機(jī)器人控制發(fā)展的現(xiàn)狀與前景

1、 HYPERLINK ./ HYPERLINK ./ 更多資料請(qǐng)請(qǐng)?jiān)L問.HYPERLINK E:還還未拷貝貝企企業(yè)管理理發(fā)發(fā)展戰(zhàn)略略(htttp:.)(.) HYPERLINK ./ 指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)(五級(jí)制)：指導(dǎo)教師簽字：指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)(五級(jí)制)：指導(dǎo)教師簽字：從工業(yè)的角角度看機(jī)器器人控制制發(fā)展的的現(xiàn)狀和和前景ogny BroogrdhhABB機(jī)器器人、SSE-7721steera 68 Va瑞典2006年年10月5日投稿稿2007年年1月14日發(fā)發(fā)表2007年年5月4日網(wǎng)上刊刊登摘要：對(duì)于機(jī)器人人制造商商來說機(jī)機(jī)器人控控制技術(shù)術(shù)是一項(xiàng)項(xiàng)核心競(jìng)競(jìng)爭(zhēng)力。為為了改善善機(jī)器人人性能、減減小機(jī)器

2、器人成本本和開發(fā)發(fā)新的功功能，機(jī)機(jī)器人制制造商做做了大量量的研發(fā)發(fā)工作。當(dāng)當(dāng)今，在在這一發(fā)發(fā)展領(lǐng)域域最引人人注目的的是多機(jī)機(jī)器人控控制、安安全控制制、力控控制、三三維視覺覺、遠(yuǎn)程程控制機(jī)機(jī)器人的的監(jiān)督和和無(wú)線通通信等。目目前人們們正在研研討受益益于這些些研發(fā)的的技術(shù)應(yīng)應(yīng)用和機(jī)機(jī)器人制制造商所所面臨的的技術(shù)挑挑戰(zhàn)?，F(xiàn)現(xiàn)階段，基于模型的控制是工業(yè)機(jī)器人控制的關(guān)鍵技術(shù)。盡管成本壓力致使機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)更加難以控制，為了滿足更高的性能要求，控制模型和控制計(jì)劃還是越來越精確?？梢詮哪承╊I(lǐng)域找到機(jī)器人未來發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。這些領(lǐng)域包括汽車行業(yè)新的機(jī)器人技術(shù)，特別是在中小型企業(yè)、食品工業(yè)、鑄造廠等的最后組裝以及大

3、型結(jié)構(gòu)的加工和裝配領(lǐng)域。在這里本文提出了未來機(jī)器人控制發(fā)展的一些情況。一種情況是，輕型機(jī)器人的概念可能對(duì)未來汽車制造和中小型企業(yè)（SME）的自動(dòng)化產(chǎn)生影響。這樣的發(fā)展可能導(dǎo)致模塊化機(jī)器人和在機(jī)器人臂結(jié)構(gòu)上使用傳感器的控制方案的誕生。上面提到的這種傳感器也可以用于冗余安全控制的實(shí)現(xiàn)。高度模塊化機(jī)器人的引進(jìn)將增加機(jī)器人對(duì)安裝支持的需求，這樣就使得即插即用功能變得更為重要。獲得高度模塊化機(jī)器人的一種途徑是利用近年來發(fā)展起來的一種新型的并行結(jié)構(gòu)機(jī)器人結(jié)構(gòu)。相對(duì)于機(jī)器人底座來說并行機(jī)器人結(jié)構(gòu)有很大的工作空間。為進(jìn)一步有效地使用機(jī)器人,自適應(yīng)機(jī)器人方案就被提了出來，這意味著機(jī)器人在執(zhí)行不同的程序是所產(chǎn)生的

4、熱應(yīng)力和疲勞應(yīng)力分別得到了控制優(yōu)化。上述陳述的主要結(jié)論是:工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展是在遠(yuǎn)離它的限制, 需要大量的研究和開發(fā)來獲得一個(gè)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化更廣泛應(yīng)用。#20077愛思唯唯爾有限限公司保保留所有有權(quán)利。關(guān)鍵詞:工工業(yè)機(jī)器器人,機(jī)器人人控制;控制功功能;控制應(yīng)應(yīng)用簡(jiǎn)介工業(yè)機(jī)器人人發(fā)展的的特點(diǎn)是是一個(gè)大大范圍的的多學(xué)科科技術(shù)的的融合。這些技技術(shù)很多多都不是是特定面面向機(jī)器器人的，可以以通過其他他更廣泛泛的產(chǎn)品品領(lǐng)域得得到發(fā)展展。然而而，機(jī)器器人控制制，尤其其是機(jī)器器人運(yùn)動(dòng)動(dòng)控制，對(duì)不同的機(jī)器人產(chǎn)品相差很大，同時(shí)構(gòu)成了對(duì)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展最重要的關(guān)鍵能力之一。通過應(yīng)用和發(fā)展先進(jìn)的控制技術(shù),就有可能不斷

5、提高機(jī)器人的性能,這對(duì)于工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化性能的提高和成本的降低是很有必要的。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的的是，汽汽車產(chǎn)業(yè)業(yè)包括他他們的供供應(yīng)鏈?zhǔn)鞘墙裉熘髦鲗?dǎo)客戶戶forrinddusttriaal機(jī)器器人（聯(lián)聯(lián)合國(guó)歐歐洲經(jīng)濟(jì)濟(jì)委員會(huì)會(huì)，20004）。這意味著出自這種類型的制造系統(tǒng)的要求很大程度上驅(qū)動(dòng)著機(jī)器人的發(fā)展。所以,現(xiàn)在的大多數(shù)機(jī)器人,都適應(yīng)在非常激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下高容量柔性生產(chǎn)的成本敏感性。對(duì)機(jī)器人制造商來說，對(duì)成本、效率、高可靠性和高生產(chǎn)率的基本要求有必要做出很大的努力。而且,有必要使機(jī)器人控制與工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的諸如應(yīng)用協(xié)議、通訊系統(tǒng)、I / O接口、PLC設(shè)備、用戶界面、工藝設(shè)備等相適應(yīng)，以達(dá)到不同機(jī)器

