机器人及自动化技术

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1、机器人与自动化技术“机器人、无处不在的屏幕、语音交互，这些都将改变我们看待电脑的方式。一旦看 听、阅读能力得到提升，你就可以以新的方式进行交互。”-比尔盖茨在某电视节目中， 预测未来科技领域的下一件大事时表示：机器人与自动化技术将成为未来发展的一大趋势 可以改变世界！工业机器人的应用，正从汽车工业向一般工业延伸，除了金属加工、食品饮料、塑料橡胶、3C、医药等行业，机器人在风能、太阳能、交通运输、建筑材料、物流甚至废品处理 等行业都可以大有作为。当然，即将“改变世界”的机器人不仅仅具有代替人工的价值，在很多人类无法实现的 领域也将出现机器人的身影。譬如，派送采矿机器人到月球和小行星上采挖稀土矿，

2、将有望 成为现实。而更令比尔盖茨寄予厚望的是机器人将像“电脑”一样改变人类的生活。日本早稻田大学研究人员推出一种新型仿人型家务机器人。它集安全性、可靠性和灵巧 性于一身，还具有仿人脸的外观。在工作时，它将一名男子抱下床，与他聊天并为他准备早 餐。由于拥有和成年女性大小相当的灵巧双臂、双手，这种机器人能够用夹子将面包从面包 机中取出，而丝毫不弄碎它。英国阿伯丁大学启动了一项新的研究计划，在3年研发出允许机器人与人类进行交谈， 甚至讨论具体决定的系统。作为先进制造业中不可替代的重要装备，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和 科技水平的重要标志。在机器人市场中，目前80%的市场份额仍由跨国公司占

3、有，其典ABB、日本发那科FANUC、日本安川y askawa和德国库卡KUKA四大企业则是市场第一梯队的“四大金刚”。其它有瑞 士史比尔Staubli、德国克鲁斯CLOOS、德国百格拉、德国徕斯、德国斯图加特航空航天自动 化集团（STUAA）、意太利瀚博士 hanbs、意大利柯马AU、英国Auto Tech Robotics等。 目前国生产机器人的企业主要有：中科院新松机器人自动化股份、埃夫特智能装备、新时 达机器人、安川首钢机器人、哈工大海尔机器人、埃斯顿机器人工程、数控设备、沃迪自动 化装备股份等。2015年，中国机器人市场需求预计将达350 0 0台，占全球比重16.9 ，成为全球规模

4、最大 的市场。一、机器人的系统构成由3 大部分6个子系统组成。3 大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。6 个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人-机交互 系统、控制系统。1.1、驱动系统要使机器人运行起来，就需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系 统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统； 可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮 系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。1.2、机械结构系统由机身、手臂、末端操作器3 大件组成，每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度 的机械系统。若机身具有行走机构便构成行

5、走机器人；若机身不具备行走及腰转机构，则构成单机器人 臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。 末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件 它可以是二手指或多手指的手爪。1.3、感受系统由部传感器模块和外部传感器模块组成，以获取部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感 知外部世界信息是极其灵巧。然后，对于 一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更 有效。1.4、机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、装配单元等。1.5、人-机交互系统人-机交互

6、系统是使操作人员参与机器人控制，与机器人进行联系的装置，例如计算机的 标准终端、指令控制台、信息显示板、危险信息报警器等。1.6、控制系统控制系统的任务，是根据机器人的作业指令程序、以及从传感器反馈回来的信号，支配 机器人的执行机构去完成的运动和功能。假如机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控 制系统。根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动JIJ2啟齢J3J的形式可分为点位控制和轨迹控制。二、机器人控制系统及结构吩丘机器人控制系统是机器人的大脑，它根据指令以及传感信息控制机器人来完成一定的动 作或作业任务。控制系统的好

