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摘要：工業機器人的發展提高了我國工業自動化控制水平，也給人們的生產生活帶來了許多便利，它是21世紀一項非常重要的研究成果，隨著科學技術的發展，為其注入更多的能量顯得尤為重要，本文對機器人進行相關介紹，結合了工業機器人控制系統的功能、特點、方式以及工業機器人的應用領域闡述了這一發明成果，相信通過對其研究，工業機器人技術會有更好地發展。

關鍵詞：工業機器人；自動化控制；實踐應用

1概述

1.1機器人簡介

“機器人”的由來很早，最近幾年逐漸滲入到我們的日常生活中，成為人們喜聞樂見的話題。國際標準化組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）對工業機器人的定義是面向工業自動化領域的自動控制、可重復編程的多用途機械手[1]。機器人的分類方法有多種，按其應用可分為:工業機器人、軍用機器人、農業機器人、服務機器人、水下機器人、空間機器人和娛樂機器人[2]。其中工業機器人的發展是工業發展領域中一項突出的成就，需要我們對其進一步研究和思考。

1.2研究背景

工業是一個國家發展的根本，機器人自動化是工業發展的命脈。我國的工業機器人從20世紀80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家科技攻關項目的支持下，特別是在“863”計劃的支持下，經過十幾年的研制、生產和應用，使中國的機器人產業從無到有，跨出了一大步[3]。在工業機器人自動化發展過程中，一方面加快我國工業機器人技術的發展，另一方面提高我國工業自動化生產。因此本文以工業機器人為例，從工業機器人的分類、控制系統、控制方式以及應用領域四個方面展開介紹，探討工業機器人在自動化控制領城中的應用，推動工業機器人的進一步發展。

2工業機器人的發展

隨著科學技術的發展，我國工業機器人在技術上也有所突破，已經走上了自主研發階段。按照工業機器人的關鍵技術發展過程其可分為三代：第一代是示教再現機器人，主要包括機器人本體、運動控制器和示教盒，操作過程比較簡單。將程序編寫好存儲到示教盒，當機器人開始運動時，運動控制器將解析好的程序傳送給機器人本體指導其運動，完成操作。這類機器人通常采用點到點運動，連續軌跡再現的控制方法，可以完成直線和圓弧的連續軌跡運動，然而復雜曲線的運動則由多段圓弧和直線組合而成。由于操作的容易性、可視性強，所以在當前工業中應用最多[4]。第二代是離線編程機器人，工業機器人中的離線編程，實際上就是基于計算機圖形學構建機器人工作環境的幾何模型，充分合理利用規劃算法，有效操控圖形，在處于離線狀態時合理規劃其運動軌跡。在完成離線編程之后，進行三維圖形動畫仿真，以此校驗程序的精確度，通過檢驗，便可以將代碼傳輸給機器人控制系統，從而實現對于工業機器人的科學合理控制[5]。第三代是智能機器人，這一代機器人除了具有第一、二代機器人的特點，第三代機器人加入了各種傳感器、可以熟悉的感知外部環境，并且可以將感知到的信息自行判斷、處理分析、記憶，從而使機器人更好地適應外部環境，保證工作順利的完成。機器人可以完成一些更加復雜的操作，機器人通過傳感器的感知對環境信息進行反饋，靈活轉換工作狀態，使工作狀態與外部環境相適應，在一定程度上增加了機器人的壽命。此機器人較多應用在弧焊和搬運工作中。

3工業機器人控制部分的概括

工業機器人系統的組成包括：機械部分、傳感部分以及控制部分。其中最為重要的核心部分是控制部分。我國工廠使用的工業機器人多半采用的是關節型機械結構，機器人的每一個關節都可以獨立地操作電機，同時可以借助計算機實現對機器人的控制[6]。一個比較完整的工業機器人系統，包括傳送帶（在實際生產過程中附加的，不在機器人系統里）、外圍系統控制柜（它是協調大量機器人進行工作，保證生產過程中協調有序）、示教器（一種輸入和讀取的設備）。控制部分包括兩個系統：人-機交互系統和控制系統。

