工业机器人：进阶知识模块

工业机器人（Industrial Robot）技术涉及机构学、控制理论和技术、计算机、传感技术、人工智能、仿生学等诸领域，是一门多学科的综合性高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。机器人的应用情况也标志着一个国家制造业及其工业自动化的水平。

工业机器人是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；是由计算机进行控制、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。人类研制机器人的最终目标是创造一种能够综合人的动作和智能特征，延伸人的活动范围，使其具有通用性、柔性和灵活性的自动机械。工业机器人已成为FMS和CIMS等自动化制造系统中的重要设备，在实现柔性自动化生产、提高产品质量、代替人在恶劣环境条件下工作中发挥了重大作用。

一、工业机器人的组成

工业机器人由三大部分组成：机械部分、传感部分和控制部分，如图6-5所示。

图6-5　工业机器人的基本组成

1.机械部分

机械部分包括机械结构系统和驱动系统。

工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端执行器三部分组成，如图6-6所示，每一部分都有若干个自由度，构成一个多自由度的机械系统。若机身具备行走机构，便构成了行走机器人；若机身不具备行走及腰转机构，则构成的是单机器人臂（Single Robot Arm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端执行器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是两手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。

图6-6　工业机器人的机械结构

驱动系统主要是指驱动机械结构系统的装置，根据驱动源的不同可分为电动、液压、气动三种或三者结合在一起的综合系统；驱动系统可以直接与机械结构相连，也可通过皮带、链条和齿轮等与机械传动机构间接相连。

2.传感部分

传感部分包括感知系统和机器人—环境交互系统。

感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用以获取内部和外部环境的状态信息，如机械部件各部分的运行轨迹、状态、位置和速度等信息，使机械部件各部分按预定程序和工作需要进行动作。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。人类的感知系统对外部信息的获取是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感知系统更有效。

机器人—环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成一个用来执行复杂任务的功能单元。

3.控制部分

控制部分包括人—机交互系统和控制系统。

人—机交互系统是使操作人员参与机器人控制与机器人进行联系的装置，如计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板、危险信号报警器等。归纳起来为两大类：指令输入装置和信息显示装置。

控制系统是机器人系统的指挥中枢，它接收来自传感器的反馈信号，对其进行数据处理，并根据设计的程序、机器人的状态及其环境情况等，产生控制信号去驱动机器人的各个关节完成规定的运动和功能。对于技术比较简单的机器人，控制器只含有固定程序；对于技术比较先进的机器人，可采用可编程计算机或微处理器作为控制器。

二、工业机器人的特点

工业机器人的发展离不开工业自动化的需要和发展，工业机器人作业与周围环境有很强的交互作用，这点与数控机床之类的设备相比较有明显的不同。工业机器人最显著的特点有以下几个：

1.可编程

工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，是柔性制造系统（Flexible Manufacture System，FMS）中的一个重要组成部分。

2.拟人化

工业机器人在机械结构上有类似于人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有计算机。此外，智能化工业机器人还有许多类似于人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。

3.通用性

除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性，比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）即可执行不同的作业任务。

4.机电一体化(www.xing528.com)

工业机器人技术涉及的学科相当广泛，综合了机械、微电子、信息、传感等技术，是典型的机电一体化产品。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都和微电子技术、计算机技术的应用密切相关。

三、工业机器人的控制

控制系统的性能在很大程度上决定了机器人的性能，一个良好的控制系统要有灵活、方便的操作方式，以及各种形式的运动控制方式和安全可靠性。

工业机器人的控制系统一般分为上下两个控制层次：上级为组织级，其任务是将期望的任务转化成运动轨迹或适当的操作，并随时检测机器人各部分的运动及工作情况，处理意外事件；下级为实时控制级，它根据机器人动力学特性及机器人当前的运动情况，综合出适当的控制命令，驱动机器人机构完成指定的运动和操作。

图6-7所示为PUMA机器人的控制器结构框图，该系统采用了两级递阶控制结构：上级连接有显示器、键盘、示教盒、软盘驱动器等设备，还可以通过接口接入视觉传感器、高层监控计算机等；下级由六块以6503CPU为核心的单片机组成，每个单片机负责一个关节的运动控制，构成6个独立的数字伺服控制回路。在控制机器人运动时，上级做运动规划，将机器人手端的运动转化成各关节的运动，按控制周期传给下级；下级进行运动插补运算及对关节进行伺服控制。