6、人產(chǎn)品之間的最佳利用和最短的切換時(shí)間。(RIA及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院,2000年)。世界汽車車工業(yè),將是上上述陳述述觀點(diǎn)的的騰飛點(diǎn)點(diǎn)，完全全機(jī)器人人自動(dòng)化化通常出出現(xiàn)在汽汽車車身身總成、鍛鍛壓、油油漆和涂涂料。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)和動(dòng)力力總成在在某種程程度上也也實(shí)現(xiàn)了了機(jī)器人人自動(dòng)化化(ABBB-11,20003年年)。這些應(yīng)應(yīng)用技術(shù)術(shù)已經(jīng)很很好的建建立起來來，機(jī)器器人的一一些特征征諸如安安裝、編編程、集集成、維維修、性性能和功功能被不不斷完善善。從控制制的觀點(diǎn)點(diǎn)來看, 這意意味著對(duì)對(duì)魯棒性性，穩(wěn)定定性和精精度方面面的要求求提高了了。與此此同時(shí)，成成本壓力力意味著著需要發(fā)發(fā)展少用用具有更更復(fù)雜的的機(jī)械

7、振振動(dòng)模態(tài)態(tài)和更大大的動(dòng)態(tài)態(tài)變化的的剛性機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)的單獨(dú)獨(dú)機(jī)器人人，而這這種機(jī)器器人必須須由控制制系統(tǒng)處處理。圖1 . 多機(jī)器器人控制制需要高高性能模模式控 圖圖2 . 汽汽車傳動(dòng)動(dòng)系組件件的裝配配，如圖圖所示的的液力變變制概念和有有效的機(jī)機(jī)器人的的編程方方法。 矩矩器就是是機(jī)器人人力控制制有很大大潛力的的一個(gè)例例子。再進(jìn)一步看看汽車制制造業(yè)自自動(dòng)化程程度的現(xiàn)現(xiàn)狀，目目前只有有極少數(shù)數(shù)的機(jī)器器人用于于最后的的裝配。在這里里，需要要新的機(jī)機(jī)器人技技術(shù)和新新的柔性性自動(dòng)化化解決方方案來處理裝裝配任務(wù)務(wù)的復(fù)雜性和產(chǎn)品品的幾何何形狀多多邊性。工業(yè)機(jī)機(jī)器人將將來面臨臨的一個(gè)個(gè)巨大挑挑戰(zhàn)是為為這種應(yīng)應(yīng)用

8、技術(shù)術(shù)開發(fā)出出經(jīng)濟(jì)可可行的解解決方案案,這種應(yīng)應(yīng)用技術(shù)術(shù)中機(jī)器器人控制制需要滿滿足更直直觀,更互動(dòng)動(dòng)的幾何何公差、形形狀公差差。這個(gè)個(gè)方向的的一項(xiàng)突突破會(huì)掀掀起大范范圍的工工業(yè)應(yīng)用用機(jī)器人人學(xué)的一一股新浪浪潮，盡盡管這些些在今天天看來是是不現(xiàn)實(shí)實(shí)的。然然而,在討論論未來機(jī)機(jī)器人的的控制技技術(shù)之前前,先給出出目前主主要工業(yè)業(yè)機(jī)器人人控制的的發(fā)展一一些例子子。然后后對(duì)機(jī)器器人發(fā)展展的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力進(jìn)行行討論,并在此此基礎(chǔ)上上概述未未來發(fā)展展的情景景。2. 目前前的工業(yè)業(yè)機(jī)器人人控制的的發(fā)展工業(yè)機(jī)器人人的一種發(fā)展趨趨勢(shì)是時(shí)時(shí)尚工業(yè)業(yè)機(jī)器人人，這通通常源于于汽車工工業(yè)提出出的新生生產(chǎn)概念念。目前前流行的的一

9、個(gè)例例子是多多機(jī)器人人控制以以及由幾幾個(gè)機(jī)器器人制造造商提出出的不同解解決方案案，盡管這這幾年來來一些制制造商已已經(jīng)將他他們作為為自己的的商品供供應(yīng)(布雷丁丁，20005)。在工工業(yè)上采采用多機(jī)機(jī)器人控控制的主主要原因因是通過過讓機(jī)器器人并行行工作以以降低生生產(chǎn)成本本，尤其其對(duì)電弧弧焊這種種低速的的過程而而言。其其他好處處是，幾幾個(gè)機(jī)器器人由一一個(gè)控制制器控制制，就可可以節(jié)省省占地面面積、改改善避免免碰撞性性能、減少周周期時(shí)間間。在電弧弧焊接時(shí)時(shí), 同時(shí)時(shí)從不同同的方向向?qū)ο嗤膶?duì)象象進(jìn)行焊焊接，跟跟有可能能達(dá)到焊焊接熱量量的均衡衡分布。通通常的一一種裝置置就是使使用兩個(gè)個(gè)或更多多的機(jī)器器人

