工业机器人技术在自动化控制领域的应用探讨

2017-10-24金艳

中国设备工程 2017年19期

关键词：内存工业机器人

金艳

（天津市机电工艺学院，天津 300350）

工业机器人技术在自动化控制领域的应用探讨

金艳

（天津市机电工艺学院，天津 300350）

在工业机器人技术应用的过程中，涉及到很多的方面，自动化控制领域是其中主要的一部分。为了使工业机器人更好的在自动化控制领域进行应用，本文对其进行了一定探讨。

工业机器人技术；自动化控制领域；实践应用

在工业机器人当中，共有三个大模块，分别为机械模块、传感模块与控制模块，根据每个大模块中功能的差异，又可以将其分为六个小模块，分别为驱动模块、机械结构模块、感受模块、机器人-环境交互模块、人机交互模块、控制模块。

1 工业机器人控制系统的概述

1.1 功能

在工业机器人控制系统在实际应用当中，主要有以下几个功能。一是示教再现。在该系统应用之前，工作人员可以将相应的信息输入到机器人，机器人就会将这些信息存储到指定的位置上，当人们需要这些信息时，通过相应的方式，将其提取出来，对需要这些信息的人员进行讲解，从而发挥出示教再现的作用。二是运动控制。即利用相应的方式，以使机器人具有不同的移动速度、形态等。三是计算，根据机器人对周围信息的收集，计算出环境的相关数据，并根据这一数据制定出相应的作业轨迹，利用其细化成各轴的伺服运动的控制策略。这一功能是整个控制系统中最为关键的一部分。四是反馈，机器人运行的过程中，不论是状态、姿势还是位置都会不断的发生变化，这一变化对之后的工作会带来一定的影响，所以应在运动的同时，动态的对这些信息进行收集，并将其反馈给主系统中，从而使主系统能够及时的了解整个系统的实际情况，根据情况制定出相应的决策。机器人控制系统的工作原理如图1所示。

图1 机器人控制系统的工作原理

1.2 特点

机器人控制系统主要存在了以下几个特点：一是自由度高。在控制系统当中，控制能力越强，需要的伺服机构就会越多，而每一个伺服机构，都会以自由度的方式表现出来，因此，在机器人当中，为了控制能力更强，一般都会具有很高的自由度。对于简单的机器人来说，自由度通常为4个左右，对于复杂的机器人来说，自由度随着控制能力的提升而增加，现阶段，最高的自由度将近一百；二是在机器人运行的过程中，计算机高度的参与进来，通过其有效的控制，使整个系统能够遵循机器人的方式活动；三是在机器人活动的过程中，有很多路径可以进行，在这些路径当中往往会有一个最佳的路径。

2 控制系统的组成与控制方式

2.1 工业机器人控制系统的组成与作用

在工业机器人控制系统当中，主要由6个部分构成。一是控制计算机，其是整个系统中的大脑，对整个系统的运行进行指挥与调节，采用的通常为微处理器；二是示教盒，可以利用该部分开展所有与示教有关的活动，如轨迹的设计、人及信息的交换等。在该部分当中，存在独立的微处理器与存储器，通过串行通信的方法，与主系统进行连接；三是传感器接口。通过该部分对信息进行检测，以使机器人的控制更加柔顺，该部分通常为力觉、视觉等传感器。四是轴控制器。该部分是对机器人各关节进行控制，从而完成对机器人运动活动的控制；五是辅助控制。在机器人运行的过程中，往往还需要使用一些其他的设备，这些设备使用时，就需要辅助控制模块来进行控制。

2.2 工业机器人的控制方式

当前阶段中，工业机器人的控制方式有很多，根据作业活动之间的差异，可以将其分为以下几种：一是点位控制。记载其运行的过程中，机器人独自的确定出自身与目标的位置，通过两个位置设计出最佳的活动路径；二是智能控制，即利用内部的传感装置，采集附近的各种信息，并传递给控制系统，控制系统会根据这些信息发布相关的指令；三是触觉控制。即通过传感装置，对自身周围进行感知，发现路径当中的障碍物，并对路径进行重新设定。

2.3 工业机器人控制系统的结构

在工业机器人控制系统当中，主要有集中控制、主从式控制与分布式控制。

（1）集中控制。所谓的集中控制，也就是在运行的过程中，通过一台计算机，对所有的活动进行控制，是很早期的一种控制结构，该种结构当中，对计算机具有非常大的要求，必须存在较强的功能。在以往的阶段中，由于计算机技术发展的不成熟，生产成本较高，功能也不是很健全，所以，利用这一结构进行控制，往往是非常经济的，也能够很好的在实际当中使用。但存在一个明显的缺陷，即内部较为复杂，控制的速度较慢，因此，现今已经逐渐淘汰了该结构的控制系统。

（2）主从式控制。随着社会的不断发展，以往的机器人控制系统已经无法满足社会的要求，这种情况下，逐渐出现了更加先进的机器人控制系统，即主从式结构控制系统，如世纪70年代研制出的MOTORMAN弧焊机器人。在该结构当中，存在两台计算机，一台称为一级计算机，是整个系统中的系统管理者，具有机器人语言编译的功能，以及人机接口的作用，同时还会通过其具有的运算性能，对轨迹数据进行坐标转换的工作，并且在得到结构之后，将其看做关节运动的增值量，传递到公共内存中。另一台称为二级计算机，其对所有关节位置进行数值控制，在运行的过程中，从内存中读取一级计算机运算的结果，同时将各关节处的相关数据传递给内存，为一级计算机的运行奠定基础。公共内存是容量几KB的双口RAM，或者是普通静态RAM加上总线控制逻辑电路组成。由于其功能不是很集中，使其具有较快的控制速度，通常情况下能够达到15ms，即15ms更改一次给定，完成控制活动。该类结构的控制系统中，各个CPU之间，利用内存来连接的，一次达到信息交换的目的，这种结构下，耦合非常的松散，所以，只能对两台计算机进行耦合，对更多的计算机耦合时，往往非常的困难，结构如图2所示。

图2 主从式结构控制系统

（3）分布式控制。当前阶段中，大多数机器人系统都采用了分布式控制结构，即将整个管理系统分为两级，利用上一级的主控计算机，对所有系统进行管理，并对坐标进行转化与轨迹的插补运算。下一级模块中，存在多个CPU，每一个处理器对某一个关节进行控制，利用其完成控制任务，这样不仅增强了控制的效率，而且还提高了处理的水平。在微处理器与上一级计算机连接时，采用的为总线的方法，其结构如图3所示。

图3 分布式结构控制系统结构图

3 工业机器人在自动化控制领域中的应用

近年来，自动化控制领域当中对工业机器人进行了大量的应用，其中主要包括以下几个方面：一是焊接控制中的应用，主要为大型机械设备结构与称重部位。二是搬运控制中的应用。如卸料、码垛等。三是检测控制中的应用。会使检测更加规范，零件的检测误差更小。四是装配控制中的应用。通过机器人中的视觉、听觉等传感器，对周围环境的信息进行采集，并利用这些信息，设计出合理的装配路径。五是喷涂自动化控制中的应用。在很多喷涂工作当中，需要进行三维表面喷涂，为了使喷涂的效果更强，就需要较多的自由度，而工业机器人技术的自由度通常在5个以上，满足这一要求，因此，也可以对三维喷涂进行有效的控制。六是在医疗行业方面，该领域当中逐渐对机器人控制系统进行了应用，不仅应用到手术、治疗的过程中，而且还应用到了康复、转运等多个方面，为医疗活动更好的开展提供了重要帮助。