孟英楠

（沈陽電站泵有限公司，遼寧沈陽 110141）

0 引言

在科技與經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，單純的經(jīng)濟(jì)實(shí)力已經(jīng)不足以衡量一個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代化水平，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用情況已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家自動(dòng)化水平高低的重要標(biāo)志之一。為促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的推廣使用，國(guó)家工信部發(fā)布了系統(tǒng)詳細(xì)的工業(yè)機(jī)器人行業(yè)規(guī)范，在國(guó)家各種政策和高科技技術(shù)手段的支持下，工業(yè)機(jī)器人的時(shí)代已經(jīng)到來，工業(yè)智能化時(shí)代已經(jīng)臨近。在制造業(yè)發(fā)展遇到瓶頸，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)亟需轉(zhuǎn)型的形勢(shì)下，工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)將成為促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵一環(huán)，將在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與升級(jí)中發(fā)揮重要作用。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，不但可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，還能降低人力資源成本和生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的綜合效益。

1 工業(yè)機(jī)器人概述

機(jī)器人是一種可以自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器，工業(yè)機(jī)器人主要面向工業(yè)領(lǐng)域，是通過控制能力和自身的動(dòng)力完成各種操作的、具有多關(guān)節(jié)機(jī)械手和多自由度的裝置。工業(yè)機(jī)器人不但可以通過人工指揮進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，還可以事先編程讓其依據(jù)編好的程序進(jìn)行自行作業(yè)操作，此外，人工智能技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用也比較多。

工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了很多階段，從最初的“可編程”、“示教再現(xiàn)”機(jī)器人發(fā)展到數(shù)控機(jī)器人，又發(fā)展到具有傳感功能的、能識(shí)別與定位的工業(yè)機(jī)器人，如今的工業(yè)機(jī)器人正朝著具有行走能力、具有對(duì)外界環(huán)境的高適應(yīng)能力和多種感知能力的方向發(fā)展。

工業(yè)機(jī)器人主要由3部分構(gòu)成，分別為主體、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。主體包括機(jī)器人的手部、腕部和臂部，主要指裝置的機(jī)座、行走機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)依據(jù)事先設(shè)置好的程序?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)作，一般包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力裝置。

工業(yè)機(jī)器人因具有生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)質(zhì)量高，生產(chǎn)自動(dòng)化程度高且能完成人工不便完成的高危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。

2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與功能

2.1 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人是一種具有多自由度的機(jī)器裝置，一般的工業(yè)機(jī)器人需要3～5個(gè)自由度，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的機(jī)器人則需要幾十個(gè)自由度。每個(gè)自由度都可以組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人在各種坐標(biāo)下都可以對(duì)其手足狀態(tài)進(jìn)行描述，且可以對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行有針對(duì)性的變換和選擇，控制系統(tǒng)離不開動(dòng)力學(xué)和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)知識(shí)。為使工業(yè)機(jī)器人能夠更好地按照人的意志工作，通過計(jì)算機(jī)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制并給機(jī)器人一定的智能操作空間，一般用非線性數(shù)學(xué)模型來對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)進(jìn)行描述，模型參數(shù)隨工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而改變，各變量之間存在耦合作用，一般情況下，工業(yè)機(jī)器人可以通過多種路徑或者多種方法來執(zhí)行動(dòng)作，但最優(yōu)路徑或方式只有一種。高級(jí)工業(yè)機(jī)器人可以通過計(jì)算機(jī)建立信息庫，通過人工智能的方法利用信息庫進(jìn)行控制和操作。

2.2 工業(yè)機(jī)器人的主要功能

工業(yè)機(jī)器人具有很多功能，其中以運(yùn)動(dòng)控制功能和示教再現(xiàn)功能最為顯著。運(yùn)動(dòng)控制功能可以控制工業(yè)機(jī)器人操作器的速度和位姿；示教再現(xiàn)功能是指控制系統(tǒng)可以通過多種方式把操作位置、動(dòng)作速度、動(dòng)作順序等信息教給機(jī)器人，示教后，工業(yè)機(jī)器人記憶系統(tǒng)將自動(dòng)記錄儲(chǔ)存示教過程，當(dāng)需要執(zhí)行示教操作過程時(shí)，工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)記憶存儲(chǔ)的內(nèi)容自動(dòng)執(zhí)行。

3 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成和控制方式

3.1 控制系統(tǒng)組成

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由控制計(jì)算機(jī)、示教盒、傳感器接口、軸控制器和輔助設(shè)備控制等部分組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)組成

