機(jī)器人與自動化技術(shù)..

1、機(jī)器人與自動化技術(shù)“機(jī)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(jìn)行交互?！?比爾 ?蓋茨在某電視節(jié)目中，預(yù)測未來科技領(lǐng)域的下一件大事時表示：機(jī)器人與自動化技術(shù)將成為未來發(fā)展的一大趨勢， 可以改變世界！工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)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(jī)器人在風(fēng)能、太陽能、交通運(yùn)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(dāng)然，即將 “改變世界 ”的機(jī)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(lǐng) 域也將出現(xiàn)機(jī)器人的身影。 譬如， 派送采礦機(jī)器人到月球和小行

2、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(jī)器人將像 “電腦 ”一樣改變?nèi)祟惖纳睢Ｈ毡驹绲咎锎髮W(xué)研究人員推出一種新型仿人型家務(wù)機(jī)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， 餐。由于擁有和成年女性大小相當(dāng)?shù)撵`巧雙臂、 機(jī)中取出，而絲毫不弄碎它。英國阿伯丁大學(xué)啟動了一項新的研究計劃，甚至討論具體決定的系統(tǒng) 。作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為衡量 科技水平的重要標(biāo)志。它將一名男子抱下床，與他聊天并為他準(zhǔn)備早雙手， 這種機(jī)器人能夠用夾子將面包從面包在 3 年內(nèi)研發(fā)出允許機(jī)器人與人類進(jìn)行交談，個國家制造水平和在機(jī)器人市場中，目

3、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(tuán) （STUAA ）、意太利瀚博士 hanbs 、意大利柯馬 COMAU 、英國 Auto Tech Robotics 等。目前國內(nèi)生產(chǎn)機(jī)器人的企業(yè)主要有： 中科院 沈陽新松機(jī)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(dá)機(jī)器人有限公司、安川首鋼機(jī)器人有限公司、哈工大海爾機(jī)器

4、人有限公司、 南京埃斯頓機(jī)器人工程有限公司、 廣州數(shù)控設(shè)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(jī)器人市場需求預(yù)計將達(dá) 35000 臺，占全球比重 16.9 ，成為全球規(guī)模最 大的市場。一、機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成由3大部分 6個子系統(tǒng)組成。3 大部分是：機(jī)械部分、傳感部分、控制部分。-環(huán)境交互系統(tǒng)、人 -機(jī)交互6 個子系統(tǒng)是：驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人 系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。1.1 、驅(qū)動系統(tǒng) 要使機(jī)器人運(yùn)行起來，就需給各個關(guān)節(jié)即每個運(yùn)動自由度安置傳動裝置，這就是驅(qū)動系 統(tǒng)。驅(qū)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(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)； 可以直接

5、驅(qū)動或者通過同步帶、鏈條、輪 系、諧波齒輪等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動。1.2 、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 由機(jī)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(gòu)成一個多自由度 的機(jī)械系統(tǒng)。若機(jī)身具有行走機(jī)構(gòu)便構(gòu)成行走機(jī)器人；若機(jī)身不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)， 則構(gòu)成單機(jī)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(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，以獲取內(nèi)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(jī)器人的機(jī)動性、 適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。 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

6、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(jī)器人 -環(huán)境交互系統(tǒng) 是實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。 機(jī)器人與外部設(shè)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(jī)交互系統(tǒng) 人-機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制，與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置，例如計算機(jī)的 標(biāo)準(zhǔn)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(wù)，是根據(jù)機(jī)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(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成的運(yùn)動和功能。假如機(jī)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(jù)控制原

7、理可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動的形式可分為點位控制和軌跡控制。二、機(jī)器人控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦， 它根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人來完成一定的 動作或作業(yè)任務(wù)。控制系統(tǒng)的好壞直接決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。2.1、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成、控制計算機(jī)：控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮中心機(jī)構(gòu)。、示教盒：示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機(jī)交互操作，擁有自己 獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機(jī)之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互。、操作面板：由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。、硬盤和軟盤存儲存：儲機(jī)器人工作程序的外圍存儲器。、數(shù)字和模

8、擬量輸入輸出：各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。、打印機(jī)接口：記錄需要輸出的各種信息。、傳感器接口：用于信息的自動檢測，實現(xiàn)機(jī)器人柔順控制，一般為力覺、觸覺 和視覺傳感器。、軸控制器：完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。、輔助設(shè)備控制：用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。、 通信接口：實現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。、網(wǎng)絡(luò)接口1)Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機(jī)器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過 Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序

