深圳市矽電半導(dǎo)體設(shè)備有限公司 劉振輝

一、前言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人誕生了，并且已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)器人既需要自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算計(jì)技術(shù)，又需要傳感器技術(shù)等，最近幾年，人工智能技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。工業(yè)機(jī)器人能夠長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行重復(fù)和單調(diào)的體力勞動(dòng)，還能夠?qū)⒃S多人工作業(yè)進(jìn)行有效地替代。

二、概述工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

1.工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)

其一，自由度比較高，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的過(guò)程中，具有很強(qiáng)的控制能力，而且，越加強(qiáng)控制能力，就會(huì)增加更多需要服伺的機(jī)構(gòu)，同時(shí)，還會(huì)以自由度方式將服伺的各個(gè)機(jī)構(gòu)表現(xiàn)出來(lái)，所以，為了使機(jī)器控制的能力更強(qiáng)，通常會(huì)具備比較高的自由度。針對(duì)于比較復(fù)雜的機(jī)器人而言，提高控制能力，自由度也會(huì)隨著增加，從當(dāng)前來(lái)看，最高自由度已經(jīng)達(dá)到100以上；針對(duì)于比較簡(jiǎn)單的機(jī)器人而言，通常自由度有4個(gè)。

其二，工業(yè)機(jī)器人活動(dòng)的過(guò)程中的路徑比較多，但是，通常會(huì)有一個(gè)最好的路徑。

其三，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行的過(guò)程中，需要計(jì)算機(jī)高度的參與，有效對(duì)機(jī)器人運(yùn)行進(jìn)行控制，致使整個(gè)系統(tǒng)能夠按照機(jī)器人的方式進(jìn)行活動(dòng)[2]。

2.工業(yè)機(jī)器人的功能

其一，再現(xiàn)示教。應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)以前，工作人員需要將相應(yīng)信息輸?shù)綑C(jī)器人中，這些信息會(huì)被機(jī)器人儲(chǔ)存到指定的位置上，人們想用這些信息時(shí)，以相應(yīng)的方式提取信息，對(duì)所需信息人講解，致使示教再現(xiàn)作用充分地發(fā)揮出來(lái)[3]。

其二，計(jì)算。結(jié)合機(jī)器人收集周?chē)男畔?，將相關(guān)環(huán)境的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)，并且根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)，將相應(yīng)作業(yè)軌跡制定出來(lái)，細(xì)化成控制各軸服伺運(yùn)行的有效策略。在整個(gè)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，這是最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

其三，運(yùn)動(dòng)控制。就是有效運(yùn)用相應(yīng)的方式，致使機(jī)器人能夠具有不同形態(tài)和移動(dòng)的速度等[4]。

其四，反饋。機(jī)器控制系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，姿勢(shì)和狀態(tài)以及位置，都在不斷地變化，這些變化會(huì)影響以后的工作，因此，機(jī)器人運(yùn)行的同時(shí)，需要收集這些動(dòng)態(tài)信息，并且，將這些信息反饋給主系統(tǒng)，致使主系統(tǒng)能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)實(shí)際的情況及時(shí)進(jìn)行了解，結(jié)合實(shí)際的情況，將相應(yīng)的策略制定出來(lái)。

三、工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)組成

工業(yè)機(jī)器人包括示教盒、控制計(jì)算機(jī)、軸控制器、傳感器接口以及輔助設(shè)備控制等幾個(gè)部分。機(jī)器人控制系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖1所示。

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的使用的計(jì)算機(jī)，通常是微型計(jì)算機(jī)，或者是微處理器，控制系統(tǒng)綜合的指揮調(diào)度機(jī)構(gòu)就是控制計(jì)算機(jī)。示教盒有效運(yùn)用串行通信方式，與主計(jì)算機(jī)交互信息，既具有CPU，又具有獨(dú)立儲(chǔ)存單元，對(duì)工作軌跡和參數(shù)以及人機(jī)交互示教進(jìn)行設(shè)定，是示教盒主要的功能。傳感器主要有三種：力覺(jué)傳感器和視覺(jué)傳感器以及觸覺(jué)傳感器，對(duì)信息進(jìn)行檢測(cè)是其的主要作用，從而使控制工業(yè)機(jī)器人的柔順得以有效地實(shí)現(xiàn)[5]。軸控制既控制工業(yè)機(jī)器人的加速度和速度，又要控制工業(yè)機(jī)器人各個(gè)操作關(guān)節(jié)的位置。輔助設(shè)備控制主要將與工業(yè)機(jī)器人互相配合的輔助設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

