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机器人控制系统的功能要求及主要种类

机器人控制系统的功能要求1、记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。2、示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。3、与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。4、坐标设置功能：有关节、工具、用户自定义四种坐标系。5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。8、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。机器人控制系统的主要种类控制系统的任务，是根据机器人的作业指令程序、以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成的运动和功能。 假如机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式可分为点位控制和轨迹控制。工业机器人控制系统组成1、控制计算机：控制系统的调度指挥中心机构。2、示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。3、操作面板： 由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。4、硬盘和软盘存储存：储机器人工作程序的外围存储器。5、数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。6、打印机接口：记录需要输出的各种信息。7、传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。8、轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。9、辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。10通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。11、网络接口1）Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。2）Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。机器人控制系统结构方式集中控制系统用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，在早期的机器人中常采用这种结构，其构成框图，如图所示基于PC的集中控制系统里，充分利用了PC资源开放性的特点，可以实现很好的开放性：多种控制卡，传感器设备等都可以通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。集中式控制系统的优点是：硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的控制，整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。其缺点也显而易见：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重；由于机器人的实时性要求很高，当系统进行大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；此外，系统连线复杂，会降低系统的可靠性。主从控制方式采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等：从CPU实现所有关节的动作控制。其构成框图，如图所示。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。分散控制方式按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式，其控制框图如图所示。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的，所以又称为集散控制系统或分散控制系统。这种结构中，子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的，各个子系统之间通过网络等相互通讯。分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式。两级分布式控制系统通常由上位机、下为机和网络组成。上位机可以进行不同的轨迹规划和控制算法，下位机进行插补细分、控制优化等的研究和实现。上位机和下位机通过通讯总线相互协调工作，这里的通讯总线可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB总线等形式。现在，以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的通讯服务。尤其是现场总线，它应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字通信，从而形成了新型的网络集成式全分布控制系统—现场总线控制系统。分布式控制系统的优点在于：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。

机械手的介绍

随着工业生产自动化程度的不断提高，制造系统的飞跃发展，自80年代柔性制造系统进入实用阶段以来，使机械加工的面貌发生了质的变化，随着柔性制造技术、计算机辅助技术和信息技术的发展，当今机械加工业已进入全盘自动化的时代，然而，装配技术远落于加工技术，两者已形成了明显的反差，装配工艺已称为现代化生产的薄弱环节，现代制造技术的发展已使传统的手工装配工艺面临严峻的挑战，因此，发展机械手进行装配势在必行并日趋柔性化发展，工业机械手被越来越多的应用在涂漆、包装、焊接、装配等生产环节来代替人工完成恶劣环境下的 劳动。机械手搬运机构 机械手就是能模仿任何手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和源自能等部门。 机械手主要有手部和运动机构组成，手部是用来抓持工件（或工具）的部件。根据被抓持物件的形状、尺寸、重量材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构使手部完成各种机械转动（摆动）或移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降和伸缩、旋转和独立等运动方式称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需要六个自由度。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2~3个自由度 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人来直接操作，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也称为机械手。 机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产的中、小批量自动化生产。  机械手势工业控制领域中经常用到的一种控制对象，应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化生产线路，节省成本，提高生产效率。在自动装配生产线上，机械手往往势必不可少的设备。它模拟人和手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹和要求，实现抓取、搬运和装配。在减轻人的劳动强度，提高装配质量和装配效率方面的效果是显而易见的。

国内外机械手研究概况

机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在一、二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能[3]。 目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队[4][5]。 国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础[6]。

家电业向“智造”转型升级 企业加速推动工业机器人布局

央视网消息：“灯塔工厂”是指工业4.0技术应用的实践工厂，代表着全球智能制造的水平，是行业的标杆和领军者。目前，在全球132家“灯塔工厂”中，中国有50家。“灯塔工厂”是什么样子，它又有哪些“过人之处”？　　这里是一座家电行业的“灯塔工厂”。走进车间的感觉就是一切都井然有序，200台工业机器人昼夜运行，基于5个“端到端”和4个业务场景进行运作，结合5G、工业互联网和AI技术，实现了高度智能化运转。在这里，产线的生产是按秒计算的，同时，效率被大幅提高。　　在武汉，一个空调智能制造基地里，全球首条无尘新风空调专用生产线上，智能制造元素随处可见，上百台机器人正24小时连续作业。在工厂里，记者还发现这里到处都是大大小小的显示屏，总数量达到了800多块，大约每3个工人就拥有1块屏幕。　　企业负责人说，该基地总投入超过34亿元，2023年3月底刚刚投产。如今，他们每年用于智能制造的研发投入资金都占到了全年营收的近5%。　　业内人士表示，家电企业“智造”之路，工业机器人功不可没。这里是一处生产工业机器人的工厂，原来主要为汽车企业提供产品，现在大量业务开始面向家电企业，比如这个轻载机器人，可以轻松拿捏给水杯拧螺丝的力度。　　业内人士表示，我国家电业正在通过不断增加工业机器人、智能生产线和“灯塔工厂”向“智造”转型升级。目前，在全球132座“灯塔工厂”中，中国有50座，占比约37.9%。我国50座“灯塔工厂”中，11座属于家电企业。专家表示，虽然我国家电行业已经走在智能制造前列，但仍有较大发展潜力。　　华南理工大学吴贤铭智能工程学院院长 陈小奇：随着家电行业智能制造不断升级，供应方和需求方的思路不断匹配，更多的家电企业会加速推动工业机器人布局。

