1、重庆大学本科学生毕业设计 (论文 )附件 C1 附件 C：译文 从工业的角度看 机器人控制发展的 现状 和 前景 Torgny Brogardh ABB机器人、 SE-721stera 68 Va 瑞典 2006年 10月 5日 投稿 2007年 1月 14日 发表 2007 年 5 月 4 日 网上刊登 摘要： 对于机器人制造商 来说机器人控制 技术 是一 项 核心竞争力。 为了 改善机器人性能 、减小机器人成本和开发新的功能，机器人制造商做了大量的研发工作 。 当今，在这一发展领域 最引人注目 的 是多机器人控制、安全控制、力控制 、 三维视觉 、 远程控制机器人的监督和无 线通信 等。
2、目前人们正在研讨受益于 这些研发的 技术 应用 和 机器人制造商 所面临的技术挑战。 现阶段， 基于模型 的 控制是 工业机器人 控制的 关键技术 。尽管 成本压力 致使 机器人机械 结构 更 加 难以控制 ，为了 满足 更高的性能要求 ， 控制模型和控制计划还是越来越精确 。 可以 从某些领域找到 机器人 未来发展的驱动力 。这些领域包括 汽车行业新的机器人 技术 ，特别是 在中小型企业 、 食品工业 、 铸造厂 等的最后组装 以 及 大 型 结构 的 加工和装配 领域 。 在这里本文提出了 未来机器人控制发展的一些情况 。一种情况是，轻型机器人的概念可能对未来汽车制造和 中小型企业（ SM
3、E）的 自动化 产生 影响。这样的发展可能导致模块化机器人 和 在机器人臂结构上 使用传感器的 控制 方案的诞生。上面提到的这种 传感器也可以 用于 冗余 安全控制的实现。高度模块化机器人 的 引进 将增加机器人 对 安装支持 的 需 求 ， 这样就 使得即插即用功能 变得 更为重要 。 获得高度模块化机器人的一种途径是利用近年来发展起来的一种新型的并行结构机器人结构。相对于机器人底座来说并行机器人 结构有很大的工作空间 。为进一步有效地使用机器人 ,自适应机器人 方案就被提了出来， 这意味着机器人 在 执行 不同的程序是所产生的热应力和疲劳应力分别得到了控制优化 。 上述陈述 的主要结论是
4、:工业机器人的发展是 在 远离它的 限制 , 需要 大量的研究和开发 来获得一个 工业机器人自动化 更广泛应用 。 #2007爱思唯尔有限公司保留所有权利。 关键词 :工业机器人 ,机器人控制 ;控制功能 ;控制应用 指导教师评定成绩 (五级制 )： 指导教师 签字： 附件 C：译文 C2 1、 简介 工业机器人发展的特点是一个大范围的多学科技术的融合 。 这些技术很多都不是 特定面向 机器人 的 ，可以 通过 其他 更广泛的 产品领域 得到 发展。然而，机器人控制，尤其是机器人运动控制， 对不同 的机器人产品 相差很大 ， 同时 构成了对工业机器人的发展最重要的关键能力之一。 通过应用和发展
5、先进的控制技术 ,就有可能不断提高机器人的性能 ,这对于 工 业机器人自动化 性能的提高和成本的降低是很有必要的。 应该强调的是， 汽车产业包括他们的供应链 是 今天主导 客户 forindustrial机器人（联合国欧洲经济委员会， 2004）。 这意味着出自这种类型的制造系统的要求很大程度上驱动着机器人的发展 。所以 ,现在的大多数机器人 ,都适应在非常激烈的竞争环境下高容量柔性生产的成本敏感性。 对机器人制造商 来说，对 成本、效率、高可靠性和高生产率的基本要求有必要做出很大的努力 。 而且 ,有必要使机器人控制 与 工厂自动化系统 的诸如 应用协议 、 通讯系统 、 I / O接口 、
6、 PLC设备 、 用户界面 、 工艺设备等 相适应，以达到 不同机器人产品之间的最佳利用和最短的切换时间 。 (RIA及美国国家标准与技术研究院 ,2000年 )。 世界汽车工业 ,将是上述陈述观点的 腾飞点，完 全机器人自动化通常出现在汽车车身总成 、锻压、 油漆和涂料 。 发动机和动力总成在某种程度上 也实现了机器人自动化(ABB-1,2003年 )。 这些应用技术 已经很好的建立起来，机器人的一些特征诸如 安装、编程、 集成 、维修、性能和功能 被 不断 完善 。 从控制的观点来看 , 这意味着 对 鲁棒性，稳定性和精度 方面的 要求 提高了 。与此同时，成本压力意味着 需 要 发展少用
