机器人控制发展的现状与前景

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1、更多资料请访问.(.)附件C:译文指导教师评定成绩(五级制)：指导教师签字：从工业的角度看一一机器人控制发展的现状和前景Torgny BrogOTdhAB凯器人、SE-72TStera 68 Va .瑞典2006年10月5日投稿2007年1月14日发表2007年5月4日网上刊登摘要：对于机器人制造商来说机器人控制技术是一项核心竞争力。为了改善机器人性能、 减小机器人成本和开发新的功能，机器人制造商做了大量的研发工作。当今，在这一发 展领域最引人注目的是多机器人控制、安全控制、力控制、三维视觉、远程控制机器人 的监督和无线通信等。目前人们正在研讨受益于这些研发的技术应用和机器人制造商所 面临的技

2、术挑战。现阶段，基于模型的控制是工业机器人控制的关键技术。尽管成本压 力致使机器人机械结构更加难以控制，为了满足更高的性能要求，控制模型和控制计划 还是越来越精确。可以从某些领域找到机器人未来发展的驱动力。这些领域包括汽车行业新的机器人技术，特别是在中小型企业、食品工业、铸造厂等的最后组装以及大型结 构的加工和装配领域。在这里本文提出了未来机器人控制发展的一些情况。 一种情况是， 轻型机器人的概念可能对未来汽车制造和中小型企业（SME的自动化产生影响。这样的发展可能导致模块化机器人和在机器人臂结构上使用传感器的控制方案的诞生。上面提到的这种传感器也可以用于冗余安全控制的实现。高度模块化机器人的

3、引进将增加机器人对安装支持的需求，这样就使得即插即用功能变得更为重要。获得高度模块化机器 人的一种途径是利用近年来发展起来的一种新型的并行结构机器人结构。相对于机器人底座来说并行机器人结构有很大的工作空间。为进一步有效地使用机器人，自适应机器人方案就被提了出来，这意味着机器人在执行不同的程序是所产生的热应力和疲劳应力 分别得到了控制优化。上述陈述的主要结论是：工业机器人的发展是在远离它的限制 ， 需要大量的研究和开发来获得一个工业机器人自动化更广泛应用。#2007爱思唯尔有限公司保留所有权利。关键词：工业机器人，机器人控制；控制功能；控制应用1、简介工业机器人发展的特点是一个大范围的多学科技术

4、的融合。这些技术很多都不是特 定面向机器人的，可以通过其他更广泛的产品领域得到发展。然而，机器人控制，尤其 是机器人运动控制，对不同的机器人产品相差很大，同时构成了对工业机器人的发展最 重要的关键能力之一。通过应用和发展先进的控制技术，就有可能不断提高机器人的性 能，这对于工业机器人自动化性能的提高和成本的降低是很有必要的。应该强调的是,汽车产业包括他们的供应链是今天主导客户forindustrial 机器人（联合国欧洲经济委员会，2004）。这意味着出自这种类型的制造系统的要求很大程度 上驱动着机器人的发展。所以,现在的大多数机器人，都适应在非常激烈的竞争环境下高 容量柔性生产的成本敏感性。

5、对机器人制造商来说，对成本、效率、高可靠性和高生产 率的基本要求有必要做出很大的努力。而且，有必要使机器人控制与工厂自动化系统的 诸如应用协议、通讯系统、I / O接口、PLCS备、用户界面、工艺设备等相适应，以达 到不同机器人产品之间的最佳利用和最短的切换时间。（RIA及美国国家标准与技术研究院,2000 年）。世界汽车工业，将是上述陈述观点的腾飞点，完全机器人自动化通常出现在汽车车身 总成、锻压、油漆和涂料。发动机和动力总成在某种程度上也实现了机器人自动化 （ABB-1,2003年）。这些应用技术已经很好的建立起来，机器人的一些特征诸如安装、编 程、集成、维修、性能和功能被不断完善。从控制

