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機器人控制系統的功能要求及主要種類

機器人控制系統的功能要求1、記憶功能：存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產工藝有關的信息。2、示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導引示教兩種。3、與外圍設備聯系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網絡接口、同步接口。4、坐標設置功能：有關節(jié)、工具、用戶自定義四種坐標系。5、人機接口：示教盒、操作面板、顯示屏。6、傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。7、位置伺服功能：機器人多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償等。8、故障診斷安全保護功能：運行時系統狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷。機器人控制系統的主要種類控制系統的任務，是根據機器人的作業(yè)指令程序、以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構去完成的運動和功能。 假如機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統。根據控制原理可分為程序控制系統、適應性控制系統和人工智能控制系統。根據控制運動的形式可分為點位控制和軌跡控制。工業(yè)機器人控制系統組成1、控制計算機：控制系統的調度指揮中心機構。2、示教盒：示教機器人的工作軌跡和參數設定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現信息交互。3、操作面板： 由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構成，只完成基本功能操作。4、硬盤和軟盤存儲存：儲機器人工作程序的外圍存儲器。5、數字和模擬量輸入輸出：各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。6、打印機接口：記錄需要輸出的各種信息。7、傳感器接口：用于信息的自動檢測，實現機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。8、軸控制器：完成機器人各關節(jié)位置、速度和加速度控制。9、輔助設備控制：用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。10通信接口：實現機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。11、網絡接口1）Ethernet接口：可通過以太網實現數臺或單臺機器人的直接PC通信，數據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協議，通過Ethernet接口將數據及程序裝入各個機器人控制器中。2）Fieldbus接口：支持多種流行的現場總線規(guī)格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。機器人控制系統結構方式集中控制系統用一臺計算機實現全部控制功能，結構簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，在早期的機器人中常采用這種結構，其構成框圖，如圖所示基于PC的集中控制系統里，充分利用了PC資源開放性的特點，可以實現很好的開放性：多種控制卡，傳感器設備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口、并口集成到控制系統中。集中式控制系統的優(yōu)點是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現系統的控制，整體性與協調性較好，基于PC的系統硬件擴展較為方便。其缺點也顯而易見：系統控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現故障，其影響面廣，后果嚴重；由于機器人的實時性要求很高，當系統進行大量數據計算，會降低系統實時性，系統對多任務的響應能力也會與系統的實時性相沖突；此外，系統連線復雜，會降低系統的可靠性。主從控制方式采用主、從兩級處理器實現系統的全部控制功能。主CPU實現管理、坐標變換、軌跡生成和系統自診斷等：從CPU實現所有關節(jié)的動作控制。其構成框圖，如圖所示。主從控制方式系統實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統擴展性較差，維修困難。分散控制方式按系統的性質和方式將系統控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不同的控制任務和控制策略，各模式之間可以是主從關系，也可以是平等關系。這種方式實時性好，易于實現高速、高精度控制，易于擴展，可實現智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖所示。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統對其總體目標和任務可以進行綜合協調和分配，并通過子系統的協調工作來完成控制任務，整個系統在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以又稱為集散控制系統或分散控制系統。這種結構中，子系統是由控制器和不同被控對象或設備構成的，各個子系統之間通過網絡等相互通訊。分布式控制結構提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統。分布式系統中常采用兩級控制方式。兩級分布式控制系統通常由上位機、下為機和網絡組成。上位機可以進行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法，下位機進行插補細分、控制優(yōu)化等的研究和實現。上位機和下位機通過通訊總線相互協調工作，這里的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB總線等形式?，F在，以太網和現場總線技術的發(fā)展為機器人提供了更快速、穩(wěn)定、有效的通訊服務。尤其是現場總線，它應用于生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向多結點數字通信，從而形成了新型的網絡集成式全分布控制系統—現場總線控制系統。分布式控制系統的優(yōu)點在于：系統靈活性好，控制系統的危險性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統功能的并行執(zhí)行，提高系統的處理效率，縮短響應時間。

