機(jī)器人的誕生與機(jī)器人學(xué)的建立和發(fā)展是20世紀(jì)自動(dòng)控制最具有說(shuō)服力的成就,也是20世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重大成果。近些年,機(jī)器人技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展,其應(yīng)用也從傳統(tǒng)的加工制造業(yè)逐漸擴(kuò)展到軍事,科學(xué)探索、日常生活服務(wù)等領(lǐng)域。而集機(jī)械、電子、控制,計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)于一體的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為自動(dòng)化系統(tǒng)的核心裝備。與一般的工業(yè)數(shù)控設(shè)備在工作環(huán)境交互方面有著明顯的區(qū)別。因此,工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化的重要設(shè)備。
1 機(jī)器人的分類
機(jī)器人的分類并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),可以按照負(fù)載重量、控制方式、自由度、結(jié)構(gòu)或者應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)分。我國(guó)機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā),將機(jī)器人分為兩大類,即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多自由度機(jī)器人,而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種機(jī)器人。其中工業(yè)機(jī)器人按控制方式可分為:人工操縱機(jī)器人、固定程序機(jī)器人、可變程序機(jī)器人、重演式示教機(jī)器人、CNC機(jī)器人以及智能機(jī)器人。
2 工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)及構(gòu)成
工業(yè)機(jī)器人作為一種仿人操作,自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備,一般來(lái)說(shuō),具有以下4個(gè)特點(diǎn):
1、仿人功能 工業(yè)機(jī)器人通過(guò)各種傳感器達(dá)到自適應(yīng)能力,在功能上模仿人各個(gè)部位以達(dá)到工業(yè)自動(dòng)化的目的。
2、可編程工業(yè)機(jī)器人作為柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分,可編程是適應(yīng)工作環(huán)境的一種體現(xiàn)。
3、通用性工業(yè)機(jī)器人一般分為通用與專用兩類,通用工業(yè)機(jī)器人只要更換不同的末端執(zhí)行器就能完成不同的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。
4、良好的環(huán)境交互性智能工業(yè)機(jī)器人在無(wú)人為干預(yù)的條件下,對(duì)工作環(huán)境有自適應(yīng)控制能力和自我規(guī)劃能力。工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成分為:機(jī)械本體部分、傳感器部分和控制部分,共包含六個(gè)子系統(tǒng):驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是使機(jī)器人運(yùn)行起來(lái)的各個(gè)關(guān)節(jié),形式有液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)等;機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)身.手臂、末端執(zhí)行器三大件組成 感知系統(tǒng)由傳感器組成,實(shí)現(xiàn)獲取機(jī)器人內(nèi)部和外部信息并反饋給控制系統(tǒng)的功能,交互系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人與外界環(huán)境的通信,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能工作;控制系統(tǒng)則是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令從傳感器獲取反饋信號(hào),控制機(jī)器人完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。
3 工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)
雖然工業(yè)機(jī)器人的種類不盡相同,但其主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)包括以下幾種:自由度,精度,工作范圍,最大工作速度和承載能力。
自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目,一般不包含末端執(zhí)行器的開(kāi)合自由度。在三維空間中表述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)需要6個(gè)自由度,但是,工業(yè)機(jī)器人可根據(jù)其用途而設(shè)計(jì)自身自由度,并且利用冗余的自由度增加靈活性,躲避障礙物改善動(dòng)力性能。精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異,重復(fù)定位精度是指機(jī)器人重復(fù)定位手部于同一目標(biāo)位置的能力。工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合。承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位置上所能承受的最大質(zhì)量。最大工作速度指工業(yè)機(jī)器人自由度上最大的穩(wěn)定速度。
不同工業(yè)機(jī)器人其關(guān)鍵技術(shù)不同,但是,總而言之,工業(yè)機(jī)器人技術(shù)朝著智能化、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展,概括起來(lái)如下:1.開(kāi)放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2.模塊化、層次化的控制器軟件系統(tǒng)3.機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)4.網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人控制器技術(shù)。
4 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)
工業(yè)機(jī)器人的控制主要包括:機(jī)器人動(dòng)作的順序控制,應(yīng)實(shí)現(xiàn)的路徑與位置控制;動(dòng)作時(shí)間間隔以及作用于對(duì)象物上的作用控制。其作用類似于人的大腦,是工業(yè)機(jī)器人的指揮系統(tǒng),控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照要求工作。如果機(jī)器人不具備信息反饋特征。則該控制系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),如果機(jī)器人具備信息反饋特征,則該控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。
工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)是以機(jī)器人的單軸或多軸運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)為目的的控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)要比一般自動(dòng)機(jī)械復(fù)雜的多。有如下特點(diǎn):
1.傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)械是以自身的動(dòng)作為重點(diǎn),而工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對(duì)象的相互聯(lián)系。無(wú)論多么高的精度控制手臂,機(jī)器人必須能夾持并操作物體到達(dá)目的位置。
2.工業(yè)機(jī)器入的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。機(jī)器人手足的狀態(tài)可以在各種坐標(biāo)下描述,且能根據(jù)需要選擇不同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系,并做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。
3.即便一個(gè)簡(jiǎn)單的工業(yè)機(jī)器人,至少也有3-5個(gè)自由度。每個(gè)自由度一般包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu),它們必須協(xié)調(diào)起來(lái),組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。
4.描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性模型,隨著狀態(tài)的不同和外力的變化,其參數(shù)也在變化,各變量之間還存在耦合。因此,不僅要利用位置閉環(huán),還要利用速度甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中經(jīng)常使用重力補(bǔ)償、解耦和基于傳感信息的控制盒最優(yōu)PID控制等方法。另外,工業(yè)機(jī)器人還有一種特有的控制方式— —示教再現(xiàn)控制方式。即是當(dāng)需要工業(yè)機(jī)器人完成某作業(yè)時(shí),可預(yù)先移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的手臂,來(lái)示教該作業(yè)順序、位置以及其他信息,在執(zhí)行時(shí),依靠工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作再現(xiàn)功能,可重復(fù)進(jìn)行該作業(yè)。
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)常用的控制策略有變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制,各種控制策略的應(yīng)用范圍不同,本文不作詳細(xì)闡述,讀者可參閱相關(guān)著作。
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本文標(biāo)題:典型工業(yè)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)
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