一文搞懂工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

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

這樣專業(yè)的問(wèn)題，讓我們聽(tīng)聽(tīng)東南大學(xué)段晉軍博士怎么說(shuō)：

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

大家來(lái)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(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的概貌，一個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括了機(jī)器人本體、伺服電機(jī)（或者是直流電機(jī)）、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)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(duì)于一個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)而言，我們對(duì)上面的圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，將剛才的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)化，抽取出工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中必不可少的部分：控制系統(tǒng)、機(jī)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(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括機(jī)器人本體、伺服電機(jī)和減速裝置；控制系統(tǒng)則分為控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、示教器和拓展模塊，其中拓展模塊包括力覺(jué)模塊、視覺(jué)模塊、抓取模塊等，也就是說(shuō)我們我們所看到的機(jī)器人能完成的每個(gè)動(dòng)作，都需要添加拓展模塊。

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

現(xiàn)在進(jìn)入重點(diǎn)啦，下面來(lái)具體分析一下控制系統(tǒng)中每個(gè)部分的功能和用途吧。

對(duì)于工業(yè)機(jī)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(jī)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(yuǎn)程模式。

示教模式用于示教機(jī)器人的動(dòng)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(shí)需要示教器對(duì)作業(yè)進(jìn)行在線解析，并將解析結(jié)果發(fā)送給控制器。

遠(yuǎn)程模式是指用戶可以通過(guò)一根網(wǎng)線或是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的形式控制機(jī)器人動(dòng)作，此時(shí)，用戶不一定就在機(jī)器人旁邊，可以是遠(yuǎn)程遙控。

更通俗一點(diǎn)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(jī)器人是一樣的道理，emmm，這么一想好像高大上的工業(yè)機(jī)器人也變得沒(méi)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(shuō)完了示教器，我們來(lái)聊一聊控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是整個(gè)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(kāi)放控制架構(gòu)、PC+運(yùn)動(dòng)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(kāi)放控制架構(gòu)目前使用較多，優(yōu)勢(shì)在于易于擴(kuò)展，實(shí)時(shí)性好；PC+運(yùn)動(dòng)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(jī)器人系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基本要靠一行行的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部包括了底層驅(qū)動(dòng)、建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)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(lái)說(shuō)說(shuō)機(jī)器人本體，它就像人的胳膊或腿，它是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接收來(lái)自機(jī)器人控制系統(tǒng)的指令，千萬(wàn)別以為本體只是個(gè)執(zhí)行器，本體中的電機(jī)和減速機(jī)可都是機(jī)器人本體的核心零部件，尤其是減速機(jī)。

說(shuō)了這么多，那么工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景有哪些呢？

在眾多的制造業(yè)領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)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(kuò)展，如機(jī)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(jī)器人、激光加工機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、機(jī)床機(jī)器人、沖壓機(jī)器人、真空機(jī)器人等工業(yè)機(jī)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(jī)器人一組固定的任務(wù)序列，若是加上視覺(jué)傳感器或力覺(jué)傳感器，工業(yè)機(jī)器人將有了視覺(jué)感知能力和觸覺(jué)感知能力。當(dāng)賦予了工業(yè)機(jī)器人感知能力，工業(yè)機(jī)器人會(huì)被擴(kuò)展到更為廣闊的場(chǎng)合。比如人機(jī)協(xié)作，人機(jī)交互，基于視覺(jué)的物流揀選、精密裝配等，基于力覺(jué)的打磨、去毛刺、柔性裝配等應(yīng)用場(chǎng)合。

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

第一個(gè)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(shí)現(xiàn)自由搬運(yùn)，廣泛應(yīng)用于電子元件裝配和太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)。

另外一個(gè)案例則是來(lái)自珞石的打磨工作站，當(dāng)這臺(tái)機(jī)器人安裝上力覺(jué)傳感器后，打磨效果和效率上成果喜人?？吹竭@打磨機(jī)器人的精細(xì)且溫柔的動(dòng)作，不禁聯(lián)想到了朱自清先生在《春》中所講：“不錯(cuò)的，像母親的手撫摸著你?！?/p>

談到工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用，還想說(shuō)說(shuō)央視《大國(guó)重器》。2018年3月4日，央視播出《大國(guó)重器》第七集《智造先鋒》，作為一名機(jī)器人媒體從業(yè)者，在觀看視頻時(shí)除了驕傲很難再說(shuō)出其他什么更加適合于描述自己心中情感的名詞。時(shí)至今日，機(jī)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(jī)器人，我們不斷在各類娛樂(lè)節(jié)目、新聞媒體中看到機(jī)器人的出現(xiàn)，甚至機(jī)器人概念成為了某些團(tuán)隊(duì)的炒作工具；與此同時(shí)，《大國(guó)重器》則把這些和娛樂(lè)、和出格言論等可說(shuō)風(fēng)馬牛不相及的工業(yè)機(jī)器人放在了大眾的視野之中，這些冰冷的力臂、車床、發(fā)動(dòng)機(jī)可能從誕生的那一刻起到退役都是無(wú)言的，這些復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備沒(méi)有討喜的擬人化外表，如果沒(méi)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(jī)器人的一大特點(diǎn)：

