機器人的誕生與機器人學的建立和發展是2O世紀自動控制最具有說服力的成就，也是20世紀人類科學技術進步的重大成果。近些年，機器人技術得到了前所未有的發展，其應用也從傳統的加工制造業逐漸擴展到軍事，科學探索、日常生活服務等領域。而集機械、電子、控制，計算機、傳感器、人工智能等多學科的先進技術于一體的工業機器人已經成為自動化系統的核心裝備。與一般的工業數控設備在工作環境交互方面有著明顯的區別。因此，工業機器人是現代制造業自動化的重要設備。

1 機器人的分類

　　機器人的分類并沒有統一的標準，可以按照負載重量、控制方式、自由度、結構或者應用領域來分。我國機器人專家從應用環境出發，將機器人分為兩大類，即工業機器人和特種機器人。所謂工業機器人就是面向工業領域的多自由度機器人，而特種機器人則是除工業機器人之外用于非制造業并服務于人類的各種機器人。其中工業機器人按控制方式可分為：人工操縱機器人、固定程序機器人、可變程序機器人、重演式示教機器人、CNC機器人以及智能機器人。

2 工業機器人的特點及構成

　　工業機器人作為一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產設備，一般來說，具有以下4個特點：

　　1、仿人功能 工業機器人通過各種傳感器達到自適應能力，在功能上模仿人各個部位以達到工業自動化的目的。

　　2、可編程工業機器人作為柔性制造系統的重要組成部分，可編程是適應工作環境的一種體現。

　　3、通用性工業機器人一般分為通用與專用兩類，通用工業機器人只要更換不同的末端執行器就能完成不同的工業生產任務。

　　4、良好的環境交互性智能工業機器人在無人為干預的條件下，對工作環境有自適應控制能力和自我規劃能力。工業機器人的構成分為：機械本體部分、傳感器部分和控制部分，共包含六個子系統：驅動系統、機械結構系統、感知系統、環境交互系統、人機交互系統、控制系統。

　　驅動系統就是使機器人運行起來的各個關節，形式有液壓、氣動、電動等；機械結構系統由機身．手臂、末端執行器三大件組成 感知系統由傳感器組成，實現獲取機器人內部和外部信息并反饋給控制系統的功能，交互系統能夠實現機器人與外界環境的通信，實現機器人智能工作；控制系統則是根據機器人的作業指令從傳感器獲取反饋信號，控制機器人完成規定的運動和功能。

3 工業機器人的主要技術參數

　　雖然工業機器人的種類不盡相同，但其主要技術參數應包括以下幾種：自由度，精度，工作范圍，最大工作速度和承載能力。

　　自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數目，一般不包含末端執行器的開合自由度。在三維空間中表述一個物體的位置和姿態需要6個自由度，但是，工業機器人可根據其用途而設計自身自由度，并且利用冗余的自由度增加靈活性，躲避障礙物改善動力性能。精度是指定位精度和重復定位精度。定位精度指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異，重復定位精度是指機器人重復定位手部于同一目標位置的能力。工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合。承載能力是指機器人在工作范圍內的任何位置上所能承受的最大質量。最大工作速度指工業機器人自由度上最大的穩定速度。

　　不同工業機器人其關鍵技術不同，但是，總而言之，工業機器人技術朝著智能化、模塊化和網絡化的方向發展，概括起來如下：1．開放性模塊化的控制系統體系結構2．模塊化、層次化的控制器軟件系統3．機器人的故障診斷與安全維護技術4．網絡化機器人控制器技術。

4 工業機器人的控制系統

　　工業機器人的控制主要包括：機器人動作的順序控制，應實現的路徑與位置控制；動作時間間隔以及作用于對象物上的作用控制。其作用類似于人的大腦，是工業機器人的指揮系統，控制驅動系統使執行機構按照要求工作。如果機器人不具備信息反饋特征。則該控制系統稱為開環控制系統，如果機器人具備信息反饋特征，則該控制系統稱為閉環控制系統。

　　工業機器人控制系統是以機器人的單軸或多軸運動協調為目的的控制系統，其結構要比一般自動機械復雜的多。有如下特點：

　　1．傳統的自動機械是以自身的動作為重點，而工業機器人的控制系統更著重本體與操作對象的相互聯系。無論多么高的精度控制手臂，機器人必須能夾持并操作物體到達目的位置。

　　2．工業機器入的控制與機構運動學及動力學密切相關。機器人手足的狀態可以在各種坐標下描述，且能根據需要選擇不同的基準坐標系，并做適當的坐標變換。

　　3．即便一個簡單的工業機器人，至少也有3-5個自由度。每個自由度一般包含一個伺服機構，它們必須協調起來，組成一個多變量控制系統。

　　4．描述機器人狀態和運動的數學模型是一個非線性模型，隨著狀態的不同和外力的變化，其參數也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，不僅要利用位置閉環，還要利用速度甚至加速度閉環。系統中經常使用重力補償、解耦和基于傳感信息的控制盒最優PID控制等方法。另外，工業機器人還有一種特有的控制方式— —示教再現控制方式。即是當需要工業機器人完成某作業時，可預先移動工業機器人的手臂，來示教該作業順序、位置以及其他信息，在執行時，依靠工業機器人的動作再現功能，可重復進行該作業。

　　工業機器人技術常用的控制策略有變結構控制、模糊控制 神經網絡控制、自適應控制和魯棒控制，各種控制策略的應用范圍不同，本文不作詳細闡述，讀者可參閱相關著作。

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本文標題：工業機器人及其控制系統

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