工业机器人在自动化控制中的应用研究

（益阳职业技术学院 船舶与机电系，湖南 益阳 413055）

1 工业机器人概述

工业机器人，从字面上来讲就是用于工业领域的机器人。现如今，工业机器人已经广泛应用于汽车及其零部件制造、机械加工、食品工业、木材与家具制造业等领域。工业机器人是各国先进制造业中不可或缺的重要装备与关键技术。根据相关资料显示，我国第一台工业机器人诞生于20世纪60年代。现如今，我国以新松机器人为代表的工业机器人在全球工业机器人市场上已经显露了旺盛的生命力。

2 工业机器人在自动化控制中的应用依据

在工业自动化控制领域，工业机器人的应用不仅可以大大节省人力成本，而且大大降低了因人工操作失误导致的出错率，提高了生产效率，保证了产品质量。工业机器人之所以能够应用在自动化控制领域中，主要是因为它自身具有示教再现与运动控制这两项功能。在工业机器人运作之前，操作人员将机器人的运动数据（如运动速度、所在位置等）以及动作代码输入工业机器人的控制系统。随后启动工业机器人。此时，工业机器人就会按照操作人员在其控制系统中输入的相关数据与动作代码进行一些移动、抓取、放置、喷涂、焊接等操作。

3 工业机器人在自动化控制中的应用原理

3.1 工业机器人的控制系统

尽管工业不同领域的工业机器人形态各异，但都可以大致分为主体部分、驱动系统和控制系统3部分。工业机器人拥有良好的运动能力和控制能力。它凭借灵活的机械手臂能够完成很多精细的操作。目前，全球市场上的工业机器人已经全部实现了智能化，即采用了智能控制模式。工业机器人运动控制功能的实现依赖于它自身的控制系统。一个完整的工业机器人控制系统大致包括控制计算机、示教盒、传感器接口、轴控制设备和辅助设备等。不同的设备分别管理着工业机器人的不同功能，如计算机的控制功能、示教盒的人机交互功能、传感器的环境监测功能、轴控制设备的运动速度控制功能，以及辅助设备对工业机器人相关辅助设备的调控功能。在工业机器人运行过程中，各设备密切合作，对工业机器人的整个控制系统进行流畅、准确地调度和指挥。

3.2 工业机器人的控制方式

第一种是点位控制。点位控制是一种点到点的控制，如从A点到B点，再从B点到C点。点位控制的优点是让工业机器人快速且准确地从某一点到另外一点，即实现点与点之间快速、准确地位移[1]。缺点是无法对工业机器人的位移路径进行控制。因为讲究快速与准确，所以点位控制的主要技术指标是运动（位移）速度和定位精度。PTP是工业机器人控制方式中最简单、最易实现的一种方式，它常被应用于一些只要求点对点的生产环节中，如简单、重复的上下料环节。

第二种是连续轨迹运动控制。连续轨迹运动控制强调的是工业机器人操作的连续性。从A到B，再从B到C，再从C到D。工业机器人在整个操作过程中要保持连续，不能中断。连续轨迹运动控制要实现工业机器人操作的连续性，需要操作人员在工业机器人的控制系统中设置它连续轨迹运动的相关数据，如所在位置、运动轨迹、运动速度等。需注意的是，连续轨迹运动控制的连续性，不仅仅要求工业机器人操作的不中断，还要求工业机器人的运动速度可控、运动状态平稳。鉴于此，连续轨迹运动控制的主要技术指标是运动控制系统对工业机器人运动轨迹跟踪的精确性，以及工业机器人自身运动速度的可控性和运动状态的平稳性。

第三种是力伺服控制。力伺服控制以工业机器人的力伺服控制系统为核心，以输出力（力矩）为控制变量，其执行机构是各种类型的驱动元件，如伺服阀+液压马达、伺服阀+油缸、驱动器+电马达等。工业机器人在执行一些物料搬运、分拣物品等工作时，除了要保证定位的精度之外，还要求机械手臂使用适度的力（力矩）。在这种作业环境下，工业机器人机采用的就是力伺服控制方式。力伺服控制最鲜明的特征是系统输入和反馈信号是一种力信号，而点位控制和连续轨迹运动控制的系统输入和反馈信号是一种位置信号[2]。

