工業機器人及其控制系統

宋曉宇 婁夢語

摘 要：工業機器人也叫工業機械手，它是一種多關節或自由度較多的機械裝置，目前多關節機器人市場占有率最高。這種裝置通過程序控制以及自適應功能，依靠自己驅動機構和控制系統實現各種運動功能。隨著科學技術的發展，人工智能的現代化，實現了工業機器人人工智能化。工業機器人主要由本體、驅動機構、控制系統組成，其中控制系統是核心。現在，工業機器人得到了廣泛的運用，主要表現在焊接、碼垛、搬運、打磨、折彎、3C等各個行業，極大的提高了工廠自動化程度、提高了工作效率、提高了產品質量，降低勞動強度和人力成本。

關鍵詞：機器人;機械手;控制系統;

Industrial Robot and Its Control System

SONG Xiao Yu ，LOU Meng Yu

Abstract： Industrial robot is also called industrial manipulator. It is a kind of mechanical device with multiple joints or more degrees of freedom. Currently， the market share of multi-joint robot is the highest.This device realizes various motion functions through program control and adaptive function， relying on its own driving mechanism and control system.With the development of science and technology， the modernization of artificial intelligence， the realization of industrial robot artificial intelligence.Industrial robot is mainly composed of ontology， drive mechanism and control system， of which control system is the core.Now， industrial robots have been widely used， mainly in welding， stacking， handling， grinding， bending， 3C and other industries， greatly improve the degree of factory automation， improve work efficiency， improve product quality， reduce labor intensity and labor cost.

Key words： Industrial Robot;Industrial Manipulator;Control System;

1 引言

從1954年第1臺電子可編程工業機器人，到今天的人工智能機器人。機器人可以視為一種柔性控制極高的自動化裝備，也是我們現代制造業中必不可少的關鍵裝備。機器人高度的柔性控制技術使其在制造業中應用及其廣泛。

目前，工業機器人技術代表了一個國家的產業競爭力以及創新能力，是科技產業革命的引入點。結合《中國制造2025》，我國制造業面臨整體轉型升級，而智能智造的快速崛起，使我們在不同領域醞釀出不同新機會。現在，工業機器人在我國已經發展為了新型高新技術產業。據國際機器人聯合會（IFR）的統計，2018年全球裝機量為42.2萬臺，比2017年增長6.0%，預計將從2020年到2022年平均每年保持增長率為12%。2018年，中國工業機器人產量達14.8萬臺，超過全球總產量的38%，2018年中國的工業機器人密度達到137，相比2017年提高了34.3%，遠超同期全球平均水平，為我國經濟的高質量、高速發展帶來了新生機。

雖然我國已經是全球最大的工業機器人市場，但目前外資企業占比仍很高。受限于技術、成本等原因，我國工業機器人的市場占有率較低。工業機器人核心零件、元器件目前還是以國外技術為主，是我國工業機器人發展的劣勢及瓶頸，如：控制器、減速機、伺服電機等產品。為此，依靠國家政策，推動核心零件、元器件國產化，是我國提高工業機器人技術的關鍵。突破各種技術壁壘，機器人功能模塊化、系統化研究尤為重要，而機器人控制系統作為核心，成為了我國迫切需要突破的重心。

2 工業機器人組成

本體、執行機構和控制系統是工業機器人的主要組成，除此之外還可以附加設備——伺服變位機。

本體：有主機座、各個臂關節、連桿、夾具等組成。一般會有3—6軸關節，臂關節數及連桿長度決定了機器人的臂展工作區間即最大工作范圍以及最大負載。

執行機構：有動力和傳動裝置組成，包括伺服電機、減速機、氣液裝置等。其決定著機器人的定位精度和運行速度。

控制系統：有電控柜、示教器、傳感器等多種電氣系統組成。通過程序對驅動機構進行點位、軌跡運動等空間控制。

附加設備：伺服變位機、各種工裝等，俗稱機器人的第7軸，協助機器人完成多個工位的工作

3 控制系統組成

控制系統有電控柜、示教器、I/O、外圍接口、軟件等組成

1、電控柜：有控制器、控制面板、軸驅動器、低壓保護器件、電源控制線路等組成。其中控制器是機器人的控制核心，也是一臺微型PC（Personal Computer） 。其內部配置有獨立CPU、硬盤和內存，運行WIN7、VxWorks 、Ubuntu等多種操作系統。不同廠家采用的操作系統及CPU是不同的，大家的共同目的是搭建一個控制平臺，從而可以融合機器人控制、傳感器、通訊、物聯網等控制。

