工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用探討

金艷

（天津市機(jī)電工藝學(xué)院，天津 300350）

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用探討

金艷

（天津市機(jī)電工藝學(xué)院，天津 300350）

在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，涉及到很多的方面，自動(dòng)化控制領(lǐng)域是其中主要的一部分。為了使工業(yè)機(jī)器人更好的在自動(dòng)化控制領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，本文對(duì)其進(jìn)行了一定探討。

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)；自動(dòng)化控制領(lǐng)域；實(shí)踐應(yīng)用

在工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中，共有三個(gè)大模塊，分別為機(jī)械模塊、傳感模塊與控制模塊，根據(jù)每個(gè)大模塊中功能的差異，又可以將其分為六個(gè)小模塊，分別為驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊、感受模塊、機(jī)器人-環(huán)境交互模塊、人機(jī)交互模塊、控制模塊。

1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的概述

1.1 功能

在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，主要有以下幾個(gè)功能。一是示教再現(xiàn)。在該系統(tǒng)應(yīng)用之前，工作人員可以將相應(yīng)的信息輸入到機(jī)器人，機(jī)器人就會(huì)將這些信息存儲(chǔ)到指定的位置上，當(dāng)人們需要這些信息時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的方式，將其提取出來(lái)，對(duì)需要這些信息的人員進(jìn)行講解，從而發(fā)揮出示教再現(xiàn)的作用。二是運(yùn)動(dòng)控制。即利用相應(yīng)的方式，以使機(jī)器人具有不同的移動(dòng)速度、形態(tài)等。三是計(jì)算，根據(jù)機(jī)器人對(duì)周圍信息的收集，計(jì)算出環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這一數(shù)據(jù)制定出相應(yīng)的作業(yè)軌跡，利用其細(xì)化成各軸的伺服運(yùn)動(dòng)的控制策略。這一功能是整個(gè)控制系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一部分。四是反饋，機(jī)器人運(yùn)行的過(guò)程中，不論是狀態(tài)、姿勢(shì)還是位置都會(huì)不斷的發(fā)生變化，這一變化對(duì)之后的工作會(huì)帶來(lái)一定的影響，所以應(yīng)在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，動(dòng)態(tài)的對(duì)這些信息進(jìn)行收集，并將其反饋給主系統(tǒng)中，從而使主系統(tǒng)能夠及時(shí)的了解整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際情況，根據(jù)情況制定出相應(yīng)的決策。機(jī)器人控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的工作原理

1.2 特點(diǎn)

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要存在了以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是自由度高。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(huì)越多，而每一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，都會(huì)以自由度的方式表現(xiàn)出來(lái)，因此，在機(jī)器人當(dāng)中，為了控制能力更強(qiáng)，一般都會(huì)具有很高的自由度。對(duì)于簡(jiǎn)單的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，自由度通常為4個(gè)左右，對(duì)于復(fù)雜的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，自由度隨著控制能力的提升而增加，現(xiàn)階段，最高的自由度將近一百；二是在機(jī)器人運(yùn)行的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)高度的參與進(jìn)來(lái)，通過(guò)其有效的控制，使整個(gè)系統(tǒng)能夠遵循機(jī)器人的方式活動(dòng)；三是在機(jī)器人活動(dòng)的過(guò)程中，有很多路徑可以進(jìn)行，在這些路徑當(dāng)中往往會(huì)有一個(gè)最佳的路徑。

2 控制系統(tǒng)的組成與控制方式

2.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成與作用

在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)當(dāng)中，主要由6個(gè)部分構(gòu)成。一是控制計(jì)算機(jī)，其是整個(gè)系統(tǒng)中的大腦，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行指揮與調(diào)節(jié)，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(guān)的活動(dòng)，如軌跡的設(shè)計(jì)、人及信息的交換等。在該部分當(dāng)中，存在獨(dú)立的微處理器與存儲(chǔ)器，通過(guò)串行通信的方法，與主系統(tǒng)進(jìn)行連接；三是傳感器接口。通過(guò)該部分對(duì)信息進(jìn)行檢測(cè)，以使機(jī)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(duì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制，從而完成對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的控制；五是輔助控制。在機(jī)器人運(yùn)行的過(guò)程中，往往還需要使用一些其他的設(shè)備，這些設(shè)備使用時(shí)，就需要輔助控制模塊來(lái)進(jìn)行控制。

2.2 工業(yè)機(jī)器人的控制方式

當(dāng)前階段中，工業(yè)機(jī)器人的控制方式有很多，根據(jù)作業(yè)活動(dòng)之間的差異，可以將其分為以下幾種：一是點(diǎn)位控制。記載其運(yùn)行的過(guò)程中，機(jī)器人獨(dú)自的確定出自身與目標(biāo)的位置，通過(guò)兩個(gè)位置設(shè)計(jì)出最佳的活動(dòng)路徑；二是智能控制，即利用內(nèi)部的傳感裝置，采集附近的各種信息，并傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這些信息發(fā)布相關(guān)的指令；三是觸覺控制。即通過(guò)傳感裝置，對(duì)自身周圍進(jìn)行感知，發(fā)現(xiàn)路徑當(dāng)中的障礙物，并對(duì)路徑進(jìn)行重新設(shè)定。

