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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(guān)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(dǎo)引示教兩種。3、與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。4、坐標設(shè)置功能：有關(guān)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(wù)，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(yīng)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(shè)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(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。9、輔助設(shè)備控制：用于和機器人配合的輔助設(shè)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(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。11、網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(shè)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(wù)的響應(yīng)能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復(fù)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(guān)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(wù)和控制策略，各模式之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)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(wù)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(wù)，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(shè)備構(gòu)成的，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)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(luò)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。現(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(wù)。尤其是現(xiàn)場總線，它應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)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(luò)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(shè)計的關(guān)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(fù)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(lǐng)域中經(jīng)常用到的一種控制對象，應(yīng)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(shè)備。它模擬人和手臂的部分動作，按預(yù)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(shè)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(chǔ)，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(yīng)的適應(yīng)性算法?，F(xiàn)在，第三代機械手正在一、二代機械手的基礎(chǔ)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(fù)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(xué)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(shè)定的動作，還可按照工作狀況相應(yīng)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(xué)習(xí)等）。機械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)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(lǐng)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(yù)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(shè)計制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置，軟件的設(shè)計和編制等關(guān)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(shè)備的全套自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)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(chǔ)[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(yīng)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(lǐng)軍者。目前，在全球132家“燈塔工廠”中，中國有50家。“燈塔工廠”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(wù)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(fēng)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。　　企業(yè)負責(zé)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(wù)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(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(xué)吳賢銘智能工程學(xué)院院長 陳小奇：隨著家電行業(yè)智能制造不斷升級，供應(yīng)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(luò)讓各種指令傳達到各個端點，將5G-A無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(zé)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(yīng)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。”袁占江告訴記者，與傳統(tǒng)硬線網(wǎng)絡(luò)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(luò)深入控制領(lǐng)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(luò)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(dǎo)入新車型涉及的網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)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(lǐng)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(wù)需求

在第六屆數(shù)字中國建設(shè)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?！拔铱柿耍尹c東西喝吧。”工程師通過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(yīng)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(lǐng)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(lǐng)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(yù)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(yīng)用前景可期。

工業(yè)機器人搭載殘余應(yīng)力自動測量系統(tǒng)賦能未來工業(yè)

自德國物理學(xué)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(yīng)力測定、晶體取向測定的有效方法。