7、具有更 复杂的机械振动模态 和更大的 动态变化 的 刚性机械结构 的单独机器人，而这种机器人 必须由控制系统处理 。 图 1 . 多机器人控制需要高性能模式控 图 2 . 汽车传动系组件的装配，如 图 所示的 液力变 制概念和有效的 机器人的编程方法。 矩器 就是 机器人力控制有很大潜力 的一个例子。 再进一步看汽 车制造业自动化程度的现状，目前只有极少数的机器人用于 最后的装重庆大学本科学生毕业设计 (论文 )附件 C3 配 。 在这里， 需要 新的机器人技术和新的 柔性 自动化解决方案 来 处理装配任务 的 复杂 性和产品的几何形状 多边性 。 工业机器人将来面临的一个巨大挑战是 为这种应
8、用技术 开发出经济可行的解决方案 ,这种应用技术中 机器人控制需要 满足更直观 ,更互动的 几何 公差、 形状公差。 这个方向的一项突破会掀起 大范围的工业应用 机器人学的一股新浪潮，尽管这些在今天看来是不现实的。然而 ,在讨论未来机器人的控制技术之前 ,先给出目前主要工业机器人控制的发展一些例子。然后对机器人发展的驱动力进行讨论 ,并在此基础上概述未来发展的情景。 2. 目前的工业机器人控制的发展 工业机器人 的 一 种 发展趋势 是时尚工业机器人， 这 通常源于汽车工业提出 的新 生产概念 。 目前流行的一个例子是多机器人控制 以及 由几个机器人制造商提出 的 不同解决方案 ， 尽管这几年
9、来一些 制造商已经 将他们作为自己的商品供应 (布雷丁， 2005)。 在工业上采用多机器人控制的主要原因是通过让机器人并行工作以降低生产成本，尤其对电弧焊这种低速的过程 而言。 其他好处是， 几个机器人由一个控制器 控制，就可以节省占地面积、 改善避免碰撞性能 、 减少周期时间 。 在电弧焊接时 , 同时从不同的方向对相同的对象 进行焊接， 跟有可能达到焊接热量的均衡分布。通常的一种装置就 是使用两个或更多的机器人在 同一个工件 焊接 ，该工件由 一个或两 个自由度 的 机械手旋转 。 对于更高的灵活性 ，工件也可以由 一个机器人 夹持 (图 1)，另一个 机器人 夹持被焊接的部件 。 汽车
10、工业也 希望通过改善在 一个 共同 的机器人车体上机器人 组织的协同性，来 降低点焊机器人的循环时间 。 发展多机器人控制系统 时，一个很 困难 的控制实例就是如何实现 动态优化伺服参考 的 精确定时 以及 协调不协调的动作、异常处理和故障恢复 的 平滑的过渡 。 当一大群机器人工作在一个大型生产线 工作时 也有这个问题 ， 就是 如何动态地 给机器人和集群机器人 分配任务 以达到 最优生产率。 同时 ,必须注意到 collabor -ating 机器人 比单身的机 器人更难于 编程， 因此离线编程机器人和细胞模型更有 积极性。另外 一个问题是合作机器人装置 的 精确度 。因为 串联运动链 需
11、要 被控制 ， 比起单个机器人装置， 伺服回路及机器人的运动学和动力学模型错误将给 工具和工件之间产生 更大的姿态偏差 。 因此 , 多机器人控制的发展会刺激器人的运动学和动力学模型以及机器人的伺服性能的进一步改善 和提高。 多机器人控制是需求 相关的是开发机器人具有很高的承载力的要求 （ ABB 公司 - 2，2001） 。 例如 ,汽车车身的部分地区。负荷达 500 公斤机器人 已经着手开发。 一重负荷处理机器人 拥有与车身零件夹具而其他 机器人 则没有， 例如，点或弧焊接 机器人。 这种自动化解决方案的动力来自 用 机器人取代单一的目的运输系统 产生的更高灵活性。 除了多机器人这种控制方
12、面， 向更高的负载能力发展 导致 降低机械机器人固有频率 和 增加精确模型和控制机器人的结构 。 附件 C：译文 C4 另一种流行的发展方向是朝着在机器人安装新的安全安排（ ESALAN系统， 2006年）。一个短期的动机 来自用 安全软件的限制 替代电气和机械的工作范围限制 的可能性， 这使得它更便宜，更快速地配置一个机器人单元 。 此外 ,一个机器人单元 安全栅栏 ， 更有效的适应工作空间的局限性 ,这将节省占地面积在车间。 也有一 些计划 ,发展为人类与机器人之间的安全直接合作的新概念 （ Schraft，梅耶， Parlitz，与赫 尔 姆斯， 2005年） 。对这种协作应用的例子包括
