自動化控制工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用研究

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摘要：工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提高了我國工業(yè)自動化控制水平，也給人們的生產(chǎn)生活帶來了許多便利，它是21世紀(jì)一項非常重要的研究成果，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為其注入更多的能量顯得尤為重要，本文對機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)介紹，結(jié)合了工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能、特點(diǎn)、方式以及工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域闡述了這一發(fā)明成果，相信通過對其研究，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)會有更好地發(fā)展。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；自動化控制；實踐應(yīng)用

1概述

1.1機(jī)器人簡介

“機(jī)器人”的由來很早，最近幾年逐漸滲入到我們的日常生活中，成為人們喜聞樂見的話題。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）對工業(yè)機(jī)器人的定義是面向工業(yè)自動化領(lǐng)域的自動控制、可重復(fù)編程的多用途機(jī)械手[1]。機(jī)器人的分類方法有多種，按其應(yīng)用可分為:工業(yè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人和娛樂機(jī)器人[2]。其中工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展是工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域中一項突出的成就，需要我們對其進(jìn)一步研究和思考。

1.2研究背景

工業(yè)是一個國家發(fā)展的根本，機(jī)器人自動化是工業(yè)發(fā)展的命脈。我國的工業(yè)機(jī)器人從20世紀(jì)80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家科技攻關(guān)項目的支持下，特別是在“863”計劃的支持下，經(jīng)過十幾年的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，使中國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)從無到有，跨出了一大步[3]。在工業(yè)機(jī)器人自動化發(fā)展過程中，一方面加快我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，另一方面提高我國工業(yè)自動化生產(chǎn)。因此本文以工業(yè)機(jī)器人為例，從工業(yè)機(jī)器人的分類、控制系統(tǒng)、控制方式以及應(yīng)用領(lǐng)域四個方面展開介紹，探討工業(yè)機(jī)器人在自動化控制領(lǐng)城中的應(yīng)用，推動工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展。

2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國工業(yè)機(jī)器人在技術(shù)上也有所突破，已經(jīng)走上了自主研發(fā)階段。按照工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展過程其可分為三代：第一代是示教再現(xiàn)機(jī)器人，主要包括機(jī)器人本體、運(yùn)動控制器和示教盒，操作過程比較簡單。將程序編寫好存儲到示教盒，當(dāng)機(jī)器人開始運(yùn)動時，運(yùn)動控制器將解析好的程序傳送給機(jī)器人本體指導(dǎo)其運(yùn)動，完成操作。這類機(jī)器人通常采用點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動，連續(xù)軌跡再現(xiàn)的控制方法，可以完成直線和圓弧的連續(xù)軌跡運(yùn)動，然而復(fù)雜曲線的運(yùn)動則由多段圓弧和直線組合而成。由于操作的容易性、可視性強(qiáng)，所以在當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用最多[4]。第二代是離線編程機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人中的離線編程，實際上就是基于計算機(jī)圖形學(xué)構(gòu)建機(jī)器人工作環(huán)境的幾何模型，充分合理利用規(guī)劃算法，有效操控圖形，在處于離線狀態(tài)時合理規(guī)劃其運(yùn)動軌跡。在完成離線編程之后，進(jìn)行三維圖形動畫仿真，以此校驗程序的精確度，通過檢驗，便可以將代碼傳輸給機(jī)器人控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對于工業(yè)機(jī)器人的科學(xué)合理控制[5]。第三代是智能機(jī)器人，這一代機(jī)器人除了具有第一、二代機(jī)器人的特點(diǎn)，第三代機(jī)器人加入了各種傳感器、可以熟悉的感知外部環(huán)境，并且可以將感知到的信息自行判斷、處理分析、記憶，從而使機(jī)器人更好地適應(yīng)外部環(huán)境，保證工作順利的完成。機(jī)器人可以完成一些更加復(fù)雜的操作，機(jī)器人通過傳感器的感知對環(huán)境信息進(jìn)行反饋，靈活轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，使工作狀態(tài)與外部環(huán)境相適應(yīng)，在一定程度上增加了機(jī)器人的壽命。此機(jī)器人較多應(yīng)用在弧焊和搬運(yùn)工作中。

