I. Предпосылки развития промышленных роботов
Термин «РОБОТ» впервые был использован в 1920 году чешским драматургом Карило Чибеком в его научно-фантастической пьесе «Универсальные роботы Россума» и с тех пор стал синонимом робототехники.
В марте 1938 года журнал The Meccano Magazine сообщил о модели манипулирующего робота, одном из первых отчетов о модели робота, предназначенной для промышленного применения. Разработанный Гриффитом П. Тейлором в 1935 году, он мог перемещаться по пяти осям с помощью одного электродвигателя. К 1954 году первый электронно-программируемый промышленный робот был разработан компанией GC Devol в США. А в 1960 году американская компания AMF выпустила колонный-координатный робот «Версатран» с управлением по точке и траектории, который стал первым в мире роботом, использованным в промышленном производстве.
В 1974 году компания Cincinnati Milacron успешно разработала многосочлененный робот. К 1979 году Unimation выпустила робота PUMA, который представляет собой много-суставной, полностью-моторный привод, многопроцессорный вторичный контроль над роботом, использование специального языка VAL, может быть оснащен визуальными, тактильными датчиками силы, что на тот момент было самым технологически продвинутым промышленным роботом. Сегодняшние промышленные роботы во многом основаны на этой структуре. Этот период робота относится к роботам типа «Обучение-в/Воспроизведение» (Teach{10}}в/Воспроизведение), только с памятью, емкостью для хранения данных, согласно соответствующей программе для повторения операции, окружающая среда в основном не имеет возможности управления восприятием и обратной связью.
В 80-е годы, с развитием сенсорных технологий, включая визуальные датчики, не-визуальные датчики и технологии обработки информации, появилось второе поколение роботов - сенсорных роботов. Он способен получать часть соответствующей информации об операционной среде и объекте эксплуатации, выполнять определенную обработку в реальном-времени и направлять робота для выполнения операций. Второе поколение роботов широко используется в промышленном производстве.
В настоящее время страны исследуют «интеллектуального робота», который не только обладает роботами второго поколения с лучшей экологической осведомленностью, но также обладает способностью к логическому мышлению, суждению и принятию решений-в соответствии с эксплуатационными требованиями и экологической информацией для автономной работы.
II. Сценарии применения промышленных роботов
С начала 1960-х годов человечество создало первых промышленных роботов, роботы демонстрируют свою большую жизнеспособность, всего за 50 лет технология робототехники быстро развивалась, во многих производственных областях промышленные роботы наиболее широко используются в области производства автомобилей и автомобильных деталей и компонентов, и постоянно распространяются на другие области, такие как машиностроение, электроника, электротехническая промышленность, резиновая и пластмассовая промышленность, автомобили и автомобильные детали и промышленность по производству комплектующих. Электротехническая промышленность, резиновая и пластмассовая промышленность, пищевая промышленность, деревообрабатывающая и мебельная промышленность и другие отрасли. В промышленном производстве в большом количестве используются сварочные роботы, роботы для шлифования и полировки, сварочные роботы, роботы для лазерной обработки, роботы для распыления, манипуляторы, вакуумные роботы и другие промышленные роботы. Ниже приводится введение в некоторые сценарии применения и технические характеристики промышленных роботов.
III. Текущая ситуация с промышленными роботами
Наряду с растущим распространением промышленных роботов тенденцией станет «машина для человека». Foxconn ранее объявила, что закупит миллион роботов в течение трех лет, как ожидается, к 2016 году будет построена в Шаньси Цзиньчэн, «крупнейшая в мире база по производству интеллектуальных роботов».
Автомобильная, электронная, пищевая, химическая, пластмассовая и резиновая, металлоизделия, шесть отраслей обрабатывающей промышленности рассматриваются в качестве текущего применения промышленных роботов в основных областях, агентство прогнозирует, что годовой спрос составит от 1 до 2 миллионов единиц, что составляет около 70% спроса на рынке промышленных роботов Китая.
По состоянию на сентябрь этого года общее количество предприятий робототехники в Китае достигло почти 420. Кроме того, в настоящее время по всему Китаю строятся более 30 промышленных парков робототехники.
Причина, по которой промышленные роботы стремительно растут на китайском рынке, заключается, во-первых, в том, что с точки зрения стоимости роботы обычно составляют лишь одну-четвертую часть стоимости рабочей силы; во-вторых, роботы также могут принести много новых преимуществ с точки зрения качества, эффективности и управления. Таким образом, в результате быстрого совершенствования технологий робототехники цены резко упали, нехватка рабочей силы, рост затрат на рабочую силу и другие факторы, индустрия промышленной робототехники Китая переживает эпоху прорыва.
IV. Ключевые технологии промышленных роботов
1. Состав базовой системы робота
Промышленный робот состоит из 3 основных частей и 6 подсистем: механической части, чувствительной части и части управления. Эти 6 подсистем можно разделить на систему механической конструкции, систему привода, систему датчиков, систему взаимодействия робота с окружающей средой, систему взаимодействия человека и машины и систему управления.
Состав системы промышленных роботов
(1) Система механической конструкции промышленных роботов состоит из трех основных частей: основания, руки и концевого манипулятора, и каждая из этих основных частей имеет ряд механических систем с несколькими степенями свободы. Если база имеет шагающий механизм, она представляет собой шагающий робот; если основание не имеет механизма ходьбы и сгибания, оно представляет собой единую руку робота. Рука обычно состоит из плеча, предплечья и запястья. Концевой манипулятор — это важная деталь, которая крепится непосредственно на запястье. Это может быть рукоятка с двумя-пальцами или несколькими пальцами, а также краскопульт, сварочные инструменты и другие рабочие инструменты.
