自動化控制工業(yè)機器人應(yīng)用研究

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摘要：工業(yè)機器人的發(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，本文對機器人進行相關(guān)介紹，結(jié)合了工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的功能、特點、方式以及工業(yè)機器人的應(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)機器人技術(shù)會有更好地發(fā)展。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；自動化控制；實踐應(yīng)用

1概述

1.1機器人簡介

“機器人”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。國際標準化組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）對工業(yè)機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)編程的多用途機械手[1]。機器人的分類方法有多種，按其應(yīng)用可分為:工業(yè)機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、服務(wù)機器人、水下機器人、空間機器人和娛樂機器人[2]。其中工業(yè)機器人的發(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，機器人自動化是工業(yè)發(fā)展的命脈。我國的工業(yè)機器人從20世紀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，使中國的機器人產(chǎn)業(yè)從無到有，跨出了一大步[3]。在工業(yè)機器人自動化發(fā)展過程中，一方面加快我國工業(yè)機器人技術(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)機器人為例，從工業(yè)機器人的分類、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)機器人在自動化控制領(lǐng)城中的應(yīng)用，推動工業(yè)機器人的進一步發(fā)展。

2工業(yè)機器人的發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國工業(yè)機器人在技術(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)機器人，主要包括機器人本體、運動控制器和示教盒，操作過程比較簡單。將程序編寫好存儲到示教盒，當(dāng)機器人開始運動時，運動控制器將解析好的程序傳送給機器人本體指導(dǎo)其運動，完成操作。這類機器人通常采用點到點運動，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)軌跡運動，然而復(fù)雜曲線的運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，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器人，工業(yè)機器人中的離線編程，實際上就是基于計算機圖形學(xué)構(gòu)建機器人工作環(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)劃其運動軌跡。在完成離線編程之后，進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器人控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對于工業(yè)機器人的科學(xué)合理控制[5]。第三代是智能機器人，這一代機器人除了具有第一、二代機器人的特點，第三代機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，從而使機器人更好地適應(yīng)外部環(huán)境，保證工作順利的完成。機器人可以完成一些更加復(fù)雜的操作，機器人通過傳感器的感知對環(huán)境信息進行反饋，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器人的壽命。此機器人較多應(yīng)用在弧焊和搬運工作中。

3工業(yè)機器人控制部分的概括

工業(yè)機器人系統(tǒng)的組成包括：機械部分、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)機器人多半采用的是關(guān)節(jié)型機械結(jié)構(gòu)，機器人的每一個關(guān)節(jié)都可以獨立地操作電機，同時可以借助計算機實現(xiàn)對機器人的控制[6]。一個比較完整的工業(yè)機器人系統(tǒng)，包括傳送帶（在實際生產(chǎn)過程中附加的，不在機器人系統(tǒng)里）、外圍系統(tǒng)控制柜（它是協(xié)調(diào)大量機器人進行工作，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）?？刂撇糠职▋蓚€系統(tǒng)：人-機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

3.1人-機交互系統(tǒng)

人-機交互系統(tǒng)是指操作人員對機器人進行控制并與機器人之間取得聯(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）。以一個簡單機器人為例，機器人系統(tǒng)包含示教器和控制柜，機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-機交互系統(tǒng)。

3.2控制系統(tǒng)