機械手的介紹

隨著工業(yè)生產自動化程度的不斷提高，制造系統的飛躍發(fā)展，自80年代柔性制造系統進入實用階段以來，使機械加工的面貌發(fā)生了質的變化，隨著柔性制造技術、計算機輔助技術和信息技術的發(fā)展，當今機械加工業(yè)已進入全盤自動化的時代，然而，裝配技術遠落于加工技術，兩者已形成了明顯的反差，裝配工藝已稱為現代化生產的薄弱環(huán)節(jié)，現代制造技術的發(fā)展已使傳統的手工裝配工藝面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，因此，發(fā)展機械手進行裝配勢在必行并日趨柔性化發(fā)展，工業(yè)機械手被越來越多的應用在涂漆、包裝、焊接、裝配等生產環(huán)節(jié)來代替人工完成惡劣環(huán)境下的?勞動。機械手搬運機構?機械手就是能模仿任何手臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和源自能等部門。?機械手主要有手部和運動機構組成，手部是用來抓持工件（或工具）的部件。根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構使手部完成各種機械轉動（擺動）或移動或復合運動來實現規(guī)定的動作,改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降和伸縮、旋轉和獨立等運動方式稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需要六個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數，自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2~3個自由度?機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。?機械手常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人來直接操作，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也稱為機械手。?機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產的中、小批量自動化生產。??機械手勢工業(yè)控制領域中經常用到的一種控制對象，應用PLC控制機械手實現各種規(guī)定的工序動作，可以簡化生產線路，節(jié)省成本，提高生產效率。在自動裝配生產線上，機械手往往勢必不可少的設備。它模擬人和手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡和要求，實現抓取、搬運和裝配。在減輕人的勞動強度，提高裝配質量和裝配效率方面的效果是顯而易見的。

國內外機械手研究概況

機械手自二十世紀六十年代初問世以來，經過40多年的發(fā)展，現在已經成為制造業(yè)生產自動化中重要的機電設備。目前，正式投入使用的絕大部分機械手屬于一代機械手，即程序控制機械手。這代機械手基本上采用點位控制系統，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎，但可以根據外界環(huán)境信息對控制程序進行校正。這代機械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應的適應性算法?，F在，第三代機械手正在一、二代機械手的基礎上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對象物，并具有對復雜信息進行準確處理，對自己行為做出自主決策能力的智能化機械手。它能識別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實現搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作，具有專家知識、語音功能和自學能力等人工智能[3]。?目前機械手技術有了新的發(fā)展：出現了仿人型機械手、微型機械手和微操作系統（如細小工業(yè)管道機械手移動探測系統、微型飛行器等）、機械手化機器、智能機械手（不僅可以進行事先設定的動作，還可按照工作狀況相應地進行動作，如回避障礙物的移動，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動態(tài)學習等）。機械手的應用領域正在向非制造業(yè)和服務業(yè)方向擴展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機械手也將越來越多地裝備部隊[4][5]。?國外方面：近幾年國外工業(yè)機械手領域有如下幾個發(fā)展趨勢。機械手性能不斷提高，而單機價格不斷下降；機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展；控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現實技術在機械手中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制。國內方面：目前在一些機種方面，如噴涂機械手、弧焊機械手、點焊機械手、搬運機械手、裝配機械手、特種機械手（水下、爬壁、管道、遙控等機械手）基本掌握了機械手操作機的設計制造技術，解決了控制驅動系統的設計和配置，軟件的設計和編制等關鍵技術，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設備的全套自動通信、協調控制技術；在基礎元件方面，諧波減速器、機械手焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術方面來說，我國已經具備了獨立自主發(fā)展中國機械手技術的基礎[6]。

家電業(yè)向“智造”轉型升級 企業(yè)加速推動工業(yè)機器人布局

央視網消息：“燈塔工廠”是指工業(yè)4.0技術應用的實踐工廠，代表著全球智能制造的水平，是行業(yè)的標桿和領軍者。目前，在全球132家“燈塔工廠”中，中國有50家?！盁羲S”是什么樣子，它又有哪些“過人之處”？　　這里是一座家電行業(yè)的“燈塔工廠”。走進車間的感覺就是一切都井然有序，200臺工業(yè)機器人晝夜運行，基于5個“端到端”和4個業(yè)務場景進行運作，結合5G、工業(yè)互聯網和AI技術，實現了高度智能化運轉。在這里，產線的生產是按秒計算的，同時，效率被大幅提高。　　在武漢，一個空調智能制造基地里，全球首條無塵新風空調專用生產線上，智能制造元素隨處可見，上百臺機器人正24小時連續(xù)作業(yè)。在工廠里，記者還發(fā)現這里到處都是大大小小的顯示屏，總數量達到了800多塊，大約每3個工人就擁有1塊屏幕?！　∑髽I(yè)負責人說，該基地總投入超過34億元，2023年3月底剛剛投產。如今，他們每年用于智能制造的研發(fā)投入資金都占到了全年營收的近5%。　　業(yè)內人士表示，家電企業(yè)“智造”之路，工業(yè)機器人功不可沒。這里是一處生產工業(yè)機器人的工廠，原來主要為汽車企業(yè)提供產品，現在大量業(yè)務開始面向家電企業(yè)，比如這個輕載機器人，可以輕松拿捏給水杯擰螺絲的力度?！　I(yè)內人士表示，我國家電業(yè)正在通過不斷增加工業(yè)機器人、智能生產線和“燈塔工廠”向“智造”轉型升級。目前，在全球132座“燈塔工廠”中，中國有50座，占比約37.9%。我國50座“燈塔工廠”中，11座屬于家電企業(yè)。專家表示，雖然我國家電行業(yè)已經走在智能制造前列，但仍有較大發(fā)展?jié)摿??！　∪A南理工大學吳賢銘智能工程學院院長 陳小奇：隨著家電行業(yè)智能制造不斷升級，供應方和需求方的思路不斷匹配，更多的家電企業(yè)會加速推動工業(yè)機器人布局。

