I. Antecedents del desenvolupament de robots industrials
El terme ROBOT va ser utilitzat per primera vegada l'any 1920 pel dramaturg txec Karilo Chibek a la seva obra de ciència ficció Els robots universals de Rossum, i des de llavors s'ha convertit en sinònim de robòtica.
El març de 1938, The Meccano Magazine va informar sobre un model de robot de manipulació, un dels primers informes d'un model de robot destinat a aplicacions industrials. Dissenyat per Griffith P. Taylor el 1935, era capaç de fer cinc eixos de moviment mitjançant un sol motor elèctric. El 1954, el primer robot industrial programable electrònicament va ser dissenyat per GC Devol als Estats Units. I l'any 1960, l'empresa nord-americana AMF va produir el robot Versatran de coordenades-columnes amb control de punt i trajectòria, que va ser el primer robot del món utilitzat en la producció industrial.
El 1974, Cincinnati Milacron va desenvolupar amb èxit un robot multi-articulat. El 1979, Unimation va llançar el robot PUMA, que és una multi-articulació, tot-motor d'accionament, multi-CPU control secundari del robot, l'ús del llenguatge especial VAL, es pot equipar amb sensors visuals, tàctils i de força, en aquell moment és el robot industrial més avançat tecnològicament. Els robots industrials actuals es basen en gran mesura en aquesta estructura. Aquest període del robot pertany als robots del tipus "Teach-in/Playback" (Teach{-in/Playback), només amb memòria, capacitat d'emmagatzematge, segons el programa corresponent per repetir l'operació, l'entorn que l'envolta bàsicament no té capacitat de control de percepció i retroalimentació.
A la dècada dels 80, amb el desenvolupament de la tecnologia de detecció, inclosos sensors visuals, sensors no-visuals i tecnologia de processament de la informació, la segona generació de robots - robots sensorials. És capaç d'obtenir part de la informació rellevant sobre l'entorn operatiu i l'objecte operatiu, dur a terme determinats processaments-en temps real i guiar el robot per dur a terme les operacions. La segona generació de robots s'ha utilitzat àmpliament en la producció industrial.
Actualment, els països estan investigant el "robot intel·ligent", que no només té més que la segona generació de robots amb una millor consciència mediambiental, sinó que també té una capacitat de pensament lògic, de judici i de presa de decisions-d'acord amb els requisits operatius i la informació ambiental per treballar de manera autònoma.
II. Escenaris d'aplicació de robots industrials
Des de principis dels anys 60, la humanitat va crear els primers robots industrials, els robots mostren la seva gran vitalitat, en poc més de 50 anys, la tecnologia robòtica s'ha desenvolupat ràpidament, en molts camps de fabricació, els robots industrials s'utilitzen més en el camp de la indústria de fabricació de peces i components d'automoció i automoció, i s'expandeix constantment a altres àrees, com la indústria del cautxú i el plàstic, l'automòbil i la indústria elèctrica, la indústria de l'automòbil i la mecanització, indústria de fabricació de peces i components. Indústria elèctrica, indústria del cautxú i plàstic, indústria alimentària, fabricació de fusta i mobles i altres camps. En la producció industrial, s'han adoptat en gran nombre robots de soldadura, robots de processament de rectificat i poliment, robots de soldadura, robots de processament làser, robots de polvorització, robots de manipulació, robots de buit i altres robots industrials. A continuació es presenta una introducció a alguns dels escenaris d'aplicació i característiques tècniques dels robots industrials.
III. La situació actual dels robots industrials
Juntament amb l'augment creixent dels robots industrials, "màquina per a home" es convertirà en tendència. Foxconn ha anunciat anteriorment que comprarà un milió de robots en tres anys, s'espera que el 2016 es construirà a Shanxi Jincheng, "la base de producció de robots intel·ligents més gran del món".
Automoció, electrònica, aliments, productes químics, plàstics i cautxú, productes metàl·lics, sis indústries manufactureres, es considera l'aplicació actual de robots industrials a les principals àrees, l'agència va predir que hi haurà entre 1 i 2 milions d'unitats de demanda anual, la qual cosa representa la demanda del mercat de robots industrials de la Xina d'un 70%.
Al setembre d'aquest any, el conjunt de les empreses de robòtica de la Xina ha arribat a prop de 420. A més, més de 30 parcs industrials de robòtica estan actualment en construcció a tota la Xina.
La raó per la qual els robots industrials estan augmentant al mercat xinès és, en primer lloc, perquè, pel que fa al cost, els robots solen ser només una-quarta part del cost de la mà d'obra; en segon lloc, els robots també poden aportar molt de nou valor afegit en termes de qualitat, eficiència i gestió. Per tant, en la ràpida millora de la tecnologia de la robòtica, els preus han caigut dràsticament, l'escassetat de mà d'obra, l'augment dels costos laborals i altres factors, la indústria de la robòtica industrial de la Xina es troba en una era d'explosió.
IV. Tecnologies clau dels robots industrials
1. Composició bàsica del sistema del robot
El robot industrial consta de 3 parts principals i 6 subsistemes, que són part mecànica, part de detecció i part de control, i els 6 subsistemes es poden dividir en sistema d'estructura mecànica, sistema d'accionament, sistema de detecció, sistema d'interacció amb l'entorn del robot, sistema d'interacció entre màquines i humans i sistema de control.
Composició del sistema de robot industrial
(1) El sistema d'estructura mecànica dels robots industrials consta de tres parts principals: la base, el braç i el manipulador final, i cadascuna d'aquestes parts principals té una sèrie de sistemes mecànics amb diversos graus de llibertat. Si la base té un mecanisme de marxa, constitueix un robot de marxa; si la base no disposa d'un mecanisme de marxa i flexió, constitueix un únic braç robot. El braç consisteix generalment en un braç superior, un braç inferior i un canell. El manipulador d'extrem és una peça important muntada directament al canell, pot ser de dos dits o de mà multi-dits, també pot ser una pistola de pintura, eines de soldadura i altres eines operatives.
