（益陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與機(jī)電系，湖南 益陽(yáng) 413055）

1 工業(yè)機(jī)器人概述

工業(yè)機(jī)器人，從字面上來(lái)講就是用于工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人?，F(xiàn)如今，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車及其零部件制造、機(jī)械加工、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人是各國(guó)先進(jìn)制造業(yè)中不可或缺的重要裝備與關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)相關(guān)資料顯示，我國(guó)第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生于20世紀(jì)60年代?，F(xiàn)如今，我國(guó)以新松機(jī)器人為代表的工業(yè)機(jī)器人在全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)上已經(jīng)顯露了旺盛的生命力。

2 工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化控制中的應(yīng)用依據(jù)

在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用不僅可以大大節(jié)省人力成本，而且大大降低了因人工操作失誤導(dǎo)致的出錯(cuò)率，提高了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人之所以能夠應(yīng)用在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，主要是因?yàn)樗陨砭哂惺窘淘佻F(xiàn)與運(yùn)動(dòng)控制這兩項(xiàng)功能。在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)作之前，操作人員將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)（如運(yùn)動(dòng)速度、所在位置等）以及動(dòng)作代碼輸入工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。隨后啟動(dòng)工業(yè)機(jī)器人。此時(shí)，工業(yè)機(jī)器人就會(huì)按照操作人員在其控制系統(tǒng)中輸入的相關(guān)數(shù)據(jù)與動(dòng)作代碼進(jìn)行一些移動(dòng)、抓取、放置、噴涂、焊接等操作。

3 工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化控制中的應(yīng)用原理

3.1 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)

盡管工業(yè)不同領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人形態(tài)各異，但都可以大致分為主體部分、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3部分。工業(yè)機(jī)器人擁有良好的運(yùn)動(dòng)能力和控制能力。它憑借靈活的機(jī)械手臂能夠完成很多精細(xì)的操作。目前，全球市場(chǎng)上的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)了智能化，即采用了智能控制模式。工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)依賴于它自身的控制系統(tǒng)。一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)大致包括控制計(jì)算機(jī)、示教盒、傳感器接口、軸控制設(shè)備和輔助設(shè)備等。不同的設(shè)備分別管理著工業(yè)機(jī)器人的不同功能，如計(jì)算機(jī)的控制功能、示教盒的人機(jī)交互功能、傳感器的環(huán)境監(jiān)測(cè)功能、軸控制設(shè)備的運(yùn)動(dòng)速度控制功能，以及輔助設(shè)備對(duì)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)輔助設(shè)備的調(diào)控功能。在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，各設(shè)備密切合作，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行流暢、準(zhǔn)確地調(diào)度和指揮。

3.2 工業(yè)機(jī)器人的控制方式

第一種是點(diǎn)位控制。點(diǎn)位控制是一種點(diǎn)到點(diǎn)的控制，如從A點(diǎn)到B點(diǎn)，再?gòu)腂點(diǎn)到C點(diǎn)。點(diǎn)位控制的優(yōu)點(diǎn)是讓工業(yè)機(jī)器人快速且準(zhǔn)確地從某一點(diǎn)到另外一點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)之間快速、準(zhǔn)確地位移[1]。缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)工業(yè)機(jī)器人的位移路徑進(jìn)行控制。因?yàn)橹v究快速與準(zhǔn)確，所以點(diǎn)位控制的主要技術(shù)指標(biāo)是運(yùn)動(dòng)（位移）速度和定位精度。PTP是工業(yè)機(jī)器人控制方式中最簡(jiǎn)單、最易實(shí)現(xiàn)的一種方式，它常被應(yīng)用于一些只要求點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，如簡(jiǎn)單、重復(fù)的上下料環(huán)節(jié)。

第二種是連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制。連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制強(qiáng)調(diào)的是工業(yè)機(jī)器人操作的連續(xù)性。從A到B，再?gòu)腂到C，再?gòu)腃到D。工業(yè)機(jī)器人在整個(gè)操作過(guò)程中要保持連續(xù)，不能中斷。連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制要實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人操作的連續(xù)性，需要操作人員在工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)中設(shè)置它連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如所在位置、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度等。需注意的是，連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制的連續(xù)性，不僅僅要求工業(yè)機(jī)器人操作的不中斷，還要求工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度可控、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)平穩(wěn)。鑒于此，連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制的主要技術(shù)指標(biāo)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的精確性，以及工業(yè)機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)速度的可控性和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的平穩(wěn)性。

第三種是力伺服控制。力伺服控制以工業(yè)機(jī)器人的力伺服控制系統(tǒng)為核心，以輸出力（力矩）為控制變量，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)是各種類型的驅(qū)動(dòng)元件，如伺服閥+液壓馬達(dá)、伺服閥+油缸、驅(qū)動(dòng)器+電馬達(dá)等。工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行一些物料搬運(yùn)、分揀物品等工作時(shí)，除了要保證定位的精度之外，還要求機(jī)械手臂使用適度的力（力矩）。在這種作業(yè)環(huán)境下，工業(yè)機(jī)器人機(jī)采用的就是力伺服控制方式。力伺服控制最鮮明的特征是系統(tǒng)輸入和反饋信號(hào)是一種力信號(hào)，而點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制的系統(tǒng)輸入和反饋信號(hào)是一種位置信號(hào)[2]。

