工業機器人在自動化控制中的應用研究

（益陽職業技術學院 船舶與機電系，湖南 益陽 413055）

1 工業機器人概述

工業機器人，從字面上來講就是用于工業領域的機器人。現如今，工業機器人已經廣泛應用于汽車及其零部件制造、機械加工、食品工業、木材與家具制造業等領域。工業機器人是各國先進制造業中不可或缺的重要裝備與關鍵技術。根據相關資料顯示，我國第一臺工業機器人誕生于20世紀60年代。現如今，我國以新松機器人為代表的工業機器人在全球工業機器人市場上已經顯露了旺盛的生命力。

2 工業機器人在自動化控制中的應用依據

在工業自動化控制領域，工業機器人的應用不僅可以大大節省人力成本，而且大大降低了因人工操作失誤導致的出錯率，提高了生產效率，保證了產品質量。工業機器人之所以能夠應用在自動化控制領域中，主要是因為它自身具有示教再現與運動控制這兩項功能。在工業機器人運作之前，操作人員將機器人的運動數據（如運動速度、所在位置等）以及動作代碼輸入工業機器人的控制系統。隨后啟動工業機器人。此時，工業機器人就會按照操作人員在其控制系統中輸入的相關數據與動作代碼進行一些移動、抓取、放置、噴涂、焊接等操作。

3 工業機器人在自動化控制中的應用原理

3.1 工業機器人的控制系統

盡管工業不同領域的工業機器人形態各異，但都可以大致分為主體部分、驅動系統和控制系統3部分。工業機器人擁有良好的運動能力和控制能力。它憑借靈活的機械手臂能夠完成很多精細的操作。目前，全球市場上的工業機器人已經全部實現了智能化，即采用了智能控制模式。工業機器人運動控制功能的實現依賴于它自身的控制系統。一個完整的工業機器人控制系統大致包括控制計算機、示教盒、傳感器接口、軸控制設備和輔助設備等。不同的設備分別管理著工業機器人的不同功能，如計算機的控制功能、示教盒的人機交互功能、傳感器的環境監測功能、軸控制設備的運動速度控制功能，以及輔助設備對工業機器人相關輔助設備的調控功能。在工業機器人運行過程中，各設備密切合作，對工業機器人的整個控制系統進行流暢、準確地調度和指揮。

3.2 工業機器人的控制方式

第一種是點位控制。點位控制是一種點到點的控制，如從A點到B點，再從B點到C點。點位控制的優點是讓工業機器人快速且準確地從某一點到另外一點，即實現點與點之間快速、準確地位移[1]。缺點是無法對工業機器人的位移路徑進行控制。因為講究快速與準確，所以點位控制的主要技術指標是運動（位移）速度和定位精度。PTP是工業機器人控制方式中最簡單、最易實現的一種方式，它常被應用于一些只要求點對點的生產環節中，如簡單、重復的上下料環節。

第二種是連續軌跡運動控制。連續軌跡運動控制強調的是工業機器人操作的連續性。從A到B，再從B到C，再從C到D。工業機器人在整個操作過程中要保持連續，不能中斷。連續軌跡運動控制要實現工業機器人操作的連續性，需要操作人員在工業機器人的控制系統中設置它連續軌跡運動的相關數據，如所在位置、運動軌跡、運動速度等。需注意的是，連續軌跡運動控制的連續性，不僅僅要求工業機器人操作的不中斷，還要求工業機器人的運動速度可控、運動狀態平穩。鑒于此，連續軌跡運動控制的主要技術指標是運動控制系統對工業機器人運動軌跡跟蹤的精確性，以及工業機器人自身運動速度的可控性和運動狀態的平穩性。

第三種是力伺服控制。力伺服控制以工業機器人的力伺服控制系統為核心，以輸出力（力矩）為控制變量，其執行機構是各種類型的驅動元件，如伺服閥+液壓馬達、伺服閥+油缸、驅動器+電馬達等。工業機器人在執行一些物料搬運、分揀物品等工作時，除了要保證定位的精度之外，還要求機械手臂使用適度的力（力矩）。在這種作業環境下，工業機器人機采用的就是力伺服控制方式。力伺服控制最鮮明的特征是系統輸入和反饋信號是一種力信號，而點位控制和連續軌跡運動控制的系統輸入和反饋信號是一種位置信號[2]。

