论文综述

课程名称工业自动化专题       

题目名称工业机器人研究综述

学生学院自动

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2013年06月26日

工业机器人研究综述

摘要：介绍了工业机器人的基本组成，特别是工业机器人的核心控制器，提出了控制器要解决的可靠性准确性的问题，并给出了相关的解决方案和策略。最后还列举了一些与工业机器人相关应用的技术。

关键词：工业机器人；机器人控制器；机器人应用技术

引言

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

本文介绍了工业机器人的基本组成，特别是工业机器人的核心控制器，提出了控制器要解决的可靠性准确性的问题，并给出了相关的解决方案和策略。最后还列举了一些与工业机器人相关应用的技术。

1 工业机器人的结构组成与控制器实现

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

其中，控制器是机器人的核心。控制器使用PC技术、现场总线技术和传感器技术，实现对控制对象的控制要求。大型的控制系统都会使用嵌入式控制系统，如OS-Ⅱ的工业机器人控制系统，但也有使用DSP、PLC等实现工业机器人控制器。

1.1OS-Ⅱ的工业机器人控制器

通过SOPC Builder构造出来的NiosⅡ微处理核及外围设备作为工业机器人控制器硬件平台在其上进行嵌入式操作系统心C/OS—Ⅱ的移植构成一个基础平台，以嵌入式系统的任务设计概念改变传统设计的前后台控制方式，通过多任务划分将整个系统的任务分为多个按优先级调度任务，完成机器人不同的操作任务。从而改善了传统机器人系统软件单任务顺序机制。系统安全性、实时性都得到了显著的提高。

1.2基于DSP的工业机器人控制器的设计与实现

控制器采用了模块化的体系结构。整个硬件系统以工业PC 机作为机器人控制系统的硬件平台，通过DSP运动控制卡控制机器人各自由度的动作，较好地实现了机器人的实时控制,提高了机器人控制器的运动控制性能，并且结构简单易于实现。

2工业机器人运动的可靠性和精确性

机器人能够在很多方面帮助甚至替代人类完成复杂、危险和重复性工作，从上世纪50年代发展以来，机器人的应用价值就不断被体现，但在工业机器人一般工作在恶劣的工作环境中，需要防震，防尘、电磁的干扰，要保证工业机器人运行可靠，要采用相应的保护措施和相应的策略，使机器人高效准确的完成相应的控制。

2.1   面向工业机器人系统的三种可靠度配置策略

     工业机器人目前已被广泛应用于生产领域，为保证其安全生产和生产产品质量，工业机器人必须具有很高的可靠性，为此从设计开始，就应以可靠性作为优化设计的指标。由于工业机器人系统可靠度配置是其可靠性设计中不可或缺的一部分，因此在优化设计工业机器人时，对系统可靠度指标的分配方法的研究具有十分重要的理论和实际意义，基于此，可以采用不同系统要求背景下的工业机器人系统可靠度配置策略。如：“最小努力及比例”分配法适用于首次研制出来、已投入使用并准备进行产品生产，进一步提高其可靠度的工业机器人系统；“混联”分配法是一种简便易行的工业机器人系统可靠度分配方法，此方法适用于在无约束条件下进行研制新型工业机器人时，对其进行的系统可靠度分配，使得所研制的工业机器人具有较高的可靠性；“两级优化”分配是在有约束条件下的一种可靠度优化分配方法。这三种工业机器人配置策略的研究作为其可靠性设计中一个关键环节，不仅具有理论研究价值，同时具有重大的现实意义。

2.2  工业机器人运动轨迹优化策略

对于工业机器人的运动，往往希望它的运动轨迹最短、使用时间最短。故控制器能够进行工业机器人时间最优轨迹规划及轨迹控制。需要确保机器人在关节位移、速度、加速度以及二阶加速度边界值的约束下，机器人手部在笛卡尔空间中沿规定路径运动的时间最短。因此需要有相关的策略，如所规划的关节轨迹都采用二次多项式加余弦函数的形式，不仅可以保证各关节运动的位移、速度、加速度连续，而且还可以保证各关节运动的二阶加速度连续。采用这种方法，既可以提高机器人的工作效率又可以延长机器人的工作寿命。实验表明采用有效的运动轨迹优化策略为工业机器人在运动学约束条件下可以实现时间最优轨迹及运动距离最短，并且保证机器人运动的可靠性。

