Robotul industrial este un set de mașini, electronice, control, calculatoare, senzori, inteligență artificială și alte tehnologii avansate multidisciplinare într-una dintre industria de producție modernă în echipamentele de automatizare importante. Robotica, tehnologia CNC și tehnologia PLC sunt cunoscute drept cele trei tehnologii de sprijin majore pentru automatizarea industrială. Tehnologia robotică și produsele sale se dezvoltă foarte rapid și au devenit instrumentele de automatizare pentru sistemul de fabricație flexibil (FMS), automatizarea fabricii (FA), sistemul de fabricație integrat computerizat (CIMS), precum și o parte importantă a fabricii inteligente din industria 4.0.
1. Compoziția și indicatorii de performanță a sistemului de robot industrial
1) Compoziția sistemului de robot industrial
Un robot industrial este un manipulator multi-articulat sau un dispozitiv de mașină cu mai multe-grade--libertate orientat către domeniul industrial, care poate efectua lucrări automat și este un fel de mașină care se bazează pe propria sa putere și pe capacitatea de control pentru a realiza diverse funcții. Poate accepta comanda umană sau poate rula conform unui program pre-programat, roboții industriali moderni se pot baza și pe tehnologia inteligenței artificiale pentru a dezvolta principiul acțiunii programului. Un robot industrial tipic este prezentat în Figura 1. Roboții industriali pot fi împărțiți în trei generații în funcție de nivelul de dezvoltare tehnologică: prima generație de roboți de reproducere demonstrativă, a doua generație de roboți perceptivi și a treia generație de roboți inteligenți.
Prima generație de roboți industriali constă din trei părți principale în ceea ce privește structura externă: operatorul (sau corpul robotului), controlerul și demonstratorul. Pentru a doua și a treia generație de roboți industriali include, de asemenea, sistemul de percepție și sistemul de analiză și{1}}luare a deciziilor, care sunt realizate prin senzori și respectiv software.
(1) Operator:Corpul principal al mașinii care este utilizat pentru a îndeplini diverse sarcini operaționale, care conține în principal un braț robot, o unitate de antrenare, o unitate de transmisie și senzori interni.
(2) Controlor:Este dispozitivul care controlează corpul robotului pentru a finaliza anumite acțiuni conform instrucțiunilor și informațiilor senzorului, care este partea cheie pentru a determina funcția și performanța robotului, precum și cea mai rapidă actualizare și dezvoltare a robotului industrial.
(3) Profesor:Este interfața de interacțiune umană-mașină a robotului, prin care operatorul poate programa robotul sau îl poate manipula manual pentru a se mișca.
Roboții industriali sunt alcătuiți funcțional din 3 părți principale și 6 subsisteme. 3 părțile principale sunt părți mecanice, partea de control și partea de detectare. 6 subsistemele sunt sistemul de antrenare, sistemul de structură mecanică, sistemul de interacțiune uman-mașină, sistemul de control, sistemul de detectare și sistemul de interacțiune cu robot-mediul.
2) Indicele de performanță al robotului industrial
Indicele de performanță al roboților industriali este datele tehnice furnizate de producătorul robotului în momentul livrării produsului, reflectând domeniul de aplicare și performanța de lucru a robotului, ceea ce trebuie luat în considerare atunci când alegeți un robot. Deși datele tehnice furnizate de producătorul robotului nu sunt exact aceleași, structura roboților industriali, aplicațiile și nevoile utilizatorilor nu sunt aceleași, dar principalii săi indicatori de performanță sunt în general: grade de libertate, precizie de lucru, interval de lucru, sarcină nominală, viteza maximă de lucru.
Este important de reținut că un robot poate avea singularități în intervalul său de funcționare. Singularitățile sunt puncte în care articulațiile își pierd grade de libertate în anumite direcții din cauza constrângerilor din structura robotului. Singularitățile se găsesc de obicei la marginile spațiului de lucru, iar atunci când singularitățile sunt grupate, ele sunt denumite „goluri”. Când robotul se deplasează în apropierea unei singularități, atitudinea articulațiilor se schimbă drastic din cauza pierderii treptate a gradelor de libertate, ceea ce are ca rezultat o sarcină mare asupra sistemului de acționare și suprasarcină. Prin urmare, pentru roboții cu singularități, raza de funcționare a acestora necesită și eliminarea singularităților și a cavităților.