(2) el sistema d'accionament, per tal que el robot funcioni, s'ha de col·locar a les articulacions, és a dir, cada grau de llibertat de moviment del dispositiu de transmissió, que és el sistema d'accionament. El sistema d'accionament pot ser hidràulic, pneumàtic, elèctric o una combinació d'ells per aplicar el sistema integrat, pot ser un accionament directe o indirecte mitjançant la corretja síncrona, la cadena, el sistema de rodes, els engranatges harmònics i altres mecanismes de transmissió mecànica.
(3) El sistema de detecció consta d'un mòdul de sensor intern i un mòdul de sensor extern per obtenir informació significativa sobre l'estat de l'entorn intern i extern. L'ús de sensors intel·ligents millora el nivell de mobilitat, adaptabilitat i intel·ligència del robot. El sistema sensorial humà és extremadament hàbil a l'hora de detectar informació sobre el món extern, però, els sensors són més efectius que el sistema sensorial humà per obtenir informació específica.
(4) El sistema d'intercanvi d'entorn del robot és un robot industrial modern i l'entorn extern del sistema de contacte i coordinació intercanviable de l'equip. Robots industrials i equips externs configurats en una unitat funcional, com ara unitat de processament, unitat de soldadura, unitat de muntatge, etc. Per descomptat, també poden ser múltiples robots, múltiples màquines-eina o equips, dispositius d'emmagatzematge de múltiples peces, etc. en una unitat funcional per realitzar tasques complexes.
(5) El sistema d'intercanvi de màquines-home és l'operador i el robot de control i contacte amb el dispositiu robot, per exemple, el terminal estàndard de l'ordinador, la consola de comandaments, el tauler de visualització d'informació, l'alarma de senyal de perill, etc. El sistema es resumeix en dues categories principals: dispositius de comandament- i dispositius de visualització d'informació.
6) El sistema de control del robot és el cervell del robot i és el factor principal per determinar la funció i el rendiment del robot.
La tasca del sistema de control és controlar l'actuador del robot per completar el moviment i la funció prescrits segons el programa d'instruccions de funcionament del robot i el senyal de retorn del sensor. Si el robot industrial no té característiques de retroalimentació d'informació, és un sistema de control de llaç-obert; si té característiques de retroalimentació d'informació, és un sistema de control de llaç-tancat. Segons el principi de control, el sistema de control es pot dividir en sistema de control de programa, sistema de control adaptatiu i sistema de control d'intel·ligència artificial. Segons la forma d'operació de control, el sistema de control es pot dividir en control de punt i control de trajectòria. El tipus de posició de punt només controla el posicionament precís de l'actuador d'un punt a un altre, i és adequat per a operacions com la càrrega i descàrrega de màquines-eina, soldadura per punts i manipulació general, càrrega i descàrrega, etc. El tipus de trajectòria contínua controla el moviment de l'actuador segons una trajectòria determinada, i és adequat per a operacions com la soldadura contínua i la pintura.
La tasca del sistema de control és controlar l'actuador del robot per completar el moviment i la funció prescrits segons el programa d'instruccions de funcionament del robot i el senyal de retorn del sensor. Si el robot industrial no té característiques de retroalimentació d'informació, és un sistema de control de llaç-obert; si té característiques de retroalimentació d'informació, és un sistema de control de llaç-tancat. Segons el principi de control, el sistema de control es pot dividir en sistema de control de programa, sistema de control adaptatiu i sistema de control d'intel·ligència artificial. Segons la forma d'operació de control, el sistema de control es pot dividir en control de punt i control de trajectòria. Un conjunt complet de robots industrials inclou el cos del robot, el programari del sistema, el gabinet de control, l'equip mecànic perifèric, la visió CCD, la fixació/pinça, el gabinet de control PLC per a equips perifèrics i la caixa de demostració/demostrador.
La secció següent se centra en el sistema d'accionament i el sistema de detecció del robot.
2. Sistema d'accionament del robot
El sistema d'accionament dels robots industrials es divideix en tres grans categories, a saber, hidràulic, pneumàtic i elèctric, segons la font d'energia. Segons les necessitats d'aquests tres tipus bàsics també es poden combinar en un sistema d'accionament compost. Aquests tres tipus de sistemes d'accionament bàsics tenen les seves pròpies característiques.
Sistema d'accionament hidràulic: ja que la tecnologia hidràulica és una tecnologia més madura. Té una gran relació de potència, força (o moment) i inèrcia, resposta ràpida, fàcil d'adonar-se de les característiques de l'accionament directe. Adequat per al seu ús en aquests robots amb gran capacitat de càrrega, gran inèrcia i treball en un entorn a prova de soldadura-. Tanmateix, el sistema hidràulic requereix una conversió d'energia (energia elèctrica en energia hidràulica), control de velocitat en la majoria dels casos mitjançant la regulació de la velocitat d'acceleració, l'eficiència és menor que el sistema d'accionament elèctric. El drenatge de fangs líquids del sistema hidràulic pot contaminar el medi ambient i el soroll de funcionament també és més elevat. A causa d'aquestes debilitats, en els darrers anys, sovint es substitueixen per sistemes elèctrics en robots amb càrregues de 100 kg o menys.
Robots-de treball pesat totalment hidràulics
L'accionament pneumàtic té els avantatges d'una velocitat ràpida, una estructura senzilla del sistema, un manteniment fàcil i un preu baix. No obstant això, a causa de la baixa pressió de treball del dispositiu pneumàtic, no és fàcil posicionar-lo amb precisió, generalment només s'utilitza per a l'accionament de l'efector-extrem del robot industrial. La presa de mà pneumàtica, el cilindre rotatiu i la ventosa pneumàtica com a efecte-final es poden utilitzar per agafar i muntar peces de càrrega mitjana i petita. A la figura es mostren ventoses pneumàtiques i pinces de robot pneumàtics.