给工业机器人装上“大脑”

工业控制需要一个通信网络让各种指令传达到各个端点，将5G-A无线网络应用到工业控制层，可以取代管线，实现控制总线的无线化。长城精工自动化5G-A项目负责人袁占江指着实验室屋顶上的几个白色小盒子说，“这是无线数据传输中继器，俗称5G-A基站，数据通过它进行高速无线传输，向工业机器人发出指令”。　　“目前商用5G可以实现延时20毫秒，稳定性达99.99%。将5G-A应用到产线上，可以达到大4毫秒的确定时延，稳定性可达99.999%，在高速运转的同时还可保持稳定运行。”袁占江告诉记者，与传统硬线网络技术和5G无线技术相比，5G-A具有大宽带、低延时、广连接的特性，能使连接速率、时延等能力提升10倍以上。　　除了生产过程要更高速精准，对汽车生产企业来说，产线的改造和重建也要更加简便灵活。长城精工联合几家公司共同开发了“5G超可靠低时延汽车柔性产线”。在产线上，5G-A无线网络深入控制领域，替代传统的铜线介质工业控制总线，摆脱工业控制系统中有线网络的束缚，可满足企业更多定制化需求，达到柔性化生产，同时也避免以往导入新车型涉及的网络重建改造等工程。

挖掘工业机器人产业潜力

一段时间以来，工业机器人市场蓬勃发展，市场规模创下历史新高。如何更好地提升国产工业机器人品牌竞争力、升级工业化水平，已成为经济领域一个非常重要的问题。当前，工业机器人在工业制造领域的使用，正在成为推动新型工业化的标志性技术之一。

大模型+工业机器人 满足产线特有任务需求

在第六届数字中国建设峰会上，阿里巴巴董事会主席兼执行官、阿里云智能集团执行官张勇透露，阿里云工程师正在实验将千问大模型接入工业机器人：在钉钉对话框输入一句人类语言，即可远程指挥机器人工作。阿里云当天发布的一个演示视频展现了这一实验成果。“我渴了，找点东西喝吧。”工程师通过钉钉对话框向机器人发出指令后，千问大模型立即理解了指令内容并回答：“好的，我找找有什么喝的。”随后，千问大模型在后台自动编写了一组代码发给机器人，机器人开始识别周边环境，从附近的桌上找到一瓶水，并自动完成移动、抓取、配送等一系列动作，顺利将水递送给工程师。

计算机行业专题研究：从ABB看工业机器人演化趋势

工业机器人逐步走向智能化/通用化，产业应用前景可期全球工业机器人大致经历三个发展阶段：1）技术萌芽阶段：工业机器人主要用于军事、核工业等高危领域，以示教再现型机器人为主；2）产业崛起阶段：ABB、库卡、发那科等领军企业开始崛起，工业机器人开始具备感知和处理外界信息能力；3）产业升级阶段：向通用工业场景延伸，智能化水平不断提升。据IFR 数据，2021 年全球新增工业机器人安装量为51.7万台，同比增长31.2%；据Inkwood Research 预测，2021-2028 年年全球工业机器人产值的CAGR 将达14.7%。我们认为，随着工业机器人智能化不断升级，人口供给收缩和下游需求释放驱动行业增长，产业应用前景可期。

工业机器人搭载残余应力自动测量系统赋能未来工业

自德国物理学家伦琴1895年发现X射线以来,利用X射线与物质的相互作用,诞生了多种材料分析测试手段,例如X射线衍射分析、X射线荧光分析、X射线光电子能谱分析及X射线俄歇能谱分析等。这其中,X射线衍射方法是确定物质的晶体结构、定性和定量物相分析、点阵常数精确测定、应力测定、晶体取向测定的有效方法。