10、在同同一個(gè)工工件焊接接，該工工件由一一個(gè)或兩兩個(gè)自由由度的機(jī)械手手旋轉(zhuǎn)。對(duì)于更更高的靈靈活性，工工件也可可以由一一個(gè)機(jī)器器人夾持持(圖1)，另另一個(gè)機(jī)機(jī)器人夾夾持被焊焊接的部部件。汽汽車工業(yè)業(yè)也希望望通過改改善在一一個(gè)共同同的機(jī)器器人車體體上機(jī)器器人組織織的協(xié)同同性，來來降低點(diǎn)點(diǎn)焊機(jī)器器人的循循環(huán)時(shí)間間。發(fā)展多多機(jī)器人人控制系系統(tǒng)時(shí)，一一個(gè)很困困難的控控制實(shí)例例就是如如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)優(yōu)化伺服服參考的的精確定定時(shí)以及及協(xié)調(diào)不不協(xié)調(diào)的的動(dòng)作、異異常處理理和故障障恢復(fù)的的平滑的的過渡。當(dāng)一大大群機(jī)器器人工作作在一個(gè)個(gè)大型生生產(chǎn)線工工作時(shí)也也有這個(gè)個(gè)問題，就就是如何何動(dòng)態(tài)地地給機(jī)器器人和集集群機(jī)器器人

11、分配配任務(wù)以以達(dá)到最最優(yōu)生產(chǎn)產(chǎn)率。同同時(shí),必須注注意到ccolllaboor -atiing機(jī)機(jī)器人比比單身的的機(jī)器人人更難于于編程，因因此離線線編程機(jī)機(jī)器人和和細(xì)胞模模型更有有積極性性。另外外一個(gè)問問題是合合作機(jī)器器人裝置置的精確度度。因?yàn)闉榇?lián)運(yùn)運(yùn)動(dòng)鏈需需要被控控制，比起單單個(gè)機(jī)器器人裝置置，伺服服回路及及機(jī)器人人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)學(xué)和動(dòng)動(dòng)力學(xué)模模型錯(cuò)誤誤將給工工具和工工件之間間產(chǎn)生更更大的姿姿態(tài)偏差差。因此, 多機(jī)機(jī)器人控控制的發(fā)發(fā)展會(huì)刺刺激器人人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)學(xué)和動(dòng)動(dòng)力學(xué)模模型以及及機(jī)器人人的伺服服性能的的進(jìn)一步步改善和和提高。多機(jī)器人人控制是是需求相相關(guān)的是是開發(fā)機(jī)機(jī)器人具具有很高高的承載載力的要要

12、求（AABB公公司- 2，220011）。例如,汽車車車身的部部分地區(qū)區(qū)。負(fù)荷荷達(dá)5000公斤斤機(jī)器人人已經(jīng)著著手開發(fā)發(fā)。一重重負(fù)荷處處理機(jī)器器人擁有有與車身身零件夾夾具而其其他機(jī)器器人則沒沒有，例例如，點(diǎn)點(diǎn)或弧焊焊接機(jī)器器人。這這種自動(dòng)動(dòng)化解決決方案的的動(dòng)力來來自用機(jī)器人人取代單單一的目目的運(yùn)輸輸系統(tǒng)產(chǎn)產(chǎn)生的更更高靈活活性。除除了多機(jī)機(jī)器人這這種控制制方面，向更高的負(fù)載能力發(fā)展導(dǎo)致降低機(jī)械機(jī)器人固有頻率和增加精確模型和控制機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。另一種流行行的發(fā)展展方向是是朝著在在機(jī)器人人安裝新新的安全全安排（EESALLAN系系統(tǒng)，220066年）。一個(gè)短期的動(dòng)機(jī)來自用安全軟件的限制替代電氣和機(jī)械的

13、工作范圍限制的可能性，這使得它更便宜，更快速地配置一個(gè)機(jī)器人單元。此外,一個(gè)機(jī)器人單元安全柵欄，更有效的適應(yīng)工作空間的局限性,這將節(jié)省占地面積在車間。也有一些計(jì)劃,發(fā)展為人類與機(jī)器人之間的安全直接合作的新概念（Schraft，梅耶，Parlitz，與赫爾姆斯，2005年）。對(duì)這種協(xié)作應(yīng)用的例子包括材料處理，機(jī)械維護(hù)，康波，新界東北轉(zhuǎn)移和裝配。為了提高機(jī)器人人機(jī)合作的安全水平，對(duì)硬件和軟件的冗余機(jī)器人的安全監(jiān)督水平的增加，例如，通過兩個(gè)通道的測(cè)量系統(tǒng)和故障安全總線和I / O系統(tǒng)。所需的冗余當(dāng)然可以在許多方面得到它，但同時(shí)重要的是不能增加增加的成本超過它的冗余功能可接受的應(yīng)用。一個(gè)控制方面的新安

14、全觀念是如何利用已經(jīng)運(yùn)行了機(jī)器人的實(shí)時(shí)模型在機(jī)器人控制器來獲得一種足夠敏感但沒有給予太多的假警報(bào)故障檢測(cè)。同樣重要的是能夠監(jiān)督安全功能確實(shí)有效，當(dāng)緊急情況發(fā)生。例如,剎車和監(jiān)督功能的機(jī)器人必須循環(huán)測(cè)試。這種安全技術(shù)的不斷發(fā)展，可以對(duì)未來人類在更少的機(jī)器人結(jié)構(gòu)化的環(huán)境比在今天的機(jī)器人裝置所需要的人機(jī)協(xié)作的第一步。還有一個(gè)持持續(xù)的發(fā)發(fā)展方向向,在使用用無(wú)線通通信技術(shù)術(shù)在機(jī)器器人系統(tǒng)統(tǒng)可以發(fā)發(fā)現(xiàn),(Kattzell,20004年年)。無(wú)線通通訊最大大的熱點(diǎn)點(diǎn),是關(guān)于于示教系系統(tǒng)和控控制器之之間的溝溝通, 另外外一個(gè)熱熱點(diǎn)就是是機(jī)器人人控制器器和傳感感器及工工藝設(shè)備備之間的的無(wú)線通通信。（弗雷雷，En