Ventoses pneumàtiques i pinces de robot pneumàtics
L'accionament del motor és un mode d'accionament principal dels robots industrials moderns, dividit en quatre categories de motors: servomotors de CC, servomotors de CA, motors pas a pas i motors lineals. Servomotors de corrent continu i servomotors de corrent altern amb control de llaç-tancat, que s'utilitzen generalment per a l'accionament de robots d'alta-precisió i-velocitat; els motors pas a pas per a requisits de precisió i velocitat no són ocasions altes, l'ús de control de llaç-obert; Els motors lineals i els seus sistemes de control d'accionament s'han convertit en tècnicament madurs, té un dispositiu de transmissió tradicional que no es pot comparar amb el rendiment superior, com ara l'adaptació a les aplicacions de molt alta -velocitat i molt baixa-velocitat, alta acceleració, alta precisió, sense retorn en buit, baix desgast, estructura i estructura de la pinça del robot. Sense esquena buida, baix desgast, estructura senzilla, sense reductor i acoblament de cargol d'engranatges. Atesa la gran quantitat de requisits d'accionament lineal en robots paral·lels, els motors lineals s'han utilitzat àmpliament en el camp dels robots paral·lels.
3. Sistema de detecció de robots
El sistema de percepció del robot transforma diverses informacions d'estat intern i informació ambiental del robot a partir de senyals en dades i informació que el mateix robot pot entendre i aplicar o entre robots. A més de la necessitat de percebre magnituds mecàniques relacionades amb el seu propi estat de treball, com ara el desplaçament, la velocitat, l'acceleració, la força i el parell, la tecnologia de percepció visual és un aspecte important de la percepció dels robots industrials.
Els servosistemes visuals utilitzen la informació visual com a senyals de retroalimentació per al control per ajustar la posició i l'actitud del robot. Les aplicacions en aquesta àrea es troben principalment a les indústries de semiconductors i electrònica. Els sistemes de visió artificial també s'utilitzen àmpliament en diversos aspectes de la inspecció de qualitat, identificació de peces, classificació d'aliments i embalatge.
Normalment, el servocontrol visual del robot és un servo visual basat en la posició-o un servo visual basat en imatge-, que també es coneixen com a servo visual 3D i servo visual 2D, respectivament, i cadascun d'aquests dos mètodes té els seus propis avantatges i aplicabilitat, així com algunes deficiències, de manera que s'han proposat mètodes de servo visual de 2,5 dimensions.
El servosistema visual basat en la posició-utilitza els paràmetres de la càmera per establir la relació de mapeig entre la informació de la imatge i la informació de posició/actitud de l'efector-extrem del robot per realitzar el control de-bucle tancat de la posició de l'efector-extrem del robot. Els errors-de la posició i l'actitud de l'efector final s'estimen a partir de la informació de la-posició de l'efector final extreta de les imatges capturades en-en temps real i el model geomètric de l'objectiu localitzat, i després, en funció dels errors de posició i actitud, s'obtenen els nous paràmetres de posició i actitud de cada articulació. El servo-visual basat en la posició requereix que l'efector-final sempre sigui observable a l'escena visual i es calculi la seva informació d'actitud posicional en 3D. L'eliminació de les pertorbacions i el soroll a la imatge és la clau per garantir un càlcul precís dels errors de posició i actitud.
El servo de visió 2D deriva el senyal d'error comparant les característiques de la imatge capturada per la càmera amb una imatge determinada (no la informació geomètrica 3D). A continuació, el controlador conjunt i el controlador de visió corregeixen el robot i l'estat de funcionament actual del robot, permetent que el robot completi el control del servo. En comparació amb el servocontrol visual 3D, el servocontrol visual 2D és més robust per als errors de calibratge de la càmera i el robot, però problemes com la singularitat de la matriu de Jacobi de la imatge i els mínims locals es troben inevitablement en el disseny del servocontrolador visual.
Per abordar les limitacions dels mètodes servo visuals 3D i 2D, F. Chaumette et al. va proposar un mètode de servo visual de 2,5-dimensionals. Desacobla el control de bucle tancat-del desplaçament i la rotació de la translació de la càmera, i reconstrueix l'orientació i la proporció de profunditat de la imatge de l'objecte a l'espai 3D en funció dels punts de característiques de la imatge, amb la part de translació representada per les coordenades dels punts de característiques del pla de la imatge. Aquest mètode pot combinar amb èxit els senyals d'imatge i els senyals de posició extrets a partir de la imatge de manera orgànica, i sintetitzar els senyals d'error generats per ells per a la retroalimentació, la qual cosa resol en gran mesura els problemes de robustesa, singularitat i mínims locals. No obstant això, encara queden alguns problemes per resoldre en aquest mètode, com ara com assegurar-se que l'objecte de referència es trobi sempre dins del camp de visió de la càmera durant el procés de servo, i l'existència de solucions no úniques quan es descompon la matriu de singularitat.
Quan es modela el controlador de visió, cal trobar un model adequat per descriure la relació de mapeig entre l'efector-final del robot i la càmera. El mètode de les matrius de Jacobi d'imatge és una classe de mètodes àmpliament utilitzat en el camp de la investigació de servovisió de visió robotitzada. La matriu de Jacobi d'una imatge varia en el temps-, per tant, s'ha de calcular o estimar en línia.
4. Components bàsics clau del robot
Hi ha 4 components principals d'un robot, el 22% del cost del cos, el 24% del sistema servo, el 36% del reductor i el 12% del controlador. Els components bàsics clau del robot es refereixen a la composició del sistema d'accionament del robot, el sistema de control i el sistema d'interacció humà-màquina, tenen un paper clau a l'hora d'influir en el rendiment del robot i tenen la generalitat i la modularitat de la unitat de components. Els components clau del robot es divideixen principalment en les tres parts següents: robot reductor d'alta-precisió, servomotors i accionaments d'AC i DC d'alt rendiment-, controlador de robot d'alt-rendiment.
1) Reductor
El reductor és un component clau del robot i, actualment, s'utilitzen principalment dos tipus de reductors: reductor d'engranatges harmònics i reductor RV.