3工業(yè)機(jī)器人控制部分的概括

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的組成包括：機(jī)械部分、傳感部分以及控制部分。其中最為重要的核心部分是控制部分。我國工廠使用的工業(yè)機(jī)器人多半采用的是關(guān)節(jié)型機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)器人的每一個關(guān)節(jié)都可以獨(dú)立地操作電機(jī)，同時可以借助計算機(jī)實現(xiàn)對機(jī)器人的控制[6]。一個比較完整的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，包括傳送帶（在實際生產(chǎn)過程中附加的，不在機(jī)器人系統(tǒng)里）、外圍系統(tǒng)控制柜（它是協(xié)調(diào)大量機(jī)器人進(jìn)行工作，保證生產(chǎn)過程中協(xié)調(diào)有序）、示教器（一種輸入和讀取的設(shè)備）。控制部分包括兩個系統(tǒng)：人-機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

3.1人-機(jī)交互系統(tǒng)

人-機(jī)交互系統(tǒng)是指操作人員對機(jī)器人進(jìn)行控制并與機(jī)器人之間取得聯(lián)系的裝置。該系統(tǒng)可分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。類似于我們?nèi)粘Ｋ褂秒娔X的鍵盤（指令給定裝置）和屏幕（信息顯示裝置）。以一個簡單機(jī)器人為例，機(jī)器人系統(tǒng)包含示教器和控制柜，機(jī)器人主要是通過示教器和控制柜與自身取得聯(lián)系，既可以通過在示教器上進(jìn)行編程，輸入一些指令，即指令給定裝置；也可以在示教器上顯示相應(yīng)的信息，即信息顯示裝置。這就是人-機(jī)交互系統(tǒng)。

3.2控制系統(tǒng)