(2) система привода, чтобы робот мог работать, должна быть размещена в суставах, то есть каждая степень свободы движения на передающем устройстве, которое является системой привода. Система привода может быть гидравлической, пневматической, электрической или их комбинацией для применения интегрированной системы, может представлять собой прямой привод или непрямой привод через синхронный ремень, цепь, колесную систему, гармонические шестерни и другой механизм механической передачи.
(3) Сенсорная система состоит из внутреннего сенсорного модуля и внешнего сенсорного модуля для получения значимой информации о состоянии внутренней и внешней среды. Использование интеллектуальных датчиков повышает уровень мобильности, адаптивности и интеллекта робота. Сенсорная система человека чрезвычайно ловко воспринимает информацию о внешнем мире, однако в отношении некоторой конкретной информации сенсоры более эффективны, чем сенсорная система человека.
(4) Система обмена средой робота представляет собой современный промышленный робот и внешнюю среду взаимозаменяемой системы контакта и координации оборудования. Промышленные роботы и внешнее оборудование объединены в функциональный блок, например, блок обработки, сварочный блок, сборочный блок и т. д. Конечно, это также могут быть несколько роботов, несколько станков или оборудования, несколько устройств хранения деталей и т. д. в функциональном блоке для выполнения сложных задач.
(5) система обмена человеком-машиной представляет собой управление оператором и роботом и контакт с роботизированным устройством, например, стандартный терминал компьютера, командную консоль, информационное табло, сигнализацию опасности и т. д. Система разделена на две основные категории: устройства-подачи команд и устройства отображения информации.
6) Система управления роботом является мозгом робота и является основным фактором, определяющим функции и производительность робота.
Задача системы управления состоит в том, чтобы управлять приводом робота для выполнения заданного движения и функционирования в соответствии с программой инструкций по эксплуатации робота и обратным сигналом от датчика. Если промышленный робот не имеет характеристик информационной обратной связи, это система управления с разомкнутым-контуром; если она имеет характеристики обратной связи, это система управления с замкнутым-циклом. По принципу управления систему управления можно разделить на программную систему управления, систему адаптивного управления и систему управления искусственным интеллектом. По форме операции управления системы управления можно разделить на точечные и траекторные. Тип точечного положения контролирует только точное позиционирование привода от одной точки к другой и подходит для таких операций, как загрузка и разгрузка станков, точечная сварка и общие манипуляции, погрузка и разгрузка и т. д. Тип непрерывной траектории контролирует движение привода в соответствии с заданной траекторией и подходит для таких операций, как непрерывная сварка и покраска.
Задача системы управления состоит в том, чтобы управлять приводом робота для выполнения заданного движения и функционирования в соответствии с программой инструкций по эксплуатации робота и обратным сигналом от датчика. Если промышленный робот не имеет характеристик информационной обратной связи, это система управления с разомкнутым-контуром; если она имеет характеристики обратной связи, это система управления с замкнутым-циклом. По принципу управления систему управления можно разделить на программную систему управления, систему адаптивного управления и систему управления искусственным интеллектом. По форме операции управления системы управления можно разделить на точечные и траекторные. Полный комплект промышленных роботов включает в себя корпус робота, системное программное обеспечение, шкаф управления, периферийное механическое оборудование, ПЗС-систему зрения, приспособление/захват, шкаф управления ПЛК для периферийного оборудования и демонстрационный/демонстрационный ящик.
В следующем разделе основное внимание уделяется системе привода и сенсорной системе робота.
2. Система привода робота.
Система привода промышленных роботов делится на три основные категории: гидравлические, пневматические и электрические, в зависимости от источника питания. В соответствии с потребностями эти три основных типа также могут быть объединены в составную систему привода. Эти три типа базовых систем привода имеют свои особенности.
Система гидравлического привода: поскольку гидравлическая технология является более зрелой технологией. Он имеет большую мощность, силу (или момент) и коэффициент инерции, быстрый отклик, легко реализует характеристики прямого привода. Подходит для использования в этих роботах с большой грузоподъемностью, большой инерцией и работающих в среде, защищенной от сварки. Однако гидросистема требует преобразования энергии (электрической энергии в гидравлическую энергию), регулирования скорости в большинстве случаев с помощью дроссельного регулирования скорости, КПД ниже, чем у системы электропривода. Слив жидкого осадка из гидравлической системы может загрязнять окружающую среду, а также повышается уровень рабочего шума. Из-за этих недостатков в последние годы их часто заменяют электрическими системами в роботах с нагрузкой 100 кг и менее.
Полностью гидравлические сверхмощные-роботы
Пневматический привод отличается высокой скоростью, простой структурой системы, простотой обслуживания и низкой ценой. Однако из-за низкого рабочего давления пневматического устройства его нелегко точно позиционировать, обычно оно используется только для привода исполнительного органа конца- промышленного робота. Пневматический ручной захват, поворотный цилиндр и пневматическая присоска в качестве концевого-эффектора могут использоваться для захвата и сборки заготовок средней и малой нагрузки. На рисунке показаны пневматические присоски и пневматические захваты роботов.
