工業(yè)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)詳解

一、工業(yè)機(jī)器人的分類

1. 按操作機(jī)坐標(biāo)形式可分為：

（1）直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

其運(yùn)動部分由三個(gè)相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間圖形為長方形。它在各個(gè)軸向的移動距離，可在各個(gè)坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間體積大，動作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

（2）圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

其運(yùn)動形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動和兩個(gè)移動組成的運(yùn)動系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人相比，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動范圍大，其位置精度僅次于直角坐標(biāo)型機(jī)器人，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

（3）球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

又稱極坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其手臂的運(yùn)動由兩個(gè)轉(zhuǎn)動和一個(gè)直線移動（即RRP,一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。

（4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人

又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，這種工業(yè)機(jī)器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛。

（5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人

它采用一個(gè)移動關(guān)節(jié)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動，而兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運(yùn)動。這種形式的工業(yè)機(jī)器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機(jī)器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。

2. 按驅(qū)動方式可分為：

（1）氣動式工業(yè)機(jī)器人

這類工業(yè)機(jī)器人以壓縮空氣來驅(qū)動操作機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是空氣來源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單造價(jià)低，無污染，缺點(diǎn)是空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業(yè)機(jī)器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。

（2）液壓式工業(yè)機(jī)器人

液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kPa左右，故液壓傳動工業(yè)機(jī)器人具有較大的抓舉能力，可達(dá)上千牛頓。這類工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。

（3）電動式工業(yè)機(jī)器人

這是目前用得最多的一類工業(yè)機(jī)器人，不僅因?yàn)殡妱訖C(jī)品種眾多，為工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了多種選擇，也因?yàn)樗鼈兛梢赃\(yùn)用多種靈活控制的方法。早期多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服驅(qū)動單元，目前交流伺服驅(qū)動單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動單元或是直接驅(qū)動操作機(jī)，或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速后驅(qū)動，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡單。

二、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

1. 工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)

是在傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此兩者之間并無根本的不同但工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處。

其特點(diǎn)如下：

（1）工業(yè)機(jī)器人有若干個(gè)關(guān)節(jié)，典型工業(yè)機(jī)器人有五六個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)伺服系統(tǒng)控制，多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動要求各個(gè)伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。

（2）工業(yè)機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的手部進(jìn)行空間點(diǎn)位運(yùn)動或連續(xù)軌跡運(yùn)動，對工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算，以及矩陣函數(shù)的逆運(yùn)算。

（3）工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、非線性和變參數(shù)的復(fù)雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此工業(yè)機(jī)器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補(bǔ)償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。

（4）較高級的工業(yè)機(jī)器人要求對環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測定和分析，采用計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳控制規(guī)律。

2. 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)發(fā)基本要求：

（1）實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人的位置、速度、加速度等控制功能，對于連續(xù)軌跡運(yùn)動的工業(yè)機(jī)器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。

（2）方便的人---機(jī)交互功能，操作人員采用直接指令代碼對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行作用指示。使用工業(yè)機(jī)器人具有作業(yè)知識的記憶、修正和工作程序的跳轉(zhuǎn)功能。

（3）具有對外部環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測和感覺功能。為使工業(yè)機(jī)器人具有對外部狀態(tài)變化的適應(yīng)能力，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)能對諸如視覺、力覺、觸覺等有關(guān)信息進(jìn)行測量、識別、判斷、理解等功能。在自動化生產(chǎn)線中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與其它設(shè)備交換信息，協(xié)調(diào)工作的能力。

3. 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類：

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)可以從不同角度分類，如控制運(yùn)動的方式不同，可分為關(guān)節(jié)控制、笛卡爾空間運(yùn)動控制和自適應(yīng)控制；按軌跡控制方式的不同，可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制、力控制。

（1）程序控制系統(tǒng)

給每個(gè)自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)要求的空間軌跡。

（2）自適應(yīng)控制系統(tǒng)

當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動改變。

（3）人工智能系統(tǒng)

事先無法編制運(yùn)動程序，而是要求在運(yùn)動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動改變。因而本系統(tǒng)是一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。