可能沒(méi)有華麗的外表，但是足夠有用。

中國(guó)制造2025中提出緊密圍繞重點(diǎn)制造領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開(kāi)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(kāi)發(fā)智能產(chǎn)品和自主可控的智能裝置并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。依托優(yōu)勢(shì)企業(yè)，緊扣關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過(guò)程智能優(yōu)化控制、供應(yīng)鏈優(yōu)化，建設(shè)重點(diǎn)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(diǎn)地區(qū)、行業(yè)和企業(yè)中，分類實(shí)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(diǎn)示范及應(yīng)用推廣。建立智能制造標(biāo)準(zhǔn)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(tái)；同時(shí)，組織實(shí)施大型飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)、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(jī)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(xiàng)、重大工程。這一切的宏偉壯觀的過(guò)程都離不開(kāi)工業(yè)機(jī)器人的幫助和支持，可能在日常生活中我們不會(huì)直觀地看到工業(yè)機(jī)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(jiǎn)介工業(yè)機(jī)器人的分類與控制系統(tǒng)

一、工業(yè)機(jī)器人的分類

1. 按操作機(jī)坐標(biāo)形式可分為：

（1）直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)（即PPP）組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方形。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各個(gè)坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，控制無(wú)耦合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

（2）圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

其運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和兩個(gè)移動(dòng)組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人相比，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大，其位置精度僅次于直角坐標(biāo)型機(jī)器人，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

（3）球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

又稱極坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其手臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)（即RRP,一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動(dòng)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(zhǎng)成正比。

（4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人

又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，這種工業(yè)機(jī)器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見(jiàn)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(yùn)動(dòng)和俯仰擺動(dòng)，小臂做仰俯擺動(dòng)。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(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低，有平衡問(wèn)題，控制耦合，這種工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

（5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人

它采用一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，而兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運(yùn)動(dòng)。這種形式的工業(yè)機(jī)器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機(jī)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(jiǎn)單，動(dòng)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(dòng)方式可分為：

（1）氣動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人

這類工業(yè)機(jī)器人以壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)操作機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是空氣來(lái)源方便，動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，無(wú)污染，缺點(diǎn)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(jī)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(jī)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(dòng)工業(yè)機(jī)器人具有較大的抓舉能力，可達(dá)上千牛頓。這類工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。

（3）電動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人

這是目前用得最多的一類工業(yè)機(jī)器人，不僅因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)品種眾多，為工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了多種選擇，也因?yàn)樗鼈兛梢赃\(yùn)用多種靈活控制的方法。早期多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，后來(lái)發(fā)展了直流伺服驅(qū)動(dòng)單元，目前交流伺服驅(qū)動(dòng)單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動(dòng)單元或是直接驅(qū)動(dòng)操作機(jī)，或是通過(guò)諸如諧波減速器的裝置來(lái)減速后驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡(jiǎn)單。

二、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

1. 工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)

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

• 工業(yè)機(jī)器人有若干個(gè)關(guān)節(jié)，典型工業(yè)機(jī)器人有五六個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)伺服系統(tǒng)控制，多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)要求各個(gè)伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。

• 工業(yè)機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的手部進(jìn)行空間點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)或連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算，以及矩陣函數(shù)的逆運(yùn)算。

• 工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)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(jī)器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補(bǔ)償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。

• 較高級(jí)的工業(yè)機(jī)器人要求對(duì)環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測(cè)定和分析，采用計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫(kù)，用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動(dòng)選擇最佳控制規(guī)律。

2. 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)發(fā)基本要求：

• 實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的位置、速度、加速度等控制功能，對(duì)于連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。

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

• 具有對(duì)外部環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測(cè)和感覺(jué)功能。為使工業(yè)機(jī)器人具有對(duì)外部狀態(tài)變化的適應(yīng)能力，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)能對(duì)諸如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等有關(guān)信息進(jìn)行測(cè)量、識(shí)別、判斷、理解等功能。在自動(dòng)化生產(chǎn)線中，工業(yè)機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)的分類：

• 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)可以從不同角度分類，如控制運(yùn)動(dòng)的方式不同，可分為關(guān)節(jié)控制、笛卡爾空間運(yùn)動(dòng)控制和自適應(yīng)控制；按軌跡控制方式的不同，可分為點(diǎn)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(gè)自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)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(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過(guò)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(shí)間和條件自動(dòng)改變。

• 人工智能系統(tǒng)，事先無(wú)法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過(guò)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(shí)間和條件自動(dòng)改變。因而本系統(tǒng)是一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。