Пневматические присоски и пневматические захваты для роботов
Привод двигателя — это основной режим привода современных промышленных роботов, разделенный на четыре категории двигателей: серводвигатели постоянного тока, серводвигатели переменного тока, шаговые двигатели и линейные двигатели. Серводвигатели постоянного тока и серводвигатели переменного тока с замкнутым-контурным управлением, обычно используемые для высоко-точного и высокоскоростного-привода роботов; шаговые двигатели для точности и скорости не являются высокими требованиями, использование разомкнутого-управления контуром; линейные двигатели и их системы управления приводом стали технически зрелыми, традиционные передаточные устройства не могут сравниться с превосходными характеристиками, такими как адаптация к очень высокой-скорости и очень низкой-скорости применениям, высокое ускорение, высокая точность, отсутствие пустого возврата, низкий износ, структура и структура захвата робота. Нет пустой задней части, низкий износ, простая конструкция, нет редуктора и винтовой муфты. Ввиду большого количества требований к линейному приводу в параллельных роботах, линейные двигатели широко используются в области параллельных роботов.
3. Сенсорная система робота
Система восприятия робота преобразует различную информацию о внутреннем состоянии и информацию об окружающей среде робота из сигналов в данные и информацию, которые могут быть поняты и применены самим роботом или между роботами. Помимо необходимости воспринимать механические величины, связанные с его собственным рабочим состоянием, такие как смещение, скорость, ускорение, сила и крутящий момент, технология визуального восприятия является важным аспектом восприятия промышленного робота.
Визуальные сервосистемы используют визуальную информацию в качестве сигналов обратной связи для управления и регулировки положения и ориентации робота. Приложения в этой области находятся в основном в полупроводниковой и электронной промышленности. Системы машинного зрения также широко используются в различных аспектах контроля качества, идентификации заготовок, сортировки и упаковки пищевых продуктов.
Обычно визуальный сервопривод робота представляет собой визуальный сервопривод на основе позиции-или визуальный сервопривод-на основе изображения, которые также известны как визуальный сервопривод 3D и визуальный сервопривод 2D соответственно, и каждый из этих двух методов имеет свои преимущества и применимость, а также некоторые недостатки, поэтому были предложены методы 2,5-мерного визуального сервопривода.
Визуальная следящая система-на основе положения использует параметры камеры для установления взаимосвязи между информацией изображения и информацией о положении/отношении конечного-эффектора робота для реализации замкнутого-управления по замкнутому контуру положения конечного-эффектора робота. Ошибки положения и ориентации конечного-эффектора оцениваются на основе информации о положении конечного-эффектора, извлеченной из изображений, полученных в реальном-времени, и геометрической модели локализованной цели, а затем на основе ошибок положения и ориентации получаются новые параметры положения и ориентации каждого сустава. Визуальное обслуживание-на основе позиции требует, чтобы конечный-эффектор всегда был виден в визуальной сцене и вычислялась его трехмерная позиционная информация. Устранение помех и шума на изображении является ключом к обеспечению точного расчета ошибок положения и ориентации.
Сервопривод 2D Vision получает сигнал ошибки путем сравнения характеристик изображения, снятого камерой, с заданным изображением (а не с 3D-геометрической информацией). Затем робот корректируется совместным контроллером и видеоконтроллером, а также текущим рабочим состоянием робота, что позволяет роботу завершить сервоуправление. По сравнению с 3D-визуальным сервоприводом, 2D-визуальный сервопривод более устойчив к ошибкам калибровки камеры и робота, но при проектировании визуального сервоконтроллера неизбежно возникают такие проблемы, как сингулярность матрицы Якоби изображения и локальные минимумы.
Чтобы устранить ограничения 3D- и 2D-методов визуального сервопривода, F. Chaumette et al. предложил 2,5-мерный визуальный следящий метод. Он отделяет замкнутый-цикл управления смещением и вращением камеры и восстанавливает соотношение ориентации и глубины изображения объекта в трехмерном пространстве на основе характерных точек изображения, при этом часть перемещения представлена координатами характерных точек на плоскости изображения. Этот метод позволяет успешно объединить сигналы изображения и сигналы положения, извлеченные на основе изображения, и синтезировать генерируемые ими сигналы ошибок для обратной связи, что в значительной степени решает проблемы устойчивости, сингулярности и локальных минимумов. Однако в этом методе еще предстоит решить некоторые проблемы, например, как обеспечить, чтобы эталонный объект всегда находился в поле зрения камеры во время процесса сервирования, а также существование неединственных решений при разложении матрицы особенностей.
При моделировании контроллера машинного зрения необходимо найти подходящую модель, описывающую взаимосвязь между конечным-эффектором робота и камерой. Метод матриц изображений Якоби — широко используемый класс методов в области исследования зрительного аппарата роботов. Матрица Якоби изображения меняется-во времени, поэтому ее необходимо рассчитывать или оценивать онлайн.
4. Ключевые базовые компоненты робота
В роботе 4 основных компонента: 22% стоимости корпуса, 24% сервосистемы, 36% редуктора и 12% контроллера. Ключевые базовые компоненты робота относятся к составу системы привода робота, системы управления и системы взаимодействия человека и машины, играют ключевую роль, влияя на производительность робота, и имеют общность и модульность составного блока. Основные компоненты робота в основном разделены на следующие три части: высокоточный-редуктор робота, высокопроизводительные-серводвигатели и приводы постоянного и переменного тока, высокопроизводительный-контроллер робота.
