工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)中重要的自動(dòng)化裝備。機(jī)器人技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和PLC技術(shù)并稱為工業(yè)自動(dòng)化的三大支持技術(shù)。機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，已成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）、自動(dòng)化工廠（FA）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動(dòng)化工具，同時(shí)也是工業(yè)4.0智能化工廠中重要的一環(huán)。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

「?1.?工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成及性能指標(biāo)?」

1）工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器人如圖1所示，工業(yè)機(jī)器人按照技術(shù)發(fā)展水平可以分為三代：第一代示教再現(xiàn)機(jī)器人、第二代感知機(jī)器人、第三代智能機(jī)器人。

圖1?工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，第一代工業(yè)機(jī)器人在外部結(jié)構(gòu)上主要由三部分組成：操作機(jī)（或稱機(jī)器人本體）、控制器和示教器。對(duì)于第二代及第三代工業(yè)機(jī)器人還包括感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)，它們分別由傳感器及軟件實(shí)現(xiàn)。

（1）操作機(jī)：用于完成各種作業(yè)任務(wù)的機(jī)械主體，主要包含機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)單元以及內(nèi)部傳感器等部分。

（2）控制器：是根據(jù)指令及傳感器信息控制機(jī)器人本體完成一定動(dòng)作的裝置，是決定機(jī)器人功能和性能的關(guān)鍵部分，也是工業(yè)機(jī)器人更新和發(fā)展最快的部分。

（3）示教器：是機(jī)器人的人機(jī)交互接口，操作者可通過它對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程或手動(dòng)操縱機(jī)器人移動(dòng)。

工業(yè)機(jī)器人從功能上由3大部分6個(gè)子系統(tǒng)組成。3大部分分別是機(jī)械部分、控制部分和傳感部分。6個(gè)子系統(tǒng)分別是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人與環(huán)境交互系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖2。

圖2?工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)功能組成

2）工業(yè)機(jī)器人性能指標(biāo)

工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)是機(jī)器人生產(chǎn)廠商在產(chǎn)品供貨時(shí)所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，反映了機(jī)器人的適用范圍和工作性能，是選擇機(jī)器人時(shí)必須考慮的問題。盡管機(jī)器人廠商提供的技術(shù)數(shù)據(jù)不完全相同，工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、用途和用戶的需求也不相同，但其主要的性能指標(biāo)一般為：自由度、工作精度、工作范圍、額定負(fù)載、最大工作速度等[2]，具體含義見表1。

表1?工業(yè)機(jī)器人性能指標(biāo)及含義

需要說明的是，機(jī)器人在工作范圍內(nèi)可能存在奇異點(diǎn)。奇異點(diǎn)是由于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的約束，導(dǎo)致關(guān)節(jié)失去某些特定方向的自由度的點(diǎn)。奇異點(diǎn)通常存在于作業(yè)空間的邊緣，如奇異點(diǎn)連成一片，則稱為“空穴”。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到奇異點(diǎn)附近時(shí)，由于自由度的逐步喪失，關(guān)節(jié)的姿態(tài)會(huì)急劇變化，這將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)承受很大的負(fù)載而產(chǎn)生過載。因此，對(duì)于存在奇異點(diǎn)的機(jī)器人來說，其工作范圍還需要除去奇異點(diǎn)和空穴。圖3所示邊緣不規(guī)則處即為除去部分。

圖3 ABB工業(yè)機(jī)器人IRB1410(左)和IRB8700(右)工作范圍

「?2.?工業(yè)機(jī)器人的控制?」

1）工業(yè)機(jī)器人控制的特點(diǎn)及要求

多數(shù)工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置精度，需要多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)。因此，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)與普通的控制系統(tǒng)相比要復(fù)雜，具有以下特點(diǎn)：

（1）本質(zhì)上是一個(gè)非線性系統(tǒng)。

（2）是由多關(guān)節(jié)組成的多變量控制系統(tǒng)，且各關(guān)節(jié)間具有耦合作用。

（3）是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨著關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位置的變化而變化。

（4）要求對(duì)環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測(cè)定和分析，自動(dòng)選擇最佳控制規(guī)律。

（5）具有較高的重復(fù)定位精度，系統(tǒng)剛性好。

（6）不允許有位置超調(diào)，否則可能發(fā)生碰撞，動(dòng)態(tài)響應(yīng)要快。

考慮到工業(yè)機(jī)器人控制具有以上特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)時(shí)必須滿足如下基本要求：

（1）多軸運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，以產(chǎn)生要求的工作軌跡。

（2）較高的位置精度，很大的調(diào)速范圍。

（3）系統(tǒng)的靜差率要小，即要求系統(tǒng)具有較好的剛性。

（4）位置無超調(diào)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

（5）需采用加減速控制。

（6）各關(guān)節(jié)的速度誤差系數(shù)應(yīng)盡量一致。

（7）從操作的角度看，要求控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，盡量降低對(duì)操作者要求。