2. Controlul roboților industriali
1) Caracteristicile și cerințele controlului roboților industriali
Mișcările articulațiilor majorității roboților industriali sunt independente unul de celălalt, iar coordonarea mai multor articulații este necesară pentru a obține precizia de poziție a efectului-capăt al robotului. Prin urmare, sistemul de control al robotului industrial este mai complex decât un sistem de control obișnuit și are următoarele caracteristici:
(1) Este în esență un sistem neliniar.
(2) Este un sistem de control multivariabil compus din mai multe articulații și există cuplare între articulații.
(3) Este un sistem-variabil în timp ai cărui parametri dinamici se modifică odată cu schimbarea poziției mișcării articulației.
(4) Este necesar să se măsoare și să analizeze condițiile de mediu și instrucțiunile de control și să se selecteze automat cea mai bună lege de control.
(5) Are o precizie de poziționare repetabilă ridicată și o bună rigiditate a sistemului.
(6) Depășirea poziției nu este permisă, altfel poate apărea o coliziune, iar răspunsul dinamic ar trebui să fie rapid.
Având în vedere că controlul robotului industrial are caracteristicile de mai sus, la proiectarea sistemului de control al robotului industrial trebuie îndeplinite următoarele cerințe de bază:
(1) Control coordonat al mișcării cu mai multe axe pentru a produce traiectoria de lucru necesară.
(2) Precizie de poziție ridicată, o gamă mare de viteze.
(3) Rata diferențială statică a sistemului ar trebui să fie mică, adică sistemul trebuie să aibă o rigiditate bună.
(4) Poziție fără depășire, răspuns dinamic rapid.
(5) Este necesar controlul accelerației și decelerației.
(6) Coeficientul de eroare de viteză al fiecărei îmbinări trebuie să fie cât mai consistent posibil.
(7) Din punct de vedere al funcționării, sistemul de control trebuie să aibă o interfață umană-bună, să minimizeze cerințele operatorului.
(8) Din punct de vedere al costului sistemului, este necesar să se reducă costul hardware al sistemului cât mai mult posibil și o mai mare utilizare a metodelor servo software pentru a îmbunătăți performanța sistemului de control.
2) modul de control al robotului industrial
Din caracteristicile de control și cerințele de control ale roboților industriali, realizarea controlului roboților industriali implică o serie de elemente, care sunt împărțite în principal în controlul stratului inferior al robotului și controlul stratului superior. Printre acestea, controlul stratului inferior include corpul robotului (adică, partea mecanică), partea circuitului de antrenare, partea senzorului și strategia de control (de exemplu, controlul PID). Controlul stratului superior include analiza mișcării robotului, planificarea traseului și partea software a robotului [4]. Conform diferitelor metode de clasificare, controlul robotului poate fi clasificat în diferite moduri. În funcție de obiectul controlat, poate fi împărțit în controlul poziției, controlul vitezei, controlul forței, controlul cuplului, controlul hibrid forță/poziție, etc. Acestea sunt în principal controlul stratului inferior, iar principalele metode de control sunt acum explicate.
(1) controlul poziției robotului industrial:scopul este de a face ca articulațiile robotului să realizeze mișcarea pre-planificată și, în cele din urmă, să se asigure că efectul-terminal al robotului industrial rulează de-a lungul traiectoriei predeterminate, utilizând de obicei servosistem AC sau servosistem DC pentru a realiza.
(2) Controlul forței de muncă (cuplu) al mașinilor industriale:necesitatea de a analiza efectul-final al robotului și mediul stării de constrângeri și, în funcție de constrângeri, de a dezvolta strategii de control. În plus, un senzor de forță trebuie instalat la capătul robotului pentru a detecta forța de contact dintre robot și mediu. Sistemul de control procesează aceste informații de forță în conformitate cu-strategia de control pre-stabilită și apoi controlează robotul pentru a efectua operațiuni în mediul incert, care sunt compatibile cu acel mediu, astfel încât robotul să poată îndeplini sarcini operaționale complexe.