1) Редуктор
Редуктор является ключевым компонентом робота, и в настоящее время в основном используются два типа редукторов: гармонический зубчатый редуктор и редуктор RV.
Метод гармонической передачи был изобретен американским изобретателем К. Уолтом Массером в середине-1950-х годов. Гармонический зубчатый редуктор в основном состоит из генератора волн, гибкой шестерни и жесткой шестерни 3 основных компонентов, полагаясь на генератор волн для создания гибкой шестерни для создания контролируемой упругой деформации, а также с жестким зубчатым зацеплением для передачи движения и мощности, передаточное число одноступенчатой передачи до 70 ~ 1000, с помощью гибкой деформации колеса можно выполнять реверс без зацепления с люфтом. По сравнению с обычным редуктором, когда выходной крутящий момент одинаковый, объем гармонического редуктора можно уменьшить на 2/3, вес можно уменьшить на 1/2. гибкое колесо выдерживает большую переменную нагрузку, поэтому требования к усталостной прочности материала, обработке и термообработке высоки, производственный процесс сложен, производительность гибкого колеса является ключом к высококачественному гармоническому зубчатому редуктору.
Немецкий Лоренц Бараен предложил принцип циклоидной планетарной передачи в 1926 году, а японская компания TEIJINSEIKICo., Ltd. возглавила разработку редуктора RV в 1980-х годах. Редуктор РВ состоит из передней ступени планетарного редуктора и задней ступени циклоидного редуктора. По сравнению с гармоническими редукторами, редукторы RV обеспечивают лучшую точность поворота и сохранение точности.
Чэнь Шисянь изобрел технологию передачи с приводом. Четвертое поколение колебательно-роликовой передачи (ОРТ) успешно применяется во многих промышленных изделиях. Составная колебательная роликовая передача (КОРТ), предложенная на основе ОРТ, не только обладает аналогичными преимуществами передачи РВ, но также преодолевает недостатки силы подшипника коленчатого вала передачи РВ, малой долговечности, а также дополнительно увеличивает срок службы и грузоподъемность; Структура CORT позволяет сделать то же самое. Структура CORT делает разницу возврата меньше при том же индексе точности, а точность и жесткость движения выше, что устраняет дефекты трансмиссии RV, требующие высокой точности производства, и может относительно снизить требования к обработке и производственные затраты. CORT независимо разработан в Китае и владеет независимыми правами интеллектуальной собственности. Аньшаньский научно-исследовательский институт износостойких-сплавов и компания Zhejiang Hengfengtai Reducer Manufacturing Co., Ltd. успешно разработали редукторы CORT для роботов.
Редуктор ОРТ Редуктор КОРТ
В настоящее время 75% доли рынка высокоточных роботизированных редукторов монополизировано двумя японскими компаниями-редукторами, соответственно, которые поставляют циклоидный редуктор для автофургонов Japan Nabtesco и высокопроизводительный-редуктор гармоник Japan Harmonic Drive. включая ABB, FANUC, KUKA, MOTOMAN, включая основных международных производителей роботов, редуктор от двух вышеупомянутых компаний, чтобы предоставить отечественным и международным производителям роботов редуктор от двух вышеупомянутых компаний. Редукторы ведущих международных производителей роботов, включая ABB, FANUC, KUKA и MOTOMAN, поставляются двумя вышеупомянутыми компаниями. Отличием от общих моделей, выбранных отечественными робототехническими компаниями, является то, что основные международные производители роботов подписали отношения стратегического сотрудничества с двумя вышеупомянутыми компаниями, и большая часть поставляемой продукции представляет собой специализированные модели, улучшенные в соответствии со специальными требованиями производителей на основе общих моделей. Отечественные исследования в области высокоточных циклоидных редукторов начались поздно, лишь в некоторых колледжах и университетах научно-исследовательские институты провели соответствующие исследования. В настоящее время в промышленных роботах не используются зрелые продукты. В последние годы некоторые отечественные производители и учреждения начали заниматься локализацией и индустриализацией исследований высокоточных циклоидных редукторов, такие как Чжэцзян Хэнфэнтай, Государственная ключевая лаборатория механической трансмиссии Университета Чунцина, Тяньцзиньский завод редукторов, Циньчуаньский станкостроительный завод, Даляньский железнодорожный институт и так далее. Что касается редуктора гармоник, в Китае есть альтернативные продукты, такие как Beijing Sinotech Kemi, Beijing Harmonic Drive, но соответствующие продукты по входной скорости, высоте кручения, точности передачи и эффективности с японскими продуктами все еще имеют небольшой разрыв, зрелое применение промышленных роботов только началось.
2) Серводвигатели
В серводвигателе и приводе нынешняя европейская часть привода робота в основном поставляется компаниями Lenze, Lust, Bosch Rexroth и другими компаниями. Эти европейские двигатели и компоненты привода способны перегружаться, динамический отклик хороший, открытость привода сильная и имеет интерфейс шины, но цена дорогая. Ключевые компоненты промышленных роботов японской марки в основном поставляются Yaskawa, Panasonic, Mitsubishi и другими компаниями, их цена относительно низкая, но динамический отклик плохой, открытость плохая, и большинство из них имеют только аналоговый и импульсный режим управления. В последние годы Китай также провел фундаментальные исследования и индустриализацию мощных-синхронных двигателей переменного тока с постоянными магнитами и деталей привода, таких как Харбинский технологический институт, Пекин и Лиси, Гуанчжоу с ЧПУ и другие агрегаты, и имеет небольшие производственные мощности, но его динамические характеристики, открытость и надежность должны быть проверены более практичными приложениями в проектах робототехники.
