工業(yè)機器人在自動化控制中的應(yīng)用研究

深圳市矽電半導(dǎo)體設(shè)備有限公司 劉振輝

一、前言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機器人誕生了，并且已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在自動化控制領(lǐng)域中，工業(yè)機器人既需要自動控制技術(shù)和計算計技術(shù)，又需要傳感器技術(shù)等，最近幾年，人工智能技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1]。工業(yè)機器人能夠長時間進(jìn)行重復(fù)和單調(diào)的體力勞動，還能夠?qū)⒃S多人工作業(yè)進(jìn)行有效地替代。

二、概述工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

1.工業(yè)機器人的特點

其一，自由度比較高，對系統(tǒng)進(jìn)行控制的過程中，具有很強的控制能力，而且，越加強控制能力，就會增加更多需要服伺的機構(gòu)，同時，還會以自由度方式將服伺的各個機構(gòu)表現(xiàn)出來，所以，為了使機器控制的能力更強，通常會具備比較高的自由度。針對于比較復(fù)雜的機器人而言，提高控制能力，自由度也會隨著增加，從當(dāng)前來看，最高自由度已經(jīng)達(dá)到100以上；針對于比較簡單的機器人而言，通常自由度有4個。

其二，工業(yè)機器人活動的過程中的路徑比較多，但是，通常會有一個最好的路徑。

其三，工業(yè)機器人運行的過程中，需要計算機高度的參與，有效對機器人運行進(jìn)行控制，致使整個系統(tǒng)能夠按照機器人的方式進(jìn)行活動[2]。

2.工業(yè)機器人的功能

其一，再現(xiàn)示教。應(yīng)用工業(yè)機器人控制系統(tǒng)以前，工作人員需要將相應(yīng)信息輸?shù)綑C器人中，這些信息會被機器人儲存到指定的位置上，人們想用這些信息時，以相應(yīng)的方式提取信息，對所需信息人講解，致使示教再現(xiàn)作用充分地發(fā)揮出來[3]。

其二，計算。結(jié)合機器人收集周圍的信息，將相關(guān)環(huán)境的數(shù)據(jù)計算出來，并且根據(jù)這個數(shù)據(jù)，將相應(yīng)作業(yè)軌跡制定出來，細(xì)化成控制各軸服伺運行的有效策略。在整個工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中，這是最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。

其三，運動控制。就是有效運用相應(yīng)的方式，致使機器人能夠具有不同形態(tài)和移動的速度等[4]。

其四，反饋。機器控制系統(tǒng)運行的過程中，姿勢和狀態(tài)以及位置，都在不斷地變化，這些變化會影響以后的工作，因此，機器人運行的同時，需要收集這些動態(tài)信息，并且，將這些信息反饋給主系統(tǒng)，致使主系統(tǒng)能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)實際的情況及時進(jìn)行了解，結(jié)合實際的情況，將相應(yīng)的策略制定出來。

三、工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)組成

工業(yè)機器人包括示教盒、控制計算機、軸控制器、傳感器接口以及輔助設(shè)備控制等幾個部分。機器人控制系統(tǒng)組成，見圖1所示。

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的使用的計算機，通常是微型計算機，或者是微處理器，控制系統(tǒng)綜合的指揮調(diào)度機構(gòu)就是控制計算機。示教盒有效運用串行通信方式，與主計算機交互信息，既具有CPU，又具有獨立儲存單元，對工作軌跡和參數(shù)以及人機交互示教進(jìn)行設(shè)定，是示教盒主要的功能。傳感器主要有三種：力覺傳感器和視覺傳感器以及觸覺傳感器，對信息進(jìn)行檢測是其的主要作用，從而使控制工業(yè)機器人的柔順得以有效地實現(xiàn)[5]。軸控制既控制工業(yè)機器人的加速度和速度，又要控制工業(yè)機器人各個操作關(guān)節(jié)的位置。輔助設(shè)備控制主要將與工業(yè)機器人互相配合的輔助設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