15、ndreesenn，Krreittz，Schheibbe，220055年）。測(cè)試設(shè)設(shè)備的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)表明明，一個(gè)個(gè)車間的的環(huán)境通通信本身身不是主主要問題題，大問問題是關(guān)關(guān)于安全全的，,例如, 為安安全的無(wú)無(wú)線緊急急事件的的處理方方法和機(jī)機(jī)器人示示教系統(tǒng)統(tǒng)在日志志中安全全的選擇擇去發(fā)現(xiàn)現(xiàn)新的概概念。同時(shí)也也應(yīng)該指指出由于于大部分分無(wú)線傳傳輸設(shè)備備消費(fèi)市市場(chǎng)生產(chǎn)產(chǎn)的，有有可能將將這些裝裝置用作作成本低低的機(jī)器器人控制制器用戶戶界面（德德安杰洛洛和Coorkee，20001年年）。在機(jī)器器人控制制的發(fā)展展前景,新安全全機(jī)制的的無(wú)線傳傳輸、無(wú)無(wú)線編程程設(shè)備和和無(wú)線傳傳感器和和執(zhí)行器器的自診診斷都將將是重要要

16、的方面面。近幾年有一一個(gè)傳感感器類型型引起工工業(yè)注意意力增加加是六自自由度(自由度度)力/力矩傳傳感器AATI蘇蘇達(dá)權(quán)等等,20006)。很長(zhǎng)長(zhǎng)一段時(shí)時(shí)間以來來，雖然機(jī)機(jī)器人制制造商已已能將機(jī)機(jī)器人進(jìn)進(jìn)行力的的控制，尚未有有廣泛的的利用這這個(gè)功能能。應(yīng)用場(chǎng)場(chǎng)合的實(shí)實(shí)例就是是用六維維指尖力力/力矩傳傳感器來來控制的的工業(yè)機(jī)機(jī)器人研研磨，去去毛刺，去去毛刺，研研磨，拋拋光，測(cè)測(cè)試和組組裝。在在材料去去除的應(yīng)應(yīng)用，力力傳感器器為基礎(chǔ)的的控制優(yōu)優(yōu)點(diǎn)是工工藝質(zhì)量量較高，容易校準(zhǔn)過程質(zhì)量和對(duì)夾具和夾持器的準(zhǔn)確度要求降低（皮雷，沖壓，勞赫，Arau喬，2002年）用于裝配的優(yōu)點(diǎn)是縮短工期、減少?zèng)_擊力，減少風(fēng)

17、險(xiǎn)的干擾，楔入和擦傷張，Zhongxue，Broga桉木RDH，王和伊薩克森，2004）。在力傳感器的應(yīng)用為基礎(chǔ)的控制應(yīng)用中，手工作業(yè)與惡劣的工作條件、發(fā)健康風(fēng)險(xiǎn)是引進(jìn)這項(xiàng)新技術(shù)的原因。為了增加使用力傳感器控制的機(jī)器人的應(yīng)用，編程和調(diào)試方法需要進(jìn)一步發(fā)展，工藝參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置和低成本力傳感器應(yīng)加以發(fā)展。快速增長(zhǎng)的應(yīng)用技術(shù)可能在世界汽車工業(yè)中還有傳動(dòng)鏈組件裝配中被發(fā)現(xiàn),例如, 插入軸，花鍵與液力變矩器匹配的安裝(圖2)。由于力和扭矩傳感將在未來的人類與機(jī)器人合作中不可缺少，正在發(fā)展的力/力矩傳感器控制，如何整合該技術(shù)到機(jī)械手系統(tǒng)的協(xié)作顯得非常重要。圖3 . 利用計(jì)計(jì)算機(jī)軟軟件、觸觸摸屏、高高效的應(yīng)

18、應(yīng)用開發(fā)發(fā)工具、教教學(xué)吊墜墜，同時(shí)時(shí)也是一一種通用用的圖形形用戶界界面裝置置和一個(gè)個(gè)專門的的機(jī)器人人編程器器和操作作工具。正如對(duì)力的的控制，機(jī)機(jī)器人視視覺系統(tǒng)統(tǒng)已經(jīng)使使用了很很長(zhǎng)時(shí)間間了，但但沒有找找到任何何制造業(yè)業(yè)機(jī)器人人大量應(yīng)應(yīng)用的情情況。原因之之一就是是缺少了了在一個(gè)個(gè)典型的的工作間間環(huán)境下下的二維維視覺系系統(tǒng)較強(qiáng)強(qiáng)的魯棒棒性, 控制制機(jī)器人人視覺系系統(tǒng)主要要用于在在攝像機(jī)機(jī)的場(chǎng)景景已很確確定，光光線條件件可以控控制的條條件下，例如，在傳送帶上撿取和放置（ABB公司- 3，2004）。然而, 目前市場(chǎng)上使用三維視覺的產(chǎn)品是盡可能地提高機(jī)器人的視覺魯棒性和系統(tǒng)的解決方案,從而能充分提高靈活