6、的观点来看 ，这意味着对鲁棒性，稳 定性和精度方面的要求提高了。与此同时，成本压力意味着需要发展少用具有更复杂的机械振动模态和更大的动态变化的刚性机械结构的单独机器人，而这种机器人必须由控制系统处理。图1 .多机器人控制需要高性能模式控制概念和有效的机器人的编程方法。图2 .汽车传动系组件的装配，如图所示的液力变 矩器就是机器人力控制有很大潜力的一个例子。再进一步看汽车制造业自动化程度的现状，目前只有极少数的机器人用于最后的装 配。在这里，需要新的机器人技术和新的柔性自动化解决方案来处理装配任务的复杂性 和产品的几何形状多边性。工业机器人将来面临的一个巨大挑战是为这种应用技术开发 出经济可行的

7、解决方案，这种应用技术中机器人控制需要满足更直观，更互动的几何公差、形状公差。这个方向的一项突破会掀起大范围的工业应用机器人学的一股新浪潮， 尽管这些在今天看来是不现实的。 然而，在讨论未来机器人的控制技术之前，先给出目前 主要工业机器人控制的发展一些例子。然后对机器人发展的驱动力进行讨论，并在此基础上概述未来发展的情景。2.目前的工业机器人控制的发展|工业机器人的一种发展趋势是时尚工业机器人，这通常源于汽车工业提出的新生产 概念。目前流行的一个例子是多机器人控制以及由几个机器人制造商提出的不同解决方 案，尽管这几年来一些制造商已经将他们作为自己的商品供应 （布雷丁，2005）。在工业 上采用

8、多机器人控制的主要原因是通过让机器人并行工作以降低生产成本，尤其对电弧焊这种低速的过程而言。其他好处是，几个机器人由一个控制器控制，就可以节省占地 面积、改善避免碰撞性能、减少周期时间。在电弧焊接时 ，同时从不同的方向对相同的 对象进行焊接，跟有可能达到焊接热量的均衡分布。通常的一种装置就是使用两个或更 多的机器人在同一个工件焊接，该工件由一个或两个自由度的机械手旋转。对于更高的 灵活性，工件也可以由一个机器人夹持（图1）,另一个机器人夹持被焊接的部件。汽车 工业也希望通过改善在一个共同的机器人车体上机器人组织的协同性，来降低点焊机器人的循环时间。发展多机器人控制系统时，一个很困难的控制实例就

9、是如何实现动态优化伺服参考的精确定时以及协调不协调的动作、异常处理和故障恢复的平滑的过渡。当 一大群机器人工作在一个大型生产线工作时也有这个问题，就是如何动态地给机器人和集群机器人分配任务以达到最优生产率。同时，必须注意到collabor -ating机器人比单身的机器人更难于编程，因此离线编程机器人和细胞模型更有积极性。另外一个问题 是合作机器人装置的精确度。因为串联运动链需要被控制，比起单个机器人装置，伺服 回路及机器人的运动学和动力学模型错误将给工具和工件之间产生更大的姿态偏差。因此，多机器人控制的发展会刺激器人的运动学和动力学模型以及机器人的伺服性能的 进一步改善和提高。多机器人控制是

10、需求相关的是开发机器人具有很高的承载力的要求（AB吆司-2 ,2001）。例如，汽车车身的部分地区。负荷达500公斤机器人已经着手开发。一重负荷处 理机器人拥有与车身零件夹具而其他机器人则没有，例如，点或弧焊接机器人。这种自 动化解决方案的动力来自用机器人取代单一的目的运输系统产生的更高灵活性。除了多机器人这种控制方面，向更高的负载能力发展导致降低机械机器人固有频率和增加精确 模型和控制机器人的结构。另一种流行的发展方向是朝着在机器人安装新的安全安排（ESALAN统，2006年）。 一个短期的动机来自用安全软件的限制替代电气和机械的工作范围限制的可能性，这使得它更便宜，更快速地配置一个机器人单

11、元。此外 ，一个机器人单元安全栅栏，更有效 的适应工作空间的局限性，这将节省占地面积在车间。也有一些计划，发展为人类与机器 人之间的安全直接合作的新概念（Schraft ,梅耶，Parlitz ,与赫尔姆斯，2005年）。 对这种协作应用的例子包括材料处理，机械维护，康波，新界东北转移和装配。为了提 高机器人人机合作的安全水平，对硬件和软件的冗余机器人的安全监督水平的增加，例 如，通过两个通道的测量系统和故障安全总线和I / O系统。所需的冗余当然可以在许多方面得到它，但同时重要的是不能增加增加的成本超过它的冗余功能可接受的应用。 一个控制方面的新安全观念是如何利用已经运行了机器人的实时模型在

