工業機器人技術在自動化控制領域的應用探討

金艷

（天津市機電工藝學院，天津 300350）

工業機器人技術在自動化控制領域的應用探討

金艷

（天津市機電工藝學院，天津 300350）

在工業機器人技術應用的過程中，涉及到很多的方面，自動化控制領域是其中主要的一部分。為了使工業機器人更好的在自動化控制領域進行應用，本文對其進行了一定探討。

工業機器人技術；自動化控制領域；實踐應用

在工業機器人當中，共有三個大模塊，分別為機械模塊、傳感模塊與控制模塊，根據每個大模塊中功能的差異，又可以將其分為六個小模塊，分別為驅動模塊、機械結構模塊、感受模塊、機器人-環境交互模塊、人機交互模塊、控制模塊。

1 工業機器人控制系統的概述

1.1 功能

在工業機器人控制系統在實際應用當中，主要有以下幾個功能。一是示教再現。在該系統應用之前，工作人員可以將相應的信息輸入到機器人，機器人就會將這些信息存儲到指定的位置上，當人們需要這些信息時，通過相應的方式，將其提取出來，對需要這些信息的人員進行講解，從而發揮出示教再現的作用。二是運動控制。即利用相應的方式，以使機器人具有不同的移動速度、形態等。三是計算，根據機器人對周圍信息的收集，計算出環境的相關數據，并根據這一數據制定出相應的作業軌跡，利用其細化成各軸的伺服運動的控制策略。這一功能是整個控制系統中最為關鍵的一部分。四是反饋，機器人運行的過程中，不論是狀態、姿勢還是位置都會不斷的發生變化，這一變化對之后的工作會帶來一定的影響，所以應在運動的同時，動態的對這些信息進行收集，并將其反饋給主系統中，從而使主系統能夠及時的了解整個系統的實際情況，根據情況制定出相應的決策。機器人控制系統的工作原理如圖1所示。

圖1 機器人控制系統的工作原理

1.2 特點

機器人控制系統主要存在了以下幾個特點：一是自由度高。在控制系統當中，控制能力越強，需要的伺服機構就會越多，而每一個伺服機構，都會以自由度的方式表現出來，因此，在機器人當中，為了控制能力更強，一般都會具有很高的自由度。對于簡單的機器人來說，自由度通常為4個左右，對于復雜的機器人來說，自由度隨著控制能力的提升而增加，現階段，最高的自由度將近一百；二是在機器人運行的過程中，計算機高度的參與進來，通過其有效的控制，使整個系統能夠遵循機器人的方式活動；三是在機器人活動的過程中，有很多路徑可以進行，在這些路徑當中往往會有一個最佳的路徑。

2 控制系統的組成與控制方式

2.1 工業機器人控制系統的組成與作用

在工業機器人控制系統當中，主要由6個部分構成。一是控制計算機，其是整個系統中的大腦，對整個系統的運行進行指揮與調節，采用的通常為微處理器；二是示教盒，可以利用該部分開展所有與示教有關的活動，如軌跡的設計、人及信息的交換等。在該部分當中，存在獨立的微處理器與存儲器，通過串行通信的方法，與主系統進行連接；三是傳感器接口。通過該部分對信息進行檢測，以使機器人的控制更加柔順，該部分通常為力覺、視覺等傳感器。四是軸控制器。該部分是對機器人各關節進行控制，從而完成對機器人運動活動的控制；五是輔助控制。在機器人運行的過程中，往往還需要使用一些其他的設備，這些設備使用時，就需要輔助控制模塊來進行控制。

2.2 工業機器人的控制方式

當前階段中，工業機器人的控制方式有很多，根據作業活動之間的差異，可以將其分為以下幾種：一是點位控制。記載其運行的過程中，機器人獨自的確定出自身與目標的位置，通過兩個位置設計出最佳的活動路徑；二是智能控制，即利用內部的傳感裝置，采集附近的各種信息，并傳遞給控制系統，控制系統會根據這些信息發布相關的指令；三是觸覺控制。即通過傳感裝置，對自身周圍進行感知，發現路徑當中的障礙物，并對路徑進行重新設定。

