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機器人控制系統(tǒng)的功能要求及主要種類

機器人控制系統(tǒng)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(chǎn)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(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)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(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)取?、故障診斷安全保護功能：運行時系統(tǒng)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(tǒng)的主要種類控制系統(tǒng)的任務，是根據(jù)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(gòu)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(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)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(tǒng)組成1、控制計算機：控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮中心機構(gòu)。2、示教盒：示教機器人的工作軌跡和參數(shù)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(xiàn)信息交互。3、操作面板： 由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡接口1）Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)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(xiàn)場總線規(guī)格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式集中控制系統(tǒng)用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其構(gòu)成框圖，如圖所示基于PC的集中控制系統(tǒng)里，充分利用了PC資源開放性的特點，可以實現(xiàn)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(tǒng)中。集中式控制系統(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)的控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好，基于PC的系統(tǒng)硬件擴展較為方便。其缺點也顯而易見：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)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(tǒng)進行大量數(shù)據(jù)計算，會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務的響應能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。主從控制方式采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、坐標變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等：從CPU實現(xiàn)所有關節(jié)的動作控制。其構(gòu)成框圖，如圖所示。主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難。分散控制方式按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)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(xiàn)高速、高精度控制，易于擴展，可實現(xiàn)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(tǒng)對其總體目標和任務可以進行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務，整個系統(tǒng)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(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)中，子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設備構(gòu)成的，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡等相互通訊。分布式控制結(jié)構(gòu)提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式。兩級分布式控制系統(tǒng)通常由上位機、下為機和網(wǎng)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(xiàn)。上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調(diào)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(xiàn)在，以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)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(xiàn)場總線，它應用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向多結(jié)點數(shù)字通信，從而形成了新型的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應時間。

機械手的介紹

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，制造系統(tǒng)的飛躍發(fā)展，自80年代柔性制造系統(tǒng)進入實用階段以來，使機械加工的面貌發(fā)生了質(zhì)的變化，隨著柔性制造技術(shù)、計算機輔助技術(shù)和信息技術(shù)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(shù)遠落于加工技術(shù)，兩者已形成了明顯的反差，裝配工藝已稱為現(xiàn)代化生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展已使傳統(tǒng)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(chǎn)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(gòu)?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(xiàn)生產(chǎn)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(gòu)組成，手部是用來抓持工件（或工具）的部件。根據(jù)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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)使手部完成各種機械轉(zhuǎn)動（擺動）或移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作,改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降和伸縮、旋轉(zhuǎn)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(shù)，自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)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(qū)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(chǎn)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(chǎn)的中、小批量自動化生產(chǎn)。??機械手勢工業(yè)控制領域中經(jīng)常用到的一種控制對象，應用PLC控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化生產(chǎn)線路，節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率。在自動裝配生產(chǎn)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(xiàn)抓取、搬運和裝配。在減輕人的勞動強度，提高裝配質(zhì)量和裝配效率方面的效果是顯而易見的。

國內(nèi)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(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)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(tǒng)，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(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機械手、微型機械手和微操作系統(tǒng)（如細小工業(yè)管道機械手移動探測系統(tǒng)、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(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)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(xiàn)實技術(shù)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(nèi)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(shù)，解決了控制驅(qū)動系統(tǒng)的設計和配置，軟件的設計和編制等關鍵技術(shù)，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(xié)調(diào)控制技術(shù)；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(shù)方面來說，我國已經(jīng)具備了獨立自主發(fā)展中國機械手技術(shù)的基礎[6]。

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

央視網(wǎng)消息：“燈塔工廠”是指工業(yè)4.0技術(shù)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(jié)合5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和AI技術(shù)，實現(xiàn)了高度智能化運轉(zhuǎn)。在這里，產(chǎn)線的生產(chǎn)是按秒計算的，同時，效率被大幅提高?！　≡谖錆h，一個空調(diào)智能制造基地里，全球首條無塵新風空調(diào)專用生產(chǎn)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(xiàn)這里到處都是大大小小的顯示屏，總數(shù)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(chǎn)。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%?！　I(yè)內(nèi)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(chǎn)工業(yè)機器人的工廠，原來主要為汽車企業(yè)提供產(chǎn)品，現(xiàn)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。　　業(yè)內(nèi)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(chǎn)線和“燈塔工廠”向“智造”轉(zhuǎn)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(jīng)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(wǎng)絡讓各種指令傳達到各個端點，將5G-A無線網(wǎng)絡應用到工業(yè)控制層，可以取代管線，實現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸中繼器，俗稱5G-A基站，數(shù)據(jù)通過它進行高速無線傳輸，向工業(yè)機器人發(fā)出指令”。　　“目前商用5G可以實現(xiàn)延時20毫秒，穩(wěn)定性達99.99%。將5G-A應用到產(chǎn)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(zhuǎn)的同時還可保持穩(wěn)定運行?！痹冀嬖V記者，與傳統(tǒng)硬線網(wǎng)絡技術(shù)和5G無線技術(shù)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?！　〕松a(chǎn)過程要更高速精準，對汽車生產(chǎn)企業(yè)來說，產(chǎn)線的改造和重建也要更加簡便靈活。長城精工聯(lián)合幾家公司共同開發(fā)了“5G超可靠低時延汽車柔性產(chǎn)線”。在產(chǎn)線上，5G-A無線網(wǎng)絡深入控制領域，替代傳統(tǒng)的銅線介質(zhì)工業(yè)控制總線，擺脫工業(yè)控制系統(tǒng)中有線網(wǎng)絡的束縛，可滿足企業(yè)更多定制化需求，達到柔性化生產(chǎn)，同時也避免以往導入新車型涉及的網(wǎng)絡重建改造等工程。

挖掘工業(yè)機器人產(chǎn)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(chǎn)工業(yè)機器人品牌競爭力、升級工業(yè)化水平，已成為經(jīng)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(shù)之一。

大模型+工業(yè)機器人 滿足產(chǎn)線特有任務需求

在第六屆數(shù)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(xiàn)了這一實驗成果?！拔铱柿?，找點東西喝吧?！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(nèi)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(chǎn)業(yè)應用前景可期全球工業(yè)機器人大致經(jīng)歷三個發(fā)展階段：1）技術(shù)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(xiàn)型機器人為主；2）產(chǎn)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(chǎn)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(jù)IFR 數(shù)據(jù)，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(jù)Inkwood Research 預測，2021-2028 年年全球工業(yè)機器人產(chǎn)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(qū)動行業(yè)增長，產(chǎn)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(tǒng)賦能未來工業(yè)

自德國物理學家倫琴1895年發(fā)現(xiàn)X射線以來,利用X射線與物質(zhì)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(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)、定性和定量物相分析、點陣常數(shù)精確測定、應力測定、晶體取向測定的有效方法。