3) Контроллер
Что касается контроллеров роботов, в настоящее время основные зарубежные производители роботов используют общую платформу многоосных контроллеров движения, основанную на независимых исследованиях и разработках. В настоящее время общая платформа многоосного контроллера в основном разделена на встроенные процессоры (DSP, POWER PC) в качестве ядра карты управления движением и промышленного компьютера, а также систему реального-времени в качестве ядра системы ПЛК, которые представлены платой PMAC компании Delta Tau и системой TwinCAT компании Beckhoff. Внутренняя карта управления движением, солидная компания разработала соответствующие зрелые продукты, но применение робота относительно невелико.
5. Операционная система робота
Общая операционная система роботов (операционная система роботов, ROS) представляет собой стандартизированную строительную платформу, предназначенную для роботов, которая позволяет каждому разработчику роботов использовать одну и ту же операционную систему для разработки программного обеспечения роботов. ROS будет способствовать развитию индустрии роботов в направлении независимости аппаратного и программного обеспечения. Модель независимой разработки аппаратного-программного обеспечения во многом способствовала развитию и быстрому развитию технологий ПК, ноутбуков и смартфонов.
ROS сложнее разработать, чем компьютерную операционную систему. Компьютерам необходимо выполнять лишь некоторые четко-математические операции, в то время как роботам приходится выполнять более сложные реальные операции движения.
ROS предоставляет стандартные службы операционной системы, включая абстракцию оборудования, управление базовыми устройствами, реализацию общих функций, сообщения между-процессами и управление пакетами.
ROS разделена на два уровня: нижний уровень — это уровень операционной системы, а верхний уровень — это различные пакеты программного обеспечения, предоставленные сообществом пользователей для реализации различных функций робота.
Основными существующими архитектурами операционных систем для роботов являются операционная система Ubuntu с открытым исходным кодом на базе Linux-Ubuntu. Кроме того, различные типы систем ROS были разработаны в Стэнфордском университете, Массачусетском технологическом институте и Мюнхенском университете в Германии. Команда разработчиков робототехники Microsoft также выпустила «версию робототехники для Windows» в 2007 году.
6. Планирование движения робота
Чтобы повысить эффективность работы и чтобы робот мог выполнить конкретную задачу в кратчайшие сроки, необходимо разумное планирование движений. Автономное планирование движения делится на планирование пути и планирование траектории.
Цель планирования пути — сделать расстояние между путем и препятствием как можно большим, при этом длина пути должна быть как можно короче; Цель планирования траектории состоит в том, чтобы сделать суставы робота в пространственном движении, время работы робота как можно короче или энергию как можно меньше. Планирование траектории при планировании пути на основе добавления информации временных рядов позволяет роботу выполнить задачу планирования скорости и ускорения, чтобы удовлетворить требования плавности и управляемости скорости.
Воспроизведение демонстрации - это один из методов реализации планирования пути, через рабочее пространство для демонстрации и записи результатов демонстрации, воспроизводимый в рабочем процессе, демонстрация на месте-напрямую соответствует потребностям робота для завершения действия, путь интуитивно понятен и ясен. Недостаток в том, что он требует опытных операторов и отнимает много времени, а путь не может быть оптимизирован. Чтобы решить вышеуказанные проблемы, можно построить виртуальную модель робота, а планирование пути выполнения операционной задачи можно выполнить посредством виртуальной визуализации.
Планирование пути может осуществляться в суставном пространстве. Гаспаретто использует пять сплайнов B- в качестве функции интерполяции для совместных траекторий, а интеграл квадрата добавленного ускорения по отношению ко времени движения используется в качестве целевой функции для оптимизации, чтобы гарантировать, что движение каждого сустава является достаточно плавным. Сонгго Лю вычисляет интерполяцию траекторий суставов робота, используя пятикратный B-сплайн, а конечные значения скорости и ускорения отдельных суставов робота могут быть настроены произвольно в соответствии с требованиями плавности. Кроме того, планирование траектории в совместном пространстве позволяет избежать проблемы сингулярности в оперативном пространстве. Huo et al. разработал алгоритм оптимизации траектории сустава, позволяющий избежать сингулярностей в пространстве суставов, используя избыточность в функциональности определенного сустава робота дуговой сварки с 6-степенью-свободы во время выполнения задачи, а также принимая сингулярность робота и ограничения суставов в качестве ограничений для оптимизации вычислений с помощью метода TWA.
Совместное планирование пути в пространстве имеет следующие преимущества по сравнению с планированием пути в операционном пространстве:
① Избегание проблемы сингулярности робота в рабочем пространстве;
② Поскольку движение робота контролируется путем управления движением двигателей суставов, в суставном пространстве можно избежать большого количества расчетов прямой и обратной кинематики;
③Отдельные траектории суставов в суставной щели облегчают оптимизацию контроля.
V. Классификация промышленных роботов
1. С точки зрения механической конструкции роботы делятся на последовательные и параллельные.