四、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制方式

1.點(diǎn)位控制

工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行器作業(yè)過(guò)程中，只控制某些點(diǎn)位姿的控制方式。有效運(yùn)用這種控制方式，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人所要到達(dá)目標(biāo)的工作軌跡不用進(jìn)行規(guī)定，只規(guī)定工業(yè)機(jī)器人相鄰各點(diǎn)的位置和運(yùn)行速度就可以，要求工業(yè)機(jī)器人盡量在相鄰的各點(diǎn)之間準(zhǔn)確且快速地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

2.力矩控制

主要在裝配物體和抓放物體作業(yè)時(shí)應(yīng)用，要求準(zhǔn)確地將位置確定，執(zhí)行操作必須要應(yīng)用適當(dāng)力矩。

3.連續(xù)軌跡控制

連續(xù)控制工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行器進(jìn)行作業(yè)中的位姿，既要規(guī)定工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行軌跡，又要將工業(yè)機(jī)器人的位置精度和運(yùn)行速度提出要求，工業(yè)機(jī)器人必須要在規(guī)定的速度和運(yùn)行軌跡中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，一定的運(yùn)動(dòng)精度必須要有效地實(shí)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人將工作完成的過(guò)程中，既要運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和速度可控，又要軌跡光滑[6]。

4.智能控制

工業(yè)機(jī)器人有效運(yùn)用自身傳感設(shè)備了解周?chē)沫h(huán)境，再結(jié)合內(nèi)部存儲(chǔ)的知識(shí)，將具體執(zhí)行的決策做出來(lái)，這就是智能控制方式，有效運(yùn)用智能控制方式，工業(yè)機(jī)器人既具備自學(xué)的能力，又具備很強(qiáng)的適應(yīng)周?chē)h(huán)境的能力。

五、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.主從式控制

科學(xué)技術(shù)在不斷地發(fā)展，原來(lái)的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)于當(dāng)前社會(huì)的要求已無(wú)法滿足，先進(jìn)機(jī)器人控制系統(tǒng)也逐漸地誕生了，也就是主從式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。例如，MOTORMAN弧焊機(jī)器人，該結(jié)構(gòu)具有2臺(tái)計(jì)算機(jī)，一臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的管理者，被稱(chēng)為“一級(jí)計(jì)算機(jī)”，具有編譯機(jī)器人語(yǔ)言的功能和人機(jī)接口的作用，還能夠利用運(yùn)算性能，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軌跡數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)得到以后，視為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)增值量，傳輸?shù)焦矁?nèi)存當(dāng)中。另一臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠有效地控制所有關(guān)節(jié)位置數(shù)值，被稱(chēng)作“二級(jí)計(jì)算機(jī)”，該計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，能夠?qū)?nèi)存中一級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果有效地讀取，還能夠?qū)⒏麝P(guān)節(jié)處的數(shù)據(jù)向內(nèi)存進(jìn)行傳輸，給一級(jí)計(jì)算機(jī)順利的運(yùn)行打下基礎(chǔ)。總線控制邏輯電路加上普通靜態(tài)RAM構(gòu)成公共內(nèi)存，或者是容量幾KB的RAM雙口。因?yàn)楣δ苡行┓稚⒉患校蛊涞目刂扑俣燃涌炝耍话隳軌蜻_(dá)到15毫秒，也就是15毫秒進(jìn)行一次給定更改，控制活動(dòng)完成。在該類(lèi)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中，利用內(nèi)存將各個(gè)CPU進(jìn)行連接，一次將交換信息的目的有效地實(shí)現(xiàn)，耦合在這種結(jié)構(gòu)下非常松散，因此，對(duì)太多計(jì)算機(jī)進(jìn)行耦合比較困難，只能將兩臺(tái)計(jì)算機(jī)完成耦合。

2.集中控制

集中控制就是工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)控制所有的活動(dòng)，屬于很早以前的一種控制結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)要求比較高，必須要具備很強(qiáng)的功能[7]。計(jì)算機(jī)技術(shù)在以往發(fā)展還不成熟，功能沒(méi)有達(dá)到健全，生產(chǎn)的成本也比較高，因此，運(yùn)用集中控制，既經(jīng)濟(jì)，又能夠在實(shí)際中很好地進(jìn)行使用。但是，集中控制的速度比較慢，而且內(nèi)部比較復(fù)雜，這是一個(gè)很大的弊端，這種結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸不用了，被淘汰了。

