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)濟飛速發(fā)展的今天，單純的經(jīng)濟實力已經(jīng)不足以衡量一個國家的現(xiàn)代化水平，工業(yè)機器人的應(yīng)用情況已經(jīng)成為衡量一個國家自動化水平高低的重要標志之一。為促進工業(yè)機器人的推廣使用，國家工信部發(fā)布了系統(tǒng)詳細的工業(yè)機器人行業(yè)規(guī)范，在國家各種政策和高科技技術(shù)手段的支持下，工業(yè)機器人的時代已經(jīng)到來，工業(yè)智能化時代已經(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)型的形勢下，工業(yè)機器人的出現(xiàn)將成為促進我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵一環(huán)，將在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與升級中發(fā)揮重要作用。工業(yè)機器人的應(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)機器人概述

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

工業(yè)機器人的發(fā)展經(jīng)歷了很多階段，從最初的“可編程”、“示教再現(xiàn)”機器人發(fā)展到數(shù)控機器人，又發(fā)展到具有傳感功能的、能識別與定位的工業(yè)機器人，如今的工業(yè)機器人正朝著具有行走能力、具有對外界環(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)動系統(tǒng)。主體包括機器人的手部、腕部和臂部，主要指裝置的機座、行走機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)。控制系統(tǒng)依據(jù)事先設(shè)置好的程序?qū)?zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)進行控制。驅(qū)動系統(tǒng)讓執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生動作，一般包括傳動機構(gòu)的動力裝置。

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

2 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點與功能

2.1 控制系統(tǒng)的特點

工業(yè)機器人是一種具有多自由度的機器裝置，一般的工業(yè)機器人需要3～5個自由度，設(shè)計比較復雜的機器人則需要幾十個自由度。每個自由度都可以組成一個多變量控制系統(tǒng)，工業(yè)機器人在各種坐標下都可以對其手足狀態(tài)進行描述，且可以對坐標進行有針對性的變換和選擇，控制系統(tǒng)離不開動力學和機構(gòu)運動學的相關(guān)知識。為使工業(yè)機器人能夠更好地按照人的意志工作，通過計算機對工業(yè)機器人進行控制并給機器人一定的智能操作空間，一般用非線性數(shù)學模型來對工業(yè)機器人的運動和狀態(tài)進行描述，模型參數(shù)隨工業(yè)機器人運動狀態(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)機器人可以通過多種路徑或者多種方法來執(zhí)行動作，但最優(yōu)路徑或方式只有一種。高級工業(yè)機器人可以通過計算機建立信息庫，通過人工智能的方法利用信息庫進行控制和操作。

2.2 工業(yè)機器人的主要功能

工業(yè)機器人具有很多功能，其中以運動控制功能和示教再現(xiàn)功能最為顯著。運動控制功能可以控制工業(yè)機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、動作速度、動作順序等信息教給機器人，示教后，工業(yè)機器人記憶系統(tǒng)將自動記錄儲存示教過程，當需要執(zhí)行示教操作過程時，工業(yè)機器人可以根據(jù)記憶存儲的內(nèi)容自動執(zhí)行。

3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成和控制方式

3.1 控制系統(tǒng)組成

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)主要由控制計算機、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 機器人控制系統(tǒng)組成

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

3.2 控制方式

（1）點位控制。只對工業(yè)機器人執(zhí)行器作業(yè)中的某些點進行位姿控制的控制方式。在這種控制方式下，不會規(guī)定工業(yè)機器人到達目標位置的工作軌跡，而只對工業(yè)機器人在相鄰各點之間運動的速度和位置精度進行規(guī)定，規(guī)定要求工業(yè)機器人盡可能快速、準確地在相鄰各點之間運動。

（2）連續(xù)軌跡控制。對工業(yè)機器人執(zhí)行器作業(yè)中的位姿進行連續(xù)控制，不但對工業(yè)機器人運動的軌跡進行規(guī)定，而且對運動的速度和位置精度也提出要求，要求工業(yè)機器人能按照事先規(guī)定好的運動軌跡和速度進行運動，需要達到一定的運動精度，并且要求在完成工作的過程中速度可控、運動平穩(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)，要求高精準的確定位置，必須使用適當?shù)牧貓?zhí)行操作。

（4）智能控制。利用自身的傳感設(shè)備對周圍環(huán)境進行了解，然后根據(jù)內(nèi)部知識儲存做出具體的執(zhí)行決策，這種工業(yè)機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)機器人不但具有很好的自學能力，而且對周圍環(huán)境的適應(yīng)能力也比較強。

4 工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)機器人最初應(yīng)用于汽車制造行業(yè)，隨著科技的進步、經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)機器人的功能越來越強大，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)機器人可以代替工人進行重復性高、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)機器人自身的諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)領(lǐng)域，惡劣的工作環(huán)境，特殊的工作場合以及高危工作等方面。

自動化生產(chǎn)中常用的工業(yè)機器人主要有焊接機器人、檢測機器人、搬運機器人、噴漆和噴涂機器人和裝配機器人。焊接機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；檢測機器人在自動化生產(chǎn)中主要是承擔確定零部件尺寸，控制零部件質(zhì)量以及對零部件進行分類的任務(wù)；材料搬運機器人主要是用于卸貨、上下料、定向抓取零件，碼垛等工作；噴漆和噴涂機器人主要是用于噴漆和噴涂作業(yè)，這項作業(yè)要求機器人的自由度不能少于5個，為了便于機器人行走，也可以將工業(yè)機器人放到導軌上進行作業(yè)；在所有的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，裝配工作相對復雜，應(yīng)用于裝配工作的裝配機器人，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行。

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟與科技的發(fā)展，工業(yè)機器人在技術(shù)、功能等方面上都越來越強大，已經(jīng)從最初的簡單控制發(fā)展到連續(xù)控制以及對復雜過程的控制，工業(yè)機器人的發(fā)展過程也是工業(yè)自動化程度不斷提高的過程，在工業(yè)自動化時代，工業(yè)機器人技術(shù)擁有良好的發(fā)展前景。