2.3  工业机器人运动学参数误差

    机器人运动学校准是一个集运动学参数误差建模、机器人末端姿态误差测量以及机器人实际参数识别于一体的过程。参数识别是测量得到的机器人末端姿态误差识别参数误差的重要环节．参数识别的精度和可信度直接影响后续的误差补偿，影响整个校准的精度。为了提高机器人运动准确性，如可以采用动误差和定位误差分离的参数误差两步线性误差识别方法．利用刚体相对转动误差识别出仅与转动相关的运动学参数误差；由已校准的参数并利用刚体距离误差识别出其余的运动学参数误差。两步识别法不但避免了测量坐标系与机器人坐标系的转换以及参数估计差的传递，而且有效解决了距离方法中存在的奇异和非线性问题，可以快速求出参数误差的线性解。

3工业机器人其它技术的应用

工业机器人面对不同的工业环境和要求所使用的应用技术多种多样。一种工作环境就可能使用到多种机器人技术，如采用视觉的应用技术，面向多台工业机器人控制的，语音识别等各方面的应用。有些特定的工作环境还会使用到一些特殊的技术，如模糊控制技术，神经网络控制技术，一些通信技术。在这里，仅介绍两种常用到的机器人技术。

3.1工业机器人系统中协作视觉系统

目前机器视觉系统正广泛地应用于视觉检测、机器人的视觉引导和自动化装配领域。视觉的场景信息反馈绝大多数是应用于目标在场景中的识别、定位和运动分析，基于视觉的目标定位可以理解为以下三种情况：机器人的自定位、实际抓取目标的定位、以及机械手和目标之间的相对定位。除了建立单个机器人的简单视觉信息反馈或单层的视觉系统反馈外，可以采用多工业机器人协作视觉系统，可以提高其协调合作性和资源的共享并充分发挥多机器人系统的整体优势。利用视觉系统反馈的信息，工业机器人可以根据当前的情况作出相应的判断，对目标对象进行有效控制。

3.2面向多台工业机器人控制生产线应用技术

为了降低成本, 同时也为了节约空间, 有时一台工业机器人需要使用两只或多只手臂在同一工位分时进行工作, 手臂可以有多台, 但控制器和其它周边设备却只有一套, 且要求机器人的工作不受影响。比如在一台机器人上使用两只手臂进行工作. 因两只手臂的结构不同所以动作时序不同, 动作参数也不同。而机器人手臂和控制器的信号线只能有一套, 所以必须使用同一套I/O信号线对两只手臂进行配置。由此，可知道面向多台工业机器人控制生产线应用技术对系统的实时性要求很高，能够协调各个控制的对象，所以可以采用可剥夺型的嵌入式系统，除此外还要有安全的统一的通信总线技术。

4总结

当前工业机器人发展越来越迅速，工厂的机械化，自动化不可避免。在现代化工业生产中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。工业机器人在生产中的广泛应用推动了机器人技术的发展，使机器人能够更加准确高效的完成各项任务。由此，产生了好多与机器人相关的控制技术，但它们的核心都是控制器，使系统能够高效可靠的运行。

参考文献：

[1].刘金汉.车身焊装生产线上多台工业机器人应用技术的研究.机器人,2002,1:第24卷第1期

[2].岁波,都东,陈强,孙振国，韩翔宇.基于双目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测.机械工程学报,2003,5:第39卷第5期