9、裝入各個機(jī)器人控制器中。nifi 口國|機(jī)器人再M系熱紹業(yè)楝圈Device net、ABRemotel/O、2) Fieldbus接口：支持多種流行的現(xiàn)場總線規(guī)格，如Interbus-s 、profibus-DP、M-NET等。2.2、機(jī)器人控制系統(tǒng)所要達(dá)到的功能、記憶功能：存儲作業(yè)順序、運(yùn)動路徑、運(yùn)動方式、運(yùn)動速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān) 的信息。、示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。、與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。、坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。、人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。、傳感器接口：位

10、置檢測、視覺、觸覺、力覺等。、位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動、運(yùn)動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補(bǔ)償?shù)?。、故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障 自診斷。三、機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類、程序控制系統(tǒng)：給每一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實現(xiàn)要求的空間軌 跡。、自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行 改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。333、人工智能系統(tǒng)： 事先無法編制運(yùn)動程序，而是要求在運(yùn)動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀

11、態(tài)信 息，實時確定控制作用。、點位式：要求機(jī)器人準(zhǔn)確控制末端執(zhí)行器的位姿，而與路徑無關(guān)。、軌跡式：要求機(jī)器人按示教的軌跡和速度運(yùn)動。、控制總線：國際標(biāo)準(zhǔn)總線控制系統(tǒng)。采用國際標(biāo)準(zhǔn)總線作為控制系統(tǒng)的控制總線，如 VME MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。、自定義總線控制系統(tǒng)：由生產(chǎn)廠家自行定義使用的總線作為控制系統(tǒng)總線。、編程方式：物理設(shè)置編程系統(tǒng)。由操作者設(shè)置固定的限位開關(guān)，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)。、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。、離線編程：不對實際作業(yè)的機(jī)器人直接示教，而是脫離實際

12、作業(yè)環(huán)境，示教程序，通過使用高級機(jī)器人，編程語言，遠(yuǎn)程式離線生成機(jī)器人的作業(yè)軌跡。四、機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)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(Ce ntralized Co ntrol System)用一臺計算機(jī)實現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但實時性差，難以擴(kuò)展，在早 期的機(jī)器人中常采用這種結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成框圖，如圖2所示?；赑C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(shè)備等都可以通過標(biāo)準(zhǔn)PCI插槽或通過標(biāo)準(zhǔn)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

13、 優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好，基于PC的系統(tǒng)硬件擴(kuò)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(yán)重；由于機(jī)器人的實時性要求很高，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計算，會降低系統(tǒng)實時性， 系統(tǒng)對多任務(wù)的響應(yīng)能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復(fù)雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。WOL水甘倉ffl 2聲屮控制系St框國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(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等：從 CPU實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作控制。其構(gòu)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(kuò)展性較

14、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(zhì)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(wù) 和控制策略，各模式之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。這種方式實時性好，易于實 現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴(kuò)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(biāo)和任務(wù)可以進(jìn)行綜合協(xié) 調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù)，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(jié)構(gòu)中，子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或

15、設(shè)備構(gòu)成的，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)等相互通訊。分布式控制結(jié)構(gòu)提供了一個開放、實時、精確的機(jī)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(jī)、下為機(jī)和網(wǎng)絡(luò)組成。 上位機(jī)可以進(jìn)行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法，下位機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)細(xì)分、控制優(yōu)化等的研究和實現(xiàn)。上位機(jī)和下位機(jī)通過通 訊總線相互協(xié)調(diào)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?，F(xiàn)在，以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人提供了更快速、穩(wěn)定、有效的通訊服務(wù)。 尤其是現(xiàn)場總線，它應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向多結(jié)點數(shù)字通信， 從而形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系

16、統(tǒng)一現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS()。在工廠生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中，將可以通過現(xiàn)場總線連接的設(shè)備統(tǒng)稱為 “現(xiàn)場設(shè)備/儀表”。 從系統(tǒng)論的角度來說，工業(yè)機(jī)器人作為工廠的生產(chǎn)設(shè)備之一， 也可以歸納為現(xiàn)場設(shè)備。在機(jī) 器人系統(tǒng)中引入現(xiàn)場總線技術(shù)后，更有利于機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的集成。f樹4升布貞檸制麻氓松圖生聲嗆 一|it| CRT*桂右| utgeti iVtrL一: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(yīng)時間。對于具有多自由度的工業(yè)機(jī)器人而言，集中控制對各個控制軸之間的藕合關(guān)系處理得很好，可以很簡單的進(jìn)行補(bǔ)償。但是，當(dāng)軸的數(shù)量增加到使控制算法變得很復(fù)雜時，其控制性