机器人控制发展的现状与前景

1、HYPERLINK N:整理后.N:整理后.HYPERLINK N:整理后. t _parent更多资料请访问.HYPERLINK E:还未拷贝企业治理进展战略(http:.)(.)HYPERLINK N:整理后.N:整理后.指导教师评定成绩(五级制)：指导教师评定成绩(五级制)：指导教师签字：从工业的角度看机器人操纵进展的现状和前景ogy BrogrdhABB机器人、SE-721stera 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：关于机器人制造商来讲机器人操纵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

2、造商做了大量的研发工作。当今，在这一进展领域最引人注目的是多机器人操纵、安全操纵、力操纵、三维视觉、远程操纵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术挑战。现时期，基于模型的操纵是工业机器人操纵的关键技术。尽管成本压力致使机器人机械结构更加难以操纵，为了满足更高的性能要求，操纵模型和操纵打算依旧越来越精确。能够从某些领域找到机器人以后进展的驱动力。这些领域包括汽车行业新的机器人技术，特不是在中小型企业、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。在那个地点本文提出了以后机器人操纵进展的一些情况。一种情况是，轻型机器人的概念可能对以

3、后汽车制造和中小型企业（SME）的自动化产生阻碍。如此的进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操纵方案的诞生。上面提到的这种传感器也能够用于冗余安全操纵的实现。高度模块化机器人的引进将增加机器人对安装支持的需求，如此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进展起来的一种新型的并行结构机器人结构。相关于机器人底座来讲并行机器人结构有专门大的工作空间。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不得到了操纵优化。上述陈述的要紧结论是:工业机器人的进展是在远离它的限制, 需要大量的

4、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,机器人操纵;操纵功能;操纵应用简介工业机器人进展的特点是一个大范围的多学科技术的融合。这些技术专门多都不是特定面向机器人的，能够通过其他更广泛的产品领域得到进展。然而，机器人操纵，尤其是机器人运动操纵，对不同的机器人产品相差专门大，同时构成了对工业机器人的进展最重要的关键能力之一。通过应用和进展先进的操纵技术,就有可能不断提高机器人的性能,这关于工业机器人自动化性能的提高和成本的降低是专门有必要的。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

5、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专门大程度上驱动着机器人的进展。因此,现在的大多数机器人,都适应在特不激烈的竞争环境下高容量柔性生产的成本敏感性。对机器人制造商来讲，对成本、效率、高可靠性和高生产率的差不多要求有必要做出专门大的努力。而且,有必要使机器人操纵与工厂自动化系统的诸如应用协议、通讯系统、I / O接口、PLC设备、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刻。(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

6、力总成在某种程度上也实现了机器人自动化(ABB-1,2003年)。这些应用技术差不多专门好的建立起来，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。从操纵的观点来看, 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进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操纵系统处理。图1 . 多机器人操纵需要高性能模式控 图2 . 汽车传动系组件的装配，如图所示的液力变制概念和有效的机器人的编程方法。 矩器确实是机器人力操纵有专门大潜力的一个例子。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

7、用于最后的装配。在那个地点，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。工业机器人今后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解决方案,这种应用技术中机器人操纵需要满足更直观,更互动的几何公差、形状公差。那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,在讨论以后机器人的操纵技术之前,先给出目前要紧工业机器人操纵的进展一些例子。然后对机器人进展的驱动力进行讨论,并在此基础上概述以后进展的情景。2. 目前的工业机器人操纵的进展工业机器人的一种进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

8、产概念。目前流行的一个例子是多机器人操纵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差不多将他们作为自己的商品供应(布雷丁，2005)。在工业上采纳多机器人操纵的要紧缘故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，几个机器人由一个操纵器操纵，就能够节约占地面积、改善幸免碰撞性能、减少周期时刻。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。通常的一种装置确实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。关于更高的灵活性，工件也能够由一个机器人夹持(图1)，另一个机器