圖1 機器人控制系統(tǒng)的組成

四、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的控制方式

1.點位控制

工業(yè)機器人的執(zhí)行器作業(yè)過程中，只控制某些點位姿的控制方式。有效運用這種控制方式，對于工業(yè)機器人所要到達(dá)目標(biāo)的工作軌跡不用進(jìn)行規(guī)定，只規(guī)定工業(yè)機器人相鄰各點的位置和運行速度就可以，要求工業(yè)機器人盡量在相鄰的各點之間準(zhǔn)確且快速地進(jìn)行運動。

2.力矩控制

主要在裝配物體和抓放物體作業(yè)時應(yīng)用，要求準(zhǔn)確地將位置確定，執(zhí)行操作必須要應(yīng)用適當(dāng)力矩。

3.連續(xù)軌跡控制

連續(xù)控制工業(yè)機器人執(zhí)行器進(jìn)行作業(yè)中的位姿，既要規(guī)定工業(yè)機器人的運行軌跡，又要將工業(yè)機器人的位置精度和運行速度提出要求，工業(yè)機器人必須要在規(guī)定的速度和運行軌跡中進(jìn)行運動，一定的運動精度必須要有效地實現(xiàn)，工業(yè)機器人將工作完成的過程中，既要運動平穩(wěn)和速度可控，又要軌跡光滑[6]。

4.智能控制

工業(yè)機器人有效運用自身傳感設(shè)備了解周圍的環(huán)境，再結(jié)合內(nèi)部存儲的知識，將具體執(zhí)行的決策做出來，這就是智能控制方式，有效運用智能控制方式，工業(yè)機器人既具備自學(xué)的能力，又具備很強的適應(yīng)周圍環(huán)境的能力。

五、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.主從式控制

科學(xué)技術(shù)在不斷地發(fā)展，原來的機器人控制系統(tǒng)對于當(dāng)前社會的要求已無法滿足，先進(jìn)機器人控制系統(tǒng)也逐漸地誕生了，也就是主從式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。例如，MOTORMAN弧焊機器人，該結(jié)構(gòu)具有2臺計算機，一臺是整個系統(tǒng)的管理者，被稱為“一級計算機”，具有編譯機器人語言的功能和人機接口的作用，還能夠利用運算性能，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軌跡數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)得到以后，視為關(guān)節(jié)運動增值量，傳輸?shù)焦矁?nèi)存當(dāng)中。另一臺計算機能夠有效地控制所有關(guān)節(jié)位置數(shù)值，被稱作“二級計算機”，該計算機運行過程中，能夠?qū)?nèi)存中一級計算機的運算結(jié)果有效地讀取，還能夠?qū)⒏麝P(guān)節(jié)處的數(shù)據(jù)向內(nèi)存進(jìn)行傳輸，給一級計算機順利的運行打下基礎(chǔ)?？偩€控制邏輯電路加上普通靜態(tài)RAM構(gòu)成公共內(nèi)存，或者是容量幾KB的RAM雙口。因為功能有些分散不集中，使其的控制速度加快了，一般能夠達(dá)到15毫秒，也就是15毫秒進(jìn)行一次給定更改，控制活動完成。在該類結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中，利用內(nèi)存將各個CPU進(jìn)行連接，一次將交換信息的目的有效地實現(xiàn)，耦合在這種結(jié)構(gòu)下非常松散，因此，對太多計算機進(jìn)行耦合比較困難，只能將兩臺計算機完成耦合。

2.集中控制

集中控制就是工業(yè)機器人運行過程中，利用一臺計算機來控制所有的活動，屬于很早以前的一種控制結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對計算機要求比較高，必須要具備很強的功能[7]。計算機技術(shù)在以往發(fā)展還不成熟，功能沒有達(dá)到健全，生產(chǎn)的成本也比較高，因此，運用集中控制，既經(jīng)濟，又能夠在實際中很好地進(jìn)行使用。但是，集中控制的速度比較慢，而且內(nèi)部比較復(fù)雜，這是一個很大的弊端，這種結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸不用了，被淘汰了。

