工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現代制造業中重要的自動化裝備。機器人技術、數控技術和PLC技術并稱為工業自動化的三大支持技術。機器人技術及其產品發展非常迅速，已成為柔性制造系統（FMS）、自動化工廠（FA）、計算機集成制造系統（CIMS）的自動化工具，同時也是工業4.0智能化工廠中重要的一環。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

「?1.?工業機器人系統組成及性能指標?」

1）工業機器人系統組成

工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執行工作，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現代的工業機器人還可以根據人工智能技術制定的原則綱領行動。一個典型的工業機器人如圖1所示，工業機器人按照技術發展水平可以分為三代：第一代示教再現機器人、第二代感知機器人、第三代智能機器人。

圖1?工業機器人系統結構組成

如圖1所示，第一代工業機器人在外部結構上主要由三部分組成：操作機（或稱機器人本體）、控制器和示教器。對于第二代及第三代工業機器人還包括感知系統和分析決策系統，它們分別由傳感器及軟件實現。

（1）操作機：用于完成各種作業任務的機械主體，主要包含機械臂、驅動裝置、傳動單元以及內部傳感器等部分。

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

（3）示教器：是機器人的人機交互接口，操作者可通過它對機器人進行編程或手動操縱機器人移動。

工業機器人從功能上由3大部分6個子系統組成。3大部分分別是機械部分、控制部分和傳感部分。6個子系統分別是驅動系統、機械結構系統、人機交互系統、控制系統、感受系統、機器人與環境交互系統，其對應關系見圖2。

圖2?工業機器人系統功能組成

2）工業機器人性能指標

工業機器人的性能指標是機器人生產廠商在產品供貨時所提供的技術數據，反映了機器人的適用范圍和工作性能，是選擇機器人時必須考慮的問題。盡管機器人廠商提供的技術數據不完全相同，工業機器人的結構、用途和用戶的需求也不相同，但其主要的性能指標一般為：自由度、工作精度、工作范圍、額定負載、最大工作速度等[2]，具體含義見表1。

表1?工業機器人性能指標及含義

需要說明的是，機器人在工作范圍內可能存在奇異點。奇異點是由于機器人結構的約束，導致關節失去某些特定方向的自由度的點。奇異點通常存在于作業空間的邊緣，如奇異點連成一片，則稱為“空穴”。機器人運動到奇異點附近時，由于自由度的逐步喪失，關節的姿態會急劇變化，這將導致驅動系統承受很大的負載而產生過載。因此，對于存在奇異點的機器人來說，其工作范圍還需要除去奇異點和空穴。圖3所示邊緣不規則處即為除去部分。

圖3 ABB工業機器人IRB1410(左)和IRB8700(右)工作范圍

「?2.?工業機器人的控制?」

1）工業機器人控制的特點及要求

多數工業機器人各關節的運動是相互獨立的，為了實現機器人末端執行器的位置精度，需要多關節的協調。因此，工業機器人控制系統與普通的控制系統相比要復雜，具有以下特點：

（1）本質上是一個非線性系統。

（2）是由多關節組成的多變量控制系統，且各關節間具有耦合作用。

（3）是一個時變系統，其動力學參數隨著關節運動位置的變化而變化。

（4）要求對環境條件、控制指令進行測定和分析，自動選擇最佳控制規律。

（5）具有較高的重復定位精度，系統剛性好。

（6）不允許有位置超調，否則可能發生碰撞，動態響應要快。

考慮到工業機器人控制具有以上特點，在設計工業機器人控制系統時必須滿足如下基本要求：

（1）多軸運動的協調控制，以產生要求的工作軌跡。

（2）較高的位置精度，很大的調速范圍。

（3）系統的靜差率要小，即要求系統具有較好的剛性。

（4）位置無超調，動態響應快。

（5）需采用加減速控制。

（6）各關節的速度誤差系數應盡量一致。

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

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

2）工業機器人控制方式

? 從工業機器人的控制特點和控制要求出發，實現工業機器人的控制涉及諸多內容，主要分為機器人的底層控制與上層控制。其中，底層控制包括機器人本體（即機械部分）、驅動電路部分、傳感器部分以及控制策略（如PID控制）等。上層控制包括機器人的運動分析、路徑規劃以及機器人的軟件部分[4]。根據不同的分類方法，機器人控制方式可以有不同的分類。按照被控對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，現對主要控制方式加以說明。

（1）工業機器人位置控制：目的是要使機器人各關節實現預先所規劃的運動，最終保證工業機器人末端執行器沿預定的軌跡運行，通常采用交流伺服系統或直流伺服系統實現。

（2）工業機器人力（力矩）控制：需要分析機器人末端執行器與環境的約束狀態，并根據約束條件制定控制策略。此外，還需要在機器人末端安裝力傳感器，用來檢測機器人與環境的接觸力。控制系統根據預先制定的控制策略對這些力信息作出處理后，控制機器人在不確定環境下進行與該環境相適應的操作，從而使機器人完成復雜的作業任務。

（3）工業機器人速度控制：通常與位置控制同時實現。例如，在連續軌跡控制方式的情況下，工業機器人需要按預定的指令來控制運動部件的速度和實行加、減速，以滿足運動平穩、定位準確的要求。由于工業機器人是一種工作情況（或行程負載）多變、慣性負載大的運動機械，要處理好快速與平穩的矛盾，必須控制起動加速和停止前的減速這兩個過渡運動區段。而在整個運動過程中，速度控制通常情況下也是必須的。

3）工業機器人智能控制

工業機器人的智能控制方式主要指在不確定或未知條件下作業，機器人需要通過傳感器獲得周圍環境的信息，根據自己內部的知識庫做出決策，進而對各執行機構進行控制，自主完成給定任務，屬于機器人的上層控制。若采用智能控制技術，機器人會具有較強的環境適應性及自學習能力。智能控制方法與人工神經網絡、模糊算法、遺傳算法、專家系統等人工智能的發展密切相關。現以神經網絡算法在移動機器人中的應用為例來闡述智能控制與工業機器人的結合。

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

? ? 圖4?多傳感器布置圖

利用神經網絡方法進行視覺和超聲波傳感器信息融合，并輸出到下一級，識別出障礙物的類型，這樣使移動機器人在不確定的環境中行走時能夠避障，提高其導航能力。 工業機器人利用智能信息進行綜合決策避開障礙物的主要步驟如下：

（1）在機器人行進的同時，測距系統每隔一個很短的時間進行一次環境探測，根據超聲波傳感器獲得的有關障礙物的距離信息，判斷移動機器人是否需要減速，以及是否需要從CCD攝像機取樣。

（2）當測距系統探測到障礙物距移動機器人的距離為中等時，降低機器人的速度；當障礙物距移動機器人的距離為近時，從CCD攝像機獲取有關障礙物的二維圖像，并提取其左右邊緣的坐標。

（3）將超聲波傳感器和CCD攝像機獲得的有關障礙物的信息進行分組及預處理，送入BP神經網絡控制器進行融合。

（4）預先經過避障知識學習的BP神經網絡控制器根據外部多傳感器采集的信息，作出相應的避障決策，避開障礙物。

參考文獻

[1] 朱洪前.工業機器人技術[M].北京：機械工業出版社，2019. [2] 陳萬米.機器人控制技術[M].北京：機械工業出版社，2017. [3] 郭彤穎，安冬.機器人學及其智能控制[M].北京：人民郵電出版社，2014. [4] 張憲民.機器人技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2017. [5]?張新星.工業機器人應用基礎[M].北京：北京理工大學出版社，2017.

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編輯：黃飛