①工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人的核心部件主要包括機(jī)器人本體、減速器、伺服電機(jī)、控制系統(tǒng)四個部分。其中主體分為手部、腕部、臂部、腰部、機(jī)座等；減速器的主要作用是精確控制機(jī)器人的動作，傳輸更大的力矩，減速器分為兩種，分別是RV減速機(jī)和諧波減速機(jī)；伺服電機(jī)主要分為步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)，是影響機(jī)器人工作性能的主要因素；工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括五個部分：第一，機(jī)器人的控制與運(yùn)動學(xué)、機(jī)構(gòu)力學(xué)緊密相關(guān)，通過不同的坐標(biāo)系中坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換完成控制動作；第二，機(jī)器人在完成特定操作過程中，需要有多自度，各自由度有一個協(xié)調(diào)伺服機(jī)構(gòu)，以形成多變量控制系統(tǒng)；第三，伺服系統(tǒng)通過計算機(jī)來控制、協(xié)調(diào),保證機(jī)器人可依據(jù)人的意志行動進(jìn)而完成相關(guān)操作；第四，隨著外力與狀態(tài)的不斷變化機(jī)器人的參數(shù)也在隨之改變，因此不僅選用位置閉環(huán)；還要考慮到加速度或速度閉環(huán)；第五，在機(jī)器人操作過程中，一般會有多種途徑實現(xiàn)操作，因此可以通過計算機(jī)創(chuàng)建放大信息庫，然后信息庫實現(xiàn)控制決策操作，最終選擇最佳的方式進(jìn)行控制。②工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能。工業(yè)機(jī)器人自動化控制系統(tǒng)的功能有很多，但最突出的兩個功能別為：示教再現(xiàn)功能和運(yùn)動控制功能。運(yùn)動控制功能是指機(jī)器人通過對其末端操作的位置姿勢以及操作速度進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)機(jī)器人對其操作對象的控制。示教再現(xiàn)功能則是提前對機(jī)器人進(jìn)行示范教學(xué)，這種教學(xué)方式可采取手把手教，也可以通過示教器進(jìn)行操作，先將位置、速度、動作的代碼輸入到機(jī)器人控制系統(tǒng)，指令存儲在存儲器里，控制系統(tǒng)將代碼通過指令的方式傳輸給機(jī)器人操作系統(tǒng)，從而實現(xiàn)示教的再現(xiàn)。③工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。工業(yè)自動化機(jī)器人在一些人類難以完成的高危困難任務(wù)面前扮演著重要角色，一定程度上解放了人類的勞動力。機(jī)器人作為一項特殊的發(fā)明在工業(yè)領(lǐng)域有許多特別之處，其特點(diǎn)簡單概括為四個方面；第一，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械部分包括手部、腕部、臂部、腰部、機(jī)座，這就要求其設(shè)計與機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)緊密相聯(lián)，而工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動是以坐標(biāo)為準(zhǔn)來實現(xiàn)的，因此在設(shè)計過程中應(yīng)設(shè)置相應(yīng)坐標(biāo)；第二，通過工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)操作時，機(jī)器人通常具有多自由度，自由度就是指能夠保證了業(yè)機(jī)器人通過不同的組合式完成多種操作，而不僅停留在完成某一種操作。在控制系統(tǒng)當(dāng)中，控制能力越強(qiáng)，需要的伺服機(jī)構(gòu)就會越多，而每一個伺服機(jī)構(gòu)，都會以自由度的方式表現(xiàn)出來，因此，在機(jī)器人當(dāng)中，為了控制能力更強(qiáng)，一般都會具有很高的自由度[7]；第三，工業(yè)機(jī)器人之所以可以像人那樣去進(jìn)行操作甚至有時比人做得還好，不是它可以聽懂人說話，而是人們將相關(guān)操作代碼通過計算機(jī)傳遞給它，表達(dá)人類的需求；第四，工業(yè)機(jī)器人在完成相關(guān)操作時，會選擇一種最佳的方式來達(dá)到最佳的效果。④工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的算法。采用物理建模的方法為機(jī)器人本體進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，相應(yīng)的控制系統(tǒng)為機(jī)器人實現(xiàn)高精度的操作進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)的引入主要是為了改善機(jī)器人系統(tǒng)的特性，比如讓新的系統(tǒng)跟蹤性能更好，抗干擾性能更強(qiáng)，魯棒性能更高。而且在控制系統(tǒng)中有這么多算法，如模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、PID控制、自適應(yīng)控制等是工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的主要方法，為了保證機(jī)器人的動態(tài)性能更好，滿足一定的控制要求，除了以上的控制方法，目前又有一些新的控制方法出現(xiàn)來實現(xiàn)其更高的性能。在控制算法方面既要保證機(jī)器人系統(tǒng)具有一定的魯棒性，又要滿足參數(shù)實時變化的要求。目前，單一控制算法已經(jīng)無法滿足對復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制，往往采用模糊控制等算法與PID控制或自適應(yīng)控制相結(jié)合方法，這樣工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制的效果能實現(xiàn)多種控制方法融合的優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的魯棒性。因此，在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動過程控制算法研究中，采用魯棒控制方法保證機(jī)器人的抗干擾能力，結(jié)合自適應(yīng)等算法對實時變化的參數(shù)進(jìn)行識別與調(diào)整，在盡量降低控制算法復(fù)雜程度又保證控制算法有效性是目前主要的研究方向[8]。

4工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的控制方式

4.1點(diǎn)位控制

點(diǎn)位控制是指對工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行操作，通過對其位姿進(jìn)行控制，各以實現(xiàn)讓機(jī)器人能更加精確、快速地在特定的位置完成操作。

4.2連續(xù)軌跡控制

連續(xù)軌跡控制也是對工業(yè)機(jī)器人未端執(zhí)行器進(jìn)行操作，不同之處是對其進(jìn)行連續(xù)控制，在此過程中，可以保證機(jī)器人連續(xù)完成操作步驟，也可以有效調(diào)整操作的步驟和速度，以達(dá)到精確地完成人類需求的效果。

4.3力控制

所謂力控制，就是指工業(yè)機(jī)器人在完成操作時，所使用的用力程度。對于一些操作對象比較脆弱的情況為了避免在生產(chǎn)過程中受到破壞，就需要工業(yè)機(jī)器人對其進(jìn)行控制力氣，因此在實際操作過程中要求高精準(zhǔn)的確定位置，必須使用適當(dāng)?shù)牧貓?zhí)行操作[9-10]。

