2008届工业机器人课程论文
（安川电机公司生产：SDA10，可做早餐的新型人性化机器人）
川崎公司生产出了日本第一台工业机器人，对工业机器人产业做出了不可磨灭的贡献。川崎生产的喷涂机器人、焊接和组装机器人、半导体工业用机器人也很受市场欢迎
（日本川崎公司成产的工业机器人）
三．几种主要技术在机器人的应用
3.1 plc在机器人中的应用
一．机器人控制器可定义为完成机器人控制功能的结构实现， 可见机器人控制器是机器人的核心部分， 它决定机器人性能的 优劣，也决定机器人使用的方便程度，它从一定程度上影响着机 器人的发展，高性能工业机器人的动态特性包括其工作精度、重 复能力、稳定度和空间分辨度等。不但要实现PTP 控制(point to point control)， 而且还要实现CP 控制(continuous path control)。虽然采用基于PC 的运动控制器和基于DSP 运动控制
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器能够实现机器人的运动控制， 但很难满足高性能工业机器人 的各种要求， 同时电路设计及编程复杂， 需要有较高的理论基 础。而采用PLC 的控制接线简单，只需通过运动控制指令便可 实现对机器人的运动控制， 同时由于PLC 在多轴运动协调控 制、网络通讯方面功能的强大， 对机器人的控制成为现实。由 PLC 构成机器人控制器，硬件配置的工作量较小，无需作复杂的 电路板，只需在端子之间接线。因此本文选用PLC 为工业机器 器。因此本文选用plc为工业机器人的控制器高性能工业机器人主要是各关节的驱现 其PTP、CP 控制，而且在多轴协调控制、速度、加速度、运动精度 等方面对PLC 提出了更高的要求， 在PLC 中日本立石(OMRON) 公司的PLC 和A－B 公司的PLC 在微小型控制方面功能 较强大， 德国西门子公司的PLC 虽然目具有运动控制的功能， 但仍不及MITSUBISHI PLC，MITSUBISHI PLC 具有完整的运 动控制功能，通过高速度的背板，处理器与伺服接口模块进行通 讯，从而实现高度的集成操作及位置环和速度环的闭环控制。可 实现从简单的点－点运动到复杂的齿轮传动，从而完全能够满足 高性能工业机器人的要求。所以本文的机器人控制采用三菱 (MITSUBISHI)公司的Q 系列PLC。 2．1 PLC 模块
图3 为所选择的MITSUBISHI PLC，主要包括下列模块： PLC 模块
1）电源模块：Q－PLC 的电源模块，为PLC 提供电源；作用 是将交流电源转变为直流电源，供PLC 的其他部分模块使用； 2）CPU 模块：相当于大脑部分，信息的相关处理工作主要 是由它完成。
3）I ／O 模块：输入／ 输出信号集中处理模块，外面提供有接 线端口，与外界的通信电缆相联。 4）CC－Link 模块：属于开放式设备级网络；主要是将一个 控制器连接至多个不同的设备， 同时降低配线成本并且增加额 外的功能。
5）以太网模块：属企业级网络，是最上位的网络，用于一个 工厂中各部门之间的信息传递； 利用该网络可以建立连接与
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SCADA 及其他产品和质量控制管理系统相连。 6）网络／ 信息处理模块：其功能主要是采用MELSET ／H 专 用指令，制作除循环通信以外的数据收发程序。控制站／ 通用站 使用。
二、PLC在移动机器人上的应用
采用PLC技术的移动机器人的结构框图PLC源于继电控制装置,其初衷就是替代继电器,并增强其相应功能。所以,它的特长就是处理逻辑量。使用它,能够方便地整理对离散生产过程的顺序进行控制。
下面就分别介绍这五大功能在移动机器人上的应用:
1.顺序控制(开关量控制)。它的目的就是,根据有关开关量的当前与 历史 的输入状况,产生所要求的开关量输出,以使系统能按一定顺序工作。 学会用PLC去实现这个控制就得学会编写实现这个控制的程序。而这个控制程序设计方法基本上有两类:一是用逻辑处理方法,用组合或时序逻辑综合,进行输入、输出变换;另一是用工程方法设计,按不同要求输出控制命令。 工程设计可使用分散、集中或混合的算法实现控制。
集中原则(发布命令原则):其控制命令是由集中控制器发出。这集中控制器就是PLC程序产生的顺序输出的命令。因此可以用在采用步进电机控制的移动机器人上。
分散原则(反馈控制原则):其控制命令是由分散信号提供。如果把控制输出比喻为发命令,分散控制发出命令的内容及时刻,则是由分散动作完成反馈信号决定。
