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一文搞懂工业机器人系统
发布时间：2019-6-4
在我们心中的机器人都是被人格化后的机器人形象。那么，把机器人尤其是工业机器人形象解构以后，他又会是什么样子呢？这样专业的问题，让我们听听东南大学段晋军博士怎么说。（以下部分内容摘自段博在《机器人大讲堂》中的分享，我们重点介绍一下工业机器人系统）
平时不论是新闻上看到的工业机器人、双足机器人、四足机器人还是动漫作品里的机器人形象大部分是机器人本体，而机器人控制系统则是幕后功臣，类似于人的大脑，这个控制系统往往安装在机器人本体的内部或是有一个单独的控制单元。
大家来看下面的一幅图（摘在固高科技的官网），这幅图描绘了一个工业机器人系统的概貌，一个工业机器人系统包括了机器人本体、伺服电机（或者是直流电机）、减速机、驱动器、控制器、示教器、还有一些外围的设备，比如摄像头、六维力传感器、IO模块、焊接部件等等。
对于一个工业机器人系统而言，我们对上面的图进行简化，将刚才的工业机器人系统简化，抽取出工业机器人系统中必不可少的部分：控制系统、机器人本体和示教器。
而控制系统从常规结构上可以分为两部分：执行机构和控制系统。执行机构包括机器人本体、伺服电机和减速装置；控制系统则分为控制器、伺服驱动器、示教器和拓展模块，其中拓展模块包括力觉模块、视觉模块、抓取模块等，也就是说我们我们所看到的机器人能完成的每个动作，都需要添加拓展模块。
举个例子，假如英雄联盟中的蒸汽机器人布里茨缺少了抓取模块，就不能完成机械飞爪技能中的抓取敌人功能啦。
现在进入重点啦，下面来具体分析一下控制系统中每个部分的功能和用途吧。
对于工业机器人系统而言，示教器是用于与用户交互的设备，它能够处理和记忆用户赋予工业机器人的任务指令。一般情况下，它分为三种模式：示教模式、在线模式和远程模式。示教模式用于示教机器人的动作序列，最终以作业的形式保存在示教盒中；在线模式是复现用户示教的作业，此时需要示教器对作业进行在线解析，并将解析结果发送给控制器。远程模式是指用户可以通过一根网线或是通过网络的形式控制机器人动作，此时，用户不一定就在机器人旁边，可以是远程遥控。更通俗一点的理解：示教器就像遥控赛车的遥控器，用遥控器操纵赛车和使用示教器控制工业机器人是一样的道理，emmm，这么一想好像高大上的工业机器人也变得没那么神秘了。
当然了，示教器的界面风格也不尽相同，下面是部分示教器的样子~
说完了示教器，我们来聊一聊控制系统，控制系统是整个系统的指挥中心，现在市面上控制系统有三种架构：基于IPC的总线式开放控制架构、PC+运动控制卡的分离架构以及高度集成的控制架构。其中，基于IPC的总线式开放控制架构目前使用较多，优势在于易于扩展，实时性好；PC+运动控制卡的分离架构则稍逊，其拓展性弱，系统笨重且繁琐；而高度集成的控制架构则主要适用于小型机器人系统。控制系统的实现基本要靠一行行的代码来实现，其内部包括了底层驱动、建模、运动学、动力学、轨迹规划、任务规划等非常复杂的code。
最后，我们来说说机器人本体，它就像人的胳膊或腿，它是一个执行机构，它接收来自机器人控制系统的指令，千万别以为本体只是个执行器，本体中的电机和减速机可都是机器人本体的核心零部件，尤其是减速机。
说了这么多，那么工业机器人的应用场景有哪些呢？
在众多的制造业领域中，工业机器人应用最为广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业，并不断向其他领域扩展，如机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材和家具制造业等领域中。
在工业生产中，焊接机器人、激光加工机器人、喷涂机器人、搬运机器人、机床机器人、冲压机器人、真空机器人等工业机器人都已被大量采用。
往往上面呈现的形式是：用户示教工业机器人一组固定的任务序列，若是加上视觉传感器或力觉传感器，工业机器人将有了视觉感知能力和触觉感知能力。当赋予了工业机器人感知能力，工业机器人会被扩展到更为广阔的场合。比如人机协作，人机交互，基于视觉的物流拣选、精密装配等，基于力觉的打磨、去毛刺、柔性装配等应用场合。
谈到工业机器人应用，还想说说央视《大国重器》。2018年3月4日，央视播出《大国重器》第七集《智造先锋》，作为一名机器人媒体从业者，在观看视频时除了骄傲很难再说出其他什么更加适合于描述自己心中情感的名词。时至今日，机器人和人工智能概念成了很多公司炒作自己产品的噱头，市面上亦不乏各类网红机器人，我们不断在各类娱乐节目、新闻媒体中看到机器人的出现，甚至机器人概念成为了某些团队的炒作工具；与此同时，《大国重器》则把这些和娱乐、和出格言论等可说风马牛不相及的工业机器人放在了大众的视野之中，这些冰冷的力臂、车床、发动机可能从诞生的那一刻起到退役都是无言的，这些复杂的机械设备没有讨喜的拟人化外表，如果没有《智造先锋》这么一期视频，可能很难为大众所知，但这也是工业机器人的一大特点：
可能没有华丽的外表，但是足够有用。
中国制造2025中提出紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用。支持政产学研用联合攻关，开发智能产品和自主可控的智能装置并实现产业化。依托优势企业，紧扣关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化，建设重点领域智能工厂/数字化车间。在基础条件好、需求迫切的重点地区、行业和企业中，分类实施流程制造、离散制造、智能装备和产品、新业态新模式、智能化管理、智能化服务等试点示范及应用推广。建立智能制造标准体系和信息安全保障系统，搭建智能制造网络系统平台；同时，组织实施大型飞机、航空发动机及燃气轮机、民用航天、智能绿色列车、节能与新能源汽车、海洋工程装备及高技术船舶、智能电网成套装备、高档数控机床、核电装备、高端诊疗设备等一批创新和产业化专项、重大工程。这一切的宏伟壮观的过程都离不开工业机器人的帮助和支持，可能在日常生活中我们不会直观地看到工业机器人作业，但是它们一直就在我们的身边，在你能想象到的任何地方发光、放热。
