論工業機器人控制系統與結構

摘要：隨著人工智能的發展，工業機器人越來越廣泛的應用在各個領域，提高了勞動生產率，并且，在一些高危行業，工業機器人的使用大大減少了用人成本，本文重點對工業機器人控制系統與結構進行分析。

關鍵詞：工業機器人；控制系統；結構；分析

工業機器人是工業技術進步的產物，它是一種智能化、自動化機器裝備，能夠獨立制定工藝操作和指令任務，可以有效提高生產效率和水平。工業機器人在人的操縱下，可以執行預先設置好的工作程序，以實現人的操控目標。目前，在工業生產領域中，工業機器人得到了廣泛應用，在汽車生產、電子信息、航空航天、生物醫藥等領域，都有工業機器人的影子。

1 工業機器人內部構成

工業機器人主要包括三個主要組成內容：分別是主體、驅動系統和控制系統。主體主要包括機器人的軀干，例如手、腿和身體等，因為有的機器人還有行走功能。目前，工業機器人運動自由度介于3～6個之間，例如其腿部運動自由度有1～3個；驅動系統 主要有動力系統、傳動系統組成，以保證機器人有運動能力，執行運動操作；控制系統主要對機器人行為、動力系統和執行系統發出指令，引導機器人行為。

根據手臂活動方式，可以將工業機器人分為四種類型。一是直角坐標型機器人，其臂部沿直角坐標方向運動；二是圓柱坐標型急切人，其手臂可以執行反轉、收縮、升降等操作；三是球坐標型機器人，其手臂可以旋轉、抬升和伸縮；四是關節型機器人，其手臂可執行多種轉動操作。

根據執行運動控制機能，可以將工業機器人分為點位型和連續軌跡型兩種。其中點位型機器人職能執行精確的點到點定位任務，例如在生產車間搬運物料、焊接車身、包裝拆卸等；連續軌跡型機器人可以根據預設軌跡執行操作任務，例如噴漆、持續裝卸等。根據控制程序劃分，可以將工業機器人分為兩種，即有編程輸入型和示教輸入型。編程輸入型機器人主要是根據事先設置好的程序，通過通信網絡傳輸到機器人控制系統，進而對機器人行為進行控制。

2 工業機器人控制系統分類

程序控制系統，機器人每個自由度都對應一個控制程序，這可以保證機器人能夠在既定軌道上運動。自適應控制系統，如果外部環境發生變化，為了保證預期操作目標實現或者通過總結運行經驗提高控制水平，這個實現過程是對操作狀態和伺服誤差進行跟蹤記錄，以此對非線性模型參數進行調整，直到所有誤差控制在可接受范圍內。這種操控系統參數、功能和結構會隨著環境和時間變化不斷改變。人工智能系統，事前沒有設置既定程序，根據操作過程中獲取的環境信息靈活輸入控制指令。

2.1 機器人控制系統結構類型

嚴格意義來講，根據控制系統開發性大小，可以將機器人控制器分為以下三種類型：封閉型、開放型和混合型。其中，封閉型控制器很難與其他軟件、硬件結合形成有機提醒；全開放控制系統采用了標準化接口和模塊化結構設計，其每一個零配件都可以由不同廠家生產，在此基礎上，其硬件和軟件可以自由組合，形成外部傳感、操控算法、人機界面等；混合型控制系統同時具有封閉和開發性特點。目前，工業機器人控制系統主要以封閉型系統和混合型系統居多。

2.2 開放式控制系統結構內涵

目前，學者們對機器人控制器開放性定義還沒有形成統一意見，不同學者給出的定義存在較大差異。不管是機器人生產者還是使用者，都希望在開放式控制系統中獲得更大效益。從這個角度出發，可以根據以下幾個維度來對機器人控制器開發程度進行評價。為了保證機器人控制系統可維護性，對其功能進行控制，機器人控制系統必須要采用開放性、標準性和通用性的配置和平臺，盡量使用專門性、定制性的控制系統。通用性開發控制系統可以減少培訓成本和維護費用。

3 工業機器人控制系統主要特點

工業機器人控制系統是在傳統操控技術基礎上演變而來的，二者之間存在諸多共性，但是工業機器人控制系統也有其獨特的特點，主要包括以下幾個方面：

工業機器人身上設置了多個關節，一般有56個活動關節，每個關節對應一個伺服操控系統，不同伺服系統之間可以協同工作，以支配不同關節同時運動。

工業機器人主要通過手部空間運動或位移來執行操作任務。在運動控制過程中，主要涉及到復雜的坐標切換計算，還有矩陣函數換算等。

工業機器人控制系統依賴于多個多變量、非線性復雜數學模型，不同模型變量之間還具有耦合關系。因此，工業機器人控制技術主要包括反饋、補償、解耦和自調節等技術。

4 結論

控制系統是工業機器人的大腦中樞，它對機器人操作功能、穩定性和智能水平具有決定性影響，同時為管理人員提供直觀、便捷的操作界面支持。目前，國內機器人控制系統主要使用示教再現手段，為管理人員操控機器人提供輔助支持工具。這種操控模式存在兩個缺陷：一個是通用性較差，一款操控系統只適用于少數幾款機器人，系統拓展性較差；二是控制系統人際交互界面過于專業和復雜，限制了人們的操作使用。

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作者簡介：楊樂 （1980），男，四川營山人，本科，副教授，研究方向：電氣自動化、工業機器人。