2.3 工業機器人控制系統的結構

在工業機器人控制系統當中，主要有集中控制、主從式控制與分布式控制。

（1）集中控制。所謂的集中控制，也就是在運行的過程中，通過一臺計算機，對所有的活動進行控制，是很早期的一種控制結構，該種結構當中，對計算機具有非常大的要求，必須存在較強的功能。在以往的階段中，由于計算機技術發展的不成熟，生產成本較高，功能也不是很健全，所以，利用這一結構進行控制，往往是非常經濟的，也能夠很好的在實際當中使用。但存在一個明顯的缺陷，即內部較為復雜，控制的速度較慢，因此，現今已經逐漸淘汰了該結構的控制系統。

（2）主從式控制。隨著社會的不斷發展，以往的機器人控制系統已經無法滿足社會的要求，這種情況下，逐漸出現了更加先進的機器人控制系統，即主從式結構控制系統，如世紀70年代研制出的MOTORMAN弧焊機器人。在該結構當中，存在兩臺計算機，一臺稱為一級計算機，是整個系統中的系統管理者，具有機器人語言編譯的功能，以及人機接口的作用，同時還會通過其具有的運算性能，對軌跡數據進行坐標轉換的工作，并且在得到結構之后，將其看做關節運動的增值量，傳遞到公共內存中。另一臺稱為二級計算機，其對所有關節位置進行數值控制，在運行的過程中，從內存中讀取一級計算機運算的結果，同時將各關節處的相關數據傳遞給內存，為一級計算機的運行奠定基礎。公共內存是容量幾KB的雙口RAM，或者是普通靜態RAM加上總線控制邏輯電路組成。由于其功能不是很集中，使其具有較快的控制速度，通常情況下能夠達到15ms，即15ms更改一次給定，完成控制活動。該類結構的控制系統中，各個CPU之間，利用內存來連接的，一次達到信息交換的目的，這種結構下，耦合非常的松散，所以，只能對兩臺計算機進行耦合，對更多的計算機耦合時，往往非常的困難，結構如圖2所示。

圖2 主從式結構控制系統

（3）分布式控制。當前階段中，大多數機器人系統都采用了分布式控制結構，即將整個管理系統分為兩級，利用上一級的主控計算機，對所有系統進行管理，并對坐標進行轉化與軌跡的插補運算。下一級模塊中，存在多個CPU，每一個處理器對某一個關節進行控制，利用其完成控制任務，這樣不僅增強了控制的效率，而且還提高了處理的水平。在微處理器與上一級計算機連接時，采用的為總線的方法，其結構如圖3所示。

圖3 分布式結構控制系統結構圖

3 工業機器人在自動化控制領域中的應用

近年來，自動化控制領域當中對工業機器人進行了大量的應用，其中主要包括以下幾個方面：一是焊接控制中的應用，主要為大型機械設備結構與稱重部位。二是搬運控制中的應用。如卸料、碼垛等。三是檢測控制中的應用。會使檢測更加規范，零件的檢測誤差更小。四是裝配控制中的應用。通過機器人中的視覺、聽覺等傳感器，對周圍環境的信息進行采集，并利用這些信息，設計出合理的裝配路徑。五是噴涂自動化控制中的應用。在很多噴涂工作當中，需要進行三維表面噴涂，為了使噴涂的效果更強，就需要較多的自由度，而工業機器人技術的自由度通常在5個以上，滿足這一要求，因此，也可以對三維噴涂進行有效的控制。六是在醫療行業方面，該領域當中逐漸對機器人控制系統進行了應用，不僅應用到手術、治療的過程中，而且還應用到了康復、轉運等多個方面，為醫療活動更好的開展提供了重要幫助。

4 結語

綜上所述，當前階段中，工業機器人技術是先進的一項科學技術，隨著該技術的出現，被廣泛的應用到了自動化控制的各個領域當中，為自動化控制更好的進行工作提供了重要幫助。工業機器人控制系統作為當前較為先進的一項科學技術，應隨著科學技術的發展，不斷地對其進行研究。

[1]工業和信息化部關于推進工業機器人產業發展的指導意見[J]．硅谷，2014，01:15．

[2]李琦．面向“中國制造2025”規劃的工業機器人技術專業建設研究 [J]．職業，2017，05:21．

TP242

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1671-0711（2017）10（上）-0151-02