分散控制的优点是,有反馈,若收不到反馈信号,后续的命令不会出现,可使所控制的系统能安全、可靠地工作。因此可以用在由伺服电机控制的移动机器人上。 2.过程控制(模拟量控制)。一般讲,过程控制要用到模拟量。模拟量一般是指连续变化的量,如电流、电压、温度、压力等物理量。而这个模拟量要能被PLC处理,必须离散化、数字化。PLC处理后,还要锁存并转换为模拟输出。为此,要配置A/D模块,使模拟量离散化、数字化;及D/A模块,使数字量锁存并模拟化。 PLC进行过程控制的目的是根据有关模拟量的输入状况,产生所要求的模拟量输出,以使系统能要求工作。 三、PLC的主要优点
1.灵活通用。PLC是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的,如果控制功能需要改变的话,只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。
2.可靠性高、抗干扰性强。PLC采用的是微 电子 技术,大量的开关动作是由于无触点的半导体电路来完成,因此不会出现继电器控制系统中的接线老化、脱焊、触点电弧等现象。如洗衣机。
3.编程简单、使用方便。用微机实现控制,使用的是汇编语言,难于掌握,要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。而PLC采用面向控制过程、面向问题的 自然 语言编程,容易掌握。
4.接线简单,功能强,体积小、重量轻、易于实现机电一体化。
3.2 微操作系统在机器人的的应用
机械电气系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)这一前沿技术主要涵盖以下研究专题：①集成化微型仪器与传感器；②微加工与测试技术；③微操作系统。
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微操作系统作为MEMS研究领域的一个重要分支受到各发达国家的高度重视，纷纷投入大量资金进行微操作机器人系统的研究，现已研制出多种各具特色的微操作机器人实验样机系统［1］。
自1993年起，在国家自然科学基金资助下，北京航空航天大学开始从事微操作机器人的研究，研究内容主要集中于各单元技术。经过几年的技术储备，研究重点开始由各单元技术转向系统集成及应用，如微操作系统的数学模型、微动仿生机构综合理论、基于图像的视觉伺服理论、精细微操作系统的光-机-电集成设计方法等，并把生物工程作为微操作机器人系统的主要应用领域。
把生物工程作为微操作机器人的应用领域，目的可以解释为2点：①从应用层面说，目标相当明确地界定在“面向生物工程”上，如细胞操作、基因转移、染色体切割等，希望给下一世纪中国的“绿色革命”带来推动作用。②从技术层面说，定位在基于显微视觉全局闭环的计算机伺服自动协调作业上。长远观之，其相关技术与微加工、微电子、显微医学等可触类旁通。
1微动并联机器人［2］ “微动并联机器人的研制”课题研制了1台六自由度微动机器人，以其为核心建立了一套包括三自由度粗动平台、显微视觉系统、控制系统及周边辅助设备的实验平台，并重点围绕微操作机器人的机构选型、误差分析、显微视觉及系统标定等方面做了较深入的研究。具体阐述如下：
(1) 通过对国内外微动机构的分析与综合，设计出了创意独特、两级解耦的串并联微动机器人，这在微动机器人领域尚属首例。
此串并联微动机器人有六个自由度,由上(3RPS机构)、下(3RRR机构)两机构并联串接而成［2］，它具有上下机构运动解耦，运动学、动力学及误差分析简便，控制成本低，加速度大，可完成粗调、细调2种功能等特点。其具体技术指标如下：外形尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，工作空间为40 μm×40 μm×24 μm，运动分辨率为0.2 μm。
(2) 为了合理地分配精度，充分评估各项误差对末端执行器位姿的影响，我们利用矢量分析的方法建立了串并联机构结构参数误差与位姿误差的数学模型，分析了各项结构误差对末端位姿的影响程度，并得出了若干对微操作机器人设计、加工及安装有普遍指导意义的结论。
(3 对压电陶瓷驱动器的驱动特性、柔性铰链的机械性能、微动机器人末端位姿的选择、微动机器人的控制方式及图像处理等问题，做了较深入的研究，积累了许多有参考价值的经验。
(4) 提出了对实验环境的若干改进措施。 2面向生物工程的微操作机器人系统