El mètode de transmissió harmònica va ser inventat per l'inventor nord-americà C. WaltMusser a mitjans-de 1950. El reductor d'engranatges harmònics es compon principalment d'un generador d'ones, engranatges flexibles i engranatges rígids 3 components bàsics, que es basa en el generador d'ones per fer engranatges flexibles per produir una deformació elàstica controlada, i amb engranatges rígids per transferir moviment i potència, una relació de velocitat de transmissió d'una -etapa fins a 70 ~ 1000, amb l'ajuda d'una deformació flexible sense engranatge invers. En comparació amb el reductor general, quan el parell de sortida és el mateix, el volum del reductor d'engranatges harmònics es pot reduir en 2/3, el pes es pot reduir en 1/2. roda flexible per suportar una gran càrrega alterna, i per tant la seva resistència a la fatiga del material, els requisits de processament i tractament tèrmic són alts, el procés de fabricació és complex, el rendiment de la roda flexible és la clau per a un reductor d'engranatges harmònics d'alta qualitat.
L'alemany LorenzBaraen va proposar el principi de la transmissió d'engranatges planetaris cicloides el 1926, i el japonès TEIJINSEIKICo., Ltd. va prendre el lideratge en el desenvolupament del reductor RV als anys vuitanta. El reductor RV consta de l'etapa davantera d'un reductor planetari i l'etapa posterior d'un reductor cicloide. En comparació amb els engranatges harmònics, els engranatges RV ofereixen una millor precisió de gir i retenció de precisió.
Chen Shixian va inventar la tecnologia de transmissió d'engranatges en viu. La quarta generació de transmissió de rodets oscil·latoris (ORT) s'ha aplicat amb èxit a molts productes industrials. La transmissió de rodets oscil·latoris composta (CORT) proposada a partir de l'ORT no només té els avantatges similars de la transmissió RV, sinó que també supera les deficiències de la força de suport de l'eix del cigonyal de la transmissió RV, baixa vida útil i millora encara més la vida útil i la capacitat de càrrega; L'estructura de CORT ho permet de la mateixa manera. L'estructura de CORT fa que la diferència de retorn sigui més petita sota el mateix índex de precisió i la precisió i rigidesa del moviment sigui més alta, cosa que alleuja els defectes de la transmissió de RV que requereixen una alta precisió de fabricació i pot reduir relativament els requisits de processament i els costos de fabricació. CORT es desenvolupa de manera independent a la Xina i té drets de propietat intel·lectual independents. Anshan Wear-Alloy Research Institute i Zhejiang Hengfengtai Reducer Manufacturing Co., Ltd. han desenvolupat amb èxit reductors CORT per a robots.
Reductor ORT Reductor CORT
En l'actualitat, pel que fa al reductor de robots d'alta-precisió, el 75% de la quota de mercat està monopolitzat per dues empreses reductores japoneses, respectivament, per proporcionar el reductor de cicloides de RV Japan Nabtesco i proporcionar un reductor harmònic d'alt rendiment-Japan Harmonic Drive. incloent ABB, FANUC, KUKA, MOTOMAN, inclosos els fabricants internacionals de robots principals, el reductor de les dues empreses anteriors per proporcionar, amb els fabricants de robots nacionals i internacionals, el reductor de les dues empreses anteriors. Les caixes de canvis dels fabricants internacionals de robots principals, com ara ABB, FANUC, KUKA i MOTOMAN, les proporcionen les dues empreses anteriors. El que és diferent dels models generals escollits per les empreses de robòtica nacionals és que els fabricants internacionals de robots principals han signat una relació estratègica de cooperació amb les dues empreses anteriors, i la majoria dels productes proporcionats són models especialitzats millorats segons els requisits especials dels fabricants sobre la base dels models generals. La investigació nacional en el reductor de cicloides d'alta-precisió va començar tard, només en alguns col·legis i universitats, els instituts de recerca han fet investigacions rellevants. Actualment, no hi ha productes madurs utilitzats en robots industrials. En els darrers anys, alguns fabricants i institucions nacionals han començat a dedicar-se a la localització i la industrialització de la investigació de reductors cicloides d'alta-precisió, com ara Zhejiang Hengfengtai, el Laboratori de Transmissió Mecànica de la Universitat de Chongqing, la Fàbrica de Reductors de Tianjin, la Fàbrica de Màquines Eina de Qinchuan, l'Institut Ferroviari de Dalian, etc. Pel que fa al reductor harmònic, hi ha productes alternatius a la Xina, com ara Beijing Sinotech Kemi, Beijing Harmonic Drive, però els productes corresponents en la velocitat d'entrada, l'alçada de torsió, la precisió de la transmissió i l'eficiència amb els productes japonesos encara hi ha un petit buit, l'aplicació madura dels robots industrials acaba de començar.
2) Servomotors
En el servomotor i l'accionament, la part actual d'accionament del robot europeu la proporcionen principalment Lenze, Lust, Bosch Rexroth i altres empreses, aquests motors europeus i la capacitat de sobrecàrrega dels components d'accionament, la resposta dinàmica és bona, l'obertura de la unitat és forta i té una interfície de bus, però el preu és car. Els components clau del robot industrial de la marca japonesa els proporcionen principalment Yaskawa, Panasonic, Mitsubishi i altres empreses, el seu preu és relativament baix, però la resposta dinàmica és deficient, l'obertura és deficient i la majoria d'ells només tenen mode de control analògic i de pols. En els darrers anys, la Xina també ha dut a terme investigacions bàsiques i industrialització de motors síncrons d'imants permanents de CA d'alta potència i peces d'accionament, com ara Harbin Institute of Technology, Beijing i Lisi, Guangzhou CNC i altres unitats, i té una mica de capacitat de producció, però el seu rendiment dinàmic, obertura i fiabilitat s'han de verificar mitjançant aplicacions de projectes de robòtica més pràctiques.
3) Controlador
Pel que fa als controladors de robots, els principals fabricants de robots estrangers actuals es troben a la plataforma general de controladors de moviment multi-eix basat en investigacions i desenvolupaments independents. En l'actualitat, la plataforma general de controladors de diversos eixos es divideix principalment en processadors incrustats (DSP, POWER PC) com a nucli de la targeta de control de moviment i l'ordinador industrial més el sistema de temps real- com a nucli del sistema PLC, que estan representats per la targeta PMAC de Delta Tau i el sistema TwinCAT de Beckhoff. Domèstic a la targeta de control de moviment, una sòlida empresa alta ha desenvolupat els corresponents productes madurs, però en l'aplicació del robot és relativament petita.
