工业机器人及其控制系统

宋晓宇 娄梦语

摘 要：工业机器人也叫工业机械手，它是一种多关节或自由度较多的机械装置，目前多关节机器人市场占有率最高。这种装置通过程序控制以及自适应功能，依靠自己驱动机构和控制系统实现各种运动功能。随着科学技术的发展，人工智能的现代化，实现了工业机器人人工智能化。工业机器人主要由本体、驱动机构、控制系统组成，其中控制系统是核心。现在，工业机器人得到了广泛的运用，主要表现在焊接、码垛、搬运、打磨、折弯、3C等各个行业，极大的提高了工厂自动化程度、提高了工作效率、提高了产品质量，降低劳动强度和人力成本。

关键词：机器人;机械手;控制系统;

Industrial Robot and Its Control System

SONG Xiao Yu ，LOU Meng Yu

Abstract： Industrial robot is also called industrial manipulator. It is a kind of mechanical device with multiple joints or more degrees of freedom. Currently， the market share of multi-joint robot is the highest.This device realizes various motion functions through program control and adaptive function， relying on its own driving mechanism and control system.With the development of science and technology， the modernization of artificial intelligence， the realization of industrial robot artificial intelligence.Industrial robot is mainly composed of ontology， drive mechanism and control system， of which control system is the core.Now， industrial robots have been widely used， mainly in welding， stacking， handling， grinding， bending， 3C and other industries， greatly improve the degree of factory automation， improve work efficiency， improve product quality， reduce labor intensity and labor cost.

Key words： Industrial Robot;Industrial Manipulator;Control System;

1 引言

从1954年第1台电子可编程工业机器人，到今天的人工智能机器人。机器人可以视为一种柔性控制极高的自动化装备，也是我们现代制造业中必不可少的关键装备。机器人高度的柔性控制技术使其在制造业中应用及其广泛。

目前，工业机器人技术代表了一个国家的产业竞争力以及创新能力，是科技产业革命的引入点。结合《中国制造2025》，我国制造业面临整体转型升级，而智能智造的快速崛起，使我们在不同领域酝酿出不同新机会。现在，工业机器人在我国已经发展为了新型高新技术产业。据国际机器人联合会（IFR）的统计，2018年全球装机量为42.2万台，比2017年增长6.0%，预计将从2020年到2022年平均每年保持增长率为12%。2018年，中国工业机器人产量达14.8万台，超过全球总产量的38%，2018年中国的工业机器人密度达到137，相比2017年提高了34.3%，远超同期全球平均水平，为我国经济的高质量、高速发展带来了新生机。

虽然我国已经是全球最大的工业机器人市场，但目前外资企业占比仍很高。受限于技术、成本等原因，我国工业机器人的市场占有率较低。工业机器人核心零件、元器件目前还是以国外技术为主，是我国工业机器人发展的劣势及瓶颈，如：控制器、减速机、伺服电机等产品。为此，依靠国家政策，推动核心零件、元器件国产化，是我国提高工业机器人技术的关键。突破各种技术壁垒，机器人功能模块化、系统化研究尤为重要，而机器人控制系统作为核心，成为了我国迫切需要突破的重心。

2 工业机器人组成

本体、执行机构和控制系统是工业机器人的主要组成，除此之外还可以附加设备——伺服变位机。

本體：有主机座、各个臂关节、连杆、夹具等组成。一般会有3—6轴关节，臂关节数及连杆长度决定了机器人的臂展工作区间即最大工作范围以及最大负载。

执行机构：有动力和传动装置组成，包括伺服电机、减速机、气液装置等。其决定着机器人的定位精度和运行速度。

控制系统：有电控柜、示教器、传感器等多种电气系统组成。通过程序对驱动机构进行点位、轨迹运动等空间控制。

附加设备：伺服变位机、各种工装等，俗称机器人的第7轴，协助机器人完成多个工位的工作

3 控制系统组成

控制系统有电控柜、示教器、I/O、外围接口、软件等组成

1、电控柜：有控制器、控制面板、轴驱动器、低压保护器件、电源控制线路等组成。其中控制器是机器人的控制核心，也是一台微型PC（Personal Computer） 。其内部配置有独立CPU、硬盘和内存，运行WIN7、VxWorks 、Ubuntu等多种操作系统。不同厂家采用的操作系统及CPU是不同的，大家的共同目的是搭建一个控制平台，从而可以融合机器人控制、传感器、通讯、物联网等控制。

