技術|東南大學段晉軍博士教你輕鬆學習工業機器人系統

來自專欄 機器人大講堂

在日常生活中，談到機器人，我們可能會想到呆萌貼心的大白，想到藍胖子哆啦A夢，玩王者的小哥哥小姐姐可能會聯想到魯班七號。在我們心中的機器人都是被人格化後的機器人形象。那麼，把機器人尤其是工業機器人形象解構以後，他又會是什麼樣子呢？這樣專業的問題，讓我們聽聽東南大學段晉軍博士怎麼說。（以下部分內容摘自段博在《機器人大講堂》中的分享，我們重點介紹一下工業機器人系統）

平時不論是新聞上看到的工業機器人、雙足機器人、四足機器人還是動漫作品裡的機器人形象大部分是機器人本體，而機器人控制系統則是幕後功臣，類似於人的大腦，這個控制系統往往安裝在機器人本體的內部或是有一個單獨的控制單元。

大家來看下面的一幅圖（摘在固高科技的官網），這幅圖描繪了一個工業機器人系統的概貌，一個工業機器人系統包括了機器人本體、伺服電機（或者是直流電機）、減速機、驅動器、控制器、示教器、還有一些外圍的設備，比如攝像頭、六維力感測器、IO模塊、焊接部件等等。

對於一個工業機器人系統而言，我們對上面的圖進行簡化，將剛才的工業機器人系統簡化，抽取出工業機器人系統中必不可少的部分：控制系統、機器人本體和示教器。

而控制系統從常規結構上可以分為兩部分：執行機構和控制系統。執行機構包括機器人本體、伺服電機和減速裝置；控制系統則分為控制器、伺服驅動器、示教器和拓展模塊，其中拓展模塊包括力覺模塊、視覺模塊、抓取模塊等，也就是說我們我們所看到的機器人能完成的每個動作，都需要添加拓展模塊。

舉個例子，假如英雄聯盟中的蒸汽機器人布里茨缺少了抓取模塊，就不能完成機械飛爪技能中的抓取敵人功能啦。

現在進入重點啦，下面來具體分析一下控制系統中每個部分的功能和用途吧。

對於工業機器人系統而言，示教器是用於與用戶交互的設備，它能夠處理和記憶用戶賦予工業機器人的任務指令。一般情況下，它分為三種模式：示教模式、在線模式和遠程模式。示教模式用於示教機器人的動作序列，最終以作業的形式保存在示教盒中；在線模式是復現用戶示教的作業，此時需要示教器對作業進行在線解析，並將解析結果發送給控制器。遠程模式是指用戶可以通過一根網線或是通過網路的形式控制機器人動作，此時，用戶不一定就在機器人旁邊，可以是遠程遙控。更通俗一點的理解：示教器就像遙控賽車的遙控器，用遙控器操縱賽車和使用示教器控制工業機器人是一樣的道理，emmm，這麼一想好像高大上的工業機器人也變得沒那麼神秘了。

當然了，示教器的界面風格也不盡相同，下面是部分示教器的樣子~

說完了示教器，我們來聊一聊控制系統，控制系統是整個系統的指揮中心，現在市面上控制系統有三種架構：基於IPC的匯流排式開放控制架構、PC+運動控制卡的分離架構以及高度集成的控制架構。其中，基於IPC的匯流排式開放控制架構目前使用較多，優勢在於易於擴展，實時性好；PC+運動控制卡的分離架構則稍遜，其拓展性弱，系統笨重且繁瑣；而高度集成的控制架構則主要適用於小型機器人系統。控制系統的實現基本要靠一行行的代碼來實現，其內部包括了底層驅動、建模、運動學、動力學、軌跡規劃、任務規劃等非常複雜的code。

最後，我們來說說機器人本體，它就像人的胳膊或腿，它是一個執行機構，它接收來自機器人控制系統的指令，千萬別以為本體只是個執行器，本體中的電機和減速機可都是機器人本體的核心零部件，尤其是減速機。

說了這麼多，那麼工業機器人的應用場景有哪些呢？

在眾多的製造業領域中，工業機器人應用最為廣泛的領域是汽車及汽車零部件製造業，並不斷向其他領域擴展，如機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、木材和傢具製造業等領域中。

在工業生產中，焊接機器人、激光加工機器人、噴塗機器人、搬運機器人、機床機器人、衝壓機器人、真空機器人等工業機器人都已被大量採用。

http://www.iqiyi.com/w_19rucdt1vp.html

往往上面呈現的形式是：用戶示教工業機器人一組固定的任務序列，若是加上視覺感測器或力覺感測器，工業機器人將有了視覺感知能力和觸覺感知能力。當賦予了工業機器人感知能力，工業機器人會被擴展到更為廣闊的場合。比如人機協作，人機交互，基於視覺的物流揀選、精密裝配等，基於力覺的打磨、去毛刺、柔性裝配等應用場合。

談到工業機器人應用，還想說說央視《大國重器》。2018年3月4日，央視播出《大國重器》第七集《智造先鋒》，作為一名機器人媒體從業者，在觀看視頻時除了驕傲很難再說出其他什麼更加適合於描述自己心中情感的名詞。時至今日，機器人和人工智慧概念成了很多公司炒作自己產品的噱頭，市面上亦不乏各類網紅機器人，我們不斷在各類娛樂節目、新聞媒體中看到機器人的出現，甚至機器人概念成為了某些團隊的炒作工具；與此同時，《大國重器》則把這些和娛樂、和出格言論等可說風馬牛不相及的工業機器人放在了大眾的視野之中，這些冰冷的力臂、車床、發動機可能從誕生的那一刻起到退役都是無言的，這些複雜的機械設備沒有討喜的擬人化外表，如果沒有《智造先鋒》這麼一期視頻，可能很難為大眾所知，但這也是工業機器人的一大特點：

可能沒有華麗的外表，但是足夠有用。

中國製造2025中提出緊密圍繞重點製造領域關鍵環節，開展新一代信息技術與製造裝備融合的集成創新和工程應用。支持政產學研用聯合攻關，開發智能產品和自主可控的智能裝置並實現產業化。依託優勢企業，緊扣關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生產過程智能優化控制、供應鏈優化，建設重點領域智能工廠/數字化車間。在基礎條件好、需求迫切的重點地區、行業和企業中，分類實施流程製造、離散製造、智能裝備和產品、新業態新模式、智能化管理、智能化服務等試點示範及應用推廣。建立智能製造標準體系和信息安全保障系統，搭建智能製造網路系統平台；同時，組織實施大型飛機、航空發動機及燃氣輪機、民用航天、智能綠色列車、節能與新能源汽車、海洋工程裝備及高技術船舶、智能電網成套裝備、高檔數控機床、核電裝備、高端診療設備等一批創新和產業化專項、重大工程。這一切的宏偉壯觀的過程都離不開工業機器人的幫助和支持，可能在日常生活中我們不會直觀地看到工業機器人作業，但是它們一直就在我們的身邊，在你能想像到的任何地方發光、放熱。