9、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刻。进展多机器人操纵系统时，一个专门困难的操纵实例确实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那个问题，确实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操纵，比起单个机器人装置，伺服回路及机器人的运动学和动

10、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, 多机器人操纵的进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。多机器人操纵是需求相关的是开发机器人具有专门高的承载力的要求（ABB公司- 2，2001）。例如,汽车车身的部分地区。负荷达500公斤机器人差不多着手开发。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。除了多机器人这种操纵方面，向更高的负载能力进展导致降低机械机器人固有频率和增加精确模型和操纵机器人的结构。另一种流行的进展方向是朝着在机器人安

11、装新的安全安排（ESALAN系统，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，这使得它更廉价，更快速地配置一个机器人单元。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,这将节约占地面积在车间。也有一些打算,进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。所需的冗余因此能够

12、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同意的应用。一个操纵方面的新安全观念是如何利用差不多运行了机器人的实时模型在机器人操纵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进展，能够对以后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。还有一个持续的进展方向,在使用无线通信技术在机器人系统能够发觉,(Katzel,2004年)。无线通讯最大的热点,是关于示教系统和操纵器之间的沟通, 另外一个热点确实是机器人操纵器和传感器

13、及工艺设备之间的无线通信。（弗雷，Endresen，Kreitz，Scheibe，2005年）。测试设备的经验表明，一个车间的环境通信本身不是要紧问题，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教系统在日志中安全的选择去发觉新的概念。同时也应该指出由于大部分无线传输设备消费市场生产的，有可能将这些装置用作成本低的机器人操纵器用户界面（德安杰洛和Corke，2001年）。在机器人操纵的进展前景,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。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,200

14、6)。专门长一段时刻以来，尽管机器人制造商已能将机器人进行力的操纵，尚未有广泛的利用那个功能。应用场合的实例确实是用六维指尖力/力矩传感器来操纵的工业机器人研磨，去毛刺，去毛刺，研磨，抛光，测试和组装。在材料去除的应用，力传感器为基础的操纵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桉木RDH，王和伊萨克森，2004）。在力传感器的应用为基础的操纵应用中，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缘故。为了增加使用力传感

15、器操纵的机器人的应用，编程和调试方法需要进一步进展，工艺参数的标准设置和低成本力传感器应加以进展。快速增长的应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觉,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以后的人类与机器人合作中不可缺少，正在进展的力/力矩传感器操纵，如何整合该技术到机械手系统的协作显得特不重要。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。正如对力的操纵，机器人视觉系统差不多使用了专门长时刻了，但没有找到任何制造业机器人大量应用的情况。缘故之一确实是缺少了在

16、一个典型的工作间环境下的二维视觉系统较强的鲁棒性, 操纵机器人视觉系统要紧用于在摄像机的场景已专门确定，光线条件能够操纵的条件下，例如，在传送带上捡取和放置（ABB公司- 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（渡边和典，Warashina，Kumiya，2005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。三维视觉的要紧进展因此与特征提取和其他的计算机视觉问

17、题相关联，机器人操纵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,要紧用于操纵工作对象位置不能得到保证的电弧焊接的路径的操纵（Servorobot，2006）这些传感器类型差不多使用了专门长时刻,但有一种走向全三维测量的趋势, 例如,通过在三角测量为基础的跟踪传感器中引入一种以上的扫描线条。同样的进展趋势也存在于由机器人进行检查光学测量系统中，例如,汽车车身和汽车子组件。关于跟踪传感器，优化使用和与机器人程序相关的超前信息协调是专门重要的，为了能在测量数据缺乏的情况下能够处理同时从进程失败中能进行有效的恢复。从一个更长的角度来