12、机器人控制器 来获得一种足够敏感但没有给予太多的假警报故障检测。同样重要的是能够监督安全功能确实有效，当紧急情况发生。例如，刹车和监督功能的机器人必须循环测试。这种安 全技术的不断发展，可以对未来人类在更少的机器人结构化的环境比在今天的机器人装 置所需要的人机协作的第一步。还有一个持续的发展方向，在使用无线通信技术在机器人系统可以发现,（Katzel,2004年）。无线通讯最大的热点，是关于示教系统和控制器之间的沟通，另 外一个热点就是机器人控制器和传感器及工艺设备之间的无线通信。（弗雷，Endresen,Kreitz , & Scheibe , 200外）。测试设备的经验表明，一个车间的环境

13、通信本身不是主 要问题，大问题是关于安全的，例如，为安全的无线紧急事件的处理方法和机器人示 消费市场生产的，有可能将这些装置用作成本低的机器人控制器用户界面（德安杰洛和 Corke, 2001年）。在机器人控制的发展前景，新安全机制的无线传输、无线编程设备和 无线传感器和执行器的自诊断都将是重要的方面。教系统在日志中安全的选择去发现新的概念同时也应该指出由于大部分无线传输设备近几年有一个传感器类型引起工业注意力增加是六自由度（自由度）力/力矩传感器ATI苏达权等,2006）。很长一段时间以来，虽然机器人制造商已能将机器人进行力的控 制，尚未有广泛的利用这个功能。应用场合的实例就是用六维指尖力/

14、力矩传感器来控制的工业机器人研磨，去毛刺，去毛刺，研磨，抛光，测试和组装。在材料去除的应用， 力传感器为基础的控制优点是工艺质量较高，容易校准过程质量和对夹具和夹持器的准 确度要求降低（皮雷，冲压，劳赫，& Arau乔，2002年）用于装配的优点是缩短工期、 减少冲击力，减少风险的干扰，楔入和擦伤张，Zhongxue, Broga薇木RDH王和伊萨克 森，2004）。在力传感器的应用为基础的控制应用中，手工作业与恶劣的工作条件、发 健康风险是引进这项新技术的原因。为了增加使用力传感器控制的机器人的应用，编程 和调试方法需要进一步发展，工艺参数的标准设置和低成本力传感器应加以发展。快速 增长的应

15、用技术可能在世界汽车工业中还有传动链组件装配中被发现，例如，插入轴，花键与液力变矩器匹配的安装（图2）。由于力和扭矩传感将在未来的人类与机器人合作 中不可缺少，正在发展的力/力矩传感器控制，如何整合该技术到机械手系统的协作显 得非常重要。图3 .利用计算机软件、触摸屏、高效的应用开发工具、教学吊坠，同时也是一种通用的图形用户界面装置和 一个专门的机器人编程器和操作工具。正如对力的控制，机器人视觉系统已经使用了很长时间了，但没有找到任何制造业 机器人大量应用的情况。原因之一就是缺少了在一个典型的工作间环境下的二维视觉系 统较强的鲁棒性，控制机器人视觉系统主要用于在摄像机的场景已很确定，光线条件可

16、以控制的条件下，例如，在传送带上捡取和放置（ABEB司-3 , 2004）。然而，目前市场上使用三维视觉的产品是尽可能地提高机器人的视觉鲁棒性和系统的解决方案，从而（渡边和典，Warashina, &Kumiya, 2005能充分提高灵活性，例如，材料处理，机械维护和装配（Braintech-ref,2006）。甚至现 在抓取工件技术为工业用途具有足够的鲁棒性年)，也有利用三维视觉技术校准工具、工作对象、夹具和其他机器人部件的可能性。三维视觉的主要发展当然与特征提取和其他的计算机视觉问题相关联，机器人控制来设计高性能的视觉界面(Lippiello ,西西利亚诺，&维拉尼，2005)。与三维视觉相关的 是激光跟踪传感器技术，主要用于