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一文（wén）搞懂工（gōng）業機器人係統
發布時間：2019-6-4
在我們心（xīn）中的（de）機器人都是被人格化後的機（jī）器人形象（xiàng）。那麽，把機器人尤其是工業機器人形象解構以後，他又會是什麽（me）樣子呢？這樣專業的問題，讓我們（men）聽聽東南大學段晉軍博士怎麽說。（以（yǐ）下部分內容摘自段博在（zài）《機器人大講堂》中的分享，我們重點介紹一下工業機器（qì）人係統）
平時不論是新聞上看到的工業（yè）機器人、雙足機器人、四足機器人還是動漫作品裏的機器人形象大部分是機器人（rén）本體，而機器人控製（zhì）係統（tǒng）則（zé）是幕後功臣，類似於人的（de）大腦，這（zhè）個控製係統往往安（ān）裝在機（jī）器人本體（tǐ）的內部或是有一個單（dān）獨的控製單元。
大家來看下麵（miàn）的一幅圖（摘（zhāi）在固高科技的官網），這幅圖（tú）描（miáo）繪了一個（gè）工業機（jī）器人係統的概貌，一個（gè）工業機器人係（xì）統包括了機器人本體、伺（sì）服電機（jī）（或者是直流電機）、減速機、驅動（dòng）器（qì）、控（kòng）製器（qì）、示教器、還有一些外圍的設備，比如攝像頭、六維力傳感器、IO模塊（kuài）、焊接部件等等。
對於一個工業機器人係統而言（yán），我們對上麵的圖進行簡化，將剛才的工業機器人係統簡化（huà），抽（chōu）取出工業機器人係（xì）統中必不可（kě）少的部分：控（kòng）製係統、機器人本體和（hé）示教（jiāo）器。
而控製係統從常規結（jié）構上可以（yǐ）分為兩部分：執行機構和控製係（xì）統。執行機構包括機器人本體、伺服電機和（hé）減速裝置；控製係統則分為控製器、伺服驅動器、示教器和拓展模（mó）塊，其中拓展模塊包括力覺模塊、視（shì）覺模塊、抓取模塊等，也就是（shì）說我們我們所看到的機器人能完成的每個動作，都（dōu）需要添加拓展模塊。
舉個例子，假如英雄聯盟中的（de）蒸汽機器人布裏（lǐ）茨缺少了抓取模塊，就不能完成機械飛爪技能中的抓取敵人（rén）功能啦。
現（xiàn）在進入重點啦，下麵來（lái）具體（tǐ）分析一下（xià）控製係統中每個部分（fèn）的功能和用途吧。
對於工業機器人（rén）係統而言，示教器是用於與用戶交（jiāo）互的設（shè）備（bèi），它能夠處（chù）理和記憶用戶賦予工業機器人的任務指令。一（yī）般情況下，它分為三種模式：示教模式、在線模式（shì）和遠程模式。示教模式用於示教機器人的動作序列，最終以（yǐ）作業的形式（shì）保存在示教盒中；在（zài）線模（mó）式是複現用戶示教的作業，此（cǐ）時需要示教器對作業進行在線（xiàn）解析，並將解析結果發送給控製器（qì）。遠程模式是（shì）指用戶（hù）可（kě）以通過一根網線或是（shì）通（tōng）過網絡的形式控製機器人動作，此時，用（yòng）戶不一定就在機（jī）器人旁邊，可以是遠程遙控。更通俗一點的理解（jiě）：示教（jiāo）器就（jiù）像遙控賽車（chē）的遙控（kòng）器，用遙控器操縱賽車和（hé）使用示教器控製工業機器人是一樣的道理，emmm，這麽一想（xiǎng）好像高大（dà）上的工業機（jī）器（qì）人（rén）也變得沒那麽神秘了。
當（dāng）然（rán）了，示教（jiāo）器的界麵風格也不盡相同，下麵是部分示教器的（de）樣子~
說完了示教器，我們來聊一聊（liáo）控製係統，控製係統是整個係（xì）統（tǒng）的指揮中心，現在市（shì）麵上控製係統有三種架構：基於IPC的總線式開放控製架構、PC+運動控製卡的分（fèn）離架構以（yǐ）及（jí）高度集成的控製架構。其中，基於IPC的總線式開放控製架構目前使（shǐ）用較多，優勢在於易於擴展（zhǎn），實時性好；PC+運動控（kòng）製卡的分離架構則稍遜，其拓展（zhǎn）性弱，係（xì）統笨重（chóng）且繁瑣；而高度集成的控製架構則主（zhǔ）要適用於小型機器人（rén）係統。控製係統的實現基本要靠一（yī）行行的代碼來實現，其內部包括了底層驅（qū）動、建（jiàn）模、運動（dòng）學、動力學、軌（guǐ）跡規劃、任務規劃等（děng）非常複雜（zá）的（de）code。