18、看，搬运，装配，跟踪，检查，校正，三维视觉等概念能够进一步整合到机器人操纵器中，从性能的角度来讲它可能激发在伺服回路方面某些机器人应用技术采纳三维视觉技术。其他正在进行的机器人技术的提高涉及到机器人的操纵器用户应用界面，其宗旨是使机器人编程，操作和维护简单，尽管机器人系统的复杂性不断增加。基于机器人动作和行动的图形表示的精灵般的循序渐进的概念也在教学吊坠上使用（图3; ABB公司- 4，2006），现实的机器人仿真接口实现对机器人编程水平(RRS, 2006)，过程建模工具的开发以简化机器人编程（Skarin，Claesson，Bergling，2004年），用于逻辑操纵和先进的工艺和设备操纵

19、的PLC操纵功能集成到机器人操纵器中，生产数据的优化、监测、预防性维护和故障隔离等的远程自动化采集将进一步进展。故障隔离基于从伺服回路传感器，专门监管传感器，驱动系统的电流和电压高低、使用了观测概念讲我虚拟传感器传回来的数据。这种进展一定会接着，在实时动态模式运行的机器人期待着会更多的用于故障检测、故障隔离与诊断,基于剩余的生成和系统辨识方法(Mattone& De Luca, 2003; Ostring, 2002)。模式操纵(Sciavicco & Siciliano,2000) 在机器人学被认为是特不重要的，以满足对性能的改进和成本的降低这一对矛盾的要求（图4）。不断的进展的方向是更加复

20、杂的运动学和动力学模型，更复杂的多输入多输出（MIMO）操纵打算，静态和动态模型参数变化更大大，日益增加噪音和干扰，较低的特征频率机和扩大化得非线形性的数量更大。即使所有的这些方面都做了专门多学术研究，大量的应用研究需要进一步改善基于模型工业机器人的鲁棒操纵。与基于模型操纵的进一步进展携手并进的是采纳虚拟原型机来提高性能/成本比、降低了开发成本、并能缩短产品周期的于模型的设计的重要进展(Pettersson,2005)。特不重要的则是由机械设计和机器人操纵专家组成的机电一体化团队设计方法。3、以后工业机器人操纵进展驱动力跟所有其他工业产品一样，由机器人的进展要紧是其用户的需要所支配。然而, 就

21、其用途广泛而言机器人也十分独特,这意味着机器人技术要向着来自不同的自动化和不同的用途的大范围的要求去进展(机器人制造商联系,2006)。从应用需求动身，需要妥善处理新工艺产生的要求和改进传统工艺的要求之间的关系。新工艺是指工业机器人相结合过程的新作为，例如搅拌摩擦焊，铣，高性能激光切割，变速箱总成，平板电视屏幕的处理和金属板材变形等等。进一步提高机器人性能的传统工艺的例子是水射流切割，激光切割，激光焊接，涂胶，打磨，去毛刺，测量和装配等等。有时机器人自动化会变得专门受欢迎关于一个特定的图4 . 由一个共同的操纵器操纵的机器人家族的基于模型操纵，能够由可配置的刚体和弹性动力学模型来实现。应用或材

22、料的制造商来讲,例如，塑料行业目前特不渴望使用机器人。从客户驱动的要求来看，差不多要求因此以降低生产成本、提高最终产品质量同时新的自动化概念不时的试图获得产量的显着增加。这种概念的例子是紧凑型机器人，向后弯曲的机器人，重载机器人，多机器人操纵，精确的离线编程机器人，灵活的框架机器人，传感器操纵的机器人和安全机器人。与此同时,还需要提高的是连续的灵活性,提高机器人的使用可靠性,改善劳动条件,降低寿命周期成本,使安装、系统集成、编程和维护容易、以提高性能(图5)。所有这些需求驱使着机器人制造商不断增加更大的综合性开发项目，开发新一代的产品和新产品的概念。图5 . 为了满足机器人离线编程对机器人精度

23、日益增长的要求，运动学和弹性静力学辨识和补偿方法不断精确化，今天0.5毫米的体积精度甚至一个大型的机器人上也能够达到。与此同时，由于用户应用需求的拉动因此有技术迫使制造商在其他更大的产品领域利用机器人的最新技术成果。因此，PC领域硬件和软件两个方面的进展都会对机器人操纵器进展产生专门大的阻碍，应用此项技术的努力来自电信领域。软件开发和维护的成本不断增加，一个专门长的软件寿命时刻是如此的重要，这意味着,例如,新的高效的软件开发环境和可扩展的系统体系结构的新概念、开放的接口和com - munication概念差不多上机器人操纵器的进展重要的推动力。尽管在机器人技术进展最快的出现在在操纵器方面，同