第四种是智能控制方式。目前，采用智能控制的工业机器人主要是通过传感器获取周围环境的信息，然后根据内部控制系统的相关指令做出相应的操作。

4 工业机器人在自动化控制中的应用趋势

在工业领域，自动化设备是提高生产效率、节省人力成本、提高生产安全系数的关键手段。同时，它也是推动工业产业结构智能化调整的重要力量。凭借优秀的示教再现功能和运动控制功能，现如今的工业机器人已经在自动化控制领域得到了广泛应用。放眼全球，纵观近年来国际市场上出现的工业机器人，自动化、智能化已成为全球工业机器人技术发展的重要趋势。可以看到，近两年来新上市的工业机器人已经具备了自我感知能力和一定的执行能力，其智能化发展方向越来越明朗。总的来看，工业机器人呈现出以下几个发展趋势。

一是感知功能更加强大。在复杂的社会生活中，人的一切活动都离不开感知，即视觉、听觉、嗅觉、触觉、知觉[3]。在这些感知的“指挥”下，人才能及时、准确地检测出自身（内部）和环境（外部）的变化，从而做出产生思想的行为。将工业机器人赋予感知功能，能够让它像人类一样对自身和环境做出准确地判断与分析，然后做出相应的操作。伴随着各种传感器与驱动集成技术、传感信息采集与融合处理技术等的发展，工业机器人的感知功能将有更大的提升。

二是智能控制快速发展。智能控制是控制理论发展的高级阶段，它主要包含3个内容：一是智能信息处理；二是智能信息反馈；三是智能控制决策[4]。目前，大多数工业机器人运动控制方式主要是点对点控制、连续轨迹运动控制和力伺服控制3种。而在未来，随着人工神经网络、智能算法、专家系统等人工智能的快速发展，智能控制也会迎来更大的发展机遇。

三是故障自我诊断与自修复功能的实现。工业机器人作业环境中仅有少数操作人员，大多数时间是处于自动化运行的状态。在正常运行状态下，如遇突然断电、被物品撞击，工业机器人可能会发生停机无法启动、错误操作等问题。为了保证生产效率，工业机器人应当具备一定的故障自我诊断与自修复功能，从而能及时、正确的应对各种突发情况。伴随着工业机器人故障自我诊断系统的研究以及相关数据库的建设，在未来，相信工业机器人都会具有故障自我诊断与自修复功能。

四是群体协调功能。若生产一件结构简单的产品，每个工业机器人各司其职，负责各自的作业即可。而在未来，随着工业产品向精密化发展的趋势，生产一件产品就需要许多工业机器人的密切协作。在这种作业环境下，要确保众多工业机器人实现完美协作，就需要工业机器人具有群体协调功能。伴随着工业机器人群体协调系统的研究，在未来，将会有更多的具有群体协调功能的工业机器人被广泛应用在一些复杂作业环境当中[5]。

五是移动功能。在一些生产环节，可移动的工业机器人能大大延伸作业距离，拓展作业半径，提高生产效率。在一些长距离搬运物料和极端作业环境下，可移动工业机器人将被广泛应用。伴随着自主移动系统的研究，以及自动导航技术、多传感器控制技术、网络交互技术等的快速发展，工业机器人的可移动功能将进一步发展[6]。

5 结语

工业机器人在自动化控制领域中的应用价值巨大。伴随着现代科学如云计算技术、大数据及时、人工智能技术等的迅速发展，工业机器人迎来了更大的发展机遇，它在自动化领域中的应用价值必将有进一步的提升。就目前来看，我国与日本、德国等工业机器人制造大国相比，依然存在很大的差距。为实现我国工业机器人的“追赶超”，还需要政府、工业机器人科研单位、高校以及相关企业的积极联动，这是一个长期且艰巨的任务。