工業(yè)機器人系統(tǒng)功能組成、特點及要求

工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)中重要的自動化裝備。機器人技術、數(shù)控技術和PLC技術并稱為工業(yè)自動化的三大支持技術。機器人技術及其產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，已成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）、自動化工廠（FA）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動化工具，同時也是工業(yè)4.0智能化工廠中重要的一環(huán)。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

「?1.?工業(yè)機器人系統(tǒng)組成及性能指標?」

1）工業(yè)機器人系統(tǒng)組成

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術制定的原則綱領行動。一個典型的工業(yè)機器人如圖1所示，工業(yè)機器人按照技術發(fā)展水平可以分為三代：第一代示教再現(xiàn)機器人、第二代感知機器人、第三代智能機器人。

圖1?工業(yè)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，第一代工業(yè)機器人在外部結(jié)構(gòu)上主要由三部分組成：操作機（或稱機器人本體）、控制器和示教器。對于第二代及第三代工業(yè)機器人還包括感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)，它們分別由傳感器及軟件實現(xiàn)。

（1）操作機：用于完成各種作業(yè)任務的機械主體，主要包含機械臂、驅(qū)動裝置、傳動單元以及內(nèi)部傳感器等部分。

（2）控制器：是根據(jù)指令及傳感器信息控制機器人本體完成一定動作的裝置，是決定機器人功能和性能的關鍵部分，也是工業(yè)機器人更新和發(fā)展最快的部分。

（3）示教器：是機器人的人機交互接口，操作者可通過它對機器人進行編程或手動操縱機器人移動。

工業(yè)機器人從功能上由3大部分6個子系統(tǒng)組成。3大部分分別是機械部分、控制部分和傳感部分。6個子系統(tǒng)分別是驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人與環(huán)境交互系統(tǒng)，其對應關系見圖2。

圖2?工業(yè)機器人系統(tǒng)功能組成

2）工業(yè)機器人性能指標

工業(yè)機器人的性能指標是機器人生產(chǎn)廠商在產(chǎn)品供貨時所提供的技術數(shù)據(jù)，反映了機器人的適用范圍和工作性能，是選擇機器人時必須考慮的問題。盡管機器人廠商提供的技術數(shù)據(jù)不完全相同，工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)、用途和用戶的需求也不相同，但其主要的性能指標一般為：自由度、工作精度、工作范圍、額定負載、最大工作速度等[2]，具體含義見表1。

表1?工業(yè)機器人性能指標及含義

需要說明的是，機器人在工作范圍內(nèi)可能存在奇異點。奇異點是由于機器人結(jié)構(gòu)的約束，導致關節(jié)失去某些特定方向的自由度的點。奇異點通常存在于作業(yè)空間的邊緣，如奇異點連成一片，則稱為“空穴”。機器人運動到奇異點附近時，由于自由度的逐步喪失，關節(jié)的姿態(tài)會急劇變化，這將導致驅(qū)動系統(tǒng)承受很大的負載而產(chǎn)生過載。因此，對于存在奇異點的機器人來說，其工作范圍還需要除去奇異點和空穴。圖3所示邊緣不規(guī)則處即為除去部分。

圖3 ABB工業(yè)機器人IRB1410(左)和IRB8700(右)工作范圍

「?2.?工業(yè)機器人的控制?」

1）工業(yè)機器人控制的特點及要求

多數(shù)工業(yè)機器人各關節(jié)的運動是相互獨立的，為了實現(xiàn)機器人末端執(zhí)行器的位置精度，需要多關節(jié)的協(xié)調(diào)。因此，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)與普通的控制系統(tǒng)相比要復雜，具有以下特點：