24、时也存在着一些机电技术推进一面。更有效、更大的紧凑齿轮箱、更符合成本效益的电机和驱动系统、更廉价的碳复合材料和更先进的机械设计工具。在长期的角度来看, 对汽车工业及其次级供应商来讲，机器人确信是有一个持续进展。在那个地点可能发生的是燃料价格上升，污染和其他环境问题将使得有必要建立更小、更高效的轻型车使用，例如，与燃料电池相结合的电力驱动。然后，问题确实是这将如何改变对制造系统，包括工业机器人的需求。一种可能性是，现场的汽车车身点焊将被替待，例如，激光焊接和金属零件，铆接焊接（神户，2001年），粘合和（布罗西斯，2006）复合材料部件的精加工。这就意味着具有更高精确度和刚度的更小、更轻的机器人

25、将有更大的需要。假如电力驱动和燃料电池将被普遍使用，那么新的应用将会出现，可能对机器人的精确度和短周期会有更高的要求。然而,因为大量的产品制造差不多上由相同的专门工业组织所完成,才使得制造汽车和汽车零部件的制造系统的基础设施结构可能会是一样的。图6 . 食品工业将成为以后机器人进展的动力之一。在那个地点，基于Delta 概念的并联机器人FlexPicker，工作在一家面包店。如在第1节指出了汽车制造业仍然是劳动密集型的的一个部分是最后组装。今天将机器人技术用于装配，问题就出现了，几何复杂性和工作对象的多变性，安全围栏所需的空间与复杂的机器人编程和耗费时刻的故障处理等等。只有专门少的机器人设备能

26、够专门经济的应用此技术，例如，上胶和车窗安装。在这种专门情况，健康风险是机器人引进一个重要缘故。在重升降机中，工作条件刺激了引进设备以协助完成。在那个地点,一个差不多进行了几年的开发项目确实是开发免受被动机械系统和伺服操纵的起重工具。这些智能(IAD)辅助设备人们所感兴趣的分不是他们的安全要求和操作者与IAD之间相互的力操纵(Colgate, Peshkin, & Klostermeyer, 2003)。然而，这种设备不能给出一种现实的自动化解决方案同时这一概念不能进展为一个完整的机器人化汽车装配。相反，能够预期，汽车行业将推动装配机器人系统的新类型的产生和柔性自动化的基础设施结构的的新类型的

27、产生。为了查找可能推动以后机器人的进展的其他行业，一种可能是看今天缺乏有效利用机器人做基础设施的制造系统。那个地点有一个机会，中小型企业自动化的需要（SMErobot，2005年）。在这种环境下所需要的是易于安装、配置、标定、编程和维护的低成本的安全机器人系统。那个应用进程将同那些用于今天的机器人一样，其最大的挑战将是开发动身一个更低的机器人寿命周期成本的机器人技术。今后使用工业机器人将会有专门多其他重要领域在那个进展方向走更远的路。柔性自动化实例诸如拆卸、废料处理分拣，肉类食品切割、食品加工和处理的其他类型（图6; Hamazawa，1999年）、对消费品的处理、飞机大部件的整机装配零部件加

28、工（库卡机器人，2005年）、桥梁、建筑、船舶、火车、铁路、电站、风车等，大范围的工艺任务。假如柔性机器人自动化为这些类型的应用找到经济可行的解决方案, 工业机器人的一个巨大的新市场对将会驱动机器人技术一个新方向进展。从来自以后的新应用进程对机器人学的驱动力来看，提高了机器人的性能将特不重要。例如，众所周知，臂式机器人制造和安装比笛卡尔机器人成本更低。然而,在频宽、刚度、准确性方面笛卡尔机械手能够远高于一个关节机器人,然而假如关节机器人的性能有了显著的提高的话，关节机器人将占据从更昂贵的笛卡尔机械手大片的市场份额。其中应用臂式工业机器人的例子是高性能激光切割，等离子切割装配和机加工。既提高了机