19、性,例如, 材料處理，機(jī)械維護(hù)和裝配(Braintech-ref,2006)。甚至現(xiàn)在抓取工件技術(shù)為工業(yè)用途具有足夠的魯棒性（渡邊和典，Warashina，Kumiya，2005年）, 也有利用三維視覺技術(shù)校準(zhǔn)工具、工作對(duì)象、夾具和其他機(jī)器人部件的可能性。三維視覺的主要發(fā)展當(dāng)然與特征提取和其他的計(jì)算機(jī)視覺問題相關(guān)聯(lián)，機(jī)器人控制來設(shè)計(jì)高性能的視覺界面（Lippiello，西西利亞諾，維拉尼，2005）。與三維視覺相關(guān)的是激光跟蹤傳感器技術(shù),主要用于控制工作對(duì)象位置不能得到保證的電弧焊接的路徑的控制（Servorobot，2006）這些傳感器類型已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間,但有一種走向全三維測(cè)量的趨勢(shì),

20、例如,通過在三角測(cè)量為基礎(chǔ)的跟蹤傳感器中引入一種以上的掃描線條。同樣的發(fā)展趨勢(shì)也存在于由機(jī)器人進(jìn)行檢查光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中，例如,汽車車身和汽車子組件。對(duì)于跟蹤傳感器，優(yōu)化使用和與機(jī)器人程序相關(guān)的超前信息協(xié)調(diào)是很重要的，為了能在測(cè)量數(shù)據(jù)缺乏的情況下能夠處理并且從進(jìn)程失敗中能進(jìn)行有效的恢復(fù)。從一個(gè)更長(zhǎng)的角度來看，搬運(yùn)，裝配，跟蹤，檢查，校正，三維視覺等概念可以進(jìn)一步整合到機(jī)器人控制器中，從性能的角度來說它可能激發(fā)在伺服回路方面某些機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)采用三維視覺技術(shù)。其他正在進(jìn)進(jìn)行的機(jī)機(jī)器人技技術(shù)的提提高涉及及到機(jī)器器人的控控制器用用戶應(yīng)用用界面，其其宗旨是使機(jī)器器人編程程，操作作和維護(hù)護(hù)簡(jiǎn)單，盡管機(jī)器人系

21、統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加。基于機(jī)器人動(dòng)作和行動(dòng)的圖形表示的精靈般的循序漸進(jìn)的概念也在教學(xué)吊墜上使用（圖3; ABB公司- 4，2006），現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人仿真接口實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人編程水平(RRS, 2006)，過程建模工具的開發(fā)以簡(jiǎn)化機(jī)器人編程（Skarin，Claesson，Bergling，2004年），用于邏輯控制和先進(jìn)的工藝和設(shè)備控制的PLC控制功能集成到機(jī)器人控制器中，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化、監(jiān)測(cè)、預(yù)防性維護(hù)和故障隔離等的遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集將進(jìn)一步發(fā)展。故障隔離基于從伺服回路傳感器，特殊監(jiān)管傳感器，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流和電壓高低、使用了觀測(cè)概念說我虛擬傳感器傳回來的數(shù)據(jù)。這種發(fā)展一定會(huì)繼續(xù)，在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模式運(yùn)行的機(jī)器

22、人期待著會(huì)更多的用于故障檢測(cè)、故障隔離與診斷,基于剩余的生成和系統(tǒng)辨識(shí)方法(Mattone& De Luca, 2003; Ostring, 2002)。模式控制(Sciiaviiccoo & Sicciliianoo,20000) 在機(jī)器器人學(xué)被被認(rèn)為是是非常重重要的，以滿足足對(duì)性能能的改進(jìn)進(jìn)和成本本的降低低這一對(duì)對(duì)矛盾的的要求（圖圖4）。不不斷的發(fā)發(fā)展的方方向是更更加復(fù)雜雜的運(yùn)動(dòng)動(dòng)學(xué)和動(dòng)動(dòng)力學(xué)模模型，更更復(fù)雜的的多輸入入多輸出出（MIIMO）控控制計(jì)劃劃，靜態(tài)態(tài)和動(dòng)態(tài)態(tài)模型參參數(shù)變化化更大大，日益益增加噪噪音和干干擾，較較低的特特征頻率率機(jī)和擴(kuò)擴(kuò)大化得得非線形形性的數(shù)數(shù)量更大大。即使所所有

23、的這這些方面面都做了了很多學(xué)學(xué)術(shù)研究究，大量的的應(yīng)用研研究需要要進(jìn)一步步改善基基于模型型工業(yè)機(jī)機(jī)器人的的魯棒控控制。與與基于模模型控制制的進(jìn)一一步發(fā)展展攜手并并進(jìn)的是是采用虛虛擬原型型機(jī)來提高高性能/成本比比、降低了了開發(fā)成成本、并能縮縮短產(chǎn)品品周期的的于模型型的設(shè)計(jì)計(jì)的重要要發(fā)展(Pettterrssoon,220055)。非非常重要要的則是是由機(jī)械設(shè)設(shè)計(jì)和機(jī)機(jī)器人控控制專家家組成的的機(jī)電一一體化團(tuán)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)計(jì)方法。3、未來工工業(yè)機(jī)器器人控制制發(fā)展驅(qū)驅(qū)動(dòng)力跟所有其他他工業(yè)產(chǎn)產(chǎn)品一樣樣，由機(jī)機(jī)器人的的發(fā)展主主要是其其用戶的的需要所所支配。然而, 就其其用途廣廣泛而言言機(jī)器人人也十分分獨(dú)特,這意味