3.1人-機交互系統

人-機交互系統是指操作人員對機器人進行控制并與機器人之間取得聯系的裝置。該系統可分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。類似于我們日常所使用電腦的鍵盤（指令給定裝置）和屏幕（信息顯示裝置）。以一個簡單機器人為例，機器人系統包含示教器和控制柜，機器人主要是通過示教器和控制柜與自身取得聯系，既可以通過在示教器上進行編程，輸入一些指令，即指令給定裝置；也可以在示教器上顯示相應的信息，即信息顯示裝置。這就是人-機交互系統。

3.2控制系統

①工業機器人控制系統的結構。工業機器人的核心部件主要包括機器人本體、減速器、伺服電機、控制系統四個部分。其中主體分為手部、腕部、臂部、腰部、機座等；減速器的主要作用是精確控制機器人的動作，傳輸更大的力矩，減速器分為兩種，分別是RV減速機和諧波減速機；伺服電機主要分為步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機，是影響機器人工作性能的主要因素；工業機器人控制系統的結構包括五個部分：第一，機器人的控制與運動學、機構力學緊密相關，通過不同的坐標系中坐標的轉換完成控制動作；第二，機器人在完成特定操作過程中，需要有多自度，各自由度有一個協調伺服機構，以形成多變量控制系統；第三，伺服系統通過計算機來控制、協調,保證機器人可依據人的意志行動進而完成相關操作；第四，隨著外力與狀態的不斷變化機器人的參數也在隨之改變，因此不僅選用位置閉環；還要考慮到加速度或速度閉環；第五，在機器人操作過程中，一般會有多種途徑實現操作，因此可以通過計算機創建放大信息庫，然后信息庫實現控制決策操作，最終選擇最佳的方式進行控制。②工業機器人控制系統的功能。工業機器人自動化控制系統的功能有很多，但最突出的兩個功能別為：示教再現功能和運動控制功能。運動控制功能是指機器人通過對其末端操作的位置姿勢以及操作速度進行控制，從而實現機器人對其操作對象的控制。示教再現功能則是提前對機器人進行示范教學，這種教學方式可采取手把手教，也可以通過示教器進行操作，先將位置、速度、動作的代碼輸入到機器人控制系統，指令存儲在存儲器里，控制系統將代碼通過指令的方式傳輸給機器人操作系統，從而實現示教的再現。③工業機器人控制系統的特點。工業自動化機器人在一些人類難以完成的高危困難任務面前扮演著重要角色，一定程度上解放了人類的勞動力。機器人作為一項特殊的發明在工業領域有許多特別之處，其特點簡單概括為四個方面；第一，工業機器人系統的機械部分包括手部、腕部、臂部、腰部、機座，這就要求其設計與機構運動學緊密相聯，而工業機器人的運動是以坐標為準來實現的，因此在設計過程中應設置相應坐標；第二，通過工業機器人進行相關操作時，機器人通常具有多自由度，自由度就是指能夠保證了業機器人通過不同的組合式完成多種操作，而不僅停留在完成某一種操作。在控制系統當中，控制能力越強，需要的伺服機構就會越多，而每一個伺服機構，都會以自由度的方式表現出來，因此，在機器人當中，為了控制能力更強，一般都會具有很高的自由度[7]；第三，工業機器人之所以可以像人那樣去進行操作甚至有時比人做得還好，不是它可以聽懂人說話，而是人們將相關操作代碼通過計算機傳遞給它，表達人類的需求；第四，工業機器人在完成相關操作時，會選擇一種最佳的方式來達到最佳的效果。④工業機器人控制系統的算法。采用物理建模的方法為機器人本體進行相應的設計，相應的控制系統為機器人實現高精度的操作進行控制，控制系統的引入主要是為了改善機器人系統的特性，比如讓新的系統跟蹤性能更好，抗干擾性能更強，魯棒性能更高。而且在控制系統中有這么多算法，如模糊控制、專家控制、神經網絡控制、PID控制、自適應控制等是工業機器人運動控制系統的主要方法，為了保證機器人的動態性能更好，滿足一定的控制要求，除了以上的控制方法，目前又有一些新的控制方法出現來實現其更高的性能。在控制算法方面既要保證機器人系統具有一定的魯棒性，又要滿足參數實時變化的要求。目前，單一控制算法已經無法滿足對復雜的工業機器人運動控制，往往采用模糊控制等算法與PID控制或自適應控制相結合方法，這樣工業機器人運動控制的效果能實現多種控制方法融合的優點，具有很強的魯棒性。因此，在工業機器人運動過程控制算法研究中，采用魯棒控制方法保證機器人的抗干擾能力，結合自適應等算法對實時變化的參數進行識別與調整，在盡量降低控制算法復雜程度又保證控制算法有效性是目前主要的研究方向[8]。