5. Sistema operatiu robot
El sistema operatiu de robot comú (sistema operatiu de robot, ROS) és una plataforma de construcció estandarditzada dissenyada per a robots, que permet a tots els dissenyadors de robots utilitzar el mateix sistema operatiu per al desenvolupament de programari de robots. ROS promourà el desenvolupament de la indústria dels robots en la direcció de la independència del maquinari i el programari. El model de desenvolupament independent del maquinari-programari ha contribuït en gran mesura al desenvolupament i al ràpid avenç de les tecnologies d'ordinadors, portàtils i telèfons intel·ligents.
ROS és més difícil de desenvolupar que un sistema operatiu d'ordinador. Els ordinadors només han de fer front a algunes-operacions matemàtiques ben definides, mentre que els robots han d'enfrontar-se a operacions de moviment reals més complexes.
ROS ofereix serveis estàndard del sistema operatiu, com ara l'abstracció de maquinari, el control del dispositiu subjacent, la implementació de funcions comunes, missatges entre processos i gestió de paquets.
ROS es divideix en dues capes, la capa inferior és la capa del sistema operatiu i la capa superior són els diferents paquets de programari aportats per la comunitat d'usuaris per realitzar diferents funcions del robot.
Les principals arquitectures de sistemes operatius de robots existents són el sistema operatiu de codi obert Ubuntu basat en Linux-. A més, s'han desenvolupat diversos tipus de sistemes ROS a la Universitat de Stanford, l'Institut Tecnològic de Massachusetts i la Universitat de Munic a Alemanya. L'equip de desenvolupament de robòtica de Microsoft també va llançar una "versió de robòtica de Windows" el 2007.
6. Planificació del moviment del robot
Per tal de millorar l'eficiència del treball i perquè el robot pugui completar una tasca específica en el menor temps possible, cal que hi hagi una planificació raonable del moviment. La planificació del moviment fora de línia es divideix en planificació de trajectes i planificació de trajectòries.
L'objectiu de la planificació del camí és fer que la distància entre el camí i l'obstacle sigui el màxim possible, mentre que la longitud del camí sigui el més curta possible; El propòsit de la planificació de la trajectòria és principalment fer que les articulacions del robot en el moviment espacial del temps d'execució del robot siguin tan curts com sigui possible, o l'energia sigui tan petita com sigui possible. Planificació de la trajectòria en la planificació del camí basat en l'addició d'informació de sèries temporals, el robot per realitzar la tasca de planificació de velocitat i acceleració, per tal de complir amb els requisits de suavitat i control de velocitat.
La reproducció de demostració és un dels mètodes per realitzar la planificació del camí, a través de l'espai operatiu per a la demostració i l'enregistrament dels resultats de la demostració, i reproduïda en el procés de treball, la-demostració in situ correspon directament a les necessitats del robot per completar l'acció, el camí és intuïtiu i clar. El desavantatge és que requereix operadors experimentats i consumeix molt de temps, i és possible que el camí no estigui optimitzat. Per resoldre els problemes anteriors, es pot construir un model virtual del robot i la planificació del camí de la tasca d'operació es pot aconseguir mitjançant la visualització virtual.
La planificació de la trajectòria es pot dur a terme a l'espai articular. Gasparetto utilitza cinc vegades B-splines com a funció d'interpolació per a les trajectòries articulades, i la integral del quadrat de l'acceleració afegida respecte al temps de moviment s'utilitza com a funció objectiu per a l'optimització per garantir que el moviment de cada articulació sigui prou suau. Songguo Liu calcula la interpolació de les trajectòries de les articulacions del robot utilitzant cinc vegades la spline B, i els valors del punt final de velocitat i acceleració de les articulacions individuals del robot es poden configurar arbitràriament segons els requisits de suavitat. A més, la planificació de la trajectòria a l'espai conjunt pot evitar el problema de la singularitat a l'espai d'operació. Huo et al. Va dissenyar un algorisme d'optimització de la trajectòria conjunta per evitar la singularitat a l'espai articular utilitzant la redundància en la funcionalitat d'una articulació determinada d'un robot de soldadura d'arc de 6-graus-de llibertat durant una tasca, i prenent la singularitat i les limitacions de l'articulació del robot com a limitacions per optimitzar el càlcul mitjançant el mètode TWA.
La planificació de la trajectòria espacial conjunta té els avantatges següents en comparació amb la planificació de la trajectòria de l'espai d'operació:
① Evitar el problema de singularitat del robot a l'espai d'operació;
② Com que el moviment del robot es controla controlant el moviment dels motors articulars, s'evita un gran nombre de càlculs cinemàtics avançats i inversos a l'espai articular;
③Les trajectòries articulars individuals a l'espai articular faciliten l'optimització del control.
V. Classificació dels robots industrials
1. Des del punt de vista de l'estructura mecànica, es divideix en robots en sèrie i paral·lels.
(1) el robot de sèrie es caracteritza perquè el moviment d'un eix canviarà l'origen de les coordenades de l'altre eix, a la solució de posició, el robot de sèrie és fàcil de resoldre la solució positiva, però la solució inversa és molt difícil;
(2) El robot paral·lel utilitza un mecanisme paral·lel i el moviment d'un eix no canvia l'origen de coordenades de l'altre eix. El robot paral·lel té els avantatges d'una gran rigidesa, una estructura estable, una gran capacitat de càrrega, una gran precisió del micro-moviment i una petita càrrega de moviment. La seva solució positiva és difícil de solució inversa és molt fàcil. A la figura es mostren robots en sèrie i paral·lels.
Robot tàndem, robot paral·lel
2. Els robots industrials es divideixen en les categories següents segons la forma de les coordenades de l'operador: (La forma de les coordenades fa referència a la forma del sistema de coordenades de referència que pren el braç de l'operador en moviment.)