給工業(yè)機器人裝上“大腦”

工業(yè)控制需要一個通信網絡讓各種指令傳達到各個端點，將5G-A無線網絡應用到工業(yè)控制層，可以取代管線，實現控制總線的無線化。長城精工自動化5G-A項目負責人袁占江指著實驗室屋頂上的幾個白色小盒子說，“這是無線數據傳輸中繼器，俗稱5G-A基站，數據通過它進行高速無線傳輸，向工業(yè)機器人發(fā)出指令”?！　　澳壳吧逃?G可以實現延時20毫秒，穩(wěn)定性達99.99%。將5G-A應用到產線上，可以達到大4毫秒的確定時延，穩(wěn)定性可達99.999%，在高速運轉的同時還可保持穩(wěn)定運行?！痹冀嬖V記者，與傳統硬線網絡技術和5G無線技術相比，5G-A具有大寬帶、低延時、廣連接的特性，能使連接速率、時延等能力提升10倍以上。　　除了生產過程要更高速精準，對汽車生產企業(yè)來說，產線的改造和重建也要更加簡便靈活。長城精工聯合幾家公司共同開發(fā)了“5G超可靠低時延汽車柔性產線”。在產線上，5G-A無線網絡深入控制領域，替代傳統的銅線介質工業(yè)控制總線，擺脫工業(yè)控制系統中有線網絡的束縛，可滿足企業(yè)更多定制化需求，達到柔性化生產，同時也避免以往導入新車型涉及的網絡重建改造等工程。

挖掘工業(yè)機器人產業(yè)潛力

一段時間以來，工業(yè)機器人市場蓬勃發(fā)展，市場規(guī)模創(chuàng)下歷史新高。如何更好地提升國產工業(yè)機器人品牌競爭力、升級工業(yè)化水平，已成為經濟領域一個非常重要的問題。當前，工業(yè)機器人在工業(yè)制造領域的使用，正在成為推動新型工業(yè)化的標志性技術之一。

大模型+工業(yè)機器人 滿足產線特有任務需求

在第六屆數字中國建設峰會上，阿里巴巴董事會主席兼執(zhí)行官、阿里云智能集團執(zhí)行官張勇透露，阿里云工程師正在實驗將千問大模型接入工業(yè)機器人：在釘釘對話框輸入一句人類語言，即可遠程指揮機器人工作。阿里云當天發(fā)布的一個演示視頻展現了這一實驗成果?！拔铱柿耍尹c東西喝吧?！惫こ處熗ㄟ^釘釘對話框向機器人發(fā)出指令后，千問大模型立即理解了指令內容并回答：“好的，我找找有什么喝的?！彪S后，千問大模型在后臺自動編寫了一組代碼發(fā)給機器人，機器人開始識別周邊環(huán)境，從附近的桌上找到一瓶水，并自動完成移動、抓取、配送等一系列動作，順利將水遞送給工程師。

計算機行業(yè)專題研究：從ABB看工業(yè)機器人演化趨勢

工業(yè)機器人逐步走向智能化/通用化，產業(yè)應用前景可期全球工業(yè)機器人大致經歷三個發(fā)展階段：1）技術萌芽階段：工業(yè)機器人主要用于軍事、核工業(yè)等高危領域，以示教再現型機器人為主；2）產業(yè)崛起階段：ABB、庫卡、發(fā)那科等領軍企業(yè)開始崛起，工業(yè)機器人開始具備感知和處理外界信息能力；3）產業(yè)升級階段：向通用工業(yè)場景延伸，智能化水平不斷提升。據IFR 數據，2021 年全球新增工業(yè)機器人安裝量為51.7萬臺，同比增長31.2%；據Inkwood Research 預測，2021-2028 年年全球工業(yè)機器人產值的CAGR 將達14.7%。我們認為，隨著工業(yè)機器人智能化不斷升級，人口供給收縮和下游需求釋放驅動行業(yè)增長，產業(yè)應用前景可期。

工業(yè)機器人搭載殘余應力自動測量系統賦能未來工業(yè)

自德國物理學家倫琴1895年發(fā)現X射線以來,利用X射線與物質的相互作用,誕生了多種材料分析測試手段,例如X射線衍射分析、X射線熒光分析、X射線光電子能譜分析及X射線俄歇能譜分析等。這其中,X射線衍射方法是確定物質的晶體結構、定性和定量物相分析、點陣常數精確測定、應力測定、晶體取向測定的有效方法。