通常使用微處理器或微型計(jì)算機(jī)作為工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)是控制系統(tǒng)的綜合指揮調(diào)度機(jī)構(gòu)。示教盒通過串行通信的方式與主計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互，具有獨(dú)立的儲(chǔ)存單元和CPU，主要作用是設(shè)定參數(shù)、工作軌跡以及對(duì)所有的人機(jī)交互進(jìn)行示教。傳感器包括視覺、力覺和觸覺傳感器，主要的作用是檢測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人柔順控制。軸控制器主要起對(duì)工業(yè)機(jī)器人的速度、加速度以及工業(yè)機(jī)器人各操作關(guān)節(jié)的位置進(jìn)行控制的作用。輔助設(shè)備控制主要調(diào)節(jié)控制與工業(yè)機(jī)器人相互配合的輔助設(shè)備。

3.2 控制方式

（1）點(diǎn)位控制。只對(duì)工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行器作業(yè)中的某些點(diǎn)進(jìn)行位姿控制的控制方式。在這種控制方式下，不會(huì)規(guī)定工業(yè)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置的工作軌跡，而只對(duì)工業(yè)機(jī)器人在相鄰各點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)的速度和位置精度進(jìn)行規(guī)定，規(guī)定要求工業(yè)機(jī)器人盡可能快速、準(zhǔn)確地在相鄰各點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)。

（2）連續(xù)軌跡控制。對(duì)工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行器作業(yè)中的位姿進(jìn)行連續(xù)控制，不但對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡進(jìn)行規(guī)定，而且對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度和位置精度也提出要求，要求工業(yè)機(jī)器人能按照事先規(guī)定好的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，需要達(dá)到一定的運(yùn)動(dòng)精度，并且要求在完成工作的過程中速度可控、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、軌跡光滑。

（3）力矩控制。主要應(yīng)用于抓放物體或是裝配物體作業(yè)，要求高精準(zhǔn)的確定位置，必須使用適當(dāng)?shù)牧貓?zhí)行操作。

（4）智能控制。利用自身的傳感設(shè)備對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行了解，然后根據(jù)內(nèi)部知識(shí)儲(chǔ)存做出具體的執(zhí)行決策，這種工業(yè)機(jī)器人控制方式就是智能控制方式，在智能控制方式下，工業(yè)機(jī)器人不但具有很好的自學(xué)能力，而且對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)能力也比較強(qiáng)。

4 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)機(jī)器人最初應(yīng)用于汽車制造行業(yè)，隨著科技的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域不斷的拓展和延伸。它不但可以在常規(guī)環(huán)境下代替工人進(jìn)行作業(yè)，在一些高危、高溫、高熱、有毒有害環(huán)境下，工業(yè)機(jī)器人的作用更為顯著。在一些惡劣的工作環(huán)境中，工業(yè)機(jī)器人可以代替工人進(jìn)行重復(fù)性高、繁重的作業(yè)，保證工人的人身安全，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。由于工業(yè)機(jī)器人自身的諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域，惡劣的工作環(huán)境，特殊的工作場(chǎng)合以及高危工作等方面。

自動(dòng)化生產(chǎn)中常用的工業(yè)機(jī)器人主要有焊接機(jī)器人、檢測(cè)機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、噴漆和噴涂機(jī)器人和裝配機(jī)器人。焊接機(jī)器人主要是在汽車制造廠中應(yīng)用于焊接車身結(jié)構(gòu)和承重大梁；檢測(cè)機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)中主要是承擔(dān)確定零部件尺寸，控制零部件質(zhì)量以及對(duì)零部件進(jìn)行分類的任務(wù)；材料搬運(yùn)機(jī)器人主要是用于卸貨、上下料、定向抓取零件，碼垛等工作；噴漆和噴涂機(jī)器人主要是用于噴漆和噴涂作業(yè)，這項(xiàng)作業(yè)要求機(jī)器人的自由度不能少于5個(gè)，為了便于機(jī)器人行走，也可以將工業(yè)機(jī)器人放到導(dǎo)軌上進(jìn)行作業(yè)；在所有的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，裝配工作相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)用于裝配工作的裝配機(jī)器人，必須配備聽覺傳感器、視覺傳感器、觸覺傳感器、接近傳感器等多種傳感器才能保證裝配工作的順利進(jìn)行。

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在技術(shù)、功能等方面上都越來越強(qiáng)大，已經(jīng)從最初的簡(jiǎn)單控制發(fā)展到連續(xù)控制以及對(duì)復(fù)雜過程的控制，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展過程也是工業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高的過程，在工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)擁有良好的發(fā)展前景。