4.4智能控制

智能控制就是利用傳感器來搜集周邊的信息，通過計算機(jī)存儲的內(nèi)容對其信息進(jìn)行識別來解決問題。當(dāng)前，機(jī)器人控制式主要是智能控制，控制系統(tǒng)分析并傳輸相應(yīng)的操作指令，使機(jī)器人能夠智能自動化地學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境。

5工業(yè)機(jī)器人在自動化控制領(lǐng)域中的應(yīng)用

在汽車制造行業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人首先得到了應(yīng)用[11]。如今，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在自動化控制領(lǐng)域中的應(yīng)用可謂如此廣泛，工業(yè)機(jī)器人主要是在焊接、檢測、搬運(yùn)、噴漆、裝配等環(huán)節(jié)應(yīng)用[12]。

5.1焊接領(lǐng)域

一是焊接領(lǐng)域，其主要應(yīng)用是汽車生產(chǎn)中，通過利用焊接機(jī)器人，焊接車身結(jié)構(gòu)和承重大梁，省去了考慮物料重量的問題，這大大減輕了人工的操作，但是在此過程中工業(yè)機(jī)器人工作者也扮演了不可或缺的角色，在焊接之前，操作者應(yīng)該準(zhǔn)備好合適的焊接工具，規(guī)劃好機(jī)器人運(yùn)行過程中最合適的路程，有效地提高了焊接的的精度，也可針對點(diǎn)焊的結(jié)果，為下次點(diǎn)焊做進(jìn)一步的完善。另外在進(jìn)行汽車車身電弧焊接時，為了達(dá)到更好的焊接效果，電弧焊可以通過進(jìn)線的方式。電弧焊和線性焊的有機(jī)結(jié)合更加提高了焊接的精度。因為機(jī)器人是通過提前設(shè)定好的程序來進(jìn)行焊接的活動，可以為機(jī)器人安裝智能傳感器，避免焊接過程中出現(xiàn)較大的誤差，提高焊接效果。隨著科技的不斷發(fā)展，國家自動化水平的不斷提高，汽車工業(yè)進(jìn)入一個全新的發(fā)展階段，國家和社會對汽車工業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求，由此向機(jī)器人焊接的精度和效果提出了更高的要求，為汽車工業(yè)注入新的血液，提高汽車發(fā)展的技術(shù)水平成為汽車工業(yè)亟待解決的問題。

5.2裝配控制

二是裝配控制方面的應(yīng)用，在此方面的應(yīng)用通常要求機(jī)器人配備多個傳感器，如視覺、觸覺、聽覺、接近傳感器，機(jī)器人通過本身的各種傳感器可以精確地感知操作對象，與此同時做出更精確地判斷，避免了人工無數(shù)次嘗試，節(jié)約了工作時間。在汽車的生產(chǎn)過程中，機(jī)器人的裝備控制主要是依靠其自身的傳感器以及末端執(zhí)行器完成操作。傳感器可以精確地感知操作對象，將感知到的信息傳遞給末端執(zhí)行器，完成相應(yīng)的裝備控制工作。在汽車生產(chǎn)制造中，機(jī)器人裝配有對安裝車的裝配、安裝輪胎的裝配、擋風(fēng)玻璃的裝配等，很好地提高了汽車生產(chǎn)的質(zhì)量和效率[13]。裝備機(jī)器人比其他工業(yè)機(jī)器人的精確度更高，更具有較高的裝備水平，它面向工作的目標(biāo)是廣泛的，并且可以適應(yīng)不同的環(huán)境。在近些年汽車制造業(yè)發(fā)展過程中，不難發(fā)現(xiàn)，自動化水平發(fā)展迅速，汽車具備許多個零件，并且好多零件體積很小，因此對汽車制造業(yè)提出了更高的要求，單純的人工裝備已無法滿足當(dāng)今汽車制造業(yè)的發(fā)展，需要更多與此相匹配的機(jī)器人配合人工完成一些高難度及高強(qiáng)度工作，使裝備工作高效有序的進(jìn)行，進(jìn)而提高汽車制造業(yè)水平。

5.3材料搬運(yùn)