（8）從系統(tǒng)的成本角度看，要求盡可能地降低系統(tǒng)的硬件成本，更多的采用軟件伺服的方法來完善控制系統(tǒng)的性能[3]。

2）工業(yè)機(jī)器人控制方式

? 從工業(yè)機(jī)器人的控制特點(diǎn)和控制要求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的控制涉及諸多內(nèi)容，主要分為機(jī)器人的底層控制與上層控制。其中，底層控制包括機(jī)器人本體（即機(jī)械部分）、驅(qū)動(dòng)電路部分、傳感器部分以及控制策略（如PID控制）等。上層控制包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析、路徑規(guī)劃以及機(jī)器人的軟件部分[4]。根據(jù)不同的分類方法，機(jī)器人控制方式可以有不同的分類。按照被控對(duì)象可以分為位置控制、速度控制、力控制、力矩控制、力/位混合控制等[5]，這些主要是底層控制，現(xiàn)對(duì)主要控制方式加以說明。

（1）工業(yè)機(jī)器人位置控制：目的是要使機(jī)器人各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)預(yù)先所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)，最終保證工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器沿預(yù)定的軌跡運(yùn)行，通常采用交流伺服系統(tǒng)或直流伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

（2）工業(yè)機(jī)器人力（力矩）控制：需要分析機(jī)器人末端執(zhí)行器與環(huán)境的約束狀態(tài)，并根據(jù)約束條件制定控制策略。此外，還需要在機(jī)器人末端安裝力傳感器，用來檢測(cè)機(jī)器人與環(huán)境的接觸力。控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先制定的控制策略對(duì)這些力信息作出處理后，控制機(jī)器人在不確定環(huán)境下進(jìn)行與該環(huán)境相適應(yīng)的操作，從而使機(jī)器人完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)。

（3）工業(yè)機(jī)器人速度控制：通常與位置控制同時(shí)實(shí)現(xiàn)。例如，在連續(xù)軌跡控制方式的情況下，工業(yè)機(jī)器人需要按預(yù)定的指令來控制運(yùn)動(dòng)部件的速度和實(shí)行加、減速，以滿足運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確的要求。由于工業(yè)機(jī)器人是一種工作情況（或行程負(fù)載）多變、慣性負(fù)載大的運(yùn)動(dòng)機(jī)械，要處理好快速與平穩(wěn)的矛盾，必須控制起動(dòng)加速和停止前的減速這兩個(gè)過渡運(yùn)動(dòng)區(qū)段。而在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，速度控制通常情況下也是必須的。

3）工業(yè)機(jī)器人智能控制

工業(yè)機(jī)器人的智能控制方式主要指在不確定或未知條件下作業(yè)，機(jī)器人需要通過傳感器獲得周圍環(huán)境的信息，根據(jù)自己內(nèi)部的知識(shí)庫做出決策，進(jìn)而對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，自主完成給定任務(wù)，屬于機(jī)器人的上層控制。若采用智能控制技術(shù)，機(jī)器人會(huì)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)習(xí)能力。智能控制方法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能的發(fā)展密切相關(guān)。現(xiàn)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用為例來闡述智能控制與工業(yè)機(jī)器人的結(jié)合。

以圖中所示移動(dòng)機(jī)器人為例，攝像機(jī)安裝在移動(dòng)機(jī)器人的上方，獲取障礙物的三維圖像。超聲波傳感器組安裝在移動(dòng)機(jī)器人的前方(攝像機(jī)的正下方)，獲取障礙物與移動(dòng)機(jī)器人之間的距離信息，如圖4所示。

? ? 圖4?多傳感器布置圖

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行視覺和超聲波傳感器信息融合，并輸出到下一級(jí)，識(shí)別出障礙物的類型，這樣使移動(dòng)機(jī)器人在不確定的環(huán)境中行走時(shí)能夠避障，提高其導(dǎo)航能力。 工業(yè)機(jī)器人利用智能信息進(jìn)行綜合決策避開障礙物的主要步驟如下：

（1）在機(jī)器人行進(jìn)的同時(shí)，測(cè)距系統(tǒng)每隔一個(gè)很短的時(shí)間進(jìn)行一次環(huán)境探測(cè)，根據(jù)超聲波傳感器獲得的有關(guān)障礙物的距離信息，判斷移動(dòng)機(jī)器人是否需要減速，以及是否需要從CCD攝像機(jī)取樣。

（2）當(dāng)測(cè)距系統(tǒng)探測(cè)到障礙物距移動(dòng)機(jī)器人的距離為中等時(shí)，降低機(jī)器人的速度；當(dāng)障礙物距移動(dòng)機(jī)器人的距離為近時(shí)，從CCD攝像機(jī)獲取有關(guān)障礙物的二維圖像，并提取其左右邊緣的坐標(biāo)。

（3）將超聲波傳感器和CCD攝像機(jī)獲得的有關(guān)障礙物的信息進(jìn)行分組及預(yù)處理，送入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行融合。

（4）預(yù)先經(jīng)過避障知識(shí)學(xué)習(xí)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)外部多傳感器采集的信息，作出相應(yīng)的避障決策，避開障礙物。

參考文獻(xiàn)

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編輯：黃飛