图6-7　PUMA机器人的控制器结构

与一般的伺服控制系统相比，机器人控制系统有以下特点：

（1）机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。机器人的状态可以在各种坐标下描述，应当根据实际需要选择不同的基准坐标系，并做适当的坐标变换，因此经常要求解运动学正问题和逆问题。

（2）一个简单的机器人有3～5个自由度，比较复杂的机器人有十几个，甚至几十个自由度，一般每个自由度包含一个伺服机构。为了完成一个共同的任务，它们必须协调运动，组成一个多变量的控制系统。

（3）把多个独立的伺服系统有机地协调起来，使其按照人的意志行动，甚至赋予机器人一定的“智能”，这个任务只能由计算机来完成。因此，机器人控制系统必然是一个计算机控制系统，计算机软件担负着艰巨的任务。

（4）机器人动力学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，而且各变量之间还存在耦合。因此，在控制时经常要使用重力补偿、前馈、解耦或现代控制方法。

（5）机器人的动作可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在着一个“最优”的问题。较高级的机器人可以用人工智能的方法，用计算机建立起庞大的信息库，借助信息库进行控制、决策、管理和操作；还可以通过传感器和模式识别的方法获得对象及环境的信息，按照给定的指标要求，自动地选择最佳的控制规律。

（6）机器人还有一种特有的控制方式——示教再现控制方式。这种控制方式在工作时，可分“示教”和“再现”两个阶段。在示教阶段，可预先移动机器人的手臂，使其按照需要的姿势、顺序和路线工作，同时机器人将这些信息通过反馈回路返回记忆装置中，并存储起来。在再现阶段，控制系统便从记忆装置中依次调出示教阶段存储的信息，控制机器人动作。这种控制方式的特点是不需要特有的编程语言，机器人在示教过程中自动形成作业程序。

四、工业机器人实例——焊接机器人

工业机器人在工业生产制造中能代替人进行单调、频繁和重复的长时间作业，或是在危险、恶劣环境下的作业，如冲压、热处理、焊接、喷涂、装配等。在本部分将介绍焊接机器人。

机器人具有示教再现功能，完成一项焊接任务只需示教一次，随后即可精确地再现示教动作。如果机器人去做另一项焊接工作，则只需重新示教即可。因此，焊接机器人突破了焊接刚性自动化的传统生产方式，开拓了一种柔性自动化生产方式，使小批量产品自动化焊接生产成为可能。

焊接机器人可以稳定和提高焊接质量，保证焊接的均匀性；提高劳动生产率，一天可保证24 h连续生产；改善工人的劳动条件；降低对工人操作的技术要求；缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；可实现小批量产品的焊接自动化；能在空间站建设、核设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业；为焊接柔性生产线提供了技术基础。

在实际焊接过程中，作业条件是经常变化的，如加工与装配上的误差会造成焊缝位置和尺寸的变化，焊接过程中工件受热及散热条件的改变会造成焊道变形和熔透不均。为了克服机器人焊接工作中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，焊接机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制。

焊接机器人系统一般由以下几部分组成：机械手、变位机、控制器、焊接系统（专用焊接电源、焊枪或焊钳等）、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等。典型的焊接机器人的组成如图6-8所示。

图6-8　焊接机器人的组成

机械手是焊接机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、连杆、关节以及内部传感器（编码盘）等组成。具有六个旋转关节的关节式机器人在机构尺寸相同的情况下工作空间最大，并且能以较高的位置精度和最优的路径到达指定位置，因而在焊接领域得到了广泛的应用。

变位机的作用是将被焊工件旋转（平移）到最佳焊接位置。在焊接作业前和焊接过程中，变位机通过夹具来装卡和定位被焊工件，对工件的不同要求决定了变位机的负载能力及其运动方式。为了使机械手充分发挥效能，焊接机器人系统通常采用两台变位机，当其中一台进行焊接作业时，另一台则完成工件的装卸，从而提高整个系统的效率。

机器人控制器是整个机器人系统的神经中枢，它由计算机硬件、软件和一些专用电路组成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学及动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断及自保护软件等。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息，并控制其全部动作。

焊接系统是焊接机器人完成作业的核心装备，由焊钳（点焊机器人）或焊枪（弧焊机器人）、焊接控制器及水、电、气等辅助部分组成。焊接控制器可根据预定的焊接监控程序，完成焊接参数的输入、焊接程序的控制及焊接系统的故障自诊断，并实现与本地计算机及手控盒的通信联系。

传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。

安全设备是焊接机器人系统安全运行的重要保障，包括驱动系统过热自断电保护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护、人工急停等。