(1) Robots industrials de tipus coordenades cartesianes
La seva part de moviment consta de tres moviments lineals mútuament perpendiculars (és a dir, PPP), i la seva figura d'espai de treball és rectangular. La seva distància de moviment en cada direcció axial es pot llegir directament a cada eix de coordenades, que és intuïtiva, fàcil de programar i calcular la posició i l'actitud, alta precisió de posicionament, acoblament-control lliure, estructura senzilla, però l'espai ocupat pel cos és gran en volum, petit rang d'acció, poca flexibilitat i difícil de treballar en coordinació amb altres robots industrials.
(2) Robot industrial tipus coordenades cilíndriques
La forma de moviment es realitza mitjançant un sistema de rotació i dos moviments mòbils, el gràfic de l'espai de treball per al cilindre, en comparació amb el robot industrial de coordenades cartesianes, en les mateixes condicions de l'espai de treball, el cos ocupa un petit volum, però el rang de moviment és gran, la seva precisió posicional només és superada per robot de coordenades cartesianes, difícil de coordinar amb altres robots industrials.
(3) Robot industrial de coordenades de bola
Robot industrial de coordenades bola-, també conegut com a robot industrial de coordenades polars-, el seu moviment de braç per dos moviments giratoris i un moviment lineal (és a dir, RRP, un moviment giratori, un pas i un moviment retràctil) compost d'una esfera a l'espai de treball, pot ser una acció de llançament amunt i avall i pot agafar el sòl o ensenyar la coordinació de la peça de treball, la seva posició baixa. la precisió de posició és alta, l'error de posició i la longitud del braç és proporcional a la longitud del braç.
4)Robots industrials multi-articulats
També conegut com a robots industrials de coordenades rotatives, aquest braç de robot industrial i l'extremitat superior humana similars a les tres primeres articulacions són vici rotatiu (és a dir, RRR), el robot industrial es compon generalment de columnes i braços grans i petits, les columnes i el braç gran veuen la formació de les articulacions de l'espatlla, el braç gran i les articulacions del colze entre el braç petit, de manera que el braç gran i el braç petit fan moviments rotatius. swing de to. La seva estructura és la més compacta, la flexibilitat, la petjada més petita, pot treballar en coordinació amb altres robots industrials, però la precisió posicional ensenya baixa, hi ha un problema d'equilibri, acoblament de control, aquest robot industrial s'utilitza cada cop més.
(5) Robot industrial de tipus articulació plana
Utilitza una articulació mòbil i dues articulacions rotatives (és a dir, PRR), articulacions mòbils per aconseguir moviments amunt i avall, mentre que les dues articulacions rotatives controlen els moviments davanter i posterior, esquerre i dret. Aquesta forma de robot industrial també es coneix com a robot de muntatge (SCARA (Seletive Compliance Assembly Robot Arm). En la direcció horitzontal, té flexibilitat, mentre que en la direcció vertical, ha ensenyat una gran rigidesa. És una estructura senzilla, acció flexible, s'utilitza principalment en operacions de muntatge, especialment indicada per a muntatges d'inserció de peces de -mida petita, com ara la indústria d'inserció, electrònica, muntatge en una àmplia gamma d'aplicacions.
3. Robots industrials segons el mètode d'entrada del programa per distingir entre dos tipus de tipus d'entrada de programació i tipus d'entrada d'ensenyament:
(1) El tipus d'entrada de programació és que l'ordinador s'ha programat al fitxer del programa operatiu, mitjançant el port sèrie RS232 o Ethernet i altres mètodes de comunicació amb l'armari de control del robot.
(2) Hi ha dos tipus de mètodes d'ensenyament per al tipus d'ensenyament-En tipus: ensenyament del quadre d'ensenyament i ensenyament de l'actuador dirigit per operador directe-.
Caixa d'ensenyament ensenyament per part de l'operador amb un controlador manual (caixa d'ensenyament), el senyal de comandament al sistema d'accionament, de manera que l'actuador d'acord amb la seqüència d'acció requerida i la trajectòria de l'exercici una vegada. L'ús de la caixa d'ensenyament per ensenyar robots industrials és relativament comú, els robots industrials generals estan equipats amb la funció d'ensenyament de la caixa d'ensenyament, però per a la complexa trajectòria de la situació, l'ensenyament de la caixa d'ensenyament no pot aconseguir els resultats desitjats, com per exemple per a superfícies complexes del treball de polvorització de pintura del robot de pintura.
Caixa d'ensenyament del robot
Quan l'operador condueix l'actuador directament, el robot s'ensenya a realitzar la seqüència de moviments i trajectòria requerida. Al mateix temps, en el procés d'ensenyament, la informació del programa de treball s'emmagatzema automàticament a la memòria del programa al robot funciona automàticament, el sistema de control de la memòria del programa per detectar la informació corresponent, el senyal de comandament al mecanisme d'accionament, de manera que l'actuador reprodueix l'ensenyament d'una varietat d'accions.
Ⅵ. Índex d'avaluació del rendiment del robot industrial
Els paràmetres bàsics i els indicadors de rendiment de les característiques del robot inclouen principalment l'espai de treball, els graus de llibertat, la càrrega útil, la precisió del moviment, les característiques del moviment i les característiques dinàmiques.
Indicadors de judici de rendiment dels robots industrials
1. L'espai de treball (espai de treball) es refereix a la part específica del braç del robot en determinades condicions pot arribar a la col·lecció de posició espacial. Els trets i la mida de l'espai de treball reflecteixen la mida de la capacitat de treball del robot. A l'hora d'entendre l'espai de treball d'un robot, cal tenir en compte els punts següents:
(1) Normalment, l'espai de treball indicat al manual de robots industrials es refereix a l'interval que pot arribar a l'espai l'origen del sistema de coordenades de la interfície mecànica del canell, és a dir, el rang que el punt central de la brida a l'extrem del canell pot arribar a l'espai, en lloc del rang que es pot assolir pel punt final de l'efector-. Per tant, a l'hora de dissenyar i seleccionar el robot, és important parar atenció a l'espai de treball que pot arribar realment el robot després d'instal·lar l'efector-final.
