一文搞懂工業(yè)機器人系統

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)機器人形象解構以后，他又會(huì )是什么樣子呢？

這樣專(zhuān)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)機器人、雙足機器人、四足機器人還是動(dòng)漫作品里的機器人形象大部分是機器人本體，而機器人控制系統則是幕后功臣，類(lèi)似于人的大腦，這個(gè)控制系統往往安裝在機器人本體的內部或是有一個(gè)單獨的控制單元。

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)機器人系統的概貌，一個(gè)工業(yè)機器人系統包括了機器人本體、伺服電機（或者是直流電機）、減速機、驅動(dòng)器、控制器、示教器、還有一些外圍的設備，比如攝像頭、六維力傳感器、IO模塊、焊接部件等等。

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

而控制系統從常規結構上可以分為兩部分：執行機構和控制系統。執行機構包括機器人本體、伺服電機和減速裝置；控制系統則分為控制器、伺服驅動(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。

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

對于工業(yè)機器人系統而言，示教器是用于與用戶(hù)交互的設備，它能夠處理和記憶用戶(hù)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(xiàn)模式和遠程模式。

示教模式用于示教機器人的動(dòng)作序列，最終以作業(yè)的形式保存在示教盒中；

在線(xiàn)模式是復現用戶(hù)示教的作業(yè)，此時(shí)需要示教器對作業(yè)進(jìn)行在線(xiàn)解析，并將解析結果發(fā)送給控制器。

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

更通俗一點(diǎn)的理解：示教器就像遙控賽車(chē)的遙控器，用遙控器操縱賽車(chē)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(méi)那么神秘了。

當然了，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，控制系統是整個(gè)系統的指揮中心，現在市面上控制系統有三種架構：基于IPC的總線(xiàn)式開(kāi)放控制架構、PC+運動(dòng)控制卡的分離架構以及高度集成的控制架構。

其中，基于IPC的總線(xiàn)式開(kāi)放控制架構目前使用較多，優(yōu)勢在于易于擴展，實(shí)時(shí)性好；PC+運動(dòng)控制卡的分離架構則稍遜，其拓展性弱，系統笨重且繁瑣；而高度集成的控制架構則主要適用于小型機器人系統?？刂葡到y的實(shí)現基本要靠一行行的代碼來(lái)實(shí)現，其內部包括了底層驅動(dòng)、建模、運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規劃、任務(wù)規劃等非常復雜的code。

最后，我們來(lái)說(shuō)說(shuō)機器人本體，它就像人的胳膊或腿，它是一個(gè)執行機構，它接收來(lái)自機器人控制系統的指令，千萬(wàn)別以為本體只是個(gè)執行器，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(shuō)了這么多，那么工業(yè)機器人的應用場(chǎng)景有哪些呢？

在眾多的制造業(yè)領(lǐng)域中，工業(yè)機器人應用最為廣泛的領(lǐng)域是汽車(chē)及汽車(chē)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。

往往上面呈現的形式是：用戶(hù)示教工業(yè)機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)機器人將有了視覺(jué)感知能力和觸覺(jué)感知能力。當賦予了工業(yè)機器人感知能力，工業(yè)機器人會(huì )被擴展到更為廣闊的場(chǎng)合。比如人機協(xié)作，人機交互，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、柔性裝配等應用場(chǎng)合。

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

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)現自由搬運，廣泛應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，當這臺機器人安裝上力覺(jué)傳感器后，打磨效果和效率上成果喜人?？吹竭@打磨機器人的精細且溫柔的動(dòng)作，不禁聯(lián)想到了朱自清先生在《春》中所講：“不錯的，像母親的手撫摸著(zhù)你?！?/p>

談到工業(yè)機器人應用，還想說(shuō)說(shuō)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(guān)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(lèi)網(wǎng)紅機器人，我們不斷在各類(lèi)娛樂(lè )節目、新聞媒體中看到機器人的出現，甚至機器人概念成為了某些團隊的炒作工具；與此同時(shí)，《大國重器》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)機器人放在了大眾的視野之中，這些冰冷的力臂、車(chē)床、發(fā)動(dòng)機可能從誕生的那一刻起到退役都是無(wú)言的，這些復雜的機械設備沒(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。

中國制造2025中提出緊密?chē)@重點(diǎn)制造領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節，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(guò)程智能優(yōu)化控制、供應鏈優(yōu)化，建設重點(diǎn)領(lǐng)域智能工廠(chǎng)/數字化車(chē)間。在基礎條件好、需求迫切的重點(diǎn)地區、行業(yè)和企業(yè)中，分類(lèi)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)示范及應用推廣。建立智能制造標準體系和信息安全保障系統，搭建智能制造網(wǎng)絡(luò )系統平臺；同時(shí)，組織實(shí)施大型飛機、航空發(fā)動(dòng)機及燃氣輪機、民用航天、智能綠色列車(chē)、節能與新能源汽車(chē)、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、智能電網(wǎng)成套裝備、高檔數控機床、核電裝備、高端診療設備等一批創(chuàng )新和產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項、重大工程。這一切的宏偉壯觀(guān)的過(guò)程都離不開(kāi)工業(yè)機器人的幫助和支持，可能在日常生活中我們不會(huì )直觀(guān)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(jiǎn)介工業(yè)機器人的分類(lèi)與控制系統

一、工業(yè)機器人的分類(lèi)

