一文搞懂工業(yè)機器人系統(tǒng)

在我們心中的機器人都是被人格化后的機器人形象。那么，把機器人尤其是工業(yè)機器人形象解構(gòu)以后，他又會是什么樣子呢？

這樣專業(yè)的問題，讓我們聽聽東南大學(xué)段晉軍博士怎么說：

平時不論是新聞上看到的工業(yè)機器人、雙足機器人、四足機器人還是動漫作品里的機器人形象大部分是機器人本體，而機器人控制系統(tǒng)則是幕后功臣，類似于人的大腦，這個控制系統(tǒng)往往安裝在機器人本體的內(nèi)部或是有一個單獨的控制單元。

大家來看下面的一幅圖（摘在固高科技的官網(wǎng)），這幅圖描繪了一個工業(yè)機器人系統(tǒng)的概貌，一個工業(yè)機器人系統(tǒng)包括了機器人本體、伺服電機（或者是直流電機）、減速機、驅(qū)動器、控制器、示教器、還有一些外圍的設(shè)備，比如攝像頭、六維力傳感器、IO模塊、焊接部件等等。

對于一個工業(yè)機器人系統(tǒng)而言，我們對上面的圖進行簡化，將剛才的工業(yè)機器人系統(tǒng)簡化，抽取出工業(yè)機器人系統(tǒng)中必不可少的部分：控制系統(tǒng)、機器人本體和示教器。

而控制系統(tǒng)從常規(guī)結(jié)構(gòu)上可以分為兩部分：執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)。執(zhí)行機構(gòu)包括機器人本體、伺服電機和減速裝置；控制系統(tǒng)則分為控制器、伺服驅(qū)動器、示教器和拓展模塊，其中拓展模塊包括力覺模塊、視覺模塊、抓取模塊等，也就是說我們我們所看到的機器人能完成的每個動作，都需要添加拓展模塊。

舉個例子，假如英雄聯(lián)盟中的蒸汽機器人布里茨缺少了抓取模塊，就不能完成機械飛爪技能中的抓取敵人功能啦。

現(xiàn)在進入重點啦，下面來具體分析一下控制系統(tǒng)中每個部分的功能和用途吧。

對于工業(yè)機器人系統(tǒng)而言，示教器是用于與用戶交互的設(shè)備，它能夠處理和記憶用戶賦予工業(yè)機器人的任務(wù)指令。一般情況下，它分為三種模式：示教模式、在線模式和遠程模式。

示教模式用于示教機器人的動作序列，最終以作業(yè)的形式保存在示教盒中；

在線模式是復(fù)現(xiàn)用戶示教的作業(yè)，此時需要示教器對作業(yè)進行在線解析，并將解析結(jié)果發(fā)送給控制器。

遠程模式是指用戶可以通過一根網(wǎng)線或是通過網(wǎng)絡(luò)的形式控制機器人動作，此時，用戶不一定就在機器人旁邊，可以是遠程遙控。

更通俗一點的理解：示教器就像遙控賽車的遙控器，用遙控器操縱賽車和使用示教器控制工業(yè)機器人是一樣的道理，emmm，這么一想好像高大上的工業(yè)機器人也變得沒那么神秘了。

當(dāng)然了，示教器的界面風(fēng)格也不盡相同，下面是部分示教器的樣子~

說完了示教器，我們來聊一聊控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的指揮中心，現(xiàn)在市面上控制系統(tǒng)有三種架構(gòu)：基于IPC的總線式開放控制架構(gòu)、PC+運動控制卡的分離架構(gòu)以及高度集成的控制架構(gòu)。

其中，基于IPC的總線式開放控制架構(gòu)目前使用較多，優(yōu)勢在于易于擴展，實時性好；PC+運動控制卡的分離架構(gòu)則稍遜，其拓展性弱，系統(tǒng)笨重且繁瑣；而高度集成的控制架構(gòu)則主要適用于小型機器人系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的實現(xiàn)基本要靠一行行的代碼來實現(xiàn)，其內(nèi)部包括了底層驅(qū)動、建模、運動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃等非常復(fù)雜的code。