(2) L'espai de treball proporcionat al manual del robot és sovint més petit que l'espai màxim en el sentit cinemàtic. Això és degut a que a l'espai accessible, la posició del braç és diferent mentre que la càrrega útil, la velocitat màxima i l'acceleració màxima no són les mateixes, a la posició màxima del pal del braç permet que el valor límit sol ser més petit que altres posicions. A més, pot haver-hi una degradació dels graus de llibertat al límit de l'espai màxim accessible del robot, que s'anomena patró de bits singulars, i l'evolució dels graus de llibertat es produeix en un rang considerable al voltant del patró de bits singulars, i aquesta part de l'espai de treball no es pot utilitzar quan el robot està treballant.
(3) A més de la vora de l'espai de treball, els robots industrials en aplicacions pràctiques també poden estar limitats per l'estructura mecànica de l'espai de treball, també hi ha una zona dins de l'espai de treball que no es pot arribar a l'extrem del braç, que sovint es coneix com el buit o cavitat. La cavitat és un espai completament tancat dins de l'espai de treball al qual no es pot arribar amb l'extrem del braç. I la cavitat es troba al llarg de l'eix al voltant de tota la longitud del braç no pot arribar a l'espai.
2.Els graus de llibertat de moviment es refereixen al nombre de variables necessàries perquè l'operador del robot es mogui a l'espai, que s'utilitza per indicar el grau de flexibilitat del paràmetre d'acció del robot, generalment per moure's al llarg de l'eix i girar al voltant de l'eix del nombre de moviment independent per indicar.
Un objecte lliure té sis graus de llibertat a l'espai (tres graus de llibertat per a la rotació i tres graus de llibertat per al moviment). Els robots industrials solen ser sistemes d'enllaç obert amb només un grau de llibertat per cinemàtica d'articulació, de manera que normalment el nombre de graus de llibertat d'un robot és igual al nombre d'articulacions. Com més graus de llibertat tingui un robot, més potent és. Fa uns dies, els robots industrials normalment tenien 4-6 graus de llibertat. Els graus de llibertat redundants es produeixen quan el nombre d'articulacions (graus de llibertat) d'un robot augmenta fins al punt que ja no és útil per a l'orientació i localització de l'efector final. La presència de graus de llibertat redundants augmenta la flexibilitat del treball del robot, però també fa que el control sigui més complex.
Els robots industrials sempre es poden dividir en dos tipus de moviment lineal (abreujat com a P) i moviment rotatiu (abreujat com a R) en termes de moviment, i l'aplicació dels símbols abreviats P i R pot indicar les característiques dels graus de llibertat de moviment del manipulador, per exemple, RPRR indica que el robot manipulador té quatre graus de llibertat de moviment, i en l'ordre de moviment de les articulacions. rotatiu-lineal-rotatori-rotatori, començant des de la base fins a l'extrem del braç. A més, els graus de llibertat de moviment dels robots industrials tenen les limitacions del rang de moviment.
3. Càrrega útil
La càrrega útil es refereix al pes de l'objecte que l'operador del robot pot portar a l'extrem del braç o la força o moment que pot suportar durant el funcionament, i s'utilitza per indicar la capacitat de càrrega de l'operador.
Robot en diferents posicions, la massa màxima permesa és diferent, de manera que la massa nominal del robot és el braç en qualsevol posició de l'espai de treball de l'extrem de l'articulació del canell pot gestionar la massa màxima.
4. Precisió del moviment
La precisió del sistema mecànic del robot implica principalment la precisió de la posició, la precisió de la posició repetida, la precisió de la trajectòria, la precisió de la trajectòria repetida, etc.
La precisió de la posició es refereix a la desviació entre la posició comandada i el centre de la posició real quan s'apropa a la posició comandada des de la mateixa direcció. La precisió de repetició de la posició es refereix al grau d'incoherència de la posició real després de respondre a la mateixa posició de comandament des de la mateixa direcció durant n vegades.
La precisió de la trajectòria és el grau de proximitat de la interfície mecànica del robot a la trajectòria comandada des de la mateixa direcció n vegades. La repetibilitat de la trajectòria es refereix al grau d'incoherència entre una trajectòria determinada i la trajectòria real després de seguir-la n vegades en la mateixa direcció.
5. Característiques del moviment (Sped)
La velocitat i l'acceleració són els principals indicadors de les característiques de moviment del robot. En el manual del robot, normalment proporciona la velocitat màxima estabilitzada dels principals graus de llibertat de moviment, però a la pràctica, simplement considereu que la velocitat màxima estabilitzada no és suficient, també s'ha de prestar atenció a la seva acceleració màxima permesa.
6. Les característiques dinàmiques dels paràmetres dinàmics de l'estructura inclouen principalment la massa, el moment d'inèrcia, la rigidesa, el coeficient d'amortiment, la freqüència intrínseca i els modes de vibració.
El disseny hauria de minimitzar la massa i la inèrcia. Per a la rigidesa del robot, si la rigidesa és baixa, es reduirà la precisió posicional del robot i la freqüència intrínseca del sistema, la qual cosa comportarà la inestabilitat dinàmica del sistema; tanmateix, per a algunes operacions (per exemple, operacions de muntatge), és avantatjós augmentar adequadament la flexibilitat i, idealment, es desitja que la rigidesa de la barra del braç del robot sigui ajustable. Augmentar l'amortiment del sistema és avantatjós per reduir el temps de decadència de les oscil·lacions i millorar l'estabilitat dinàmica del sistema. Augmentar la freqüència intrínseca del sistema per evitar el rang de freqüències de funcionament també és beneficiós per millorar l'estabilitat del sistema.
Ⅶ. els robots industrials s'enfronten a reptes tècnics
1, el mercat de robots representava el noranta per cent del capital estranger
El mercat de la robòtica està prosperant, però la indústria de la robòtica de la Xina no és optimista. Segons les estadístiques del mercat, el mercat de robòtica industrial de la Xina continental està monopolitzat per fabricants estrangers, els fabricants de marques japoneses representaven el 52%, els fabricants europeus el 30% i el 10% restant aproximadament dels fabricants de la Xina continental.
