工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的概貌,簡介工業(yè)機(jī)器人的分類與控制系統(tǒng)

在我們心中的機(jī)器人都是被人格化后的機(jī)器人形象。那么，把機(jī)器人尤其是工業(yè)機(jī)器人形象解構(gòu)以后，他又會是什么樣子呢？

平時不論是新聞上看到的工業(yè)機(jī)器人、雙足機(jī)器人、四足機(jī)器人還是動漫作品里的機(jī)器人形象大部分是機(jī)器人本體，而機(jī)器人控制系統(tǒng)則是幕后功臣，類似于人的大腦，這個控制系統(tǒng)往往安裝在機(jī)器人本體的內(nèi)部或是有一個單獨的控制單元。

下圖描繪了一個工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的概貌，一個工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括了機(jī)器人本體、伺服電機(jī)（或者是直流電機(jī)）、減速機(jī)、驅(qū)動器、控制器、示教器、還有一些外圍的設(shè)備，比如攝像頭、六維力傳感器、IO模塊、焊接部件等等。

對于一個工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)而言，我們對上面的圖進(jìn)行簡化，將剛才的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)簡化，抽取出工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中必不可少的部分：控制系統(tǒng)、機(jī)器人本體和示教器。

而控制系統(tǒng)從常規(guī)結(jié)構(gòu)上可以分為兩部分：執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括機(jī)器人本體、伺服電機(jī)和減速裝置；控制系統(tǒng)則分為控制器、伺服驅(qū)動器、示教器和拓展模塊，其中拓展模塊包括力覺模塊、視覺模塊、抓取模塊等，也就是說我們我們所看到的機(jī)器人能完成的每個動作，都需要添加拓展模塊。

舉個例子，假如英雄聯(lián)盟中的蒸汽機(jī)器人布里茨缺少了抓取模塊，就不能完成機(jī)械飛爪技能中的抓取敵人功能啦。

現(xiàn)在進(jìn)入重點啦，下面來具體分析一下控制系統(tǒng)中每個部分的功能和用途吧。

對于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)而言，示教器是用于與用戶交互的設(shè)備，它能夠處理和記憶用戶賦予工業(yè)機(jī)器人的任務(wù)指令。一般情況下，它分為三種模式：示教模式、在線模式和遠(yuǎn)程模式。

示教模式用于示教機(jī)器人的動作序列，最終以作業(yè)的形式保存在示教盒中；

在線模式是復(fù)現(xiàn)用戶示教的作業(yè)，此時需要示教器對作業(yè)進(jìn)行在線解析，并將解析結(jié)果發(fā)送給控制器。

遠(yuǎn)程模式是指用戶可以通過一根網(wǎng)線或是通過網(wǎng)絡(luò)的形式控制機(jī)器人動作，此時，用戶不一定就在機(jī)器人旁邊，可以是遠(yuǎn)程遙控。

更通俗一點的理解：示教器就像遙控賽車的遙控器，用遙控器操縱賽車和使用示教器控制工業(yè)機(jī)器人是一樣的道理，emmm，這么一想好像高大上的工業(yè)機(jī)器人也變得沒那么神秘了。

當(dāng)然了，示教器的界面風(fēng)格也不盡相同，下面是部分示教器的樣子~

說完了示教器，我們來聊一聊控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的指揮中心，現(xiàn)在市面上控制系統(tǒng)有三種架構(gòu)：基于IPC的總線式開放控制架構(gòu)、PC+運動控制卡的分離架構(gòu)以及高度集成的控制架構(gòu)。

其中，基于IPC的總線式開放控制架構(gòu)目前使用較多，優(yōu)勢在于易于擴(kuò)展，實時性好；PC+運動控制卡的分離架構(gòu)則稍遜，其拓展性弱，系統(tǒng)笨重且繁瑣；而高度集成的控制架構(gòu)則主要適用于小型機(jī)器人系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的實現(xiàn)基本要靠一行行的代碼來實現(xiàn)，其內(nèi)部包括了底層驅(qū)動、建模、運動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃等非常復(fù)雜的code。

最后，我們來說說機(jī)器人本體，它就像人的胳膊或腿，它是一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接收來自機(jī)器人控制系統(tǒng)的指令，千萬別以為本體只是個執(zhí)行器，本體中的電機(jī)和減速機(jī)可都是機(jī)器人本體的核心零部件，尤其是減速機(jī)。

說了這么多，那么工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場景有哪些呢？

在眾多的制造業(yè)領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域是汽車及汽車零部件制造業(yè)，并不斷向其他領(lǐng)域擴(kuò)展，如機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材和家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。

在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接機(jī)器人、激光加工機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、搬運機(jī)器人、機(jī)床機(jī)器人、沖壓機(jī)器人、真空機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。

簡介工業(yè)機(jī)器人的分類與控制系統(tǒng)

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

其運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標(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

其運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動和兩個移動組成的運動系統(tǒng)來實現(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，其手臂的運動由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動（即RRP,一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動）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

它采用一個移動關(guān)節(jié)和兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運動，而兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運動。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)點是空氣來源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單造價低，無污染，缺點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，不僅因為電動機(jī)品種眾多，為工業(yè)機(jī)器人設(shè)計提供了多種選擇，也因為它們可以運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。其特點如下：

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

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)行空間點位運動或連續(xù)軌跡運動，對工業(yè)機(jī)器人的運動控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運算，以及矩陣函數(shù)的逆運算。

工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是一個多變量、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)。

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：

實現(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。

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。

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，如控制運動的方式不同，可分為關(guān)節(jié)控制、笛卡爾空間運動控制和自適應(yīng)控制；按軌跡控制方式的不同，可分為點位控制和連續(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。

程序控制系統(tǒng)，給每個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)，當(dāng)外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗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)能隨時間和條件自動改變。

人工智能系統(tǒng)，事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。當(dāng)外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗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)。