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。目前国内生产机器人的企业主要有：中科院沈阳新松机器人自动化股份有限公司、芜湖埃夫特智能装备有限公司、上海新时达机器人有限公司、安川首钢机器人有限公司、哈工大海尔机器人有限公司、南京埃斯顿机器人工程有限公司、广州数控设备有限公司、上海沃迪自动化装备股份有限公司等。

2015年，中国机器人市场需求预计将达35000台，占全球比重16.9％，成为全球规模最大的市场。

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

由内部传感器模块和外部传感器模块组成，以获取内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。

目前，