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(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線(xiàn)移動(dòng)（即PPP）組成，其工作空間圖形為長(cháng)方形。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各個(gè)坐標軸上直接讀出，直觀(guān)性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，控制無(wú)耦合，結構簡(jiǎn)單，但機體所占空間體積大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調工作。

（2）圓柱坐標型工業(yè)機器人

其運動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉動(dòng)和兩個(gè)移動(dòng)組成的運動(dòng)系統來(lái)實(shí)現的，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(dòng)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)調工作。

（3）球坐標型工業(yè)機器人

又稱(chēng)極坐標型工業(yè)機器人，其手臂的運動(dòng)由兩個(gè)轉動(dòng)和一個(gè)直線(xiàn)移動(dòng)（即RRP,一個(gè)回轉，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運動(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)調工件，其位置精度高，位置誤差與臂長(cháng)成正比。

（4）多關(guān)節型工業(yè)機器人

又稱(chēng)回轉坐標型工業(yè)機器人，這種工業(yè)機器人的手臂與人一體上肢類(lèi)似，其前三個(gè)關(guān)節是回轉副（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(jiàn)形成肩關(guān)節，大臂和小臂間形成肘關(guān)節，可使大臂做回轉運動(dòng)和俯仰擺動(dòng)，小臂做仰俯擺動(dòng)。其結構最緊湊，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)機器人應用越來(lái)越廣泛。

（5）平面關(guān)節型工業(yè)機器人

它采用一個(gè)移動(dòng)關(guān)節和兩個(gè)回轉關(guān)節（即PRR），移動(dòng)關(guān)節實(shí)現上下運動(dòng)，而兩個(gè)回轉關(guān)節則控制前后、左右運動(dòng)。這種形式的工業(yè)機器人又稱(chēng)（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。它結構簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應用廣泛。

2. 按驅動(dòng)方式可分為：

（1）氣動(dòng)式工業(yè)機器人

這類(lèi)工業(yè)機器人以壓縮空氣來(lái)驅動(dòng)操作機，其優(yōu)點(diǎn)是空氣來(lái)源方便，動(dòng)作迅速，結構簡(jiǎn)單造價(jià)低，無(wú)污染，缺點(diǎn)是空氣具有可壓縮性，導致工作速度的穩定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類(lèi)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(dòng)工業(yè)機器人具有較大的抓舉能力，可達上千牛頓。這類(lèi)工業(yè)機器人結構緊湊，傳動(dòng)平穩，動(dòng)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(dòng)式工業(yè)機器人

這是目前用得最多的一類(lèi)工業(yè)機器人，不僅因為電動(dòng)機品種眾多，為工業(yè)機器人設計提供了多種選擇，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(jìn)電機驅動(dòng)，后來(lái)發(fā)展了直流伺服驅動(dòng)單元，目前交流伺服驅動(dòng)單元也在迅速發(fā)展。這些驅動(dòng)單元或是直接驅動(dòng)操作機，或是通過(guò)諸如諧波減速器的裝置來(lái)減速后驅動(dòng)，結構十分緊湊、簡(jiǎn)單。

二、工業(yè)機器人控制系統

1. 工業(yè)機器人的控制技術(shù)

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

• 工業(yè)機器人有若干個(gè)關(guān)節，典型工業(yè)機器人有五六個(gè)關(guān)節，每個(gè)關(guān)節由一個(gè)伺服系統控制，多個(gè)關(guān)節的運動(dòng)要求各個(gè)伺服系統協(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(jìn)行空間點(diǎn)位運動(dòng)或連續軌跡運動(dòng)，對工業(yè)機器人的運動(dòng)控制，需要進(jìn)行復雜的坐標變換運算，以及矩陣函數的逆運算。

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

• 較高級的工業(yè)機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進(jìn)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(jìn)行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動(dòng)選擇最佳控制規律。

2. 工業(yè)機器人的控制系統發(fā)基本要求：

• 實(shí)現對工業(yè)機器人的位置、速度、加速度等控制功能，對于連續軌跡運動(dòng)的工業(yè)機器人還必須具有軌跡的規劃與控制功能。

• 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(jìn)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功能。

• 具有對外部環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測和感覺(jué)功能。為使工業(yè)機器人具有對外部狀態(tài)變化的適應能力，工業(yè)機器人應能對諸如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等有關(guān)信息進(jìn)行測量、識別、判斷、理解等功能。在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中，工業(yè)機器人應用與其它設備交換信息，協(xié)調工作的能力。

3. 工業(yè)機器人控制系統的分類(lèi)：

• 工業(yè)機器人控制系統可以從不同角度分類(lèi)，如控制運動(dòng)的方式不同，可分為關(guān)節控制、笛卡爾空間運動(dòng)控制和自適應控制；按軌跡控制方式的不同，可分為點(diǎn)位控制和連續軌跡控制；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，給每個(gè)自由度施加一定規律的控制作用，機器人就可實(shí)現要求的空間軌跡。

• 自適應控制系統，當外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著(zhù)經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過(guò)程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀(guān)察，再調整非線(xiàn)性模型的參數，一直到誤差消失為止。這種系統的結構和參數能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變。

• 人工智能系統，事先無(wú)法編制運動(dòng)程序，而是要求在運動(dòng)過(guò)程中根據所獲得的周?chē)鸂顟B(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。當外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著(zhù)經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過(guò)程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀(guān)察，再調整非線(xiàn)性模型的參數，一直到誤差消失為止。這種系統的結構和參數能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變。因而本系統是一種自適應控制系統。