延伸阅读
简介工业机器人的分类与控制系统
一、工业机器人的分类
1. 按操作机坐标形式可分为：
（1）直角坐标型工业机器人
其运动部分由三个相互垂直的直线移动（即PPP）组成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。
（2）圆柱坐标型工业机器人
其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其他工业机器人协调工作。
（3）球坐标型工业机器人
又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动（即RRP,一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动）所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或教低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。
（4）多关节型工业机器人
又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人一体上肢类似，其前三个关节是回转副（即RRR），该工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂见形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度教低，有平衡问题，控制耦合，这种工业机器人应用越来越广泛。
（5）平面关节型工业机器人
它采用一个移动关节和两个回转关节（即PRR），移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)装配机器人。在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有教大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业的插接、装配中应用广泛。
2. 按驱动方式可分为：
（1）气动式工业机器人
这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源压力一般只有6kPa左右，所以这类工业机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。
（2）液压式工业机器人
液压压力比气压压力高得多，一般为70kPa左右，故液压传动工业机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。
（3）电动式工业机器人
这是目前用得最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种众多，为工业机器人设计提供了多种选择，也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是直接驱动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。
二、工业机器人控制系统
1. 工业机器人的控制技术
是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来的，因此两者之间并无根本的不同但工业机器人控制系统也有许多特殊之处。
其特点如下：
（1）工业机器人有若干个关节，典型工业机器人有五六个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。
（2）工业机器人的工作任务是要求操作机的手部进行空间点位运动或连续轨迹运动，对工业机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。
（3）工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。
（4）较高级的工业机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。
2. 工业机器人的控制系统发基本要求：
（1）实现对工业机器人的位置、速度、加速度等控制功能，对于连续轨迹运动的工业机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能。
（2）方便的人---机交互功能，操作人员采用直接指令代码对工业机器人进行作用指示。使用工业机器人具有作业知识的记忆、修正和工作程序的跳转功能。
（3）具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。为使工业机器人具有对外部状态变化的适应能力，工业机器人应能对诸如视觉、力觉、触觉等有关信息进行测量、识别、判断、理解等功能。在自动化生产线中，工业机器人应用与其它设备交换信息，协调工作的能力。
3. 工业机器人控制系统的分类：
工业机器人控制系统可以从不同角度分类，如控制运动的方式不同，可分为关节控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式的不同，可分为点位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式的不同，可分为速度控制、加速度控制、力控制。
（1）程序控制系统
给每个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。
（2）自适应控制系统
当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。
（3）人工智能系统
事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。因而本系统是一种自适应控制系统。