(1) серийный робот характеризуется движением одной оси, изменит начало координат другой оси, в позиционном решении серийный робот легко найти положительное решение, но обратное решение очень сложно;
(2) Параллельный робот использует параллельный механизм, и движение одной оси не меняет начало координат другой оси. Преимущества параллельного робота заключаются в большой жесткости, стабильной конструкции, большой грузоподъемности, высокой точности микро-движений и небольшой подвижной нагрузке. Ее положительное решение трудно, обратное решение очень просто. На рисунке показаны последовательные и параллельные роботы.
Тандемный робот, параллельный робот
2. Промышленные роботы делятся на следующие категории по форме координат оператора: (Под формой координат понимается форма исходной системы координат, принимаемая рукой оператора в движении.)
(1) Промышленные роботы декартовой координаты
Его подвижная часть состоит из трех взаимно перпендикулярных линейных движений (т. е. PPP), а фигура рабочей области имеет прямоугольную форму. Расстояние его перемещения в каждом осевом направлении можно считывать непосредственно по каждой оси координат, что интуитивно понятно, легко программировать и рассчитывать положение и положение, высокая точность позиционирования, свободное управление соединением-, простая структура, но пространство, занимаемое корпусом, велико по объему, малый диапазон действия, плохая гибкость и трудность в координации с другими промышленными роботами.
(2) Промышленный робот цилиндрического координатного типа.
Форма движения реализуется вращением и двумя подвижными системами движения, график рабочего пространства для цилиндра, по сравнению с промышленным роботом в декартовых координатах, при тех же условиях рабочего пространства тело занимает небольшой объем, но диапазон движения велик, точность его позиционирования уступает только роботу в декартовых координатах, его сложно координировать с другими промышленными роботами.
(3) Промышленный робот с шаровыми координатами
Промышленный робот с шаровой - координатой, также известный как промышленный робот с полярной- координатой, движение его руки происходит за счет двух вращающихся и линейных движений (т. е. RRP, вращательного, шагового и выдвижного движения), состоящего из сферы в рабочем пространстве, он может совершать наклоны вверх и вниз и может захватывать землю или обучать координации низкого положения заготовки, его точность позиционирования высокая, ошибка позиционирования и длина руки пропорциональна длине руки.
4)Мульти-шарнирные промышленные роботы
Также известный как промышленный робот с вращающимися координатами, эта рука промышленного робота и верхняя конечность человека, подобные первым трем суставам, представляют собой вращательные тиски (т. е. RRR). Промышленный робот обычно состоит из колонн, больших и малых рук, колонны и большая рука образуют плечевые суставы, большая рука и локтевые суставы между маленькой рукой, так что большая рука выполняет вращательное движение и поворот тангажа, а малая рука выполняет поворот тангажа. Его структура самая компактная, гибкая, наименьшая занимаемая площадь, может работать в координации с другими промышленными роботами, но точность позиционирования низкая, есть проблема с балансом, соединение управления, этот промышленный робот используется все более широко.
(5) Промышленный робот плоского шарнирного типа
Он использует подвижный сустав и два вращающихся сустава (т. е. PRR), подвижные суставы для достижения движения вверх и вниз, в то время как два вращающихся сустава контролируют движения вперед и назад, влево и вправо. Эта форма промышленного робота также известна как сборочный робот (SCARA (Seletive Compliance Assembly Robot Arm). В горизонтальном направлении он обладает гибкостью, а в вертикальном направлении он обладает большой жесткостью. Это простая конструкция, гибкое действие, в основном используемое в сборочных операциях, особенно подходящее для сборки деталей небольшого- размера, например, в электронной промышленности, вставки, сборки в широком диапазоне. приложений.
3. Промышленные роботы в соответствии с методом ввода программы различают два типа ввода программирования и типа ввода обучения:
(1) Тип ввода для программирования: компьютер был запрограммирован в файле операционной программы через последовательный порт RS232 или Ethernet и другие методы связи со шкафом управления роботом.
(2) Существует два типа методов обучения для режима Teach-In: обучение с помощью обучающего блока и прямое обучение приводов под руководством оператора-.
Обучение коробки обучения оператором с помощью ручного контроллера (обучение коробки), командный сигнал системе привода, так что привод один раз выполняет требуемую последовательность действий и траекторию упражнения. Использование обучающего блока для обучения промышленных роботов относительно распространено, обычные промышленные роботы оснащены функцией обучения обучающего блока, но из-за сложной траектории ситуации обучение обучающего блока не может достичь желаемых результатов, например, для сложных поверхностей при распылении краски покрасочным роботом.
Учебная коробка для роботов
Когда оператор непосредственно управляет приводом, робот учится выполнять необходимую последовательность движений и траекторию. В то же время в процессе обучения информация о рабочей программе автоматически сохраняется в памяти программы при автоматической работе робота, система управления из памяти программы обнаруживает соответствующую информацию, подает командный сигнал на приводной механизм, чтобы привод воспроизводил обучение различным действиям.
Ⅵ. индекс оценки производительности промышленного робота
Основные параметры и показатели характеристик робота в основном включают рабочее пространство, степени свободы, полезную нагрузку, точность движения, характеристики движения, динамические характеристики.
Индикаторы оценки производительности промышленных роботов
1. Рабочее пространство (рабочее пространство) относится к конкретной части руки робота, которая в определенных условиях может достигать набора пространственных позиций. Характеристики и размер рабочего пространства отражают размер рабочей способности робота. При понимании рабочего пространства робота следует отметить следующие моменты:
(1) Обычно рабочее пространство, указанное в руководстве к промышленному роботу, относится к диапазону, которого может достигать в пространстве начало системы координат механического интерфейса на запястье, то есть к диапазону, которого может достичь в пространстве центральная точка фланца на конце запястья, а не к диапазону, которого может достичь конечная точка конечного-эффектора. Поэтому при проектировании и выборе робота важно обращать внимание на рабочее пространство, которого фактически может достичь робот после установки концевого-эффектора.