4工業機器人技術的控制方式

4.1點位控制

點位控制是指對工業機器人末端執行器進行操作，通過對其位姿進行控制，各以實現讓機器人能更加精確、快速地在特定的位置完成操作。

4.2連續軌跡控制

連續軌跡控制也是對工業機器人未端執行器進行操作，不同之處是對其進行連續控制，在此過程中，可以保證機器人連續完成操作步驟，也可以有效調整操作的步驟和速度，以達到精確地完成人類需求的效果。

4.3力控制

所謂力控制，就是指工業機器人在完成操作時，所使用的用力程度。對于一些操作對象比較脆弱的情況為了避免在生產過程中受到破壞，就需要工業機器人對其進行控制力氣，因此在實際操作過程中要求高精準的確定位置，必須使用適當的力矩執行操作[9-10]。

4.4智能控制

智能控制就是利用傳感器來搜集周邊的信息，通過計算機存儲的內容對其信息進行識別來解決問題。當前，機器人控制式主要是智能控制，控制系統分析并傳輸相應的操作指令，使機器人能夠智能自動化地學習和適應環境。

5工業機器人在自動化控制領域中的應用

在汽車制造行業中，工業機器人首先得到了應用[11]。如今，隨著科學技術的不斷發展，工業機器人在自動化控制領域中的應用可謂如此廣泛，工業機器人主要是在焊接、檢測、搬運、噴漆、裝配等環節應用[12]。

5.1焊接領域

一是焊接領域，其主要應用是汽車生產中，通過利用焊接機器人，焊接車身結構和承重大梁，省去了考慮物料重量的問題，這大大減輕了人工的操作，但是在此過程中工業機器人工作者也扮演了不可或缺的角色，在焊接之前，操作者應該準備好合適的焊接工具，規劃好機器人運行過程中最合適的路程，有效地提高了焊接的的精度，也可針對點焊的結果，為下次點焊做進一步的完善。另外在進行汽車車身電弧焊接時，為了達到更好的焊接效果，電弧焊可以通過進線的方式。電弧焊和線性焊的有機結合更加提高了焊接的精度。因為機器人是通過提前設定好的程序來進行焊接的活動，可以為機器人安裝智能傳感器，避免焊接過程中出現較大的誤差，提高焊接效果。隨著科技的不斷發展，國家自動化水平的不斷提高，汽車工業進入一個全新的發展階段，國家和社會對汽車工業的發展提出了更高的要求，由此向機器人焊接的精度和效果提出了更高的要求，為汽車工業注入新的血液，提高汽車發展的技術水平成為汽車工業亟待解決的問題。

