出现的。

国际机器人联合会(International Federation of Robotics，IFR)将机器人定义如下：机器人是一种半自主或全自主工作的机器，它能完成有益于人类的工作，应用于生产过程称为工业机器人，应用于特殊环境称为专用机器人(特种机器人)，应用于家庭或直接服务人称为(家政)服务机器人。这种内涵广义的理解是机器人自动化机器，而不应该理解为如翻译的像人一样机器。

国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)对机器人的定义为“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。按照ISO定义，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人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器；它接受人类的指令后，将按照设定的程序执行运动路径和作业。

可以按照许多标准将机器人分类。按照发展程度将机器人分为三代：第一代机器人是以“示教-再现”方式工作的机器人，这种机器人目前已在生产中得到广泛应用；第二代机器人是具有一定传感装置，能利用所获取的环境与操作对象的简单信息进行反馈控制的机器人，这种机器人目前已有少量应用；第三代机器人是具有多种感知功能，可进行推理判断，能再未知工作环境中独立工作的机器人。

机器人也常按照功能，分为工业机器人、遥控机器人和智能机器人。工业机器人（Industrial Robot），它是应用于工业自动化领域的机器人，越大多数按照“示教-再现”方式进行重复作业。遥控机器人

（Telerobot），它是接受遥控指令而进行远距离作业的机器人，主要用于宇航、海底、核工业及真空等领域。智能机器人（Intelligent Robot）具有运动、感知、学习、适应、逻辑判断以及人机通功能的机器人，属于第三代机器人。

机器人领域的主要研究方向有：机器人机械结构设计，机器人传感器研究，机器人运动轨迹设计与规划，机器人运动学，动力学与控制，机器人欧诺个只语言，机器人视觉、听觉等系统的研究，机器人智能研究等。

1. 工业机器人控制

正如大脑是人类的灵魂和指挥中心，控制系统可称之为机器人的大脑。机器人的感知、潘丹、推理都是通过控制系统的输入、运算、输出来完成的，所有行为和动作都必须通过控制系统发出相应的指令来实现。工业机器人要与外围设备协调动作，共同完成作业任务，就必须具备一个功能完善、灵敏可靠的控制凶。工业机器人的控制系统可分为两大部分：一部分是对其自身运动的控制，另一部分是工业机器人与周边设备的协调控制。

1.1 工业机器人控制系统的特点

工业机器人的结构是一个空间开链机构，各个关节的运动是独立的为了实现末端点的运动轨迹，需要各关节的运动协调，因此工业机器人的控制比较复杂，具体有：

1）控制与机构运动学及动力学密切相关；

2）一般至少要有3-5个自由度；

3）机器人控制系统必须是一个计算机控制系统，才能将多个独立的伺服系统协调控制；

4）仅仅利用位置闭环还不够，还需要利用速度甚至加速度闭环，系统经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法；

5）机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，存在“最优”的问题。

总之，机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理相关、有耦合、非线性的多变量控制系统。

1.2 工业机器人控制系统的主要功能

工业机器人的控制系统的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等项目，主要功能有示教再现功能和运动控制功能。

示教再现控制的主要内容主要包括示教及记忆方式和示教编程方式。其中，示教的方式种类较多，集中示教方式就是指同时对位置、速度、操作顺序等进行的示教方式，分离示教是指在示教位置之后，再一

边动作，一边分辨示教位置、速度、操作顺序等的示教方式。采用半导体记忆装置的工业机器人，可使得记忆容量大大增加，特别使用与复杂程度高的操作过程的记忆，并且记忆容量可达无限。

工业机器人的运动控制是指工业机器人的末端执行器从一点移动到另一点的过程中，对其位置。速度和加速度的控制，一般是通过控制关节运动来实现。关节运动控制一般分为两步进行：第一步是关节运动伺服指令的完成，及指将末端执行器在工作空间的位置和姿势的运动转化为由关节变量表示的时间序列或表示为关节变量随时间变化的函数。第二步是关节运动的伺服控制，即跟踪执行第一步所生成的关节变量伺服指令。

1.3 工业机器人的控制方式

工业机器人的控制方式根据作业任务不同，可分为点位控制方式(PTP)、连续轨迹控制方式(CP)、力(等力矩)控制方式赫尔智能控制。

点位控制方式是只控制工业机器人末端执行器在作业空间中某些规定第离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹则不做任何规定，主要技术指标是定位精度和运动时间。这种孔氏方式易于实现，但精度不高，一般用于上下料、搬运等只要求目标点位姿准确的作业中。

连续轨迹控制是连续地控制工业机器人末端执行器在作业空间中的位姿，要去其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，且速度可控，轨迹光滑运动平稳，主要技术指标是末端执行器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。

力（力矩）控制，是用于在完成装配等工作室，除要求定位准确，还要求有适度力（力矩）进行工作，这种控制方式的控制原理基本类似于伺服控制原理，只是输入量反馈量是力（力矩）信号.

智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身诶不的知识库相应作出决策，具有较强的环境适应性和自学习能力，智能控制技术涉及人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。

1.4 工业机器人的驱动器

1.4.1驱动器

驱动器即将能量(电能、液压能等)转换成机械能，使机器人各关节工作的装置，常见的有步进电机驱动器、直流电机驱动器、交流电机驱动器、液压驱动器、气压驱动器等。

步进电机是一种将输入脉冲信号转换成相应角位移的旋转电机，可以实现高精度的角度控制。步进电机不雅啊哦哦反馈控制，电路简单，可以对数字信号直接进行控制，因此能很容易与微型计算机连接。停