论工业机器人控制系统与结构

摘要：随着人工智能的发展，工业机器人越来越广泛的应用在各个领域，提高了劳动生产率，并且，在一些高危行业，工业机器人的使用大大减少了用人成本，本文重点对工业机器人控制系统与结构进行分析。

关键词：工业机器人；控制系统；结构；分析

工业机器人是工业技术进步的产物，它是一种智能化、自动化机器装备，能够独立制定工艺操作和指令任务，可以有效提高生产效率和水平。工业机器人在人的操纵下，可以执行预先设置好的工作程序，以实现人的操控目标。目前，在工业生产领域中，工业机器人得到了广泛应用，在汽车生产、电子信息、航空航天、生物医药等领域，都有工业机器人的影子。

1 工业机器人内部构成

工业机器人主要包括三个主要组成内容：分别是主体、驱动系统和控制系统。主体主要包括机器人的躯干，例如手、腿和身体等，因为有的机器人还有行走功能。目前，工业机器人运动自由度介于3～6个之间，例如其腿部运动自由度有1～3个；驱动系统 主要有动力系统、传动系统组成，以保证机器人有运动能力，执行运动操作；控制系统主要对机器人行为、动力系统和执行系统发出指令，引导机器人行为。

根据手臂活动方式，可以将工业机器人分为四种类型。一是直角坐標型机器人，其臂部沿直角坐标方向运动；二是圆柱坐标型急切人，其手臂可以执行反转、收缩、升降等操作；三是球坐标型机器人，其手臂可以旋转、抬升和伸缩；四是关节型机器人，其手臂可执行多种转动操作。

根据执行运动控制机能，可以将工业机器人分为点位型和连续轨迹型两种。其中点位型机器人职能执行精确的点到点定位任务，例如在生产车间搬运物料、焊接车身、包装拆卸等；连续轨迹型机器人可以根据预设轨迹执行操作任务，例如喷漆、持续装卸等。根据控制程序划分，可以将工业机器人分为两种，即有编程输入型和示教输入型。编程输入型机器人主要是根据事先设置好的程序，通过通信网络传输到机器人控制系统，进而对机器人行为进行控制。

2 工业机器人控制系统分类

程序控制系统，机器人每个自由度都对应一个控制程序，这可以保证机器人能够在既定轨道上运动。自适应控制系统，如果外部环境发生变化，为了保证预期操作目标实现或者通过总结运行经验提高控制水平，这个实现过程是对操作状态和伺服误差进行跟踪记录，以此对非线性模型参数进行调整，直到所有误差控制在可接受范围内。这种操控系统参数、功能和结构会随着环境和时间变化不断改变。人工智能系统，事前没有设置既定程序，根据操作过程中获取的环境信息灵活输入控制指令。

2.1 机器人控制系统结构类型

严格意义来讲，根据控制系统开发性大小，可以将机器人控制器分为以下三种类型：封闭型、开放型和混合型。其中，封闭型控制器很难与其他软件、硬件结合形成有机提醒；全开放控制系统采用了标准化接口和模块化结构设计，其每一个零配件都可以由不同厂家生产，在此基础上，其硬件和软件可以自由组合，形成外部传感、操控算法、人机界面等；混合型控制系统同时具有封闭和开发性特点。目前，工业机器人控制系统主要以封闭型系统和混合型系统居多。

2.2 开放式控制系统结构内涵

目前，学者们对机器人控制器开放性定义还没有形成统一意见，不同学者给出的定义存在较大差异。不管是机器人生产者还是使用者，都希望在开放式控制系统中获得更大效益。从这个角度出发，可以根据以下几个维度来对机器人控制器开发程度进行评价。为了保证机器人控制系统可维护性，对其功能进行控制，机器人控制系统必须要采用开放性、标准性和通用性的配置和平台，尽量使用专门性、定制性的控制系统。通用性开发控制系统可以减少培训成本和维护费用。

3 工业机器人控制系统主要特点

工业机器人控制系统是在传统操控技术基础上演变而来的，二者之间存在诸多共性，但是工业机器人控制系统也有其独特的特点，主要包括以下几个方面：

工业机器人身上设置了多个关节，一般有56个活动关节，每个关节对应一个伺服操控系统，不同伺服系统之间可以协同工作，以支配不同关节同时运动。

工业机器人主要通过手部空间运动或位移来执行操作任务。在运动控制过程中，主要涉及到复杂的坐标切换计算，还有矩阵函数换算等。

工业机器人控制系统依赖于多个多变量、非线性复杂数学模型，不同模型变量之间还具有耦合关系。因此，工业机器人控制技术主要包括反馈、补偿、解耦和自调节等技术。

4 结论

控制系统是工业机器人的大脑中枢，它对机器人操作功能、稳定性和智能水平具有决定性影响，同时为管理人员提供直观、便捷的操作界面支持。目前，国内机器人控制系统主要使用示教再现手段，为管理人员操控机器人提供辅助支持工具。这种操控模式存在两个缺陷：一个是通用性较差，一款操控系统只适用于少数几款机器人，系统拓展性较差；二是控制系统人际交互界面过于专业和复杂，限制了人们的操作使用。

参考文献：

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作者简介：杨乐 （1980），男，四川营山人，本科，副教授，研究方向：电气自动化、工业机器人。