工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的實(shí)踐研究

崔 岳

（廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北廊坊 065000）

0 引言

對(duì)一個(gè)國家和民族而言，工業(yè)的重要性不言而喻，而機(jī)器人則是工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在。在自動(dòng)化控制領(lǐng)域應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robot，IRB）能夠全面促進(jìn)其發(fā)展。雖然國內(nèi)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域投入了一定的資金和力量，但是其應(yīng)用還有一定不足，不僅嚴(yán)重阻礙了相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)還在很大程度上限制了工業(yè)的發(fā)展。因此，深入研究工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的具體應(yīng)用具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展情況

與西方發(fā)達(dá)國家工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展情況相比，國內(nèi)在一些領(lǐng)域還有待提升，這需要在國家層面從教育著手，通過長(zhǎng)時(shí)間的不懈努力來縮小兩者之間的差距。深入研究發(fā)現(xiàn)，直接制約國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的因素是裝配和制造零部件，這主要是因?yàn)閲鴥?nèi)精密制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展不足，而工業(yè)機(jī)器人需要的零件比較高精密。從裝配方面來看，我國的裝配技術(shù)有待完善，與需要較高精密度的工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域有一定差距。在電氣自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，無論是生產(chǎn)過程還是其他過程等，都需要具有較高的精確度，任何閃失都將產(chǎn)生較大的誤差。

2 工業(yè)機(jī)器人的控制特點(diǎn)

與人類相比，工業(yè)機(jī)器人沒有主觀思維能力，因此他們的每一項(xiàng)動(dòng)作都必須經(jīng)由程序人員來設(shè)定，這些參數(shù)事實(shí)上就是人們生活、工作中的相應(yīng)指令。為了讓工業(yè)機(jī)器人根據(jù)人們的思想開展工作，就必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。整體上來看，工業(yè)機(jī)器人的控制特點(diǎn)主要有4 個(gè)。

（1）對(duì)工業(yè)機(jī)器人的制造而言，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)非常重要，因?yàn)樗麄兊娜魏芜\(yùn)動(dòng)都需要相應(yīng)的坐標(biāo)。為了讓機(jī)器人完成一套動(dòng)作，就必須提前設(shè)計(jì)好相應(yīng)的坐標(biāo)，然后他們會(huì)根據(jù)相應(yīng)的指令完成行動(dòng)。

（2）工業(yè)機(jī)器人的操作模式應(yīng)該多樣化和豐富化，以便于他們工作時(shí)更好的選擇，盡可能地完成指令。

（3）工業(yè)機(jī)器人沒有主觀思維能力，其動(dòng)作控制主要由計(jì)算機(jī)來完成，人們的指令以代碼的形式下達(dá)，他們主要根據(jù)代碼開展工作，實(shí)現(xiàn)人們的需求。

（4）工業(yè)機(jī)器人可以通過不同的方式完成動(dòng)作，可以人為設(shè)定工作方式，以實(shí)現(xiàn)更好的效果。

3 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 主從式控制結(jié)構(gòu)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳統(tǒng)意義上的機(jī)器人已經(jīng)很難滿足人們的實(shí)際需要，所以便出現(xiàn)了更加有效的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)為主動(dòng)式控制。如MOTORMAN 弧焊機(jī)器人，該系統(tǒng)中有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)：一臺(tái)是一級(jí)計(jì)算機(jī)，主要負(fù)責(zé)管理整個(gè)控制系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)語言的編輯和人和設(shè)備的交互，還具有一定的運(yùn)算能力，將人們?cè)O(shè)定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)變成實(shí)際的軌跡數(shù)據(jù)；另一臺(tái)為二級(jí)計(jì)算機(jī)，主要是有效控制整個(gè)過程的關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)。在實(shí)際工作中，二級(jí)計(jì)算機(jī)可以直接讀取一級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)構(gòu)，還能準(zhǔn)確地向各個(gè)內(nèi)存系統(tǒng)傳遞相應(yīng)的指令，實(shí)現(xiàn)一級(jí)指令的傳達(dá)。

在主從式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制系統(tǒng)中，通過內(nèi)存可以連接各個(gè)CPU（中央處理器），從而實(shí)現(xiàn)一次性信息交換和傳輸?shù)哪康?，但是多臺(tái)計(jì)算機(jī)耦合顯得有些松散，因此目前只能對(duì)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行耦合。

3.2 集中式控制結(jié)構(gòu)

所謂的集中式控制主要是指在工業(yè)機(jī)器人工作的時(shí)候，控制系統(tǒng)內(nèi)僅有一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)所有的活動(dòng)進(jìn)行控制。這是一種比較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，要求計(jì)算機(jī)的性能較為優(yōu)越、功能非常強(qiáng)大。在計(jì)算機(jī)技術(shù)不太成熟的時(shí)期，極大地限制了這種類型工業(yè)機(jī)器人的功能豐富性，但是比兩臺(tái)計(jì)算機(jī)成本要低很多，因此，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域集中式控制結(jié)構(gòu)更普遍，其不僅具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)在實(shí)際的工作中具有良好的表現(xiàn)。需要注意的是，從控制速度的角度來看，集中式控制模式存在一定的不足，而且具有非常復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，這種控制系統(tǒng)使用的頻率在不斷下降。

3.3 分布式控制結(jié)構(gòu)