控制面板：有電源開關、指示燈、緊急停止按鈕、報警器等組成。

軸驅動器：用于機器人驅動機構電機的驅動器，一般指伺服驅動器。伺服驅動器通過總線控制方式和控制器進行通訊接受和反饋，達到機器人各個關節的位置、速度、力矩等控制。

低壓保護器件：用于系統電源、電機等線路的過壓、過流、缺相等保護器件。

2、示教器： 用于與用戶交互的設備，其本身也是一臺帶有顯示屏幕的計算機。可以獨立處理和存儲用戶指令，程序編寫、參數配置以及狀態監控。示教器主要通過RS232/RS485串口、以太網等多種通訊方式與主機控制器之間數據交換。

3、I/O：是輸入輸出模塊，主要用來各種機構運行狀態信號采集，指示燈、氣缸等機構運作。

4、外圍接口：指一些機器人以外的附加設備接口、通訊接口、程序參數接口。

附加設備接口：主要用來連接與機器人配合的變位機、手指夾爪等機械結構

通信接口：與自動線的柔性、集成、MES等控制系統的信息數據交換接口。常用的有： EtherCAT、CanOpen、ProfiBus、ModBus、TCP/IP等各種總線。

程序參數接口：該接口一般為以太網、USB類型。用來機器人程序和參數的輸入及編輯。

5、軟件：一臺機器人的工作離不開軟件的協助，通過軟件可以更加簡單的使用操作機器人。軟件有：三維離線編程、三維仿真、機器視覺、折彎、焊接碼垛等工藝軟件以及遠程監控軟件。

4控制系統分類

根據控制運動的方式分為點對點控制、軌跡控制兩種;根據控制原理分為順序控制系統、適應性控制系統和人工智能控制系統。

點對點控制：機械手從起始位置到終點位置運行，是點到點的運動方式，是快速、精準的直線運動。

軌跡控制：以終點位置為目標，通過復雜的、精準的運動軌跡到達目標點，運動軌跡為空間自由度，可以做任意的連續曲線。

順序控制系統：根據特定工藝流程，結合機器人的關節運行范圍，對每一個軸或其他附加設備，進行有規律的程序及運動軌跡設定，機器人依據固定的程序設計進行軌跡運行，稱為順序控制系統。

適應控制系統：在程序控制系統的基礎上進行深化，加入各種傳感器的數據采集，感知機械手的各種條件變化，通過機器人軟件進行模型構建以及參數設定，從而不停的修正機器人的運行速度、精準位置等狀態，此時控制系統會隨著信號的更新以及參數數據的變化而自動變化，這就是適應控制系統。

人工智能系統：隨著物聯網、云平臺、大數據等技術運用，工業機器人向人工智能系統發展。這種系統以大數據、傳感器技術為基礎，增加語音識別、機器視覺、執行器系統、和認知行為系統，具有了學習、推理等認知能力。機器人結合自身硬件組成，運用自己的認知能力，不需要事先的程序、參數編輯即可完成所需要的運動軌跡，達到快速、精準、智能化的控制目的。

5 總結

在信息化、網絡化支撐下，隨著計算機控制技術、傳感器技術的發展，人工智能系統是現在乃至未來工業機器人主要發展方向。面對制造業轉型升級，工業機器人是一個強大的推動引擎，我國工業機器人還需要突破核心零件、元器件技術，進行更加深入的技術研究和探索。

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[4]《全球機器人2019——工業機器人》報告

作者簡介：

宋曉宇，男，（1999-02—），河南漯河，學生，本科學歷，專業：機械設計制造及其自動化。