最後，我們來說說機器人本體，它就像人的胳（gē）膊或（huò）腿，它是一個執行機構，它接（jiē）收來自機器人控（kòng）製係統的指令，千萬別以為本體（tǐ）隻是個執行器，本體中的電機和減速機可都是機器人（rén）本體的核心零部件，尤其是減速機。
說了這麽多，那麽（me）工業機器人的應（yīng）用場景（jǐng）有哪些（xiē）呢？
在眾多的製造業領域中，工業機器人應用最為（wéi）廣（guǎng）泛的領域是汽車及汽車零部件製造業，並不斷向其他領域（yù）擴展，如機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、木材（cái）和家具製造業等（děng）領域中。
在工業生產中，焊接機器人、激光加（jiā）工機器人、噴塗機器人、搬運機器人（rén）、機床機（jī）器人、衝壓機器人、真空機器人等工業機器人都已被大量采用。
往往上麵呈現的形式是：用戶示（shì）教工業機器（qì）人一組固定的任務序列，若是加上視（shì）覺傳感器或力覺傳感器，工業機器人將有了視覺感知能力和觸覺感知能力。當賦予了工業機（jī）器人感知能（néng）力，工業機器人（rén）會被擴展到更為（wéi）廣闊的場合。比如人機協作（zuò），人機交互，基於視覺的物流揀選、精密裝配等，基於力覺的打磨、去毛刺（cì）、柔性裝配（pèi）等應用場（chǎng）合。
談到（dào）工業（yè）機器人應用，還想說說央視《大國重器》。2018年3月（yuè）4日，央視播出《大國重器》第（dì）七集《智造先鋒（fēng）》，作為一名機器人媒體從業者，在觀看視頻時除了驕傲很難再說出其他什麽更加適合於描述自己心（xīn）中情感的名詞。時至今日，機器人和人工智能概念（niàn）成了很多公司炒作自己產品的噱頭，市麵上亦不（bú）乏各（gè）類（lèi）網紅機器人，我們不斷在各類娛樂節目、新聞媒體（tǐ）中看到機器人（rén）的（de）出現，甚至機器人概念成為了某些團隊的炒作工具；與此同時（shí），《大國重器》則把這些和娛樂、和出格言論（lùn）等可說風馬牛（niú）不相及的工業機器人放在了大眾的視野之（zhī）中，這些冰（bīng）冷的力臂、車床、發動機可能從誕生的那（nà）一刻起到退役（yì）都是無言的，這些複雜的機械設備沒有討喜的擬人化外表，如果沒有《智造先鋒》這麽一期視頻，可能很難為大眾所知，但這也是工業機器人的一大特點：
可能沒有華麗的外表，但是足夠有用。
中（zhōng）國（guó）製（zhì）造2025中提出緊密圍繞重點製造（zào）領域關鍵環節，開展新一代信息技術與製造裝備融合（hé）的集（jí）成創新和工程應用（yòng）。支持（chí）政產學研用聯合攻關（guān），開發智能產品和自主（zhǔ）可控的智能裝置並實現產業化。依托優勢企（qǐ）業，緊（jǐn）扣關鍵工（gōng）序（xù）智能化、關鍵（jiàn）崗位機（jī）器人替代（dài）、生產過（guò）程智能優化控製、供應鏈優化，建設重點領域智能工廠/數字化（huà）車間。在基礎條件好、需求迫切的重點地區、行業和企業中，分類實施流程製造、離散製造、智能裝備和產品、新業（yè）態新模式、智能化管理、智能化服務等試點示（shì）範及應用（yòng）推廣。建立智能製造標準（zhǔn）體係和信息安全保障係統，搭建智能製造網絡係統平台；同時，組織實施大型飛機、航空（kōng）發動機及（jí）燃氣輪機、民用航天、智能綠色列車、節能與新能源汽（qì）車、海洋工程裝備及高技術船（chuán）舶、智能電網成套裝備、高檔數控機床、核電裝備、高端診療設備等一（yī）批創新和產業化專項、重大工程。這一切的宏偉（wěi）壯（zhuàng）觀的過程都離不開（kāi）工（gōng）業機器人的幫助和（hé）支持，可能在日常（cháng）生活中我們不會（huì）直觀地看到工業機器人作業，但是它們一直就在我們的（de）身邊，在你（nǐ）能想象到的任何地方發光、放熱。