①工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。工業(yè)機器人的核心部件主要包括機器人本體、減速器、伺服電機、控制系統(tǒng)四個部分。其中主體分為手部、腕部、臂部、腰部、機座等；減速器的主要作用是精確控制機器人的動作，傳輸更大的力矩，減速器分為兩種，分別是RV減速機和諧波減速機；伺服電機主要分為步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機，是影響機器人工作性能的主要因素；工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括五個部分：第一，機器人的控制與運動學(xué)、機構(gòu)力學(xué)緊密相關(guān)，通過不同的坐標系中坐標的轉(zhuǎn)換完成控制動作；第二，機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)通過計算機來控制、協(xié)調(diào),保證機器人可依據(jù)人的意志行動進而完成相關(guān)操作；第四，隨著外力與狀態(tài)的不斷變化機器人的參數(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行控制。②工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的功能。工業(yè)機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)功能和運動控制功能。運動控制功能是指機器人通過對其末端操作的位置姿勢以及操作速度進行控制，從而實現(xiàn)機器人對其操作對象的控制。示教再現(xiàn)功能則是提前對機器人進行示范教學(xué)，這種教學(xué)方式可采取手把手教，也可以通過示教器進行操作，先將位置、速度、動作的代碼輸入到機器人控制系統(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器人操作系統(tǒng)，從而實現(xiàn)示教的再現(xiàn)。③工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點。工業(yè)自動化機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，其特點簡單概括為四個方面；第一，工業(yè)機器人系統(tǒng)的機械部分包括手部、腕部、臂部、腰部、機座，這就要求其設(shè)計與機構(gòu)運動學(xué)緊密相聯(lián)，而工業(yè)機器人的運動是以坐標為準來實現(xiàn)的，因此在設(shè)計過程中應(yīng)設(shè)置相應(yīng)坐標；第二，通過工業(yè)機器人進行相關(guān)操作時，機器人通常具有多自由度，自由度就是指能夠保證了業(yè)機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，需要的伺服機構(gòu)就會越多，而每一個伺服機構(gòu)，都會以自由度的方式表現(xiàn)出來，因此，在機器人當(dāng)中，為了控制能力更強，一般都會具有很高的自由度[7]；第三，工業(yè)機器人之所以可以像人那樣去進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傳遞給它，表達人類的需求；第四，工業(yè)機器人在完成相關(guān)操作時，會選擇一種最佳的方式來達到最佳的效果。④工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的算法。采用物理建模的方法為機器人本體進行相應(yīng)的設(shè)計，相應(yīng)的控制系統(tǒng)為機器人實現(xiàn)高精度的操作進行控制，控制系統(tǒng)的引入主要是為了改善機器人系統(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，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)機器人運動控制系統(tǒng)的主要方法，為了保證機器人的動態(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)機器人運動控制，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)機器人運動控制的效果能實現(xiàn)多種控制方法融合的優(yōu)點，具有很強的魯棒性。因此，在工業(yè)機器人運動過程控制算法研究中，采用魯棒控制方法保證機器人的抗干擾能力，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)機器人技術(shù)的控制方式

4.1點位控制

點位控制是指對工業(yè)機器人末端執(zhí)行器進行操作，通過對其位姿進行控制，各以實現(xiàn)讓機器人能更加精確、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)機器人未端執(zhí)行器進行操作，不同之處是對其進行連續(xù)控制，在此過程中，可以保證機器人連續(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)機器人對其進行控制力氣，因此在實際操作過程中要求高精準的確定位置，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，通過計算機存儲的內(nèi)容對其信息進行識別來解決問題。當(dāng)前，機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)機器人主要是在焊接、檢測、搬運、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)該準備好合適的焊接工具，規(guī)劃好機器人運行過程中最合適的路程，有效地提高了焊接的的精度，也可針對點焊的結(jié)果，為下次點焊做進一步的完善。另外在進行汽車車身電弧焊接時，為了達到更好的焊接效果，電弧焊可以通過進線的方式。電弧焊和線性焊的有機結(jié)合更加提高了焊接的精度。因為機器人是通過提前設(shè)定好的程序來進行焊接的活動，可以為機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)用通常要求機器人配備多個傳感器，如視覺、觸覺、聽覺、接近傳感器，機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]。裝備機器人比其他工業(yè)機器人的精確度更高，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器人配合人工完成一些高難度及高強度工作，使裝備工作高效有序的進行，進而提高汽車制造業(yè)水平。

5.3材料搬運

三是材料搬運，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，搬運機器人主要負責(zé)對汽車零件的搬運和組裝，機器人接收到相應(yīng)的搬運和組裝指令，去相應(yīng)的位置進行相關(guān)的操作，不僅為工人減輕了繁瑣的工作，還大大提高了搬運和組裝效率，機器人在對零件進行搬運的過程中，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)機器人在抓取零件的時候是非常精準的，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)域檢測機器人主要負責(zé)對零件的尺寸、質(zhì)量進行檢測，檢測產(chǎn)品生產(chǎn)出來是否合格，是否符合標準，以及承擔(dān)對零部件的分類工作，機器人的檢測程度遠高于人類，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和組裝工作，還應(yīng)在汽車生產(chǎn)完成后，對汽車進行質(zhì)量檢測，保證在之后的實際使用過程中安全的運行。機器人檢測主要是通過檢測系統(tǒng)對汽車的質(zhì)量進行檢測，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，在計算機上生成相應(yīng)的模型，將理想尺寸和實際尺寸進行對比，分析產(chǎn)生的誤差。這樣的檢測機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器人進行噴涂噴漆工作后，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、快速地對車身進行噴涂而成。用機器人代替人工可以實現(xiàn)對加工零件進行全方位的噴涂，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度。

6結(jié)束語

本篇文章通過對機器人的概念以及工業(yè)機器人在我國的發(fā)展?fàn)顩r進行介紹，清楚地呈現(xiàn)了工業(yè)機器人在自動化生產(chǎn)中所扮演的重要角色，機器人的應(yīng)用是評判一個國家工業(yè)化水平的標志之一。不僅如此，人們已經(jīng)意識到機器人發(fā)展已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘Ｉ钪?，機器人除了在工業(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)有所進展。任何一項技術(shù)都需要我們不斷地對其進行應(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)機械與電氣工程學(xué)院