24、味著機(jī)器器人技術(shù)術(shù)要向著著來自不不同的自自動(dòng)化和和不同的的用途的的大范圍圍的要求求去發(fā)展展(機(jī)器人人制造商商聯(lián)系,20006)。從從應(yīng)用需需求出發(fā)發(fā)，需要要妥善處處理新工工藝產(chǎn)生生的要求求和改進(jìn)進(jìn)傳統(tǒng)工工藝的要要求之間間的關(guān)系系。新工工藝是指指工業(yè)機(jī)機(jī)器人相相結(jié)合過過程的新新作為，例如攪拌摩擦焊，銑，高性能激光切割，變速箱總成，平板電視屏幕的處理和金屬板材變形等等。進(jìn)一步提高機(jī)器人性能的傳統(tǒng)工藝的例子是水射流切割，激光切割，激光焊接，涂膠，打磨，去毛刺，測(cè)量和裝配等等。有時(shí)機(jī)器人自動(dòng)化會(huì)變得很受歡迎對(duì)于一個(gè)特定的圖4 . 由一個(gè)個(gè)共同的的控制器器控制的的機(jī)器人人家族的的基于模模型控制制，可以以

25、由可配配置的剛剛體和彈性動(dòng)動(dòng)力學(xué)模模型來實(shí)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用或材料料的制造造商來說說,例如，塑料行行業(yè)目前前非?？士释褂糜脵C(jī)器人人。從客戶戶驅(qū)動(dòng)的的要求來來看，基基本要求求當(dāng)然以以降低生生產(chǎn)成本本、提高最最終產(chǎn)品品質(zhì)量同同時(shí)新的的自動(dòng)化化概念不不時(shí)的試試圖獲得得產(chǎn)量的的顯著增增加。這這種概念念的例子子是緊湊湊型機(jī)器器人，向后彎彎曲的機(jī)機(jī)器人，重重載機(jī)器器人，多多機(jī)器人人控制，精確的離線編程機(jī)器人，靈活的框架機(jī)器人，傳感器控制的機(jī)器人和安全機(jī)器人。與此同時(shí),還需要提高的是連續(xù)的靈活性,提高機(jī)器人的使用可靠性,改善勞動(dòng)條件,降低壽命周期成本,使安裝、系統(tǒng)集成、編程和維護(hù)容易、以提高性能(圖5)。所有這些

26、需求驅(qū)使著機(jī)器人制造商不斷增加更大的綜合性開發(fā)項(xiàng)目，開發(fā)新一代的產(chǎn)品和新產(chǎn)品的概念。圖5 . 為了滿滿足機(jī)器器人離線線編程對(duì)對(duì)機(jī)器人人精度日日益增長(zhǎng)長(zhǎng)的要求求，運(yùn)動(dòng)學(xué)學(xué)和彈性性靜力學(xué)學(xué)辨識(shí)和和補(bǔ)償方方法不斷斷精確化化，今天天0.55毫米的的體積精精度甚至至一個(gè)大大型的機(jī)機(jī)器人上上也可以以達(dá)到。與此同時(shí)，由由于用戶戶應(yīng)用需需求的拉拉動(dòng)當(dāng)然然有技術(shù)術(shù)迫使制制造商在在其他更更大的產(chǎn)產(chǎn)品領(lǐng)域域利用機(jī)機(jī)器人的的最新技技術(shù)成果果。因此，PPC領(lǐng)域域硬件和和軟件兩兩個(gè)方面面的發(fā)展展都會(huì)對(duì)對(duì)機(jī)器人人控制器器發(fā)展產(chǎn)產(chǎn)生很大大的影響響，應(yīng)用此此項(xiàng)技術(shù)術(shù)的努力力來自電電信領(lǐng)域域。軟件件開發(fā)和和維護(hù)的的成本不不斷增加

27、加，一個(gè)很很長(zhǎng)的軟軟件壽命命時(shí)間是是如此的的重要，這意味味著,例如,新的高高效的軟軟件開發(fā)發(fā)環(huán)境和和可擴(kuò)展展的系統(tǒng)統(tǒng)體系結(jié)結(jié)構(gòu)的新新概念、開開放的接接口和ccom - mmuniicattionn概念都都是機(jī)器器人控制制器的發(fā)發(fā)展重要要的推動(dòng)動(dòng)力。盡盡管在機(jī)機(jī)器人技技術(shù)發(fā)展展最快的的出現(xiàn)在在在控制制器方面面，同時(shí)時(shí)也存在在著一些些機(jī)電技技術(shù)推進(jìn)進(jìn)一面。更更有效、更更大的緊緊湊齒輪輪箱、更更符合成成本效益益的電機(jī)機(jī)和驅(qū)動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)、更更便宜的的碳復(fù)合合材料和和更先進(jìn)進(jìn)的機(jī)械械設(shè)計(jì)工工具。在長(zhǎng)期的的角度來來看, 對(duì)汽汽車工業(yè)業(yè)及其次次級(jí)供應(yīng)應(yīng)商來說說，機(jī)器器人肯定定是有一一個(gè)持續(xù)續(xù)發(fā)展。在這里可能發(fā)生

28、的是燃料價(jià)格上升，污染和其他環(huán)境問題將使得有必要建立更小、更高效的輕型車使用，例如，與燃料電池相結(jié)合的電力驅(qū)動(dòng)。然后，問題就是這將如何改變對(duì)制造系統(tǒng)，包括工業(yè)機(jī)器人的需求。一種可能性是，現(xiàn)場(chǎng)的汽車車身點(diǎn)焊將被替待，例如，激光焊接和金屬零件，鉚接焊接（神戶，2001年），粘合和（布羅西斯，2006）復(fù)合材料部件的精加工。這就意味著具有更高精確度和剛度的更小、更輕的機(jī)器人將有更大的需要。如果電力驅(qū)動(dòng)和燃料電池將被普遍使用，那么新的應(yīng)用將會(huì)出現(xiàn)，可能對(duì)機(jī)器人的精確度和短周期會(huì)有更高的要求。然而,因?yàn)榇罅康漠a(chǎn)品制造都是由相同的很工業(yè)組織所完成,才使得制造汽車和汽車零部件的制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)可能會(huì)是

