典型工业机器人及其控制系统

典型工业机器人及其控制系统

机器人的诞生与机器人学的建立和发展是20世纪自动控制最具有说服力的成就，也是20世纪人类科学技术进步的重大成果。近些年，机器人技术得到了前所未有的发展，其应用也从传统的加工制造业逐渐扩展到军事，科学探索、日常生活服务等领域。而集机械、电子、控制，计算机、传感器、人工智能等多学科的先进技术于一体的工业机器人已经成为自动化系统的核心装备。与一般的工业数控设备在工作环境交互方面有着明显的区别。因此，工业机器人是现代制造业自动化的重要设备。

1机器人的分类

机器人的分类并没有统一的标准，可以按照负载重量、控制方式、自由度、结构或者应用领域来分。我国机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多自由度机器人，而特种机器人则是除工业机器人之外用于非制造业并服务于人类的各种机器人。其中工业机器人按控制方式可分为：人工操纵机器人、固定程序机器人、可变程序机器人、重演式示教机器人、CNC机器人以及智能机器人。

2工业机器人的特点及构成

工业机器人作为一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，一般来说，具有以下4个特点：

1、仿人功能工业机器人通过各种传感器达到自适应能力，KUKA机器人维修，在功能上模仿人各个部位以达到工业自动化的目的。

2、可编程工业机器人作为柔性制造系统的重要组成部分，可编程是适应工作环境的一种体现。

3、通用性工业机器人一般分为通用与专用两类，通用工业机器人只要更换不同的末端执行器就能完成不同的工业生产任务。

4、良好的环境交互性智能工业机器人在无人为干预的条件下，对工作环境有自适应控制能力和自我规划能力。工业机器人的构成分为：机械本体部分、传感器部分和控制部分，共包含六个子系统：驱动系统、机械结构系统、感知系统、环境交互系统、人机交互系统、控制系统。

驱动系统就是使机器人运行起来的各个关节，形式有液压、气动、电动等；机械结构系统由机身．手臂、末端执行器三大件组成感知系统由传感器组成，实现获取机器人内部和外部信息并反馈给控制系统的功能，交互系统能够实现机器人与外界环境的通信，实现机器人智能工作；控制系统则是根据机器人的作业指令从传感器获取反馈信号，控制机器人完成规定的运动和功能。

3工业机器人的主要技术参数

虽然工业机器人的种类不尽相同，但其主要技术参数应包括以下几种：自由度，精度，工作范围，最大工作速度和承载能力。

自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，一般不包含末端执行器的开合自由度。在三维空间中表述一个物体的位置和姿态需要6个自由度，但是，工业机器人可根据其用途而设计自身自由度，并且利用冗余的自由度增加灵活性，躲避障碍物改善动力性能。精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异，重复定位精度是指机器人重复定位手部于同一目标位置的能力。工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。承载能力是指机器人在工作范围内的任何位置上所能承受的最大质量。最大工作速度指工业机器人自由度上最大的稳定速度。

不同工业机器人其关键技术不同，但是，总而言之，工业机器人技术朝着智能化、模块化和网络化的方向发展，概括起来如下：1．开放性模块化的控制系统体系结构2．模块化、层次化的控制器软件系统3．机器人的故障诊断与安全维护技术4．网络化机器人控制器技术。

4工业机器人的控制系统

工业机器人的控制主要包括：机器人动作的顺序控制，子锐机器人维修，应实现的路径与位置控制；动作时间间隔以及作用于对象物上的作用控制。其作用类似于人的大脑，是工业机器人的指挥系统，控制驱动系统使执行机构按照要求工作。如果机器人不具备信息反馈特征。则该控制系统称为开环控制系统，如果机器人具备信息反馈特征，则该控制系统称为闭环控制系统。

工业机器人控制系统是以机器人的单轴或多轴运动协调为目的的控制系统，其结构要比一般自动机械复杂的多。有如下特点：

1．传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统更着重本体与操作对象的相互联系。无论多么高的精度控制手臂，机器人必须能夹持并操作物体到达目的位置。

2．工业机器入的控制与机构运动学及动力学密切相关。机器人手足的状态可以在各种坐标下描述，且能根据需要选择不同的基准坐标系，并做适当的坐标变换。

3．即便一个简单的工业机器人，至少也有3-5个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构，它们必须协调起来，机器人维修，组成一个多变量控制系统。

4．描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，不仅要利用位置闭环，还要利用速度甚至加速度闭环。系统中经常使用重力补偿、解耦和基于传感信息的控制盒最优PID控制等方法。另外，工业机器人还有一种特有的控制方式示教再现控制方式。即是当需要工业机器人完成某作业时，可预先移动工业机器人的手臂，来示教该作业顺序、位置以及其他信息，在执行时，依靠工业机器人的动作再现功能，可重复进行该作业。