（1）本質(zhì)上是一個非線性系統(tǒng)。

（2）是由多關節(jié)組成的多變量控制系統(tǒng)，且各關節(jié)間具有耦合作用。

（3）是一個時變系統(tǒng)，其動力學參數(shù)隨著關節(jié)運動位置的變化而變化。

（4）要求對環(huán)境條件、控制指令進行測定和分析，自動選擇最佳控制規(guī)律。

（5）具有較高的重復定位精度，系統(tǒng)剛性好。

（6）不允許有位置超調(diào)，否則可能發(fā)生碰撞，動態(tài)響應要快。

考慮到工業(yè)機器人控制具有以上特點，在設計工業(yè)機器人控制系統(tǒng)時必須滿足如下基本要求：

（1）多軸運動的協(xié)調(diào)控制，以產(chǎn)生要求的工作軌跡。

（2）較高的位置精度，很大的調(diào)速范圍。

（3）系統(tǒng)的靜差率要小，即要求系統(tǒng)具有較好的剛性。

（4）位置無超調(diào)，動態(tài)響應快。

（5）需采用加減速控制。

（6）各關節(jié)的速度誤差系數(shù)應盡量一致。

（7）從操作的角度看，要求控制系統(tǒng)具有良好的人機界面，盡量降低對操作者要求。

（8）從系統(tǒng)的成本角度看，要求盡可能地降低系統(tǒng)的硬件成本，更多的采用軟件伺服的方法來完善控制系統(tǒng)的性能[3]。

2）工業(yè)機器人控制方式

? 從工業(yè)機器人的控制特點和控制要求出發(fā)，實現(xiàn)工業(yè)機器人的控制涉及諸多內(nèi)容，主要分為機器人的底層控制與上層控制。其中，底層控制包括機器人本體（即機械部分）、驅(qū)動電路部分、傳感器部分以及控制策略（如PID控制）等。上層控制包括機器人的運動分析、路徑規(guī)劃以及機器人的軟件部分[4]。根據(jù)不同的分類方法，機器人控制方式可以有不同的分類。按照被控對象可以分為位置控制、速度控制、力控制、力矩控制、力/位混合控制等[5]，這些主要是底層控制，現(xiàn)對主要控制方式加以說明。

（1）工業(yè)機器人位置控制：目的是要使機器人各關節(jié)實現(xiàn)預先所規(guī)劃的運動，最終保證工業(yè)機器人末端執(zhí)行器沿預定的軌跡運行，通常采用交流伺服系統(tǒng)或直流伺服系統(tǒng)實現(xiàn)。

（2）工業(yè)機器人力（力矩）控制：需要分析機器人末端執(zhí)行器與環(huán)境的約束狀態(tài)，并根據(jù)約束條件制定控制策略。此外，還需要在機器人末端安裝力傳感器，用來檢測機器人與環(huán)境的接觸力?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)預先制定的控制策略對這些力信息作出處理后，控制機器人在不確定環(huán)境下進行與該環(huán)境相適應的操作，從而使機器人完成復雜的作業(yè)任務。

（3）工業(yè)機器人速度控制：通常與位置控制同時實現(xiàn)。例如，在連續(xù)軌跡控制方式的情況下，工業(yè)機器人需要按預定的指令來控制運動部件的速度和實行加、減速，以滿足運動平穩(wěn)、定位準確的要求。由于工業(yè)機器人是一種工作情況（或行程負載）多變、慣性負載大的運動機械，要處理好快速與平穩(wěn)的矛盾，必須控制起動加速和停止前的減速這兩個過渡運動區(qū)段。而在整個運動過程中，速度控制通常情況下也是必須的。

3）工業(yè)機器人智能控制

工業(yè)機器人的智能控制方式主要指在不確定或未知條件下作業(yè)，機器人需要通過傳感器獲得周圍環(huán)境的信息，根據(jù)自己內(nèi)部的知識庫做出決策，進而對各執(zhí)行機構(gòu)進行控制，自主完成給定任務，屬于機器人的上層控制。若采用智能控制技術，機器人會具有較強的環(huán)境適應性及自學習能力。智能控制方法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能的發(fā)展密切相關?，F(xiàn)以神經(jīng)網(wǎng)絡算法在移動機器人中的應用為例來闡述智能控制與工業(yè)機器人的結(jié)合。

以圖中所示移動機器人為例，攝像機安裝在移動機器人的上方，獲取障礙物的三維圖像。超聲波傳感器組安裝在移動機器人的前方(攝像機的正下方)，獲取障礙物與移動機器人之間的距離信息，如圖4所示。

? ? 圖4?多傳感器布置圖

利用神經(jīng)網(wǎng)絡方法進行視覺和超聲波傳感器信息融合，并輸出到下一級，識別出障礙物的類型，這樣使移動機器人在不確定的環(huán)境中行走時能夠避障，提高其導航能力。 工業(yè)機器人利用智能信息進行綜合決策避開障礙物的主要步驟如下：

（1）在機器人行進的同時，測距系統(tǒng)每隔一個很短的時間進行一次環(huán)境探測，根據(jù)超聲波傳感器獲得的有關障礙物的距離信息，判斷移動機器人是否需要減速，以及是否需要從CCD攝像機取樣。

（2）當測距系統(tǒng)探測到障礙物距移動機器人的距離為中等時，降低機器人的速度；當障礙物距移動機器人的距離為近時，從CCD攝像機獲取有關障礙物的二維圖像，并提取其左右邊緣的坐標。

（3）將超聲波傳感器和CCD攝像機獲得的有關障礙物的信息進行分組及預處理，送入BP神經(jīng)網(wǎng)絡控制器進行融合。

（4）預先經(jīng)過避障知識學習的BP神經(jīng)網(wǎng)絡控制器根據(jù)外部多傳感器采集的信息，作出相應的避障決策，避開障礙物。

參考文獻

[1] 朱洪前.工業(yè)機器人技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2019. [2] 陳萬米.機器人控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017. [3] 郭彤穎，安冬.機器人學及其智能控制[M].北京：人民郵電出版社，2014. [4] 張憲民.機器人技術及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017. [5]?張新星.工業(yè)機器人應用基礎[M].北京：北京理工大學出版社，2017.

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編輯：黃飛