工業機器人在自動化控制領域的應用

孟英楠

（沈陽電站泵有限公司，遼寧沈陽 110141）

0 引言

在科技與經濟飛速發展的今天，單純的經濟實力已經不足以衡量一個國家的現代化水平，工業機器人的應用情況已經成為衡量一個國家自動化水平高低的重要標志之一。為促進工業機器人的推廣使用，國家工信部發布了系統詳細的工業機器人行業規范，在國家各種政策和高科技技術手段的支持下，工業機器人的時代已經到來，工業智能化時代已經臨近。在制造業發展遇到瓶頸，產業結構亟需轉型的形勢下，工業機器人的出現將成為促進我國產業轉型的關鍵一環，將在產業轉型與升級中發揮重要作用。工業機器人的應用，不但可以提高企業的生產效率和生產質量，還能降低人力資源成本和生產成本，提高企業的綜合效益。

1 工業機器人概述

機器人是一種可以自動執行工作的機器，工業機器人主要面向工業領域，是通過控制能力和自身的動力完成各種操作的、具有多關節機械手和多自由度的裝置。工業機器人不但可以通過人工指揮進行現場作業，還可以事先編程讓其依據編好的程序進行自行作業操作，此外，人工智能技術在工業機器人上的應用也比較多。

工業機器人的發展經歷了很多階段，從最初的“可編程”、“示教再現”機器人發展到數控機器人，又發展到具有傳感功能的、能識別與定位的工業機器人，如今的工業機器人正朝著具有行走能力、具有對外界環境的高適應能力和多種感知能力的方向發展。

工業機器人主要由3部分構成，分別為主體、控制系統和驅動系統。主體包括機器人的手部、腕部和臂部，主要指裝置的機座、行走機構和執行機構。控制系統依據事先設置好的程序對執行機構和驅動機構進行控制。驅動系統讓執行機構產生動作，一般包括傳動機構的動力裝置。

工業機器人因具有生產效率高，生產質量高，生產自動化程度高且能完成人工不便完成的高危險、惡劣環境下的作業等多項優點，被廣泛應用到多個領域。

2 工業機器人控制系統的特點與功能

2.1 控制系統的特點

工業機器人是一種具有多自由度的機器裝置，一般的工業機器人需要3～5個自由度，設計比較復雜的機器人則需要幾十個自由度。每個自由度都可以組成一個多變量控制系統，工業機器人在各種坐標下都可以對其手足狀態進行描述，且可以對坐標進行有針對性的變換和選擇，控制系統離不開動力學和機構運動學的相關知識。為使工業機器人能夠更好地按照人的意志工作，通過計算機對工業機器人進行控制并給機器人一定的智能操作空間，一般用非線性數學模型來對工業機器人的運動和狀態進行描述，模型參數隨工業機器人運動狀態的改變而改變，各變量之間存在耦合作用，一般情況下，工業機器人可以通過多種路徑或者多種方法來執行動作，但最優路徑或方式只有一種。高級工業機器人可以通過計算機建立信息庫，通過人工智能的方法利用信息庫進行控制和操作。

2.2 工業機器人的主要功能

工業機器人具有很多功能，其中以運動控制功能和示教再現功能最為顯著。運動控制功能可以控制工業機器人操作器的速度和位姿；示教再現功能是指控制系統可以通過多種方式把操作位置、動作速度、動作順序等信息教給機器人，示教后，工業機器人記憶系統將自動記錄儲存示教過程，當需要執行示教操作過程時，工業機器人可以根據記憶存儲的內容自動執行。

3 工業機器人控制系統的組成和控制方式

3.1 控制系統組成

工業機器人控制系統主要由控制計算機、示教盒、傳感器接口、軸控制器和輔助設備控制等部分組成，控制系統結構如圖1所示。

圖1 機器人控制系統組成

通常使用微處理器或微型計算機作為工業機器人控制系統的控制計算機，控制計算機是控制系統的綜合指揮調度機構。示教盒通過串行通信的方式與主計算機進行信息交互，具有獨立的儲存單元和CPU，主要作用是設定參數、工作軌跡以及對所有的人機交互進行示教。傳感器包括視覺、力覺和觸覺傳感器，主要的作用是檢測信息，實現工業機器人柔順控制。軸控制器主要起對工業機器人的速度、加速度以及工業機器人各操作關節的位置進行控制的作用。輔助設備控制主要調節控制與工業機器人相互配合的輔助設備。

3.2 控制方式

（1）點位控制。只對工業機器人執行器作業中的某些點進行位姿控制的控制方式。在這種控制方式下，不會規定工業機器人到達目標位置的工作軌跡，而只對工業機器人在相鄰各點之間運動的速度和位置精度進行規定，規定要求工業機器人盡可能快速、準確地在相鄰各點之間運動。

（2）連續軌跡控制。對工業機器人執行器作業中的位姿進行連續控制，不但對工業機器人運動的軌跡進行規定，而且對運動的速度和位置精度也提出要求，要求工業機器人能按照事先規定好的運動軌跡和速度進行運動，需要達到一定的運動精度，并且要求在完成工作的過程中速度可控、運動平穩、軌跡光滑。

（3）力矩控制。主要應用于抓放物體或是裝配物體作業，要求高精準的確定位置，必須使用適當的力矩執行操作。

（4）智能控制。利用自身的傳感設備對周圍環境進行了解，然后根據內部知識儲存做出具體的執行決策，這種工業機器人控制方式就是智能控制方式，在智能控制方式下，工業機器人不但具有很好的自學能力，而且對周圍環境的適應能力也比較強。

4 工業機器人的應用領域

工業機器人最初應用于汽車制造行業，隨著科技的進步、經濟的發展，工業機器人的功能越來越強大，應用領域不斷的拓展和延伸。它不但可以在常規環境下代替工人進行作業，在一些高危、高溫、高熱、有毒有害環境下，工業機器人的作用更為顯著。在一些惡劣的工作環境中，工業機器人可以代替工人進行重復性高、繁重的作業，保證工人的人身安全，提高企業的生產效率。由于工業機器人自身的諸多優點而被廣泛應用于自動化生產領域，惡劣的工作環境，特殊的工作場合以及高危工作等方面。

自動化生產中常用的工業機器人主要有焊接機器人、檢測機器人、搬運機器人、噴漆和噴涂機器人和裝配機器人。焊接機器人主要是在汽車制造廠中應用于焊接車身結構和承重大梁；檢測機器人在自動化生產中主要是承擔確定零部件尺寸，控制零部件質量以及對零部件進行分類的任務；材料搬運機器人主要是用于卸貨、上下料、定向抓取零件，碼垛等工作；噴漆和噴涂機器人主要是用于噴漆和噴涂作業，這項作業要求機器人的自由度不能少于5個，為了便于機器人行走，也可以將工業機器人放到導軌上進行作業；在所有的生產環節中，裝配工作相對復雜，應用于裝配工作的裝配機器人，必須配備聽覺傳感器、視覺傳感器、觸覺傳感器、接近傳感器等多種傳感器才能保證裝配工作的順利進行。

5 結語

隨著經濟與科技的發展，工業機器人在技術、功能等方面上都越來越強大，已經從最初的簡單控制發展到連續控制以及對復雜過程的控制，工業機器人的發展過程也是工業自動化程度不斷提高的過程，在工業自動化時代，工業機器人技術擁有良好的發展前景。