金艷

（天津市機電工藝學(xué)院，天津 300350）

工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制領(lǐng)域的應(yīng)用探討

金艷

（天津市機電工藝學(xué)院，天津 300350）

在工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用的過程中，涉及到很多的方面，自動化控制領(lǐng)域是其中主要的一部分。為了使工業(yè)機器人更好的在自動化控制領(lǐng)域進行應(yīng)用，本文對其進行了一定探討。

工業(yè)機器人技術(shù)；自動化控制領(lǐng)域；實踐應(yīng)用

在工業(yè)機器人當(dāng)中，共有三個大模塊，分別為機械模塊、傳感模塊與控制模塊，根據(jù)每個大模塊中功能的差異，又可以將其分為六個小模塊，分別為驅(qū)動模塊、機械結(jié)構(gòu)模塊、感受模塊、機器人-環(huán)境交互模塊、人機交互模塊、控制模塊。

1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的概述

1.1 功能

在工業(yè)機器人控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用當(dāng)中，主要有以下幾個功能。一是示教再現(xiàn)。在該系統(tǒng)應(yīng)用之前，工作人員可以將相應(yīng)的信息輸入到機器人，機器人就會將這些信息存儲到指定的位置上，當(dāng)人們需要這些信息時，通過相應(yīng)的方式，將其提取出來，對需要這些信息的人員進行講解，從而發(fā)揮出示教再現(xiàn)的作用。二是運動控制。即利用相應(yīng)的方式，以使機器人具有不同的移動速度、形態(tài)等。三是計算，根據(jù)機器人對周圍信息的收集，計算出環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這一數(shù)據(jù)制定出相應(yīng)的作業(yè)軌跡，利用其細化成各軸的伺服運動的控制策略。這一功能是整個控制系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一部分。四是反饋，機器人運行的過程中，不論是狀態(tài)、姿勢還是位置都會不斷的發(fā)生變化，這一變化對之后的工作會帶來一定的影響，所以應(yīng)在運動的同時，動態(tài)的對這些信息進行收集，并將其反饋給主系統(tǒng)中，從而使主系統(tǒng)能夠及時的了解整個系統(tǒng)的實際情況，根據(jù)情況制定出相應(yīng)的決策。機器人控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 機器人控制系統(tǒng)的工作原理

1.2 特點

機器人控制系統(tǒng)主要存在了以下幾個特點：一是自由度高。在控制系統(tǒng)當(dāng)中，控制能力越強，需要的伺服機構(gòu)就會越多，而每一個伺服機構(gòu)，都會以自由度的方式表現(xiàn)出來，因此，在機器人當(dāng)中，為了控制能力更強，一般都會具有很高的自由度。對于簡單的機器人來說，自由度通常為4個左右，對于復(fù)雜的機器人來說，自由度隨著控制能力的提升而增加，現(xiàn)階段，最高的自由度將近一百；二是在機器人運行的過程中，計算機高度的參與進來，通過其有效的控制，使整個系統(tǒng)能夠遵循機器人的方式活動；三是在機器人活動的過程中，有很多路徑可以進行，在這些路徑當(dāng)中往往會有一個最佳的路徑。

2 控制系統(tǒng)的組成與控制方式

2.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成與作用

在工業(yè)機器人控制系統(tǒng)當(dāng)中，主要由6個部分構(gòu)成。一是控制計算機，其是整個系統(tǒng)中的大腦，對整個系統(tǒng)的運行進行指揮與調(diào)節(jié)，采用的通常為微處理器；二是示教盒，可以利用該部分開展所有與示教有關(guān)的活動，如軌跡的設(shè)計、人及信息的交換等。在該部分當(dāng)中，存在獨立的微處理器與存儲器，通過串行通信的方法，與主系統(tǒng)進行連接；三是傳感器接口。通過該部分對信息進行檢測，以使機器人的控制更加柔順，該部分通常為力覺、視覺等傳感器。四是軸控制器。該部分是對機器人各關(guān)節(jié)進行控制，從而完成對機器人運動活動的控制；五是輔助控制。在機器人運行的過程中，往往還需要使用一些其他的設(shè)備，這些設(shè)備使用時，就需要輔助控制模塊來進行控制。

2.2 工業(yè)機器人的控制方式

當(dāng)前階段中，工業(yè)機器人的控制方式有很多，根據(jù)作業(yè)活動之間的差異，可以將其分為以下幾種：一是點位控制。記載其運行的過程中，機器人獨自的確定出自身與目標的位置，通過兩個位置設(shè)計出最佳的活動路徑；二是智能控制，即利用內(nèi)部的傳感裝置，采集附近的各種信息，并傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)會根據(jù)這些信息發(fā)布相關(guān)的指令；三是觸覺控制。即通過傳感裝置，對自身周圍進行感知，發(fā)現(xiàn)路徑當(dāng)中的障礙物，并對路徑進行重新設(shè)定。

2.3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在工業(yè)機器人控制系統(tǒng)當(dāng)中，主要有集中控制、主從式控制與分布式控制。