第四種是智能控制方式。目前，采用智能控制的工業機器人主要是通過傳感器獲取周圍環境的信息，然后根據內部控制系統的相關指令做出相應的操作。

4 工業機器人在自動化控制中的應用趨勢

在工業領域，自動化設備是提高生產效率、節省人力成本、提高生產安全系數的關鍵手段。同時，它也是推動工業產業結構智能化調整的重要力量。憑借優秀的示教再現功能和運動控制功能，現如今的工業機器人已經在自動化控制領域得到了廣泛應用。放眼全球，縱觀近年來國際市場上出現的工業機器人，自動化、智能化已成為全球工業機器人技術發展的重要趨勢。可以看到，近兩年來新上市的工業機器人已經具備了自我感知能力和一定的執行能力，其智能化發展方向越來越明朗。總的來看，工業機器人呈現出以下幾個發展趨勢。

一是感知功能更加強大。在復雜的社會生活中，人的一切活動都離不開感知，即視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、知覺[3]。在這些感知的“指揮”下，人才能及時、準確地檢測出自身（內部）和環境（外部）的變化，從而做出產生思想的行為。將工業機器人賦予感知功能，能夠讓它像人類一樣對自身和環境做出準確地判斷與分析，然后做出相應的操作。伴隨著各種傳感器與驅動集成技術、傳感信息采集與融合處理技術等的發展，工業機器人的感知功能將有更大的提升。

二是智能控制快速發展。智能控制是控制理論發展的高級階段，它主要包含3個內容：一是智能信息處理；二是智能信息反饋；三是智能控制決策[4]。目前，大多數工業機器人運動控制方式主要是點對點控制、連續軌跡運動控制和力伺服控制3種。而在未來，隨著人工神經網絡、智能算法、專家系統等人工智能的快速發展，智能控制也會迎來更大的發展機遇。

三是故障自我診斷與自修復功能的實現。工業機器人作業環境中僅有少數操作人員，大多數時間是處于自動化運行的狀態。在正常運行狀態下，如遇突然斷電、被物品撞擊，工業機器人可能會發生停機無法啟動、錯誤操作等問題。為了保證生產效率，工業機器人應當具備一定的故障自我診斷與自修復功能，從而能及時、正確的應對各種突發情況。伴隨著工業機器人故障自我診斷系統的研究以及相關數據庫的建設，在未來，相信工業機器人都會具有故障自我診斷與自修復功能。

四是群體協調功能。若生產一件結構簡單的產品，每個工業機器人各司其職，負責各自的作業即可。而在未來，隨著工業產品向精密化發展的趨勢，生產一件產品就需要許多工業機器人的密切協作。在這種作業環境下，要確保眾多工業機器人實現完美協作，就需要工業機器人具有群體協調功能。伴隨著工業機器人群體協調系統的研究，在未來，將會有更多的具有群體協調功能的工業機器人被廣泛應用在一些復雜作業環境當中[5]。

五是移動功能。在一些生產環節，可移動的工業機器人能大大延伸作業距離，拓展作業半徑，提高生產效率。在一些長距離搬運物料和極端作業環境下，可移動工業機器人將被廣泛應用。伴隨著自主移動系統的研究，以及自動導航技術、多傳感器控制技術、網絡交互技術等的快速發展，工業機器人的可移動功能將進一步發展[6]。

5 結語

工業機器人在自動化控制領域中的應用價值巨大。伴隨著現代科學如云計算技術、大數據及時、人工智能技術等的迅速發展，工業機器人迎來了更大的發展機遇，它在自動化領域中的應用價值必將有進一步的提升。就目前來看，我國與日本、德國等工業機器人制造大國相比，依然存在很大的差距。為實現我國工業機器人的“追趕超”，還需要政府、工業機器人科研單位、高校以及相關企業的積極聯動，這是一個長期且艱巨的任務。