(2) Рабочее пространство, указанное в руководстве по роботу, часто меньше максимального пространства в кинематическом смысле. Это связано с тем, что в доступном пространстве положение рычага отличается, а полезная нагрузка, максимальная скорость и максимальное ускорение не одинаковы, в максимальном положении стойки рычага предельное значение обычно меньше, чем в других положениях. Кроме того, может иметь место ухудшение степеней свободы на границе максимально достижимого пространства робота, которое называется шаблоном сингулярных битов, а эволюция степеней свободы происходит в значительном диапазоне вокруг шаблона сингулярных битов, и эта часть рабочего пространства не может быть использована во время работы робота.
(3) Помимо края рабочего пространства, промышленные роботы в практическом применении также могут быть ограничены механической структурой рабочего пространства. Внутри рабочего пространства также существует область, до которой не может добраться конец руки, которую часто называют полостью или полостью. Полость — это полностью закрытое пространство внутри рабочего пространства, до которого невозможно добраться концом манипулятора. А полость вдоль вала по всей длине рычага не может дойти до места.
2.Степени свободы движения относятся к количеству переменных, необходимых оператору робота для перемещения в пространстве, используемых для указания степени гибкости параметра действия робота, как правило, для перемещения вдоль оси и вращения вокруг оси количества независимых движений, которые необходимо указать.
Свободный объект имеет шесть степеней свободы в пространстве (три степени свободы вращения и три степени свободы движения). Промышленные роботы часто представляют собой открытые рычажные системы, имеющие только одну степень свободы на каждый шарнир, поэтому обычно количество степеней свободы робота равно количеству его суставов. Чем больше степеней свободы имеет робот, тем он мощнее. Несколько дней назад промышленные роботы обычно имели 4-6 степеней свободы. Избыточные степени свободы возникают, когда количество соединений (степеней свободы) робота увеличивается до такой степени, что оно становится бесполезным для ориентации и локализации конечного рабочего органа. Наличие избыточных степеней свободы повышает гибкость работы робота, но и усложняет управление.
Промышленные роботы всегда можно разделить на два вида линейного движения (сокращенно P) и вращательного движения (сокращенно R) с точки зрения движения, а применение сокращенных символов P и R может указывать на характеристики степеней свободы движения манипулятора, например, RPRR указывает, что робот-манипулятор имеет четыре степени свободы и что суставы перемещаются в порядке поворотный-линейный-поворотный-поворотный, начиная от основания и до конца рычага. Кроме того, степени свободы движения промышленных роботов имеют ограничения по амплитуде движений.
3. Полезная нагрузка
Полезная нагрузка означает вес объекта, который оператор робота может нести на конце руки, или силу или момент, которые он может выдержать во время работы, и используется для обозначения грузоподъемности оператора.
Робот в разных положениях, максимально допустимая масса различна, поэтому номинальная масса робота — это рука в любом положении в рабочей области конца лучезапястного сустава, которая может выдержать максимальную массу.
4. Точность движения
Точность механической системы робота в основном включает в себя точность положения, точность повторения положения, точность траектории, точность повторения траектории и так далее.
Точность положения означает отклонение между заданным положением и центром фактического положения при приближении к заданному положению с того же направления. Точность повторения позиции относится к степени несоответствия фактической позиции после ответа на одну и ту же командную позицию с одного и того же направления в течение n раз.
Точность траектории — это степень близости механического интерфейса робота к заданной траектории с одного и того же направления n раз. Повторяемость траектории означает степень несоответствия между данной траекторией и фактической траекторией после прохождения ее n раз в одном и том же направлении.
5. Характеристики движения (Sped)
Скорость и ускорение являются основными показателями характеристик движения робота. В инструкции к роботу обычно указывается максимальная стабилизированная скорость основных степеней свободы движения, но на практике просто учитывать максимальную стабилизированную скорость недостаточно, следует также обратить внимание на ее максимально допустимое ускорение.
6. К динамическим характеристикам конструкции в основном относятся масса, момент инерции, жесткость, коэффициент демпфирования, собственная частота и формы вибрации.
Конструкция должна минимизировать массу и инерцию. Что касается жесткости робота, если жесткость недостаточна, точность позиционирования робота и собственная частота системы будут уменьшены, что приведет к динамической нестабильности системы; однако для некоторых операций (например, операций сборки) выгодно соответствующим образом повысить гибкость, и в идеале желательно, чтобы жесткость рычага робота могла регулироваться. Увеличение демпфирования системы выгодно для уменьшения времени затухания колебаний и улучшения динамической устойчивости системы. Увеличение собственной частоты системы, чтобы избежать диапазона рабочих частот, также полезно для улучшения стабильности системы.
Ⅶ. промышленные роботы сталкиваются с техническими проблемами
1, на рынок роботов приходилось девяносто процентов иностранного капитала.
Рынок робототехники процветает, но китайская индустрия робототехники не настроена оптимистично. Согласно рыночной статистике, рынок промышленной робототехники материкового Китая монополизирован иностранными производителями, на японских производителей приходится 52%, на европейских производителей приходится 30%, а остальные около 10% производителей материкового Китая.