2.3 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)當(dāng)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(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)一臺(tái)計(jì)算機(jī)，對(duì)所有的活動(dòng)進(jìn)行控制，是很早期的一種控制結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)當(dāng)中，對(duì)計(jì)算機(jī)具有非常大的要求，必須存在較強(qiáng)的功能。在以往的階段中，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的不成熟，生產(chǎn)成本較高，功能也不是很健全，所以，利用這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，往往是非常經(jīng)濟(jì)的，也能夠很好的在實(shí)際當(dāng)中使用。但存在一個(gè)明顯的缺陷，即內(nèi)部較為復(fù)雜，控制的速度較慢，因此，現(xiàn)今已經(jīng)逐漸淘汰了該結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。

（2）主從式控制。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，以往的機(jī)器人控制系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足社會(huì)的要求，這種情況下，逐漸出現(xiàn)了更加先進(jìn)的機(jī)器人控制系統(tǒng)，即主從式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，如世紀(jì)70年代研制出的MOTORMAN弧焊機(jī)器人。在該結(jié)構(gòu)當(dāng)中，存在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，一臺(tái)稱為一級(jí)計(jì)算機(jī)，是整個(gè)系統(tǒng)中的系統(tǒng)管理者，具有機(jī)器人語(yǔ)言編譯的功能，以及人機(jī)接口的作用，同時(shí)還會(huì)通過(guò)其具有的運(yùn)算性能，對(duì)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的工作，并且在得到結(jié)構(gòu)之后，將其看做關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的增值量，傳遞到公共內(nèi)存中。另一臺(tái)稱為二級(jí)計(jì)算機(jī)，其對(duì)所有關(guān)節(jié)位置進(jìn)行數(shù)值控制，在運(yùn)行的過(guò)程中，從內(nèi)存中讀取一級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算的結(jié)果，同時(shí)將各關(guān)節(jié)處的相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給內(nèi)存，為一級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。公共內(nèi)存是容量幾KB的雙口RAM，或者是普通靜態(tài)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(dá)到15ms，即15ms更改一次給定，完成控制活動(dòng)。該類結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)中，各個(gè)CPU之間，利用內(nèi)存來(lái)連接的，一次達(dá)到信息交換的目的，這種結(jié)構(gòu)下，耦合非常的松散，所以，只能對(duì)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行耦合，對(duì)更多的計(jì)算機(jī)耦合時(shí)，往往非常的困難，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主從式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)

（3）分布式控制。當(dāng)前階段中，大多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)都采用了分布式控制結(jié)構(gòu)，即將整個(gè)管理系統(tǒng)分為兩級(jí)，利用上一級(jí)的主控計(jì)算機(jī)，對(duì)所有系統(tǒng)進(jìn)行管理，并對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化與軌跡的插補(bǔ)運(yùn)算。下一級(jí)模塊中，存在多個(gè)CPU，每一個(gè)處理器對(duì)某一個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行控制，利用其完成控制任務(wù)，這樣不僅增強(qiáng)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(jí)計(jì)算機(jī)連接時(shí)，采用的為總線的方法，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分布式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

近年來(lái)，自動(dòng)化控制領(lǐng)域當(dāng)中對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了大量的應(yīng)用，其中主要包括以下幾個(gè)方面：一是焊接控制中的應(yīng)用，主要為大型機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)與稱重部位。二是搬運(yùn)控制中的應(yīng)用。如卸料、碼垛等。三是檢測(cè)控制中的應(yīng)用。會(huì)使檢測(cè)更加規(guī)范，零件的檢測(cè)誤差更小。四是裝配控制中的應(yīng)用。通過(guò)機(jī)器人中的視覺、聽覺等傳感器，對(duì)周圍環(huán)境的信息進(jìn)行采集，并利用這些信息，設(shè)計(jì)出合理的裝配路徑。五是噴涂自動(dòng)化控制中的應(yīng)用。在很多噴涂工作當(dāng)中，需要進(jìn)行三維表面噴涂，為了使噴涂的效果更強(qiáng)，就需要較多的自由度，而工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的自由度通常在5個(gè)以上，滿足這一要求，因此，也可以對(duì)三維噴涂進(jìn)行有效的控制。六是在醫(yī)療行業(yè)方面，該領(lǐng)域當(dāng)中逐漸對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用，不僅應(yīng)用到手術(shù)、治療的過(guò)程中，而且還應(yīng)用到了康復(fù)、轉(zhuǎn)運(yùn)等多個(gè)方面，為醫(yī)療活動(dòng)更好的開展提供了重要幫助。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前階段中，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是先進(jìn)的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，隨著該技術(shù)的出現(xiàn)，被廣泛的應(yīng)用到了自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，為自動(dòng)化控制更好的進(jìn)行工作提供了重要幫助。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)作為當(dāng)前較為先進(jìn)的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，應(yīng)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷地對(duì)其進(jìn)行研究。

[1]工業(yè)和信息化部關(guān)于推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見[J]．硅谷，2014，01:15．

[2]李琦．面向“中國(guó)制造2025”規(guī)劃的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)建設(shè)研究 [J]．職業(yè)，2017，05:21．

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1671-0711（2017）10（上）-0151-02