3.分布式控制

從當(dāng)前來看，大部分工業(yè)機器人系統(tǒng)運用的都是分布式的控制結(jié)構(gòu)，就是把整個管理系統(tǒng)分成兩級，有效運用上一級主控計算機，來管理所有的系統(tǒng)，并且將軌跡插補的運算，對坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。在下一級的模塊中，具有很多個CPU，每一個關(guān)節(jié)都由一個處理器進(jìn)行控制，利用其將控制的任務(wù)有效地完成，如此這樣，既能夠?qū)⒖刂菩视行У卦鰪?，還能夠?qū)⑻幚硭接行У靥嵘?。上一級計算機與微處理器進(jìn)行連接時，運用的是總線的方法。

六、工業(yè)機器人應(yīng)用的領(lǐng)域

起初工業(yè)機器人在制造汽車行業(yè)進(jìn)行應(yīng)用，社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)都在快速地發(fā)展，工業(yè)機器人技術(shù)也在不斷地發(fā)展和進(jìn)步，很大程度地提升了工業(yè)機器人的功能，應(yīng)用領(lǐng)域的規(guī)模不斷地擴大。工業(yè)機器人在常規(guī)的環(huán)境下，能夠?qū)⒐と俗鳂I(yè)進(jìn)行替代，針對于高溫、高危險、有毒以及高熱的環(huán)境下，工業(yè)機器人更能夠?qū)⑵渥饔贸浞值匕l(fā)揮出來。有些工作環(huán)境比較惡劣，有效運用工業(yè)機器人，能夠代替人工進(jìn)行繁重且重復(fù)性比較高的作業(yè)，既能夠?qū)⒐と说娜松戆踩靡员ＷC，又能夠?qū)⑵髽I(yè)生產(chǎn)效率有效地提升。工業(yè)機器人具有很多的優(yōu)點，在自動化生產(chǎn)領(lǐng)域中，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，無論在特殊工作場合和惡劣的工作環(huán)境，還是高危工作等相關(guān)的方面，工業(yè)機器人都能夠?qū)?yōu)點充分地發(fā)揮出來[8]。

自動化生產(chǎn)的過程中，經(jīng)常使用的工業(yè)機器人有檢測、焊接、噴涂、搬運、噴漆以及裝配等機器人。在自動化生產(chǎn)過中，檢測機器人主要對零部件的尺寸進(jìn)行確定，給零部件分類和對零部件的質(zhì)量進(jìn)行控制等；焊接機器人是承重大梁和對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接；材料搬運機器人應(yīng)用于上下料、卸貨、碼垛以及定向抓取零件等；噴涂和噴漆機器人，主要進(jìn)行噴涂和噴漆作業(yè)時進(jìn)行應(yīng)用，工業(yè)機器人做這項作業(yè)，自由度不能低于五個，為了使工業(yè)機器人能夠方便地運行，工業(yè)機器人可以在導(dǎo)軌上進(jìn)行作業(yè)；裝配工作是所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最復(fù)雜的一個環(huán)節(jié)，裝配機器人，無論是視覺傳感器和聽覺傳感器，還是接近傳感器和觸覺傳感器等相關(guān)的各種傳感器都必須要配備，從而使工業(yè)機器人能夠順利地進(jìn)行裝配工作。

七、總結(jié)

綜上所述，科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟都在快速地發(fā)展，工業(yè)機器人無論是功能上，還是技術(shù)上，都很大程度地提高了，比較復(fù)雜的自動化控制已經(jīng)得以有效地實現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化技術(shù)也在不斷的進(jìn)步和提升，工業(yè)機器人會更加廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，從而將更多的便利帶給社會的生產(chǎn)活動。

[1]寇曉晨.工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制領(lǐng)域的運用[J].南方農(nóng)機,2018,49(02):92+119.

[2]蔡濟云.工業(yè)機器人在自動化控制中的應(yīng)用研究[J].科技與創(chuàng)新,2018(01):144-145.

[3]金艷.工業(yè)機器人技術(shù)在自動化控制領(lǐng)域的應(yīng)用探討[J].中國設(shè)備工程,2017(19):151-152.