機器人與自動化技術

機器人與自動化技術“機器人、無處不在的屏幕、語音交互，這些都將改變我們看待‘電腦’的方式。一旦看、聽、閱讀能力得到提升，你就可以以新的方式進行交互?！?---比爾?蓋茨在某電視節(jié)目中，預測未來科技領域的下一件大事時表示：機器人與自動化技術將成為未來發(fā)展的一大趨勢，可以改變世界！

工業(yè)機器人的應用，正從汽車工業(yè)向一般工業(yè)延伸，除了金屬加工、食品飲料、塑料橡膠、3C、醫(yī)藥等行業(yè)，機器人在風能、太陽能、交通運輸、建筑材料、物流甚至廢品處理等行業(yè)都可以大有作為。當然，即將“改變世界”的機器人不僅僅具有代替人工的價值，在很多人類無法實現(xiàn)的領域也將出現(xiàn)機器人的身影。譬如，派送采礦機器人到月球和小行星上采挖稀土礦，將有望成為現(xiàn)實。而更令比爾?蓋茨寄予厚望的是機器人將像“電腦”一樣改變人類的生活。

日本早稻田大學研究人員推出一種新型仿人型家務機器人。它集安全性、可靠性和靈巧性于一身，還具有仿人臉的外觀。在工作時，它將一名男子抱下床，與他聊天并為他準備早餐。由于擁有和成年女性大小相當?shù)撵`巧雙臂、雙手，這種機器人能夠用夾子將面包從面包機中取出，而絲毫不弄碎它。

英國阿伯丁大學啟動了一項新的研究計劃，在3年內研發(fā)出允許機器人與人類進行交談，甚至討論具體決定的系統(tǒng)……。

作為先進制造業(yè)中不可替代的重要裝備，工業(yè)機器人已經成為衡量一個國家制造水平和科技水平的重要標志。

在機器人市場中，目前80%的市場份額仍由跨國公司占有，其中瑞典ABB、日本發(fā)那科FANUC、日本安川yaskawa和德國庫卡KUKA四大企業(yè)則是市場第一梯隊的“四大金剛”。其它有瑞士史陶比爾Staubli、德國克魯斯CLOOS、德國百格拉、德國徠斯、德國斯圖加特航空航天自動化集團（STUAA）、意太利瀚博士hanbs、意大利柯馬COMAU、英國AutoTechRobotics等。目前國內生產機器人的企業(yè)主要有：中科院沈陽新松機器人自動化股份有限公司、蕪湖埃夫特智能裝備有限公司、上海新時達機器人有限公司、安川首鋼機器人有限公司、哈工大海爾機器人有限公司、南京埃斯頓機器人工程有限公司、廣州數(shù)控設備有限公司、上海沃迪自動化裝備股份有限公司等。

2015年，中國機器人市場需求預計將達35000臺，占全球比重16.9％，成為全球規(guī)模最大的市場。

一、機器人的系統(tǒng)構成

由3大部分6個子系統(tǒng)組成。

3大部分是：機械部分、傳感部分、控制部分。

6個子系統(tǒng)是：驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人-機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

1.1、驅動系統(tǒng)

要使機器人運行起來，就需給各個關節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，這就是驅動系統(tǒng)。

驅動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動，或者把它們結合起來應用的綜合系統(tǒng)；可以直接驅動或者通過同步帶、鏈條、輪

系、諧波齒輪等機械傳動機構進行間接驅動。

1.2、機械結構系統(tǒng)

由機身、手臂、末端操作器3大件組成，每一大件都有若干自由度，構成一個多自由度的機械系統(tǒng)。

若機身具有行走機構便構成行走機器人；若機身不具備行走及腰轉機構，則構成單機器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。

末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪。1.3、感受系統(tǒng)

由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，以獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。

智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧。然后，對于

一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。

1.4、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)

是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統(tǒng)。機器人與外部設備集成為一個功能單元，如加工制造單元、裝配單元等。

1.5、人-機交互系統(tǒng)

人-機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制，與機器人進行聯(lián)系的裝置，例如計算機的標準終端、指令控制臺、信息顯示板、危險信息報警器等。