Com que el llindar d'entrada a la indústria de la robòtica és bastant alt, la classificació global del mercat de robòtica dels quatre principals venedors va ser Japan Fanuc, Yaskawa Electric, ABB i KUKA, un total del 50% de la quota de mercat.
D'altra banda, en els propers 30 anys, el mercat de robòtica industrial de la Xina continental mantindrà almenys el 30% del ràpid creixement. Amb aquesta finalitat, els fabricants de robòtica de marca global amplien activament l'escala de vendes de negocis de robots al mercat continental de la Xina, inclosos FANUC, YASKAWA Electric, ABB i KUKA, etc., estan activament al continent xinès, instal·lant fàbriques.
En l'actualitat, els robots industrials de la Xina continental, encara que la industrialització d'alguns progrés inicials, però a causa de la precisió, la velocitat i altres aspectes dels fabricants estrangers que productes similars, resultant en la industrialització d'aquests productes a un baix grau d'aplicació, la quota de mercat és molt petita; alguns dels productes del nivell tecnològic dels països estrangers només és equivalent al nivell de mitjans dels anys 90 del segle passat.
Li Xiaojia, director del Centre d'estadístiques de dades de l'Aliança de la indústria de robots de la Xina, va dir que l'any 2013, la Xina va comprar i muntar prop de 37.000 robots industrials, dels quals els robots finançats-estrangers són generalment robots industrials de 6-eixos o més-de gamma alta, gairebé monopolitzant la fabricació de soldadura d'automòbils i altres sectors de la indústria-de gamma alta, que representen el 96%. La principal aplicació dels robots domèstics segueix sent principalment la manipulació i càrrega i descàrrega de robots, a les zones de gamma baixa de la indústria.
Val la pena assenyalar que el desenvolupament actual de la indústria de la robòtica de la Xina amb països estrangers, la bretxa entre el risc de ser encara més ampliada. En l'actualitat, la indústria de la robòtica de la Xina en general encara està en la seva infància, la manca de reconeixement de la marca de robots industrials, les empreses de robòtica més grans de producció anual de robots només uns pocs milers d'unitats. Amb les empreses de robòtica estrangeres que tenen la Xina com a base de producció, el desenvolupament de marques independents de robots industrials es comprimirà encara més.
Al mateix temps, a causa dels components bàsics clau subjectes a altres, el risc de buidament industrial es va ampliar. Els tres components clau dels robots industrials (motors i servidors, caixes de canvis, sistemes de control) provenen principalment de l'estranger, i els fabricants de la Xina continental no tenen relativament capacitat competitiva d'R+D i de fabricació, i fa temps que confien en les importacions. Com que els fabricants de components bàsics no admeten la cadena industrial, estarà subjecte a restriccions-a llarg termini.
2, els robots industrials s'enfronten a reptes tècnics
Hem de veure amb sobria els enormes reptes que s'enfronta al desenvolupament de la indústria de la robòtica industrial de la Xina.
En primer lloc, el disseny arquitectònic i la tecnologia bàsica de nivell superior-del robot estan controlats pels països desenvolupats, a l'estructura de costos del robot d'una proporció més gran de reductors, servomotors, controladors i sistemes CNC depenen molt de les importacions, els robots nacionals no tenen un avantatge de costos significatiu.
En segon lloc, hi ha el risc de bloqueig-baix. D'una banda, els països desenvolupats no seran fàcilment a la Xina per transferir o autoritzar la tecnologia bàsica de la robòtica, les patents, les empreses de robòtica de la Xina mitjançant la participació en el desenvolupament d'estàndards internacionals, la cooperació tecnològica i la investigació i desenvolupament per entrar en els impediments del mercat de gamma mitjana i alta-; d'altra banda, la inversió cega del govern local en el sector pot suposar un excedent de capacitat de producció, que es tradueix en la duplicació de la construcció i la competència a baix-preu.
De nou, hi ha una manca de connexió efectiva entre la R+D, la fabricació i l'aplicació dels robots. Robot-la recerca i el desenvolupament tecnològics relacionats amb les universitats i instituts líders no tenen la capacitat de desenvolupar el mercat, i les empreses en la inversió bàsica en R + D encara és molt baixa, la combinació nacional d'indústria, àmbit acadèmic i investigació i l'existència d'una sèrie de barreres institucionals, donant lloc a la desconnexió de l'enllaç de R + D i fabricació.
Monopoli estranger del mercat nacional per a l'statu quo, els experts suggereixen que a través d'una varietat de maneres de buscar un "avenç" i posar-se al dia: en primer lloc, hem d'enfortir el seguiment de la investigació internacional en robòtica, el desenvolupament i la introducció del desenvolupament real del "full de ruta de la robòtica" de la Xina, passos clars per al desenvolupament tecnològic, centrar-nos en els avenços, el desenvolupament de la robòtica i el desenvolupament de la robòtica. Clarament els passos del desenvolupament tecnològic, els avenços clau en tecnologies bàsiques, processos i components clau, així com el camí d'industrialització.
En segon lloc, hem d'establir un model de desenvolupament de robots d'acord amb el desenvolupament real de la Xina. Reforçar l'aplicació integrada dels segments de la indústria, reforçar la combinació de la indústria, l'acadèmia, la recerca i l'ús de la investigació col·lectiva, centrant-se en els avenços en components bàsics clau, tan aviat com sigui possible per formar un cos de robot, components clau, integradors de sistemes i una altra cadena de la indústria robòtica per promoure el conjunt.
A més, cal accelerar el cultiu de les principals empreses i marques de robots industrials. La Xina hauria de conrear i desenvolupar la seva pròpia marca de robots industrials com una tasca important per crear una versió millorada de l'economia xinesa. La introducció del directori de la indústria de robots industrials, promoció col·laborativa per dur a terme la localització de robots industrials.