3.分布式控制

從當(dāng)前來(lái)看，大部分工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)用的都是分布式的控制結(jié)構(gòu)，就是把整個(gè)管理系統(tǒng)分成兩級(jí)，有效運(yùn)用上一級(jí)主控計(jì)算機(jī)，來(lái)管理所有的系統(tǒng)，并且將軌跡插補(bǔ)的運(yùn)算，對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。在下一級(jí)的模塊中，具有很多個(gè)CPU，每一個(gè)關(guān)節(jié)都由一個(gè)處理器進(jìn)行控制，利用其將控制的任務(wù)有效地完成，如此這樣，既能夠?qū)⒖刂菩视行У卦鰪?qiáng)，還能夠?qū)⑻幚硭接行У靥嵘?。上一?jí)計(jì)算機(jī)與微處理器進(jìn)行連接時(shí)，運(yùn)用的是總線的方法。

六、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的領(lǐng)域

起初工業(yè)機(jī)器人在制造汽車(chē)行業(yè)進(jìn)行應(yīng)用，社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)都在快速地發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也在不斷地發(fā)展和進(jìn)步，很大程度地提升了工業(yè)機(jī)器人的功能，應(yīng)用領(lǐng)域的規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大。工業(yè)機(jī)器人在常規(guī)的環(huán)境下，能夠?qū)⒐と俗鳂I(yè)進(jìn)行替代，針對(duì)于高溫、高危險(xiǎn)、有毒以及高熱的環(huán)境下，工業(yè)機(jī)器人更能夠?qū)⑵渥饔贸浞值匕l(fā)揮出來(lái)。有些工作環(huán)境比較惡劣，有效運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人，能夠代替人工進(jìn)行繁重且重復(fù)性比較高的作業(yè)，既能夠?qū)⒐と说娜松戆踩靡员ＷC，又能夠?qū)⑵髽I(yè)生產(chǎn)效率有效地提升。工業(yè)機(jī)器人具有很多的優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域中，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，無(wú)論在特殊工作場(chǎng)合和惡劣的工作環(huán)境，還是高危工作等相關(guān)的方面，工業(yè)機(jī)器人都能夠?qū)?yōu)點(diǎn)充分地發(fā)揮出來(lái)[8]。

自動(dòng)化生產(chǎn)的過(guò)程中，經(jīng)常使用的工業(yè)機(jī)器人有檢測(cè)、焊接、噴涂、搬運(yùn)、噴漆以及裝配等機(jī)器人。在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)中，檢測(cè)機(jī)器人主要對(duì)零部件的尺寸進(jìn)行確定，給零部件分類(lèi)和對(duì)零部件的質(zhì)量進(jìn)行控制等；焊接機(jī)器人是承重大梁和對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接；材料搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用于上下料、卸貨、碼垛以及定向抓取零件等；噴涂和噴漆機(jī)器人，主要進(jìn)行噴涂和噴漆作業(yè)時(shí)進(jìn)行應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人做這項(xiàng)作業(yè)，自由度不能低于五個(gè)，為了使工業(yè)機(jī)器人能夠方便地運(yùn)行，工業(yè)機(jī)器人可以在導(dǎo)軌上進(jìn)行作業(yè)；裝配工作是所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，裝配機(jī)器人，無(wú)論是視覺(jué)傳感器和聽(tīng)覺(jué)傳感器，還是接近傳感器和觸覺(jué)傳感器等相關(guān)的各種傳感器都必須要配備，從而使工業(yè)機(jī)器人能夠順利地進(jìn)行裝配工作。

七、總結(jié)

綜上所述，科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)都在快速地發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人無(wú)論是功能上，還是技術(shù)上，都很大程度地提高了，比較復(fù)雜的自動(dòng)化控制已經(jīng)得以有效地實(shí)現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)也在不斷的進(jìn)步和提升，工業(yè)機(jī)器人會(huì)更加廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，從而將更多的便利帶給社會(huì)的生產(chǎn)活動(dòng)。

[1]寇曉晨.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的運(yùn)用[J].南方農(nóng)機(jī),2018,49(02):92+119.

[2]蔡濟(jì)云.工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化控制中的應(yīng)用研究[J].科技與創(chuàng)新,2018(01):144-145.

[3]金艷.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用探討[J].中國(guó)設(shè)備工程,2017(19):151-152.