最后，我們來說說機器人本體，它就像人的胳膊或腿，它是一個執(zhí)行機構(gòu)，它接收來自機器人控制系統(tǒng)的指令，千萬別以為本體只是個執(zhí)行器，本體中的電機和減速機可都是機器人本體的核心零部件，尤其是減速機。

說了這么多，那么工業(yè)機器人的應(yīng)用場景有哪些呢？

在眾多的制造業(yè)領(lǐng)域中，工業(yè)機器人應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域是汽車及汽車零部件制造業(yè)，并不斷向其他領(lǐng)域擴展，如機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材和家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。

在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接機器人、激光加工機器人、噴涂機器人、搬運機器人、機床機器人、沖壓機器人、真空機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。

往往上面呈現(xiàn)的形式是：用戶示教工業(yè)機器人一組固定的任務(wù)序列，若是加上視覺傳感器或力覺傳感器，工業(yè)機器人將有了視覺感知能力和觸覺感知能力。當(dāng)賦予了工業(yè)機器人感知能力，工業(yè)機器人會被擴展到更為廣闊的場合。比如人機協(xié)作，人機交互，基于視覺的物流揀選、精密裝配等，基于力覺的打磨、去毛刺、柔性裝配等應(yīng)用場合。

下面來看兩段視頻，一段是基于視覺的應(yīng)用，一段是基于力覺的應(yīng)用。

第一個案例是發(fā)那科M-3iA的揀選視頻，它具有很高的柔性，可以在空間中實現(xiàn)自由搬運，廣泛應(yīng)用于電子元件裝配和太陽能產(chǎn)業(yè)。

另外一個案例則是來自珞石的打磨工作站，當(dāng)這臺機器人安裝上力覺傳感器后，打磨效果和效率上成果喜人。看到這打磨機器人的精細且溫柔的動作，不禁聯(lián)想到了朱自清先生在《春》中所講：“不錯的，像母親的手撫摸著你?！?/p>

談到工業(yè)機器人應(yīng)用，還想說說央視《大國重器》。2018年3月4日，央視播出《大國重器》第七集《智造先鋒》，作為一名機器人媒體從業(yè)者，在觀看視頻時除了驕傲很難再說出其他什么更加適合于描述自己心中情感的名詞。時至今日，機器人和人工智能概念成了很多公司炒作自己產(chǎn)品的噱頭，市面上亦不乏各類網(wǎng)紅機器人，我們不斷在各類娛樂節(jié)目、新聞媒體中看到機器人的出現(xiàn)，甚至機器人概念成為了某些團隊的炒作工具；與此同時，《大國重器》則把這些和娛樂、和出格言論等可說風(fēng)馬牛不相及的工業(yè)機器人放在了大眾的視野之中，這些冰冷的力臂、車床、發(fā)動機可能從誕生的那一刻起到退役都是無言的，這些復(fù)雜的機械設(shè)備沒有討喜的擬人化外表，如果沒有《智造先鋒》這么一期視頻，可能很難為大眾所知，但這也是工業(yè)機器人的一大特點：

可能沒有華麗的外表，但是足夠有用。

中國制造2025中提出緊密圍繞重點制造領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展新一代信息技術(shù)與制造裝備融合的集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用。支持政產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)，開發(fā)智能產(chǎn)品和自主可控的智能裝置并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。依托優(yōu)勢企業(yè)，緊扣關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制、供應(yīng)鏈優(yōu)化，建設(shè)重點領(lǐng)域智能工廠/數(shù)字化車間。在基礎(chǔ)條件好、需求迫切的重點地區(qū)、行業(yè)和企業(yè)中，分類實施流程制造、離散制造、智能裝備和產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)新模式、智能化管理、智能化服務(wù)等試點示范及應(yīng)用推廣。建立智能制造標準體系和信息安全保障系統(tǒng)，搭建智能制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺；同時，組織實施大型飛機、航空發(fā)動機及燃氣輪機、民用航天、智能綠色列車、節(jié)能與新能源汽車、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、智能電網(wǎng)成套裝備、高檔數(shù)控機床、核電裝備、高端診療設(shè)備等一批創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化專項、重大工程。這一切的宏偉壯觀的過程都離不開工業(yè)機器人的幫助和支持，可能在日常生活中我們不會直觀地看到工業(yè)機器人作業(yè)，但是它們一直就在我們的身邊，在你能想象到的任何地方發(fā)光、放熱。