（1）集中控制。所謂的集中控制，也就是在運行的過程中，通過一臺計算機，對所有的活動進行控制，是很早期的一種控制結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)當(dāng)中，對計算機具有非常大的要求，必須存在較強的功能。在以往的階段中，由于計算機技術(shù)發(fā)展的不成熟，生產(chǎn)成本較高，功能也不是很健全，所以，利用這一結(jié)構(gòu)進行控制，往往是非常經(jīng)濟的，也能夠很好的在實際當(dāng)中使用。但存在一個明顯的缺陷，即內(nèi)部較為復(fù)雜，控制的速度較慢，因此，現(xiàn)今已經(jīng)逐漸淘汰了該結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。

（2）主從式控制。隨著社會的不斷發(fā)展，以往的機器人控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足社會的要求，這種情況下，逐漸出現(xiàn)了更加先進的機器人控制系統(tǒng)，即主從式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，如世紀70年代研制出的MOTORMAN弧焊機器人。在該結(jié)構(gòu)當(dāng)中，存在兩臺計算機，一臺稱為一級計算機，是整個系統(tǒng)中的系統(tǒng)管理者，具有機器人語言編譯的功能，以及人機接口的作用，同時還會通過其具有的運算性能，對軌跡數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換的工作，并且在得到結(jié)構(gòu)之后，將其看做關(guān)節(jié)運動的增值量，傳遞到公共內(nèi)存中。另一臺稱為二級計算機，其對所有關(guān)節(jié)位置進行數(shù)值控制，在運行的過程中，從內(nèi)存中讀取一級計算機運算的結(jié)果，同時將各關(guān)節(jié)處的相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給內(nèi)存，為一級計算機的運行奠定基礎(chǔ)。公共內(nèi)存是容量幾KB的雙口RAM，或者是普通靜態(tài)RAM加上總線控制邏輯電路組成。由于其功能不是很集中，使其具有較快的控制速度，通常情況下能夠達到15ms，即15ms更改一次給定，完成控制活動。該類結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)中，各個CPU之間，利用內(nèi)存來連接的，一次達到信息交換的目的，這種結(jié)構(gòu)下，耦合非常的松散，所以，只能對兩臺計算機進行耦合，對更多的計算機耦合時，往往非常的困難，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主從式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)

（3）分布式控制。當(dāng)前階段中，大多數(shù)機器人系統(tǒng)都采用了分布式控制結(jié)構(gòu)，即將整個管理系統(tǒng)分為兩級，利用上一級的主控計算機，對所有系統(tǒng)進行管理，并對坐標進行轉(zhuǎn)化與軌跡的插補運算。下一級模塊中，存在多個CPU，每一個處理器對某一個關(guān)節(jié)進行控制，利用其完成控制任務(wù)，這樣不僅增強了控制的效率，而且還提高了處理的水平。在微處理器與上一級計算機連接時，采用的為總線的方法，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分布式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 工業(yè)機器人在自動化控制領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來，自動化控制領(lǐng)域當(dāng)中對工業(yè)機器人進行了大量的應(yīng)用，其中主要包括以下幾個方面：一是焊接控制中的應(yīng)用，主要為大型機械設(shè)備結(jié)構(gòu)與稱重部位。二是搬運控制中的應(yīng)用。如卸料、碼垛等。三是檢測控制中的應(yīng)用。會使檢測更加規(guī)范，零件的檢測誤差更小。四是裝配控制中的應(yīng)用。通過機器人中的視覺、聽覺等傳感器，對周圍環(huán)境的信息進行采集，并利用這些信息，設(shè)計出合理的裝配路徑。五是噴涂自動化控制中的應(yīng)用。在很多噴涂工作當(dāng)中，需要進行三維表面噴涂，為了使噴涂的效果更強，就需要較多的自由度，而工業(yè)機器人技術(shù)的自由度通常在5個以上，滿足這一要求，因此，也可以對三維噴涂進行有效的控制。六是在醫(yī)療行業(yè)方面，該領(lǐng)域當(dāng)中逐漸對機器人控制系統(tǒng)進行了應(yīng)用，不僅應(yīng)用到手術(shù)、治療的過程中，而且還應(yīng)用到了康復(fù)、轉(zhuǎn)運等多個方面，為醫(yī)療活動更好的開展提供了重要幫助。

4 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前階段中，工業(yè)機器人技術(shù)是先進的一項科學(xué)技術(shù)，隨著該技術(shù)的出現(xiàn)，被廣泛的應(yīng)用到了自動化控制的各個領(lǐng)域當(dāng)中，為自動化控制更好的進行工作提供了重要幫助。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)作為當(dāng)前較為先進的一項科學(xué)技術(shù)，應(yīng)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷地對其進行研究。

[1]工業(yè)和信息化部關(guān)于推進工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見[J]．硅谷，2014，01:15．

[2]李琦．面向“中國制造2025”規(guī)劃的工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)建設(shè)研究 [J]．職業(yè)，2017，05:21．

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1671-0711（2017）10（上）-0151-02