13、材料处理，机械 维护 ，康波，新界东北转移和装配。 为了提高机器人人机合作的安全水平， 对硬件和软件的冗余机器人的安全监督水平的增加 ， 例如，通过两个通道的测量系统和故障安全总线和 I / O系统。所需的冗余当然可以在许多方面得到它，但同时重要的是不能增加 增加的成本超过它的冗余功能可接受的应用。一个控制方面的新安全观念是如何利用已经运行了机器人的实时模型在机器人控制器来获 得一种 足够 敏感 但 没有给予太多的假警报 故障检测 。 同样重要的是能够监督安全功能确实有效，当紧急情况发生。 例如 ,刹车和监督功能的机器人必须循环测试。 这种安全技术的不断发展，可以对未来人类在更 少 的机器人结
14、构化的环境比在今天的机器人装置所需要的 人机 协作的第一步。 还有一个持续的发展方向 ,在使用无线通信技术在机器人系统可以发现 ,(Katzel,2004年 )。 无线通讯 最大的 热点 ,是关于 示教系统和控制器 之间的沟通 , 另外一个热点就是机器人控制器和传感器及工艺设备之间的无线通信 。 （弗雷， Endresen，Kreitz， Scheibe， 2005年） 。 测试设备的经验表明， 一个车间的环境 通信本身不是主要问题， 大问题是关于安全的 ， ,例如 , 为安全的无线紧急事件的处理方法和机器人 示教系统 在日志中安全的选择去发现新的概念 。 同时也应该指出由于大部分无线传输设备
15、消费市场 生产的， 有可能 将 这些装置 用作成本低的机器人控制器用户界面 （德安杰洛和Corke， 2001年） 。 在机器人控制的发展前景 ,新安全机制的无线传输、无线编程设备和无线传感器和执行器的自诊断都将是重要的方面。 近几年 有一个传感器类型引起工业注意力增加 是六自由度 (自由度 )力 /力矩传感器ATI苏达权等 ,2006)。很长一段时间以来 ， 虽然机器人制造商已能将机器人进行力的控制 ， 尚未有广泛的利用这个功能 。 应用场合的实例就是用六维指尖力 /力矩传感器来控制的工业机器人 研磨，去毛刺，去毛刺，研磨，抛光，测试和组装。 在材料去除的应用，力传感器 为 基础的控制优点是
16、工艺质量较高， 容易校准过程质量和对夹具和夹持器的准确度 要求降低 （ 皮雷，冲压，劳赫， Arau乔， 2002年） 用于 装配 的优点是 缩短工期 、减少冲击力，减少风险的干扰，楔入和擦伤张， Zhongxue， Broga桉木 RDH，王和伊萨克森， 2004）。 在 力 传感器的应用为基础的控制 应用中 ，手 工作业 与恶劣的工作条件 、发 健康风险 是 引进这项新技术 的原因。 为了增加使用 力 传感器控制 的机器人 的应用， 编程和调试方法需要进一步发展，工艺参数的标准设置 和 低成本力传感器应加以发展。 快速增长的应用技术可能在世界汽车工业中还有传动链组件装配中被发现 ,例如 ,
17、 插入重庆大学本科学生毕业设计 (论文 )附件 C5 轴，花键与液力变矩器匹配的安装 (图 2)。 由于力和扭矩传感将在未来的人类与机器人合作 中不可缺少，正在发展的 力 /力矩传感器控制， 如何整合该技术到机械手 系统的 协作 显得 非常重要。 图 3 . 利用计算机软件、触摸屏、高效 的 应用 开发工具、教学吊坠，同时也是一种 通用的图形用户界面 装置和一个 专门的机器人 编程器 和操作工具 。 正如对力 的 控制，机器人视觉 系统 已经使用了很长时间 了，但 没有找到任何制造业机器人大量应用 的情况 。 原因之一就是缺少了 在一个典型的工作间环境下的二维视觉系统 较强的鲁棒性 , 控制机
18、器人视觉系统主要用于在摄像机的场景已很确定，光线条件可以控制的 条件下， 例如，在传送带 上捡取和放置 （ ABB公司 - 3， 2004）。 然而 , 目前市场上使用三维视觉的产品是尽可能地提高机器人的视觉鲁棒性和系统的解决方案 ,从而能充分提高灵活性 ,例如 , 材料处理，机械 维护 和装配 (Braintech-ref,2006)。 甚至 现在 抓取工件技术 为工业用途具有足够的鲁棒性 （渡边和典， Warashina， Kumiya， 2005年） , 也有利用三维视觉技术校准工具、工作对象、夹具和其他机器人 部件的可能性。三维视觉的主要发展当然 与 特征提取和其他 的 计算机视觉 问