三是材料搬運(yùn)，最常見的則是碼垛、上下垛、抓取零件，這樣的方式有效替代了人工，避免人工消耗大量力氣。在汽車生產(chǎn)過程中，搬運(yùn)機(jī)器人主要負(fù)責(zé)對汽車零件的搬運(yùn)和組裝，機(jī)器人接收到相應(yīng)的搬運(yùn)和組裝指令，去相應(yīng)的位置進(jìn)行相關(guān)的操作，不僅為工人減輕了繁瑣的工作，還大大提高了搬運(yùn)和組裝效率，機(jī)器人在對零件進(jìn)行搬運(yùn)的過程中，尤其是一些大型零件，可以依據(jù)不同零件的形態(tài)、需求設(shè)置不同的執(zhí)行器，操作者只要設(shè)置好相應(yīng)的指令，工業(yè)機(jī)器人在抓取零件的時候是非常精準(zhǔn)的，不會對零件造成任何損害。

5.4檢測

四是用于檢測，在自動化控制領(lǐng)域檢測機(jī)器人主要負(fù)責(zé)對零件的尺寸、質(zhì)量進(jìn)行檢測，檢測產(chǎn)品生產(chǎn)出來是否合格，是否符合標(biāo)準(zhǔn)，以及承擔(dān)對零部件的分類工作，機(jī)器人的檢測程度遠(yuǎn)高于人類，因此獲得廣泛地應(yīng)用。在汽車生產(chǎn)過程中，除了完成汽車零件的搬運(yùn)和組裝工作，還應(yīng)在汽車生產(chǎn)完成后，對汽車進(jìn)行質(zhì)量檢測，保證在之后的實際使用過程中安全的運(yùn)行。機(jī)器人檢測主要是通過檢測系統(tǒng)對汽車的質(zhì)量進(jìn)行檢測，檢測系統(tǒng)主要包括視覺傳感器、測量控制模板兩個板塊。檢測系統(tǒng)通過視覺激光測頭采集到一定的圖像信息，在計算機(jī)上生成相應(yīng)的模型，將理想尺寸和實際尺寸進(jìn)行對比，分析產(chǎn)生的誤差。這樣的檢測機(jī)器人不僅可以提高生產(chǎn)汽車的質(zhì)量，也為之后汽車生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的誤差問題給出了借鑒。

5.5噴涂噴漆

五是噴涂噴漆方面，機(jī)器人具有多個自由度，可以很輕松的改變自己操作的位置和方向，因此在選取多自由度的機(jī)器人進(jìn)行噴涂噴漆工作后，減少了人工的工作量，提高了工作效率，工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢也愈發(fā)明顯。在三維的工業(yè)生產(chǎn)中，噴涂機(jī)器人比較常見，尤其在汽車生產(chǎn)過程中，對于車身的噴涂是一項既繁重又危險的工作任務(wù)，噴涂主要分為兩種類型，一種是涂膠，一種是噴漆，涂膠是為了保證車身的密封性，主要在一些密封焊接部位和減震部位做一下密封處理，具體的涂膠厚度及大小根據(jù)部位的需要做不同的調(diào)整；汽車車身的顏色、光澤度則是通過均勻、快速地對車身進(jìn)行噴涂而成。用機(jī)器人代替人工可以實現(xiàn)對加工零件進(jìn)行全方位的噴涂，工作過程比人工更加省力，時間具有靈活性，不僅提高了工作效率，也大大提高了工作的精準(zhǔn)度。

6結(jié)束語

本篇文章通過對機(jī)器人的概念以及工業(yè)機(jī)器人在我國的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行介紹，清楚地呈現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人在自動化生產(chǎn)中所扮演的重要角色，機(jī)器人的應(yīng)用是評判一個國家工業(yè)化水平的標(biāo)志之一。不僅如此，人們已經(jīng)意識到機(jī)器人發(fā)展已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘Ｉ钪?，機(jī)器人除了在工業(yè)自動化領(lǐng)域中應(yīng)用的范圍較廣之外，也已經(jīng)在醫(yī)療、服務(wù)行業(yè)有所進(jìn)展。任何一項技術(shù)都需要我們不斷地對其進(jìn)行應(yīng)用研究，在工業(yè)自動化不斷發(fā)展的背景下，技術(shù)工作人員也應(yīng)跟隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展注入新的內(nèi)涵。

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作者：柏慧 王春梅 單位：貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院