7、坏直接决定了机器人性能的优劣。2.1、工业机器人控制系统的组成2.1.1、控制计算机：控制系统的调度指挥中心机构。2.1.2、示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及 存储单元，与主计算机之间以串行通信 方式实现信息交互。2.1.3、操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。2.1.4、硬盘和软盘存储存：储机器人工作程序的外围存储器。2.1.5、数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。2.1.6、打印机接口：记录需要输出的各种信息。2.1.7、传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和

8、视觉传感器。2.1.8、轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。2.1.9、辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。2.1.10、通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等2.1.11、网络接口1 ) Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率 高达10Mbit/s，可直接在PC 上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信 协议，通过Ethernet接口将数据及程序装人各个机器人控制器中。OHfa閹E机簿人控制窠统绘戚眾罔2)Fieldbus 接口：支持多种流行的现场总线规

9、格，如 Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、 profibus-DP、M-NET 等。2.2、机器人控制系统所要达到的功能221、记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的 信息。222、示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。2.2.3、与外围设备联系功能：输人和输岀接口、通信接口、网络接口、同步接口。224、坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。2.2.5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。2.2.6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。227、位置伺服功能：机器人多轴联动

10、、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。228、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自 诊断。三、机器人控制系统的分类331、程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。3.3.2、自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误 差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。3.3.3、人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。3.3.4

11、、点位式：要求机器人准确控制末端执行器的位姿，而与路径无关。335、轨迹式:要求机器人按示教的轨迹和速度运动。336、控制总线：国际标准总线控制系统。采用国际标准总线作为控制系统的控制总线，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。337、自定义总线控制系统：由生产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。3.3.8、编程方式： 物理设置编程系统。由操作者设置固定的限位开关，实现起动，停车的程序操作，只能 用于简单的拾起和放置作业。3.3.9、在线编程：通过人的示教来完成操作信息的记忆过程编程方式，包括直接示教模 拟示教和示教盒示教。3.3.10、离线编程： 不对实际作业的机器

12、人直接示教，而是脱离实际作业环境，示教程序，通过使用高级机 器人，编程语言，远程式离线生成机 器人的作业轨迹。四、机器人控制系统结构机器人控制系统按其控制方式可分为三类。4.1、集中控制系统 CCS(Centralized Control System)用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，在早期的机器人中常采用这种结构，其构成框图，如图2所示。基于PC的集中控制系统里，充分利用了PC资源开放性的特点，可以实现很好的开放性：多种控制卡，传感器设备等都可以通过标准PCI 插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统 中。集中式控制系统的优点是：硬件成本较低，便于信息的采

13、集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。其缺点也显而易见：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广， 后果严重；由于机器人的实时性要求很高，当系统进行大量数据计算，会降低系统实时性， 系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；此外，系统连线复杂，会降低系统的 可靠性。4.2、主从控制系统采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生 成和系统自诊断等：从CP U实现所有关节的动作控制。其构成框图，如图3所示。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困 难

14、。；1榭3丄丛功松!K系槛圉4.3、分散控制系统 DCS(Distribute Control System)按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式，其控制框图如图4所示。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和 分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是 分散的，所以DCS系统又称为集散控制系统或分散控制系统。这种结构中，子系统是由控制器和不同被控

15、对象或设备构成的，各个子系统之间通过网络 等相互通讯。分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分布式系统 中常采用两级控制方式。两级分布式控制系统通常由上位机、下为机和网络组成。上位机可以进行不同的轨迹 规划和控制算法，下位机进行插补细分、控制优化等的研究和实现。上位机和下位机通过通 讯总线相互协调工作，这里的通讯总线可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB总线等 形式。现在，以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的通讯服务。尤 其是现场总线，它应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字通信， 从而形成了新型的网络集成式全分布控制系统一现场总线控制系统 FCS(FiledbusControlSystem)。在工厂生产网络中，将可以通过现场总线连接的设备统称为“现场设备/仪表”。从系统论的角度来说，工业机器人作为工厂的生产设备之一，也 可以归纳为现场设备。在机器人系统中引人现场总线技术后，更有利于机器人在工业生产环 境中的集成。I国4分布贞揑制釜缱那图分布式控制系统的优点在于：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的 分散控制