簡介工業(yè)機器人的分類與控制系統(tǒng)

一、工業(yè)機器人的分類

1. 按操作機坐標形式可分為：

（1）直角坐標型工業(yè)機器人

其運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大，動作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。

（2）圓柱坐標型工業(yè)機器人

其運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動和兩個移動組成的運動系統(tǒng)來實現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標型工業(yè)機器人相比，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大，其位置精度僅次于直角坐標型機器人，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。

（3）球坐標型工業(yè)機器人

又稱極坐標型工業(yè)機器人，其手臂的運動由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動（即RRP,一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。

（4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人

又稱回轉(zhuǎn)坐標型工業(yè)機器人，這種工業(yè)機器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機器人應(yīng)用越來越廣泛。

（5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人

它采用一個移動關(guān)節(jié)和兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運動，而兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運動。這種形式的工業(yè)機器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。

2. 按驅(qū)動方式可分為：

（1）氣動式工業(yè)機器人

這類工業(yè)機器人以壓縮空氣來驅(qū)動操作機，其優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單造價低，無污染，缺點是空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業(yè)機器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。

（2）液壓式工業(yè)機器人

液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kPa左右，故液壓傳動工業(yè)機器人具有較大的抓舉能力，可達上千牛頓。這類工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。

（3）電動式工業(yè)機器人

這是目前用得最多的一類工業(yè)機器人，不僅因為電動機品種眾多，為工業(yè)機器人設(shè)計提供了多種選擇，也因為它們可以運用多種靈活控制的方法。早期多采用步進電機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服驅(qū)動單元，目前交流伺服驅(qū)動單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動單元或是直接驅(qū)動操作機，或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速后驅(qū)動，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡單。

二、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

1. 工業(yè)機器人的控制技術(shù)

是在傳統(tǒng)機械系統(tǒng)的控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此兩者之間并無根本的不同但工業(yè)機器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處。其特點如下：

• 工業(yè)機器人有若干個關(guān)節(jié)，典型工業(yè)機器人有五六個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制，多個關(guān)節(jié)的運動要求各個伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。

• 工業(yè)機器人的工作任務(wù)是要求操作機的手部進行空間點位運動或連續(xù)軌跡運動，對工業(yè)機器人的運動控制，需要進行復(fù)雜的坐標變換運算，以及矩陣函數(shù)的逆運算。

• 工業(yè)機器人的數(shù)學(xué)模型是一個多變量、非線性和變參數(shù)的復(fù)雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此工業(yè)機器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。

• 較高級的工業(yè)機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進行測定和分析，采用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳控制規(guī)律。

2. 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)發(fā)基本要求：

• 實現(xiàn)對工業(yè)機器人的位置、速度、加速度等控制功能，對于連續(xù)軌跡運動的工業(yè)機器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。

• 方便的人---機交互功能，操作人員采用直接指令代碼對工業(yè)機器人進行作用指示。使用工業(yè)機器人具有作業(yè)知識的記憶、修正和工作程序的跳轉(zhuǎn)功能。

• 具有對外部環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測和感覺功能。為使工業(yè)機器人具有對外部狀態(tài)變化的適應(yīng)能力，工業(yè)機器人應(yīng)能對諸如視覺、力覺、觸覺等有關(guān)信息進行測量、識別、判斷、理解等功能。在自動化生產(chǎn)線中，工業(yè)機器人應(yīng)用與其它設(shè)備交換信息，協(xié)調(diào)工作的能力。

3. 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的分類：

• 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)可以從不同角度分類，如控制運動的方式不同，可分為關(guān)節(jié)控制、笛卡爾空間運動控制和自適應(yīng)控制；按軌跡控制方式的不同，可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制、力控制。

• 程序控制系統(tǒng)，給每個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機器人就可實現(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。

• 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(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。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。因而本系統(tǒng)是一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。