5.2裝配控制

二是裝配控制方面的應用，在此方面的應用通常要求機器人配備多個傳感器，如視覺、觸覺、聽覺、接近傳感器，機器人通過本身的各種傳感器可以精確地感知操作對象，與此同時做出更精確地判斷，避免了人工無數次嘗試，節約了工作時間。在汽車的生產過程中，機器人的裝備控制主要是依靠其自身的傳感器以及末端執行器完成操作。傳感器可以精確地感知操作對象，將感知到的信息傳遞給末端執行器，完成相應的裝備控制工作。在汽車生產制造中，機器人裝配有對安裝車的裝配、安裝輪胎的裝配、擋風玻璃的裝配等，很好地提高了汽車生產的質量和效率[13]。裝備機器人比其他工業機器人的精確度更高，更具有較高的裝備水平，它面向工作的目標是廣泛的，并且可以適應不同的環境。在近些年汽車制造業發展過程中，不難發現，自動化水平發展迅速，汽車具備許多個零件，并且好多零件體積很小，因此對汽車制造業提出了更高的要求，單純的人工裝備已無法滿足當今汽車制造業的發展，需要更多與此相匹配的機器人配合人工完成一些高難度及高強度工作，使裝備工作高效有序的進行，進而提高汽車制造業水平。

5.3材料搬運

三是材料搬運，最常見的則是碼垛、上下垛、抓取零件，這樣的方式有效替代了人工，避免人工消耗大量力氣。在汽車生產過程中，搬運機器人主要負責對汽車零件的搬運和組裝，機器人接收到相應的搬運和組裝指令，去相應的位置進行相關的操作，不僅為工人減輕了繁瑣的工作，還大大提高了搬運和組裝效率，機器人在對零件進行搬運的過程中，尤其是一些大型零件，可以依據不同零件的形態、需求設置不同的執行器，操作者只要設置好相應的指令，工業機器人在抓取零件的時候是非常精準的，不會對零件造成任何損害。

5.4檢測

四是用于檢測，在自動化控制領域檢測機器人主要負責對零件的尺寸、質量進行檢測，檢測產品生產出來是否合格，是否符合標準，以及承擔對零部件的分類工作，機器人的檢測程度遠高于人類，因此獲得廣泛地應用。在汽車生產過程中，除了完成汽車零件的搬運和組裝工作，還應在汽車生產完成后，對汽車進行質量檢測，保證在之后的實際使用過程中安全的運行。機器人檢測主要是通過檢測系統對汽車的質量進行檢測，檢測系統主要包括視覺傳感器、測量控制模板兩個板塊。檢測系統通過視覺激光測頭采集到一定的圖像信息，在計算機上生成相應的模型，將理想尺寸和實際尺寸進行對比，分析產生的誤差。這樣的檢測機器人不僅可以提高生產汽車的質量，也為之后汽車生產過程中產生的誤差問題給出了借鑒。

5.5噴涂噴漆

五是噴涂噴漆方面，機器人具有多個自由度，可以很輕松的改變自己操作的位置和方向，因此在選取多自由度的機器人進行噴涂噴漆工作后，減少了人工的工作量，提高了工作效率，工業機器人的優勢也愈發明顯。在三維的工業生產中，噴涂機器人比較常見，尤其在汽車生產過程中，對于車身的噴涂是一項既繁重又危險的工作任務，噴涂主要分為兩種類型，一種是涂膠，一種是噴漆，涂膠是為了保證車身的密封性，主要在一些密封焊接部位和減震部位做一下密封處理，具體的涂膠厚度及大小根據部位的需要做不同的調整；汽車車身的顏色、光澤度則是通過均勻、快速地對車身進行噴涂而成。用機器人代替人工可以實現對加工零件進行全方位的噴涂，工作過程比人工更加省力，時間具有靈活性，不僅提高了工作效率，也大大提高了工作的精準度。

6結束語

本篇文章通過對機器人的概念以及工業機器人在我國的發展狀況進行介紹，清楚地呈現了工業機器人在自動化生產中所扮演的重要角色，機器人的應用是評判一個國家工業化水平的標志之一。不僅如此，人們已經意識到機器人發展已經滲透到我們日常生活中，機器人除了在工業自動化領域中應用的范圍較廣之外，也已經在醫療、服務行業有所進展。任何一項技術都需要我們不斷地對其進行應用研究，在工業自動化不斷發展的背景下，技術工作人員也應跟隨科學技術的發展，為工業機器人的發展注入新的內涵。

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作者：柏慧 王春梅 單位：貴州師范大學機械與電氣工程學院