29、器人的性能和新的柔性自动化的概念的一个例子确实是铁铸件的补炉(Lauwers, Wallis, Haigh, & Sohald,2004)。在这种情况下，第三个方面也专门重要，那确实是是特不不健康的铸造环境。考虑到工人的健康问题，以后一些其他的的工业机器人应用例子能够找到。如此的例子比如屠宰场，冷藏库，玻璃加工商店，渔业和垃圾处理厂。图7 . 电容式编码器环(Hexagon Metrology)集成到ABB 图8 . 为了使机器人的编程更加简单，引导编程有望成为一机器人的机械手臂用于机器人手臂的运动精确的测量。 个重要的技术。在那个地点，引导编程是用测量臂连接到机 器人的ABB TeachSa

30、ver编程软件上。4、以后工业机器人操纵的进展前景尽管长期进展方向专门难预测，一些前景依旧能被勾勒出来，即在可观测的机器人应用情况的要紧驱动力的基础上如何样做出一个合理的外推。由于汽车业是目前机器人进展的要紧动力，因此看一看基于激光焊接、铆接、焊接、组装、上胶等用的更精确、刚性、快速和纤细的机器人代替大量的笨重的点焊机器人的这种更早的建议需求的汽车制造业前景是专门相关的。假如使用光纤、改进钇铝石榴石(YAG) 激光科技 (Rooks,2000年)和轻量级的焊接、铆接、上胶设备等的技术，点焊机器人焊枪部分所承受的载荷将从全然上降低。这意味着,在不远今后会看到使用集成化的执行器解决方案、纤维复合材

31、料等其他轻质材料的拥有手腕和上臂概念的轻快苗条的机器人实现场景。即使一个轻量级的高速电机连同一个轻量级的大传动比的减速机专门有可能会变得比起现在使用的较重的手腕驱动系统更加的昂贵，由于主轴可配备具有较低功率执行机构以及机器人的安装可采纳更小巧的框架结构，机器人装置可能会变得更廉价。为了使苗条的轻量级机器人关于工具力的僵硬，机器人操纵可能需要提供一个虚拟的刚度, ,对机器人的手臂有必要使用传感器结构。传感器的一些例子有可选择式振动测量电极来测量角度和输出轴的振动的电容式编码器（图7）、关节力矩传感器(Pfeffer, Khatib, & Hake, 1989)，加速度计(de Jager, 19

32、94)、能够测量臂的振动应变规(Feliu, Garca, & Somolinos,2001)。这些分布式传感器然后以传感器信息融合的方式被伺服系统使用，基于操纵器中运行的实时操纵模式。在这种情况下重要的因此是有准确的动态模型。工业机器人是一种强耦合的多变量系统，高达50质量弹簧元素加上源自齿轮及其他传动组件的摩擦和空转的非线性进行建模。一个轻快苗条的机器人概念还被用于汽车厂总装线任务。在这种情况下，然而，必须也包括直观的编程人类与机器人之间的直接接触高效的故障处理的可能性，否则自动化系统将会太复杂。因此，充分的安全是必要的，低移动质量和柔顺操纵机器人的在这方面是专门重要的(DLR, 2006; Hirzinger, Albu- Schaffer, Hahnle, Schaefer, & Sporer, 2001; Ogawa, Haniya, Okahisa, & Ichibangase, 2005; Zinn, Khatib, Roth, & Salisbury, 2004)。为了获得高的安全水平，出于安全目的的传感器虚拟刚度操纵的利用将并不遥远。这能够通过使用测量信号产生残差和利用机器人操纵冗余的检测来实现。假如六维指尖力/力矩传感器