1.6、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的任務，是根據機器人的作業(yè)指令程序、以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構去完成的運動和功能。

假如機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

根據控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據控制運動3.3.3、人工智能系統(tǒng)：

事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。3.3.4、點位式：

要求機器人準確控制末端執(zhí)行器的位姿，而與路徑無關。3.3.5、軌跡式：

要求機器人按示教的軌跡和速度運動。

3.3.6、控制總線：

國際標準總線控制系統(tǒng)。采用國際標準總線作為控制系統(tǒng)的控制總線，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。3.3.7、自定義總線控制系統(tǒng)：

由生產廠家自行定義使用的總線作為控制系統(tǒng)總線。3.3.8、編程方式：

物理設置編程系統(tǒng)。由操作者設置固定的限位開關，實現(xiàn)起動，停車的程序操作，只能用于簡單的拾起和放置作業(yè)。3.3.9、在線編程：通過人的示教來完成操作信息的記憶過程編程方式，包括直接示教模擬示教和示教盒示教。3.3.10、離線編程：

不對實際作業(yè)的機器人直接示教，而是脫離實際作業(yè)環(huán)境，示教程序，通過使用高級機器人，編程語言，遠程式離線生成機

器人的作業(yè)軌跡。

四、機器人控制系統(tǒng)結構

機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類。

4.1、集中控制系統(tǒng)CCS(Centralized

Control

System)

用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能，結構簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，在早期的機器人中常采用這種結構，其構成框圖，如圖2所示。

基于PC的集中控制系統(tǒng)里，充分利用了PC資源開放性的特點，可以實現(xiàn)很好的開放性：多種控制卡，傳感器設備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口、并口集成到控制系統(tǒng)中。

集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調性較好，基于PC的系統(tǒng)硬件擴展較為方便。其缺點也顯而易見：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴重；由于機器人的實時性要求很高，當系統(tǒng)進行大量數(shù)據計算，會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務的響應能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。

4.2、主從控制系統(tǒng)

采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、坐標變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等：從CPU實現(xiàn)所有關節(jié)的動作控制。其構成框圖，如圖3所示。

主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難。

4.3、分散控制系統(tǒng)DCS(Distribute

Control

System)

按系統(tǒng)的性質和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不同的控制任務和控制策略，各模式之間可以是主從關系，也可以是平等關系。這種方式實時性好，易于實現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴展，可實現(xiàn)智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖4所示。

其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統(tǒng)對其總體目標和任務可以進行綜合協(xié)調和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調工作來完成控制任務，整個系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以DCS系統(tǒng)又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。

這種結構中，子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設備構成的，各個子系統(tǒng)之間通過網絡等相互通訊。分布式控制結構提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式。

兩級分布式控制系統(tǒng)通常由上位機、下為機和網絡組成。上位機可以進行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法，下位機進行插補細分、控制優(yōu)化等的研究和實現(xiàn)。上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調工作，這里的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB總線等形式。

現(xiàn)在，以太網和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展為機器人提供了更快速、穩(wěn)定、有效的通訊服務。尤其是現(xiàn)場總線，它應用于生產現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向多結點數(shù)字通信，從而形成了新型的網絡集成式全分布控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

FCS(FiledbusControlSystem)。在工廠生產網絡中，將可以通過現(xiàn)場總線連接的設備統(tǒng)稱為“現(xiàn)場設備/儀表”。從系統(tǒng)論的角度來說，工業(yè)機器人作為工廠的生產設備之一，也可以歸納為現(xiàn)場設備。在機器人系統(tǒng)中引入現(xiàn)場總線技術后，更有利于機器人在工業(yè)生產環(huán)境中的集成。

分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應時間。

對于具有多自由度的工業(yè)機器人而言，集中控制對各個控制軸之間的藕合關系處理得很好，可以很簡單的進行補償。但是，當軸的數(shù)量增加到使控制算法變得很復雜時，其控制性能會惡化。而且，當系統(tǒng)中軸的數(shù)量或控制算法變得很復雜時，可能會導致系統(tǒng)的重新設計。與之相比，分布式結構的每一個運動軸都由一個控制器處理，這意味著，系統(tǒng)有較少的軸間禍合和較高的系統(tǒng)重構性。

目前，