[3]. 李造.多工业机器人系统中多级协作视觉系统的设计.浙江大学硕士学位论文,2008,5

[4]. 袁池.工业机器人运动学校准的理论、方法及实验研究.上海交通大学硕士学位论文,2002,2

[5]. 谈世哲.工业机器人控制器开放性、实时性分析方法以及单处理器模式下的实现. 上海交通大学博士学位论文,2002,6 

[6].王强,纪军红,强文义,傅佩琛.基于自适应模糊逻辑和神经网络的双足机器人控制研究.高技术通讯,200l,7

[7].龚星如,沈建新,田威,廖文和,万世明,刘勇.工业机器人的绝对定位误差模型及其补偿算法.南京航空航天大学学报,2012,4:第44卷增刊

[8]. 陈伟，钟健.面向工业机器人系统的三种可靠度配置策略的研究. 光学精密工程,2002,4:第10卷第2期

[9]. 谭冠政,王越超.工业机器人时间最优轨迹规划及轨迹控制的理论与实验研究.控制理论与应用,2003,4: 第20卷第2期

[10]. 陈丹,席宁,唐旭晟,.基于事件预测的遥操作机器人系统的性能分析.华南理工大学学报,2012,9:第40卷第9期

[11]陈疆．秦现生，顾学民.IBM7535工业机器人控制器的改进.制造业自动化,2008,11

[12]王磊.OS-Ⅱ的工业机器人控制器.工业控制计算机,2007,12:第20卷第12期

[13]徐海黎,解祥荣,庄健,王孙安.工业机器人的最优时间与最优能量轨迹规划. 机械工程学报,2010,5: 第46卷第9期

[14]凌家良,施荣华,王国才.工业机器人关节空间的插值轨迹规划.惠州学院学报,2009,6: 第29卷第3期

[15]侯士杰,李成刚,陈鹏.工业机器人关节柔性特征研究.机械与电子,2013,2

[16] 王天然.工业机器人控制系统的开放体系结构.机器人，2002,5：第24卷第3期

[17]陈友东.工业机器人嵌入式控制系统的研制. 机器人技术与应用,2010,5

[18]陈友东,王田苗,魏洪.工业机器人实时高精度路径跟踪与轨迹规划.中南大学学报,2005.2: 第36卷第1期

[19]王一,刘常杰,杨学友,叶声华.工业机器人视觉测量系统的在线校准技术.机器人,2011,5: 第33卷第3期

[20]臻伟,侯辩撰,蔡鹤皋.工业机器人系统可靠度分配策略的研究.机械与电子,2000,3

[21]郭剑鹰,吕恬生,王乐天.工业机器人运动学参数误差两步识别法.上海交通大学校报，2013.11：第37卷第11期

[22] 谈世哲,梅志千,杨汝清.基于DSP的工业机器人控制器的设计与实现.机器人，2002,3: 第24 卷第2 期

[23]王庆鹏,谈大龙,陈宁.基于Internet的机器人控制中网络时延测试及分析..机器人，2001,7: 第23卷第4期

[24]朱仕学,陈伟,谢永宏.基于PLC 的工业机器人关节直流伺服系统. 深圳职业技术学院学报,2003

[25]董文辉.基于机器视觉的工业机器人抓取技术的研究

[26]于凯妍，刘景泰,卢翔,李海丰,李岩,孙雷.竞争型机器人仿真系统设计与实现

[27]陈胜军.面向工业机器人系统的可靠性预测方法研究

[28]魏振忠,张博,张广军.双机器人系统的快速手眼标定方法

[29]徐颖,张传英.用PLC快速构造工业机器人控制器

[30]王雪松,田西兰,王炜强.语音识别技术在机器人控制中的应用

[31]纪超,冯青春,袁挺,谭豫之,李伟.温室黄瓜采摘机器人系统研制及性能分析

[32]神原伸介.日本工业机器人最新发展动向.机器人,2008

[33] 张效祖.工业机器人的现状与发展趋势..WMEM,2004,10

[34] 谢中.未来两年全球工业机器人产业发展预测研究.先进制造与数据共享国际研讨会会议论文下载本文