Поскольку порог входа в индустрию робототехники довольно высок, в рейтинги четырех крупнейших поставщиков мирового рынка робототехники вошли Japan Fanuc, Yaskawa Electric, ABB и KUKA, что в общей сложности составляет 50% доли рынка.
С другой стороны, в ближайшие 30 лет рынок промышленной робототехники материкового Китая сохранит как минимум 30% быстрого роста. С этой целью мировые производители робототехники активно расширяют масштабы продаж робототехнического бизнеса на материковом рынке Китая, в том числе FANUC, YASKAWA Electric, ABB и KUKA и т. д., которые активно работают на материковой части Китая и открывают заводы.
В настоящее время промышленные роботы материкового Китая, хотя индустриализация и имеет некоторый первоначальный прогресс, но из-за точности, скорости и других аспектов иностранных производителей, чем аналогичные продукты, что приводит к индустриализации этих продуктов до низкой степени применения, доля рынка очень мала; в некоторых продуктах технологический уровень зарубежных стран лишь эквивалентен уровню середины 90-х годов прошлого века.
Ли Сяоцзя, директор Центра статистики данных Китайского альянса робототехники, сообщил, что в 2013 году Китай закупил и собрал около 37 000 промышленных роботов, из которых -роботы, финансируемые из-за рубежа, как правило, представляют собой 6-или более высококлассные-промышленные роботы, практически монополизирующие автомобилестроение, сварку и другие высокотехнологичные-промышленные отрасли. секторах, что составляет 96%. Основным применением домашних роботов по-прежнему являются погрузочно-разгрузочные роботы в низкопроизводительных отраслях промышленности.
Стоит отметить, что нынешнее развитие робототехники Китая с зарубежными странами, разрыв между риском дальнейшего расширения. В настоящее время индустрия робототехники Китая в целом все еще находится в зачаточном состоянии, отсутствие узнаваемости бренда промышленных роботов, крупнейшие робототехнические компании ежегодно производят роботов всего несколько тысяч единиц. Поскольку иностранные робототехнические компании используют Китай в качестве производственной базы, развитие независимых брендов промышленных роботов будет еще больше ограничено.
В то же время из-за того, что ключевые компоненты ядра подчиняются другим, риск промышленного опустошения увеличился. Три ключевых компонента промышленных роботов (двигатели и серверы, коробки передач, системы управления) в основном поставляются из-за границы, а производителям материкового Китая относительно не хватает конкурентоспособных научно-исследовательских и производственных возможностей, и они уже давно полагаются на импорт. Поскольку восходящая часть производственной цепочки не поддерживается производителями основных компонентов, она будет подвергаться долгосрочным-ограничениям.
2, промышленные роботы сталкиваются с техническими проблемами
Нам необходимо трезво взглянуть на огромные проблемы, стоящие перед развитием индустрии промышленной робототехники Китая.
Прежде всего, архитектурный дизайн и базовые технологии роботов высшего-уровня контролируются развитыми странами, в структуре стоимости роботов большая часть редукторов, серводвигателей, контроллеров, систем ЧПУ сильно зависит от импорта, отечественные роботы не имеют значительного ценового преимущества.
Во-вторых, существует риск блокировки нижнего-конца. С одной стороны, развитым странам будет нелегко передать Китаю или разрешить основные технологии робототехники, патенты, китайские робототехнические предприятия посредством участия в разработке международных стандартов, технологического сотрудничества, исследований и разработок, чтобы выйти на препятствия на рынке среднего и высокого-конца; с другой стороны, слепые инвестиции местного правительства в отрасль могут привести к образованию избытка производственных мощностей, что приведет к дублированию строительства и низкой-ценовой конкуренции.
Опять же, отсутствует эффективная связь между исследованиями и разработками роботов, их производством и применением. Ведущие университеты и институты, связанные с робототехническими исследованиями и разработками, не имеют возможности развивать рынок, а предприятия в основных инвестициях в НИОКР по-прежнему очень низки, внутреннее сочетание промышленности, научных кругов и исследований, а также существование ряда институциональных барьеров, что приводит к разрыву связей между НИОКР и производством.
Иностранная монополия внутреннего рынка на статус-кво, эксперты предполагают, что с помощью различных способов искать «прорыв» и догонять: прежде всего, мы должны усилить отслеживание международных исследований в области робототехники, разработку и внедрение фактического развития китайской «дорожной карты робототехники», четкие шаги для технологического развития, сосредоточиться на прорывах и разработке дорожной карты робототехники, разработке дорожной карты робототехники. Очевидны этапы технологического развития, ключевые прорывы в ключевых технологиях, процессах и компонентах, а также путь индустриализации.
Во-вторых, нам необходимо создать модель разработки роботов, соответствующую фактическому развитию Китая. Укрепить комплексное применение отраслевых сегментов, усилить сочетание промышленности, научных кругов, исследований и использования коллективных исследований, сосредоточив внимание на прорывах в ключевых основных компонентах, как можно скорее сформировать корпус робота, ключевые компоненты, системных интеграторов и другую отраслевую цепочку робототехники для продвижения в целом.
Кроме того, необходимо ускорить развитие ведущих предприятий и брендов промышленных роботов. Китаю следует культивировать и развивать собственную марку промышленных роботов, что является важной задачей для создания обновленной версии экономики Китая. Внедрение каталога промышленных роботов, совместное продвижение по локализации промышленных роботов.