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一文搞懂工業機器人系統

發布時間:2019-6-4

   
      在我們心中的機器人都是被人格化後的機器人形象。那麼,把機器人尤其是工業機器人形象解構以後,他又會是什麼樣子呢?這樣專業的問題,讓我們聽聽東南大學段晉軍博士怎麼說。(以下部分内容摘自段博在《機器人大講堂》中的分享,我們重點介紹一下工業機器人系統)

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

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


  
      對于一個工業機器人系統而言,我們對上面的圖進行簡化,将剛才的工業機器人系統簡化,抽取出工業機器人系統中必不可少的部分:控制系統、機器人本體和示教器。

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

      舉個例子,假如英雄聯盟中的蒸汽機器人布裡茨缺少了抓取模塊,就不能完成機械飛爪技能中的抓取敵人功能啦。
  
      現在進入重點啦,下面來具體分析一下控制系統中每個部分的功能和用途吧。

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

      當然了,示教器的界面風格也不盡相同,下面是部分示教器的樣子~


      說完了示教器,我們來聊一聊控制系統,控制系統是整個系統的指揮中心,現在市面上控制系統有三種架構:基于IPC的總線式開放控制架構、PC+運動控制卡的分離架構以及高度集成的控制架構。其中,基于IPC的總線式開放控制架構目前使用較多,優勢在于易于擴展,實時性好;PC+運動控制卡的分離架構則稍遜,其拓展性弱,系統笨重且繁瑣;而高度集成的控制架構則主要适用于小型機器人系統。控制系統的實現基本要靠一行行的代碼來實現,其内部包括了底層驅動、建模、運動學、動力學、軌迹規劃、任務規劃等非常複雜的code。

      最後,我們來說說機器人本體,它就像人的胳膊或腿,它是一個執行機構,它接收來自機器人控制系統的指令,千萬别以為本體隻是個執行器,本體中的電機和減速機可都是機器人本體的核心零部件,尤其是減速機。

      說了這麼多,那麼工業機器人的應用場景有哪些呢?

在衆多的制造業領域中,工業機器人應用最為廣泛的領域是汽車及汽車零部件制造業,并不斷向其他領域擴展,如機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、木材和家具制造業等領域中。

      在工業生産中,焊接機器人、激光加工機器人、噴塗機器人、搬運機器人、機床機器人、沖壓機器人、真空機器人等工業機器人都已被大量采用。

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

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

      可能沒有華麗的外表,但是足夠有用。

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

      簡介工業機器人的分類與控制系統

      一、工業機器人的分類

      1. 按操作機坐标形式可分為:

      (1)直角坐标型工業機器人

其運動部分由三個相互垂直的直線移動(即PPP)組成,其工作空間圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離,可在各個坐标軸上直接讀出,直觀性強,易于位置和姿态的編程計算,定位精度高,控制無耦合,結構簡單,但機體所占空間體積大,動作範圍小,靈活性差,難與其他工業機器人協調工作。

      (2)圓柱坐标型工業機器人

      其運動形式是通過一個轉動和兩個移動組成的運動系統來實現的,其工作空間圖形為圓柱,與直角坐标型工業機器人相比,在相同的工作空間條件下,機體所占體積小,而運動範圍大,其位置精度僅次于直角坐标型機器人,難與其他工業機器人協調工作。

      (3)球坐标型工業機器人

      又稱極坐标型工業機器人,其手臂的運動由兩個轉動和一個直線移動(即RRP,一個回轉,一個俯仰和一個伸縮運動)所組成,其工作空間為一球體,它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或教低位置的協調工件,其位置精度高,位置誤差與臂長成正比。

      (4)多關節型工業機器人

      又稱回轉坐标型工業機器人,這種工業機器人的手臂與人一體上肢類似,其前三個關節是回轉副(即RRR),該工業機器人一般由立柱和大小臂組成,立柱與大臂見形成肩關節,大臂和小臂間形成肘關節,可使大臂做回轉運動和俯仰擺動,小臂做仰俯擺動。其結構最緊湊,靈活性大,占地面積最小,能與其他工業機器人協調工作,但位置精度教低,有平衡問題,控制耦合,這種工業機器人應用越來越廣泛。

      (5)平面關節型工業機器人

      它采用一個移動關節和兩個回轉關節(即PRR),移動關節實現上下運動,而兩個回轉關節則控制前後、左右運動。這種形式的工業機器人又稱(SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機器人。在水平方向則具有柔順性,而在垂直方向則有教大的剛性。它結構簡單,動作靈活,多用于裝配作業中,特别适合小規格零件的插接裝配,如在電子工業的插接、裝配中應用廣泛。

