机器人与自动化技术

机器人与自动化技术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，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年内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有，其中瑞典ABB、日本发那科FANUC、日本安川yaskawa和德国库卡KUKA四大企业则是市场第一梯队的“四大金刚”。其它有瑞士史陶比尔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COMAU、英国AutoTechRobotics等。式可分为点位控制和轨迹控制。

二、机器人控制系统及结构

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。2.1.72.1.8、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入各个机器人控制器中。

2）Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，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

2.2.1、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。2.2.2、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：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。2.2.4、坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。2.2.52.2.6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。2.2.7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。2.2.8、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

3.3.1、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、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。3.3.5、轨迹式：

要求机器人按示教的轨迹和速度运动。

3.3.6、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。3.3.7、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CPU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。

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—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。在机器人系统中引入现场总线技术后，更有利于机器人在工业生产环境中的集成。

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，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。

对于具有多自由度的工业机器人而言，集中控制对各个控制轴之间的藕合关系处理得很好，可以很简单的进行补偿。但是，当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时，其控制性能会恶化。而且，当系统中轴的数量或控制算法变得很复杂时，可能会导致系统的重新设计。与之相比，分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理，这意味着，系统有较少的轴间祸合和较高的系统重构性。