延伸閱讀
簡介工業機器（qì）人的分類與（yǔ）控製係統
一、工業機器人的分類
1. 按操作機坐標形式可分為：
（1）直角坐標型工業（yè）機器人
其運動（dòng）部分由三個相（xiàng）互（hù）垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間（jiān）圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸上直接讀出，直觀性強，易於（yú）位置和（hé）姿態的編程計算，定位精度高（gāo），控製無耦合（hé），結構簡單，但機體所占空間體積大（dà），動作範圍小，靈活性差，難與其他工業機器人協調（diào）工作。
（2）圓柱坐標型工業機器人
其運動形（xíng）式是通過一個轉動和（hé）兩個移動（dòng）組成的運動係統來實現的，其工作空間（jiān）圖形為圓（yuán）柱，與直角坐標型工業機器人相比，在相同的工作空間條件下，機體所占體（tǐ）積（jī）小，而運動範圍大，其位置精度僅次於（yú）直角坐標型機器人（rén），難與其他工業機器人協調工作。
（3）球（qiú）坐標型工業機（jī）器（qì）人
又稱極坐標型工業機器人，其手臂的運動由兩個轉（zhuǎn）動和一個直線移動（即（jí）RRP,一個回轉，一個（gè）俯仰和一（yī）個伸縮（suō）運動）所組成，其工作空間為一球體，它可以（yǐ）作上下俯仰動作並能抓取地麵上或教低位置的協調工件，其位置精（jīng）度高，位置誤差與臂長成正比。
（4）多關節型工業機器人
又（yòu）稱回轉坐標型工業機器（qì）人，這種工業機器（qì）人的手臂與（yǔ）人一體（tǐ）上肢類（lèi）似，其前三（sān）個關節是回轉副（即RRR），該工業機（jī）器人一般（bān）由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關節，大臂和小臂間形成肘關節，可使大臂做回轉運（yùn）動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動。其結構最緊湊，靈活性大，占地麵積最小（xiǎo），能與其他工業機器（qì）人協調工作，但位置精度教低，有平衡問題，控製耦合，這種工業機器人應用越來越廣泛。
（5）平麵關節型工（gōng）業機器人（rén）
它采用一個移動關節（jiē）和兩個回轉關節（即PRR），移動關節實現上下運（yùn）動，而兩個回轉關節則控製（zhì）前（qián）後（hòu）、左右運（yùn）動。這種形式的工業機器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂（chuí）直方向則有教大的剛（gāng）性。它結構簡單（dān），動作靈活，多（duō）用於裝配作業（yè）中，特別適合小規格零件的插接裝配，如在電（diàn）子工業的插接（jiē）、裝配中應用廣泛。
2. 按驅動方式可分為：
（1）氣（qì）動式工業機器（qì）人
這類工業機器人以壓縮空氣來驅動操作機，其優點是空氣來源方便，動作迅速，結構簡單造價低，無汙染（rǎn），缺點是空氣具有可壓縮性，導致工作速度的穩定性較差，又因氣源壓力一般隻有6kPa左右，所（suǒ）以這類工業機器人抓舉力較（jiào）小，一般隻（zhī）有幾十牛頓，最大百餘牛頓。
（2）液壓式工業機器人
液壓壓力比氣壓壓（yā）力（lì）高得多，一般為70kPa左右（yòu），故液壓傳動工業機器人具有較大的抓舉能力，可達上千牛頓。這類工業機器人結構緊湊，傳動平穩，動作靈敏，但（dàn）對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環境下工作。
（3）電動式工業機器人