第四種是智能控制方式。目前，采用智能控制的工業(yè)機(jī)器人主要是通過(guò)傳感器獲取周圍環(huán)境的信息，然后根據(jù)內(nèi)部控制系統(tǒng)的相關(guān)指令做出相應(yīng)的操作。

4 工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化控制中的應(yīng)用趨勢(shì)

在工業(yè)領(lǐng)域，自動(dòng)化設(shè)備是提高生產(chǎn)效率、節(jié)省人力成本、提高生產(chǎn)安全系數(shù)的關(guān)鍵手段。同時(shí)，它也是推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)智能化調(diào)整的重要力量。憑借優(yōu)秀的示教再現(xiàn)功能和運(yùn)動(dòng)控制功能，現(xiàn)如今的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。放眼全球，縱觀近年來(lái)國(guó)際市場(chǎng)上出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，自動(dòng)化、智能化已成為全球工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)?？梢钥吹?，近兩年來(lái)新上市的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)具備了自我感知能力和一定的執(zhí)行能力，其智能化發(fā)展方向越來(lái)越明朗?？偟膩?lái)看，工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

一是感知功能更加強(qiáng)大。在復(fù)雜的社會(huì)生活中，人的一切活動(dòng)都離不開感知，即視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、知覺[3]。在這些感知的“指揮”下，人才能及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出自身（內(nèi)部）和環(huán)境（外部）的變化，從而做出產(chǎn)生思想的行為。將工業(yè)機(jī)器人賦予感知功能，能夠讓它像人類一樣對(duì)自身和環(huán)境做出準(zhǔn)確地判斷與分析，然后做出相應(yīng)的操作。伴隨著各種傳感器與驅(qū)動(dòng)集成技術(shù)、傳感信息采集與融合處理技術(shù)等的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的感知功能將有更大的提升。

二是智能控制快速發(fā)展。智能控制是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，它主要包含3個(gè)內(nèi)容：一是智能信息處理；二是智能信息反饋；三是智能控制決策[4]。目前，大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方式主要是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制、連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制和力伺服控制3種。而在未來(lái)，隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能算法、專家系統(tǒng)等人工智能的快速發(fā)展，智能控制也會(huì)迎來(lái)更大的發(fā)展機(jī)遇。

三是故障自我診斷與自修復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)。工業(yè)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境中僅有少數(shù)操作人員，大多數(shù)時(shí)間是處于自動(dòng)化運(yùn)行的狀態(tài)。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，如遇突然斷電、被物品撞擊，工業(yè)機(jī)器人可能會(huì)發(fā)生停機(jī)無(wú)法啟動(dòng)、錯(cuò)誤操作等問題。為了保證生產(chǎn)效率，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具備一定的故障自我診斷與自修復(fù)功能，從而能及時(shí)、正確的應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況。伴隨著工業(yè)機(jī)器人故障自我診斷系統(tǒng)的研究以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，在未來(lái)，相信工業(yè)機(jī)器人都會(huì)具有故障自我診斷與自修復(fù)功能。

四是群體協(xié)調(diào)功能。若生產(chǎn)一件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，每個(gè)工業(yè)機(jī)器人各司其職，負(fù)責(zé)各自的作業(yè)即可。而在未來(lái)，隨著工業(yè)產(chǎn)品向精密化發(fā)展的趨勢(shì)，生產(chǎn)一件產(chǎn)品就需要許多工業(yè)機(jī)器人的密切協(xié)作。在這種作業(yè)環(huán)境下，要確保眾多工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)完美協(xié)作，就需要工業(yè)機(jī)器人具有群體協(xié)調(diào)功能。伴隨著工業(yè)機(jī)器人群體協(xié)調(diào)系統(tǒng)的研究，在未來(lái)，將會(huì)有更多的具有群體協(xié)調(diào)功能的工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用在一些復(fù)雜作業(yè)環(huán)境當(dāng)中[5]。

五是移動(dòng)功能。在一些生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可移動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人能大大延伸作業(yè)距離，拓展作業(yè)半徑，提高生產(chǎn)效率。在一些長(zhǎng)距離搬運(yùn)物料和極端作業(yè)環(huán)境下，可移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人將被廣泛應(yīng)用。伴隨著自主移動(dòng)系統(tǒng)的研究，以及自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)、多傳感器控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)交互技術(shù)等的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的可移動(dòng)功能將進(jìn)一步發(fā)展[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值巨大。伴隨著現(xiàn)代科學(xué)如云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)及時(shí)、人工智能技術(shù)等的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人迎來(lái)了更大的發(fā)展機(jī)遇，它在自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值必將有進(jìn)一步的提升。就目前來(lái)看，我國(guó)與日本、德國(guó)等工業(yè)機(jī)器人制造大國(guó)相比，依然存在很大的差距。為實(shí)現(xiàn)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的“追趕超”，還需要政府、工業(yè)機(jī)器人科研單位、高校以及相關(guān)企業(yè)的積極聯(lián)動(dòng)，這是一個(gè)長(zhǎng)期且艱巨的任務(wù)。