大多数工业机器人是按照给定的程序做简单重复的动作(如焊接、装配、搬运等)，不需要太强的智能。而对于微操作机器人来说，情况就有很大不同。因为被操作对象十分微小，操作人员不可能十分清楚它们的精确位置，况且外界环境的变化使得它们的相对位置不定，微观世界里的物理法则及力学特性与宏观世界也大相径庭，这就要求机器人有很强的自动识别能力和决策能力。同时，温度变化、机械振动、噪声波动、机械蠕变等不稳定因素扰动，以及非线性微动特性、传递累积误差的影响，也使得微操作机器人必须具有很强的自我调整能力(即自我实时标定及补偿能力)。因此微操作机器人必须与其它仪器设备组合成一套光机电高度集成的系统，方能进行显微操作。
北京航空航天大学机器人研究所正在研制的用于细胞操作的微操作机器人系
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统包括倒置生物显微镜、粗动平台、左操作手、右操作手、摄像头、图像处理单元、控制系统、人机交互接口等。
本系统采用全局闭环控制方法，即将显微视觉作为反馈控制源参与伺服控制形成视觉伺服反馈控制系统。系统的具体运作方式解释如下：活体细胞或染色体悬浮在培养液内，左右微操作机器人对称地安装在显微镜机架上，毛细玻璃管与毛细玻璃针等操作工具作为机器人的末端执行器(毛细玻璃管用于捕捉与固定细胞，毛细玻璃针用于细胞的切割、注射等)。首先，在显微视觉伺服的控制下，玻璃管、玻璃针及被操作对象将自动地调整到显微镜的焦平面内。左机器人完成活体细胞的捕捉与固定，右机器人完成切割、注射等精细操作。整个操作过程都在显微视觉的监视下完成，即图像处理单元实时地处理分析采集的图像信息(如细胞、玻璃管、玻璃针之间的相对位姿，细胞核在细胞内的位置等)，并变成控制信号输送给控制器，机器人在控制器的命令下实时地对细胞进行追踪、捕捉、注射、转移等，直至完成整个操作过程。在进行显微注射时，外源基因或染色体或蛋白质的注射量的多少也是在显微视觉及注射装置的共同监控下完成的。整个操作过程通过显微镜、摄像头、监视器实时再现出来，供科研人员进行分析研究。在出现意外的情况下，操作者可根据图像信息，通过人机交互接口对系统进行遥控操作。被操作对象的选取是由操作者通过人机交互接口完成的。
在研制本系统过程中，已取得以下阶段性成果：
(1) 利用螺旋理论，对微动并联机构的型综合问题进行了较深入的研究，并给出了几种并联机构型综合的新方法。
(2) 选用Delta三自由度并联机构作为微操作机器人机构，并结合微操作的特点，对其进行了运动学分析、工作空间优化、误差分析及动态特性分析。作为微操作系统的核心部分，微操作机器人机构应具有外形小、工作可达域相对较大、驱动精细、有很高的定位精度与精度稳定性、良好的动态特性等特点。Delta微动并联机构基本迎合了这些要求。它的外形尺寸为100 mm×100 mm×100 m，工作空间约为500 μm×500 μm×400 μm，运动分辨率约为80 nm。
(3) 在多年探索研究及广泛调研的基础上，总结出了一些对构筑微操作机器人系统有指导意义的设计原则。它不单适用于面向生物工程的微操作机器人系统，对构筑其它应用领域的微操作机器人系统也有一定的参考价值。
(4) 将显微视觉作为反馈控制源参与伺服控制形成视觉伺服反馈控制系统，使显微操作自动化程度及操作精度大大提高。操作者只需用鼠标轻轻一点被操作对象(细胞、染色体等)，系统将自动完成显微操作,如基因注射、细胞切割等。
(5) 机械加工、装配精度低于系统综合精度的特点导致了系统标定的困难性，而各子系统向参考坐标系转换的误差，以及由温度、振动、蠕变等因素造成的误差的随机性更加剧了离线标定的复杂性。本课题针对视觉伺服控制的微操作机器人系统的特性，提出新颖的欠参数标定法。
(6) 本项目拟采用多套智能控制算法，如基于视觉校正的模糊自适应控制方法、基于视觉的模糊预测控制方法，实现基于显微视觉全局闭环的计算机伺服自动协调作业。这些方法在初始模型不精确的情况下，也能保证快速、准确地定位。
3值得注意的若干问题
微操作机器人系统的构筑比工业机器人的设计更为复杂，涉及的研究领域也更为广泛。在构筑“面向生物工程的微操作机器人系统”过程中，以下问题应引起特别注意。这些问题可以作为构筑微操作机器人系统的设计准则。
(1) 莫奢望能构筑一套“万能机器”。由于细胞或染色体是活性的，它的形
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