分布式控制系統(tǒng)指的是劃分管理系統(tǒng)為兩個(gè)層級(jí)，通過主控計(jì)算機(jī)級(jí)別的有效控制，更好地控制和管理所有的系統(tǒng)，通過軌跡插補(bǔ)運(yùn)算轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。對(duì)下一層級(jí)來講，CPU 應(yīng)用得比較多，每一個(gè)處理器對(duì)應(yīng)一個(gè)控制關(guān)節(jié)。應(yīng)用分布式控制結(jié)構(gòu)能顯著提升其控制水平和效果，因此具有廣泛的應(yīng)用，也是目前在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用得最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)。

4 工業(yè)機(jī)器人類型

4.1 焊接機(jī)器人

機(jī)器人涉及的焊接領(lǐng)域非常廣泛，但是這種類型的機(jī)器人主要應(yīng)用于生產(chǎn)汽車之中。因?yàn)樯a(chǎn)汽車需要大量的焊接工作，如果這些工作全由人工完成，將會(huì)消耗大量的人力資源，但是在焊接機(jī)器人的幫助下，不僅可以提高工作效率，還能夠切實(shí)保障焊接的質(zhì)量效果。焊接機(jī)器人應(yīng)用于生產(chǎn)企業(yè)工業(yè)，對(duì)汽車生產(chǎn)的效率和汽車的質(zhì)量有較強(qiáng)的保障。當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，焊接機(jī)器人也開始在其他領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，不再局限于汽車工業(yè)之中。

4.2 裝配機(jī)器人

裝配工作其實(shí)非常繁瑣，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的要求也非常高，裝配機(jī)器人安裝有大量的傳感器設(shè)備，如視覺傳感器等，主要是因?yàn)樾枰@種機(jī)器人對(duì)操作對(duì)象能更好地感知和更精確地操作，準(zhǔn)確完成裝配式工作。其不僅保障了裝配式工作的高質(zhì)量完成，還能切實(shí)提高工作效率。因?yàn)檠b配機(jī)器人的固定化特征較強(qiáng)，不需要過多嘗試，所以能大大提高工作效率，實(shí)現(xiàn)更好的工作效果。

4.3 材料搬運(yùn)機(jī)器人

材料搬運(yùn)的工作比較辛苦，需要花費(fèi)大量的力氣，特別是搬運(yùn)的物品質(zhì)量較大時(shí)，人力無法完成的情況下，需要借助搬運(yùn)機(jī)器人來完成工作。該類型的機(jī)器人主要操作比較定向，主要是搬運(yùn)、擺放等，工作相對(duì)簡(jiǎn)單。

4.4 檢測(cè)機(jī)器人

在工業(yè)生產(chǎn)中，檢測(cè)機(jī)器人主要是對(duì)產(chǎn)品、零部件等進(jìn)行檢查，查看其是否合格。不僅可以測(cè)量零部件的尺寸，判斷其是否符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，還要稱其質(zhì)量，檢查其質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)?？傊@種類型的機(jī)器人主要是對(duì)產(chǎn)品和零部件進(jìn)行檢測(cè)，確保生產(chǎn)出的商品精準(zhǔn)性更高。不僅如此，與人工相比，檢測(cè)機(jī)器人的監(jiān)測(cè)精確度更高，失誤率幾乎為零，可以代替人類做需要較高精度的工作。

4.5 噴涂機(jī)器人

這種類型的機(jī)器人一般應(yīng)用于三維噴涂噴漆工業(yè)生產(chǎn)之中，需要的自由維度較多（至少5 個(gè)），如果采用人工噴涂，就需要不停地變換設(shè)備的位置，需要大量的變換工作，不僅增加了工作量，還會(huì)使工作效率下降。但是通過噴涂機(jī)器人就能提升工作效率、節(jié)約工作時(shí)間，而且噴涂更加均勻細(xì)膩、噴涂效果更好。

5 工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)自動(dòng)化水平的要求也在不斷提升，因此也對(duì)工業(yè)機(jī)器人提出了更高的要求。不僅要向工業(yè)機(jī)器人強(qiáng)國學(xué)習(xí)核心技術(shù)，還需要以此為基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況研制出更加符合我國國情的工業(yè)機(jī)器人。未來工業(yè)機(jī)器人將更加多元化、更加智能，應(yīng)用領(lǐng)域更多。

（1）在極端惡劣環(huán)境下工作。實(shí)際上有很多工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境比較惡劣，已經(jīng)超過了人類自身的承受極限。因此就可以借助工業(yè)機(jī)器人的力量，由工業(yè)機(jī)器人代替人類在高溫、高壓等環(huán)境下進(jìn)行工作、生產(chǎn)。

（2）應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。鑒于工業(yè)機(jī)器人的高、精、密特點(diǎn)，其可以被引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如矯正骨折的手術(shù)等。因?yàn)樵谶@種類型的手術(shù)之中，醫(yī)生難以對(duì)每一步驟精準(zhǔn)地計(jì)算，即使醫(yī)術(shù)再精湛的醫(yī)生也會(huì)有誤差，但是通過引入工業(yè)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)零誤差操作。未來醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會(huì)更加廣泛地應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。

（3）仿生工業(yè)機(jī)器人。與其他工業(yè)機(jī)器人相比，仿生工業(yè)機(jī)器人屬于高科技產(chǎn)品。例如，以往的工業(yè)機(jī)器人需要人為設(shè)定相應(yīng)的程序，但是通過將人工智能軟件植入仿生機(jī)器人，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)人思維的模擬，使活動(dòng)更加自主。

6 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人的作用越來越顯著，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。今后應(yīng)更深入地研究和探索，不斷致力于發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，讓其在自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到更好的運(yùn)用，強(qiáng)化在該領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展效果。