19、题相关联， 机器人控制来设计高性能的视觉界面 （ Lippiello，西西利亚诺，维拉尼， 2005）。 与 三维视觉相关的是激光跟踪传感器技术 ,主要用于控制工作对象位置不能得到保证的电弧焊接的路径 的控制 （ Servorobot， 2006） 这些传感器类型已经使用了很长时间 ,但有一种走向全三维测量的趋势 , 例如 ,通过 在 三角测量为基础的跟踪传感器 中 引入一种以上的扫描线条 。同样的发展趋势也存在于由机器人进行检查光学测量系统中 ， 例如 ,汽车车身和汽车子组件。 对于跟踪传感器， 优化使用和与机器人程序相关的超前信息协调是很重要的 ，为了能在 测量数据缺乏的情况 下 能够处理
20、 并且 从进程失败 中 能进行有效的 恢复。 从 一个 更长的角度来看，搬运，装配，跟踪，检查，校正，三维视觉等概念 可以进一步整合到机器人控制器 中，从性 能的角度来说它可能激发在伺服回路方面某些机 器人应用技术采 用三维视觉 技术 。 其他正在进行的机器人技术的提高涉及到机器人的控制器用户应用界面 ，其 宗旨 是使机器人编程，操作和维护简单， 尽管 机器人系统的复杂性不断增加。 基于 机器人动作附件 C：译文 C6 和行动 的 图形表示的精灵般的循序渐进的 概念也在 教学吊坠上使用（图 3; ABB公司 - 4，2006），现实的机器人仿真接口实现对机器人编程水平 (RRS, 2006)，
21、过程建模工具的开发以简化机器人编程（ Skarin， Claesson， Bergling， 2004年），用于逻辑控制和先进的工艺和设备 控制的 PLC控制功能集成到机器人控制器 中，生产数据的优化、监测、预防性维护和故障隔离等的远程 自动化 采集将 进一步发展。 故障隔离 基于 从伺服回路传感器，特殊监管传感器， 驱动系统的电流和电压 高低 、 使用 了 观测概念 说我 虚拟传感器传回来的数据 。 这种发展一定会 继续， 在实时动态模式 运行的 机器人 期待着会更多的用于故障检测、故障隔离与诊断 ,基于剩余的生成和系统辨识方法 (Mattone Ostring, 2002)。 模式控制 (
22、Sciavicco Hamazawa， 1999年） 、 对消费品的处理 、 飞机大部件 的 整机装配零部件加工 （库卡机器人， 2005年） 、 桥梁 、 建筑 、 船舶 、重庆大学本科学生毕业设计 (论文 )附件 C9 火车 、 铁路 、 电站 、 风车等， 大范围 的 工艺 任务。 如果柔性机器人自动化为这些类型的应用找到经济可行的解决方案 , 工业机器人的一个巨大的新市场对将会驱动机 器人技术一个新方向发展。 从 来自未来的新应用进程对机器人学 的驱动力 来看 ， 提高了机器人的性能将非常重要。 例如，众所周知，臂式机器人制造和安装比笛卡尔机器人 成本更低 。 然而 ,在 频宽、刚度、
23、准确性方面笛卡尔机械手可以远高于一个关节机器人 ,但是如果关节机器人的性能有了显著的提高的话，关节机器人 将占领从更昂贵的笛卡尔机械手大片的市场 份额 。 其中应用臂式工业机器人的例子是高性能激光切割， 等离子切割装配和机加工。 既提高了机器人 的性能 和新的柔性自动化的概念 的一个例子就是 铁铸件的补炉 (Lauwers, Wallis, Haigh, Hirzinger, Albu- Scha ffer, Ha hnle, Schaefer, Ogawa, Haniya, Okahisa, Zinn, Khatib, Roth, & Salisbury, 2004)。 为了获得高的安全水平
24、 ，出于安全目的的传感器虚拟刚度控制的利用将 并不遥远。 这可以通过使用测量信号产生残差 和 利用机器人控制 冗余 的 检测来实现。如果六维指尖力 /力矩传感器或关节力矩传感器用于人机互动 , 会进一步引进 冗余监测 。 图 9 . 一台由 ABB开发的 新的并行结构机器人 ， 有 平面关节型 机器人的 工作空间同时有 Delta机器人的性能。 除了上面描述的外国的发展情景外，当然也有今天 机器人技术 的不断发展。 这意味着 关于 机器人的制造成本 和机器人设备的寿命时间成本的 在性能 /价格比的进一步优化 。正如先前讨论过的机器人，为了从机器人结构中得到尽可能多的性能 ，机器人的 控制是非常重要的 。模式控制使用准确的模型来自每台单独的机器人的系统识别，改精确