這是目前（qián）用得最多的一類工（gōng）業機器人（rén），不僅（jǐn）因為電動機品種眾（zhòng）多，為工業機器人設計提供了多種選擇，也因為它們可（kě）以運用多種靈活控製的方法。早期多采用步進電機驅動，後來發展了直流伺服驅動單（dān）元，目前（qián）交流伺服驅動單元也在迅速發展（zhǎn）。這些驅動單元或是直接驅動操作機，或是通（tōng）過（guò）諸如（rú）諧波減速器的裝（zhuāng）置來減（jiǎn）速後驅動，結構十分緊湊、簡單（dān）。
二、工業機器人控製（zhì）係統
1. 工業機器人的控製技術
是在傳統機械係統的控（kòng）製技術的基礎上發展起來的，因此兩者之間並無（wú）根本的不同但工業機器人控製係統也有許多特殊之處。
其特點如下：
（1）工業機（jī）器人有若幹個（gè）關節（jiē），典型工業機器人（rén）有五六個關節，每個關節由一個（gè）伺服（fú）係統控製，多個關節的（de）運動要求各（gè）個伺服係統協同工作。
（2）工業（yè）機器人的工作任務是要求操作（zuò）機的手部進行空（kōng）間點位運動或連續軌跡運動，對（duì）工業機（jī）器（qì）人的運動控製，需要進（jìn）行複雜的坐標變換運算，以及矩陣函數的逆（nì）運算。
（3）工業機（jī）器人的數學模型是（shì）一個多變（biàn）量、非線性和變參數的複雜模型，各變量（liàng）之間還（hái）存在著耦合，因此工業機（jī）器人的控製中經常使用前饋、補償、解耦（ǒu）和自適應等複（fù）雜控製技術（shù）。
（4）較高級的工業機器人要求對環境條件、控製指（zhǐ）令進行（háng）測定（dìng）和分析，采（cǎi）用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法（fǎ）進行（háng）控製、決策、管理和操作，按照給定的（de）要求（qiú），自動選（xuǎn）擇（zé）最佳控製規律。
2. 工業機器人的控製係統發基本要求：
（1）實現對工業（yè）機器人的位置、速度、加速（sù）度等控製功能（néng），對於連續軌跡運動的工業機器人還必須（xū）具有軌（guǐ）跡的規劃與控製功能。
（2）方便（biàn）的（de）人---機交互功能，操作人員（yuán）采用直接指令代碼對工業機器人進行作用（yòng）指示。使用工業機器人具有作業知識的記（jì）憶、修正和工作程序的跳轉功能。
（3）具有（yǒu）對（duì）外部（bù）環境（包括作業條件）的檢（jiǎn）測和感覺功能。為使（shǐ）工業機器人具有對外部狀態變化的適應能力，工業機器人應能對諸（zhū）如視覺、力覺、觸覺等有關（guān）信息進行測量、識別、判斷、理解（jiě）等功能。在自動化生產線中，工業機器人應用與其它設備交（jiāo）換信息，協（xié）調工作的能力。
3. 工業機器人控製（zhì）係統的分類：
工業機器人控製係統可以從不同角度分類，如控製運動的方式（shì）不同，可分為（wéi）關節控製、笛卡爾空間運動控製和（hé）自適應控製；按軌跡控製方式的不同，可分為點位控（kòng）製和連續軌跡控製；按速度（dù）控製方式的不同，可分為速度控製、加速度控製、力控（kòng）製。
（1）程序控製係統
給每個自由度施（shī）加一定規律的（de）控製作用，機器人就可實現要求的空間（jiān）軌跡。
（2）自適應控（kòng）製係統
當外界條件變（biàn）化時，為保證所要求的品質或為（wéi）了隨著經驗的積累而自行改善控製品質，其過程是基於操作機的狀態和伺服（fú）誤差的觀（guān）察（chá），再調整非線性模型的參數，一直到誤差消失為止。這種係統的結構和參數（shù）能隨時間和條件自動改變。
（3）人（rén）工智能係統
事先無（wú）法編製運動程序，而是要求（qiú）在運動過程中根據所獲得的周圍狀態信息，實時（shí）確定控（kòng）製作用。當外界條件變（biàn）化時，為保證所要求的品質或為了（le）隨著經驗（yàn）的積累而自（zì）行（háng）改善控製品質，其過程是基於操作機的狀態（tài）和伺服誤（wù）差的觀察，再調整非線性模型的參數，一直到誤差消失為止。這種係統的結構和參數能隨時間和條件自動改變。因而（ér）本係統是（shì）一種自適應控製係統。