(3) Controlul vitezei robotului industrial:realizată de obicei simultan cu controlul poziției. De exemplu, în cazul modului de control al traiectoriei continue, roboții industriali trebuie să controleze viteza pieselor în mișcare și să implementeze accelerarea și decelerația conform instrucțiunilor predeterminate, pentru a îndeplini cerințele de mișcare lină și poziționare precisă. Deoarece robotul industrial este un fel de condiție de lucru (sau sarcină de deplasare) variabilă, mașinile de mișcare mari cu sarcină de inerție, pentru a face față contradicției dintre rapid și neted, trebuie să controleze accelerația și decelerația de pornire înainte de a opri cele două secțiuni de mișcare de tranziție. Și în întregul proces de mișcare, controlul vitezei este de obicei necesar.
3) Controlul inteligent al roboților industriali
Metoda de control inteligentă a roboților industriali se referă în principal la funcționarea în condiții incerte sau necunoscute, robotul trebuie să obțină informații despre mediul înconjurător prin intermediul senzorilor, să ia decizii în funcție de propria bază de cunoștințe internă și apoi să controleze diferitele actuatoare pentru a finaliza în mod autonom sarcina dată, care aparține nivelului superior de control al robotului. Dacă se utilizează tehnologia de control inteligent, robotul va avea o mare adaptabilitate la mediu și o capacitate de auto{1}}învățare. Metodele de control inteligente sunt strâns legate de dezvoltarea inteligenței artificiale, cum ar fi rețelele neuronale artificiale, algoritmii fuzzy, algoritmii genetici, sistemele expert și așa mai departe. Aplicarea algoritmilor de rețele neuronale la roboții mobili este folosită ca exemplu pentru a ilustra combinația dintre controlul inteligent și roboții industriali.
Luând ca exemplu robotul mobil prezentat în figură, camera este instalată pe partea superioară a robotului mobil pentru a obține imaginea tri-dimensională a obstacolului. Un set de senzori ultrasonici este montat în fața robotului mobil (direct sub cameră) pentru a obține informații despre distanța dintre obstacol și robotul mobil.
Fuziunea informațiilor senzorilor vizuali și ultrasonici se realizează folosind metode de rețea neuronală și iese la nivelul următor pentru a recunoaște tipul de obstacol, ceea ce permite robotului mobil să evite obstacolele atunci când merge într-un mediu incert și îi îmbunătățește capacitatea de navigare. Principalii pași pentru roboții industriali pentru a utiliza informații inteligente pentru luarea deciziilor integrate pentru a evita obstacolele sunt următorii:
(1) În timp ce robotul se deplasează, sistemul de telemetrie efectuează detectarea mediului la intervale scurte pentru a determina dacă robotul mobil trebuie să încetinească și dacă trebuie să preleve mostre de la camera CCD pe baza informațiilor despre distanță despre obstacolul obținut de senzorul ultrasonic.
(2) Când distanța obstacolului față de robotul mobil este medie, așa cum este detectată de sistemul de distanță, viteza robotului este redusă; când distanța obstacolului față de robotul mobil este apropiată, se obține o imagine bi-dimensională a obstacolului în cauză de la camera CCD și se extrag coordonatele marginilor din stânga și din dreapta acestuia.
(3) Informațiile despre obstacol obținute de la senzorul ultrasonic și camera CCD sunt grupate și preprocesate și trimise controlorului rețelei neuronale BP pentru fuziune.
(4) Controlerul rețelei neuronale BP, care a fost pre-învățat cu cunoștințele privind evitarea obstacolelor, ia decizia corespunzătoare de evitare a obstacolelor în funcție de informațiile colectate de multi-senzorii externi și evită obstacolele.
Referințe
[1] Zhu Hongqian. Tehnologia roboților industriali [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2019. [2] Chen Wanmi. Tehnologia de control al robotului [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2017. [3] Guo Tongying, An Dong. Robotica și controlul său inteligent [M]. Beijing: People's Posts and Telecommunications Press, 2014. [4] Zhang Xianmin. Robotica și aplicația ei [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2017. [5] Zhang Xinxing. Fundamentele aplicației robotului industrial [M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2017.