29、一樣的。圖6 . 食品工工業(yè)將成成為未來來機(jī)器人人發(fā)展的的動(dòng)力之之一。在在這里，基于Delta 概念的并聯(lián)機(jī)器人FlexPicker，工作在一家面包店。如在第11節(jié)指出出了汽車車制造業(yè)業(yè)仍然是是勞動(dòng)密密集型的的的一個(gè)個(gè)部分是是最后組組裝。今今天將機(jī)器人人技術(shù)用用于裝配配，問題題就出現(xiàn)了，幾何何復(fù)雜性性和工作作對(duì)象的的多變性性，安全全圍欄所所需的空空間與復(fù)復(fù)雜的機(jī)機(jī)器人編編程和耗耗費(fèi)時(shí)間間的故障障處理等等等。只有很很少的機(jī)機(jī)器人設(shè)設(shè)備可以以很經(jīng)濟(jì)的的應(yīng)用此此技術(shù)，例例如，上上膠和車車窗安裝裝。在這這種特殊殊情況，健健康風(fēng)險(xiǎn)險(xiǎn)是機(jī)器器人引進(jìn)進(jìn)一個(gè)重重要原因因。在重重升降機(jī)機(jī)中，工作作條件刺刺激了引

30、引進(jìn)設(shè)備備以協(xié)助助完成。在這里里,一個(gè)已已經(jīng)進(jìn)行行了幾年年的開發(fā)發(fā)項(xiàng)目就就是開發(fā)發(fā)免受被被動(dòng)機(jī)械械系統(tǒng)和和伺服控控制的起起重工具具。這些些智能(IADD)輔助助設(shè)備人人們所感感興趣的的分別是是他們的的安全要要求和操操作者與與IADD之間相相互的力力控制(Collgatte, Pesshkiin, & KKlossterrmeyyer, 20003)。然而，這這種設(shè)備備不能給給出一種種現(xiàn)實(shí)的的自動(dòng)化化解決方方案并且且這一概概念不能能發(fā)展為為一個(gè)完完整的機(jī)機(jī)器人化化汽車裝裝配。相相反，可可以預(yù)期期，汽車車行業(yè)將將推動(dòng)裝裝配機(jī)器器人系統(tǒng)統(tǒng)的新類類型的產(chǎn)產(chǎn)生和柔柔性自動(dòng)動(dòng)化的基礎(chǔ)設(shè)設(shè)施結(jié)構(gòu)構(gòu)的的新新類

31、型的的產(chǎn)生。為了尋找找可能推推動(dòng)未來來機(jī)器人人的發(fā)展展的其他行行業(yè)，一一種可能能是看今今天缺乏乏有效利利用機(jī)器器人做基礎(chǔ)設(shè)設(shè)施的制制造系統(tǒng)統(tǒng)。這里里有一個(gè)個(gè)機(jī)會(huì)，中中小型企企業(yè)自動(dòng)動(dòng)化的需需要（SSMErroboot，220055年）。在這種環(huán)境下所需要的是易于安裝、配置、標(biāo)定、編程和維護(hù)的低成本的安全機(jī)器人系統(tǒng)。這個(gè)應(yīng)用進(jìn)程將同那些用于今天的機(jī)器人一樣，其最大的挑戰(zhàn)將是開發(fā)出發(fā)一個(gè)更低的機(jī)器人壽命周期成本的機(jī)器人技術(shù)。今后使用工業(yè)機(jī)器人將會(huì)有很多其他重要領(lǐng)域在這個(gè)發(fā)展方向走更遠(yuǎn)的路。柔性自動(dòng)化實(shí)例諸如拆卸、廢料處理分揀，肉類食品切割、食品加工和處理的其他類型（圖6; Hamazawa，199

32、9年）、對(duì)消費(fèi)品的處理、飛機(jī)大部件的整機(jī)裝配零部件加工（庫(kù)卡機(jī)器人，2005年）、橋梁、建筑、船舶、火車、鐵路、電站、風(fēng)車等，大范圍的工藝任務(wù)。如果柔性機(jī)器人自動(dòng)化為這些類型的應(yīng)用找到經(jīng)濟(jì)可行的解決方案, 工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)巨大的新市場(chǎng)對(duì)將會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人技術(shù)一個(gè)新方向發(fā)展。從來自未來的新應(yīng)用進(jìn)程對(duì)機(jī)器人學(xué)的驅(qū)動(dòng)力來看，提高了機(jī)器人的性能將非常重要。例如，眾所周知，臂式機(jī)器人制造和安裝比笛卡爾機(jī)器人成本更低。然而,在頻寬、剛度、準(zhǔn)確性方面笛卡爾機(jī)械手可以遠(yuǎn)高于一個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)器人,但是如果關(guān)節(jié)機(jī)器人的性能有了顯著的提高的話，關(guān)節(jié)機(jī)器人將占領(lǐng)從更昂貴的笛卡爾機(jī)械手大片的市場(chǎng)份額。其中應(yīng)用臂式工業(yè)機(jī)器人的例子

33、是高性能激光切割，等離子切割裝配和機(jī)加工。既提高了機(jī)器人的性能和新的柔性自動(dòng)化的概念的一個(gè)例子就是鐵鑄件的補(bǔ)爐(Lauwers, Wallis, Haigh, & Sohald,2004)。在這種情況下，第三個(gè)方面也很重要，那就是是非常不健康的鑄造環(huán)境。考慮到工人的健康問題，未來一些其他的的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用例子可以找到。這樣的例子比如屠宰場(chǎng)，冷藏庫(kù)，玻璃加工商店，漁業(yè)和垃圾處理廠。圖7 . 電容式式編碼器器環(huán)(HHexaagonn Meetroologgy)集集成到AABB 圖88 . 為為了使機(jī)機(jī)器人的的編程更更加簡(jiǎn)單單，引導(dǎo)導(dǎo)編程有有望成為為一機(jī)器器人的機(jī)機(jī)械手臂臂用于機(jī)器器人手臂臂的運(yùn)動(dòng)動(dòng)