控制面板：有电源开关、指示灯、紧急停止按钮、报警器等组成。

轴驱动器：用于机器人驱动机构电机的驱动器，一般指伺服驱动器。伺服驱动器通过总线控制方式和控制器进行通讯接受和反馈，达到机器人各个关节的位置、速度、力矩等控制。

低压保护器件：用于系统电源、电机等线路的过压、过流、缺相等保护器件。

2、示教器： 用于与用户交互的设备，其本身也是一台带有显示屏幕的计算机。可以独立处理和存储用户指令，程序编写、参数配置以及状态监控。示教器主要通过RS232/RS485串口、以太网等多种通讯方式与主机控制器之间数据交换。

3、I/O：是输入输出模块，主要用来各种机构运行状态信号采集，指示灯、气缸等机构运作。

4、外围接口：指一些机器人以外的附加设备接口、通讯接口、程序参数接口。

附加设备接口：主要用来连接与机器人配合的变位机、手指夹爪等机械结构

通信接口：与自动线的柔性、集成、MES等控制系统的信息数据交换接口。常用的有： EtherCAT、CanOpen、ProfiBus、ModBus、TCP/IP等各种总线。

程序参数接口：该接口一般为以太网、USB类型。用来机器人程序和参数的输入及编辑。

5、软件：一台机器人的工作离不开软件的协助，通过软件可以更加简单的使用操作机器人。软件有：三维离线编程、三维仿真、机器视觉、折弯、焊接码垛等工艺软件以及远程监控软件。

4控制系统分类

根据控制运动的方式分为点对点控制、轨迹控制两种;根据控制原理分为顺序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。

点对点控制：机械手从起始位置到终点位置运行，是点到点的运动方式，是快速、精准的直线运动。

轨迹控制：以终点位置为目标，通过复杂的、精准的运动轨迹到达目标点，运动轨迹为空间自由度，可以做任意的连续曲线。

顺序控制系统：根据特定工艺流程，结合机器人的关节运行范围，对每一个轴或其他附加设备，进行有规律的程序及运动轨迹设定，机器人依据固定的程序设计进行轨迹运行，称为顺序控制系统。

适应控制系统：在程序控制系统的基础上进行深化，加入各种传感器的数据采集，感知机械手的各种条件变化，通过机器人软件进行模型构建以及参数设定，从而不停的修正机器人的运行速度、精准位置等状态，此时控制系统会随着信号的更新以及参数数据的变化而自动变化，这就是适应控制系统。

人工智能系统：随着物联网、云平台、大数据等技术运用，工业机器人向人工智能系统发展。这种系统以大数据、传感器技术为基础，增加语音识别、机器视觉、执行器系统、和认知行为系统，具有了学习、推理等认知能力。机器人结合自身硬件组成，运用自己的认知能力，不需要事先的程序、參数编辑即可完成所需要的运动轨迹，达到快速、精准、智能化的控制目的。

5 总结

在信息化、网络化支撑下，随着计算机控制技术、传感器技术的发展，人工智能系统是现在乃至未来工业机器人主要发展方向。面对制造业转型升级，工业机器人是一个强大的推动引擎，我国工业机器人还需要突破核心零件、元器件技术，进行更加深入的技术研究和探索。

参考文献：

[1] 熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，1996Xiong Youlun. Basis of Robot Technology [M]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology Press， 1996

[2] 张建民.工业机器人[M].北京：北京理工大学出版社，1988Zhang Jianmin. Industrial Robot [M]. Beijing： Beijing University of Technology Press， 1988

[3] 蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000Cai Zixing. Robotics [M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2000

[4]《全球机器人2019——工业机器人》报告

作者简介：

宋晓宇，男，（1999-02—），河南漯河，学生，本科学历，专业：机械设计制造及其自动化。