      2. 按驅動方式可分為:

      (1)氣動式工業機器人

      這類工業機器人以壓縮空氣來驅動操作機,其優點是空氣來源方便,動作迅速,結構簡單造價低,無污染,缺點是空氣具有可壓縮性,導緻工作速度的穩定性較差,又因氣源壓力一般隻有6kPa左右,所以這類工業機器人抓舉力較小,一般隻有幾十牛頓,最大百餘牛頓。

      (2)液壓式工業機器人

      液壓壓力比氣壓壓力高得多,一般為70kPa左右,故液壓傳動工業機器人具有較大的抓舉能力,可達上千牛頓。這類工業機器人結構緊湊,傳動平穩,動作靈敏,但對密封要求較高,且不宜在高溫或低溫環境下工作。

      (3)電動式工業機器人

      這是目前用得最多的一類工業機器人,不僅因為電動機品種衆多,為工業機器人設計提供了多種選擇,也因為它們可以運用多種靈活控制的方法。早期多采用步進電機驅動,後來發展了直流伺服驅動單元,目前交流伺服驅動單元也在迅速發展。這些驅動單元或是直接驅動操作機,或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速後驅動,結構十分緊湊、簡單。

      二、工業機器人控制系統

      1. 工業機器人的控制技術

      是在傳統機械系統的控制技術的基礎上發展起來的,因此兩者之間并無根本的不同但工業機器人控制系統也有許多特殊之處。

      其特點如下:

      (1)工業機器人有若幹個關節,典型工業機器人有五六個關節,每個關節由一個伺服系統控制,多個關節的運動要求各個伺服系統協同工作。

      (2)工業機器人的工作任務是要求操作機的手部進行空間點位運動或連續軌迹運動,對工業機器人的運動控制,需要進行複雜的坐标變換運算,以及矩陣函數的逆運算。

      (3)工業機器人的數學模型是一個多變量、非線性和變參數的複雜模型,各變量之間還存在着耦合,因此工業機器人的控制中經常使用前饋、補償、解耦和自适應等複雜控制技術。

      (4)較高級的工業機器人要求對環境條件、控制指令進行測定和分析,采用計算機建立龐大的信息庫,用人工智能的方法進行控制、決策、管理和操作,按照給定的要求,自動選擇最佳控制規律。


      2. 工業機器人的控制系統發基本要求:

      (1)實現對工業機器人的位置、速度、加速度等控制功能,對于連續軌迹運動的工業機器人還必須具有軌迹的規劃與控制功能。

      (2)方便的人---機交互功能,操作人員采用直接指令代碼對工業機器人進行作用指示。使用工業機器人具有作業知識的記憶、修正和工作程序的跳轉功能。

      (3)具有對外部環境(包括作業條件)的檢測和感覺功能。為使工業機器人具有對外部狀态變化的适應能力,工業機器人應能對諸如視覺、力覺、觸覺等有關信息進行測量、識别、判斷、理解等功能。在自動化生産線中,工業機器人應用與其它設備交換信息,協調工作的能力。

      3. 工業機器人控制系統的分類:

      工業機器人控制系統可以從不同角度分類,如控制運動的方式不同,可分為關節控制、笛卡爾空間運動控制和自适應控制;按軌迹控制方式的不同,可分為點位控制和連續軌迹控制;按速度控制方式的不同,可分為速度控制、加速度控制、力控制。

      (1)程序控制系統

給每個自由度施加一定規律的控制作用,機器人就可實現要求的空間軌迹。

      (2)自适應控制系統

      當外界條件變化時,為保證所要求的品質或為了随着經驗的積累而自行改善控制品質,其過程是基于操作機的狀态和伺服誤差的觀察,再調整非線性模型的參數,一直到誤差消失為止。這種系統的結構和參數能随時間和條件自動改變。

      (3)人工智能系統

      事先無法編制運動程序,而是要求在運動過程中根據所獲得的周圍狀态信息,實時确定控制作用。當外界條件變化時,為保證所要求的品質或為了随着經驗的積累而自行改善控制品質,其過程是基于操作機的狀态和伺服誤差的觀察,再調整非線性模型的參數,一直到誤差消失為止。這種系統的結構和參數能随時間和條件自動改變。因而本系統是一種自适應控制系統。

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