34、精確的的測(cè)量。 個(gè)個(gè)重要的的技術(shù)。在這里，引導(dǎo)編程是用測(cè)量臂連接到機(jī) 器器人的AABB TeaachSSaveer編程程軟件上上。4、未來工工業(yè)機(jī)器器人控制制的發(fā)展展前景盡管長(zhǎng)期期發(fā)展方方向很難難預(yù)測(cè)，一一些前景景還是能能被勾勒勒出來，即即在可觀觀測(cè)的機(jī)機(jī)器人應(yīng)應(yīng)用情況況的主要要驅(qū)動(dòng)力力的基礎(chǔ)礎(chǔ)上怎樣樣做出一一個(gè)合理理的外推推。由于于汽車業(yè)業(yè)是目前前機(jī)器人人發(fā)展的的主要?jiǎng)觿?dòng)力，因因此看一一看基于于激光焊焊接、鉚鉚接、焊焊接、組組裝、上上膠等用用的更精精確、剛剛性、快快速和纖纖細(xì)的機(jī)機(jī)器人代代替大量量的笨重重的點(diǎn)焊焊機(jī)器人人的這種種更早的的建議需需求的汽汽車制造造業(yè)前景景是很相相關(guān)的。假假如使用

35、用光纖、改改進(jìn)釔鋁鋁石榴石石(YAAG) 激光光科技 (Roookss,20000年年)和輕量量級(jí)的焊焊接、鉚鉚接、上上膠設(shè)備備等的技技術(shù)，點(diǎn)點(diǎn)焊機(jī)器器人焊槍槍部分所所承受的的載荷將將從根本本上降低低。這意意味著,在不遠(yuǎn)遠(yuǎn)將來會(huì)會(huì)看到使使用集成成化的執(zhí)執(zhí)行器解解決方案案、纖維維復(fù)合材材料等其其他輕質(zhì)質(zhì)材料的的擁有手手腕和上上臂概念念的輕盈盈苗條的的機(jī)器人人實(shí)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景。即即使一個(gè)個(gè)輕量級(jí)級(jí)的高速速電機(jī)連連同一個(gè)個(gè)輕量級(jí)級(jí)的大傳傳動(dòng)比的的減速機(jī)機(jī)很有可可能會(huì)變變得比起起現(xiàn)在使使用的較較重的手手腕驅(qū)動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)更更加的昂昂貴，由由于主軸軸可配備備具有較較低功率率執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)以及及機(jī)器人人的安裝裝可采用用更

36、小巧巧的框架架結(jié)構(gòu)，機(jī)器人裝置可能會(huì)變得更便宜。為了使苗條的輕量級(jí)機(jī)器人關(guān)于工具力的僵硬，機(jī)器人控制可能需要提供一個(gè)虛擬的剛度, ,對(duì)機(jī)器人的手臂有必要使用傳感器結(jié)構(gòu)。傳感器的一些例子有可選擇式振動(dòng)測(cè)量電極來測(cè)量角度和輸出軸的振動(dòng)的電容式編碼器（圖7）、關(guān)節(jié)力矩傳感器(Pfeffer, Khatib, & Hake, 1989)，加速度計(jì)(de Jager, 1994)、可以測(cè)量臂的振動(dòng)應(yīng)變規(guī)(Feliu, Garca, & Somolinos,2001)。這些分布式傳感器然后以傳感器信息融合的方式被伺服系統(tǒng)使用，基于控制器中運(yùn)行的實(shí)時(shí)控制模式。在這種情況下重要的當(dāng)然是有準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型。工業(yè)機(jī)

37、器人是一種強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，高達(dá)50質(zhì)量彈簧元素加上源自齒輪及其他傳動(dòng)組件的摩擦和空轉(zhuǎn)的非線性進(jìn)行建模。一個(gè)輕盈盈苗條的的機(jī)器人人概念還還被用于于汽車廠廠總裝線線任務(wù)。在這種種情況下下，然而而，必須也也包括直直觀的編編程人類類與機(jī)器器人之間間的直接接接觸高高效的故故障處理理的可能性，否則則自動(dòng)化化系統(tǒng)將將會(huì)太復(fù)復(fù)雜。因因此，充充分的安安全是必必要的，低移動(dòng)質(zhì)量和柔順控制機(jī)器人的在這方面是很重要的(DLR, 2006; Hirzinger, Albu- Schaffer, Hahnle, Schaefer, & Sporer, 2001; Ogawa, Haniya, Okahisa, & Ichibangase, 2005; Zinn, Khatib, Roth, & Salisbury, 2004)。為了獲得高的安全水平，出于安全目的的傳感器虛擬剛度控制的利用將并不遙遠(yuǎn)。這可以通過使用測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生殘差和利用機(jī)器人控制冗余的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)。如果六維指尖力/力矩傳感器或關(guān)節(jié)力矩傳感器用于人機(jī)互動(dòng), 會(huì)進(jìn)一步引進(jìn)冗余監(jiān)測(cè)。圖9 . 一臺(tái)由由ABBB開發(fā)的的新的并并行結(jié)構(gòu)構(gòu)機(jī)器人人，有平面關(guān)關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)器人的的工作空空間同時(shí)時(shí)有Deeltaa機(jī)器人人的性能能。除了上面面描述的的外國(guó)的的發(fā)展