I. Contextul dezvoltării roboților industriali
Termenul ROBOT a fost folosit pentru prima dată în 1920 de dramaturgul ceh Karilo Chibek în piesa sa științifico-fantastică Rossum’s Universal Robots și de atunci a devenit sinonim cu robotica.
În martie 1938, The Meccano Magazine a raportat despre un model de robot de manipulare, unul dintre cele mai vechi rapoarte despre un model de robot destinat aplicațiilor industriale. Proiectat de Griffith P. Taylor în 1935, era capabil de cinci axe de mișcare prin intermediul unui singur motor electric. Până în 1954, primul robot industrial programabil electronic a fost proiectat de GC Devol în Statele Unite. Și în 1960, compania americană AMF a produs robotul-Versatran cu coordonate de coloană cu control punct și traiectorie, care a fost primul robot din lume folosit în producția industrială.
În 1974, Cincinnati Milacron a dezvoltat cu succes un robot multi-articulat. Până în 1979, Unimation a lansat robotul PUMA, care este un multi-articulație, toate-motor drive, multi-CPU control secundar al robotului, utilizarea limbajului special VAL, poate fi echipat cu senzori vizuali, tactili, de forță, la acel moment este cel mai avansat roboți industriali. Roboții industriali de astăzi se bazează în mare măsură pe această structură. Această perioadă a robotului aparține roboților de tip „Teach-in/Playback” (Teach{-in/Playback), doar cu memorie, capacitate de stocare, conform programului corespunzător pentru a repeta operația, mediul înconjurător practic nu are capacitate de control de percepție și feedback.
În anii 80, odată cu dezvoltarea tehnologiei de detectare, inclusiv senzori vizuali, senzori non--vizuali și tehnologia de procesare a informațiilor, a doua generație de roboți - roboți senzoriali. Este capabil să obțină o parte din informațiile relevante despre mediul de operare și obiectul de operare, să efectueze anumite procesări-în timp real și să ghideze robotul să efectueze operațiuni. A doua generație de roboți a fost utilizată pe scară largă în producția industrială.
În prezent, țările cercetează „robotul inteligent”, care nu numai că are mai mult decât a doua generație de roboți cu o mai bună conștientizare a mediului, dar are și o gândire logică, o capacitate de judecată și{0}}decizionare, în conformitate cu cerințele operaționale și informațiile de mediu pentru a funcționa autonom.
II. Scenarii de aplicare a roboților industriali
De la începutul anilor 1960, omenirea a creat primii roboți industriali, roboții își arată marea vitalitate, în puțin peste 50 de ani, tehnologia robotică s-a dezvoltat rapid, în multe domenii de producție, roboții industriali sunt cei mai folosiți în domeniul industriei de fabricare a pieselor și componentelor auto și se extinde constant în alte domenii, cum ar fi industria cauciucului și a mașinilor, industria electronică și a mașinilor plastice, industria automobilelor și a mașinilor. şi industria de fabricare a componentelor. Industria electrică, industria cauciucului și a materialelor plastice, industria alimentară, producția de lemn și mobilă și alte domenii. În producția industrială, roboții de sudură, roboții de prelucrare de șlefuire și lustruire, roboți de sudură, roboți de prelucrare cu laser, roboți de pulverizare, roboți de manipulare, roboți de vid și alți roboți industriali au fost adoptați în număr mare. Următoarea este o introducere în unele dintre scenariile de aplicare și caracteristicile tehnice ale roboților industriali.
III. Situația actuală a roboților industriali
Odată cu creșterea în creștere a roboților industriali, „mașină pentru om” va deveni tendința. Foxconn a anunţat anterior că va cumpăra un milion de roboţi în trei ani, este de aşteptat să 2016 va fi construit în Shanxi Jincheng, "cea mai mare bază de producţie robot inteligent din lume".
Automobile, electronice, alimente, produse chimice, materiale plastice și cauciuc, produse din metal, șase industrii de producție, este văzută ca aplicarea actuală a roboților industriali în principalele domenii, agenția a prezis că va exista 1 milion până la 2 milioane de unități de cerere anuală, reprezentând cererea pieței de roboți industriali a Chinei de aproximativ 70%.
În luna septembrie a acestui an, toate întreprinderile de robotică din China au ajuns la aproape 420. În plus, peste 30 de parcuri industriale de robotică sunt în prezent în construcție în toată China.
Motivul pentru care roboții industriali cresc pe piața chineză este, în primul rând, pentru că, din punct de vedere al costului, roboții reprezintă de obicei doar un-sfert din costul forței de muncă; în al doilea rând, roboții pot aduce și o mulțime de valoare adăugată nouă în ceea ce privește calitatea, eficiența și managementul. Prin urmare, în îmbunătățirea rapidă a tehnologiei robotice, prețurile au scăzut dramatic, lipsa forței de muncă, costurile cu forța de muncă în creștere și alți factori, industria robotică industrială a Chinei este într-o eră de explozie.
IV. Tehnologii cheie ale roboților industriali
1. Compoziția sistemului de bază al robotului
Robotul industrial constă din 3 părți majore și 6 subsisteme, care sunt parte mecanică, parte de detectare și parte de control, iar cele 6 subsisteme pot fi împărțite în sistem de structură mecanică, sistem de acționare, sistem de detectare, sistem de interacțiune cu mediul robot, sistem de interacțiune uman-mașină și sistem de control.
Compoziția sistemului de robot industrial
(1) Sistemul de structură mecanică al roboților industriali este format din trei părți majore: baza, brațul și manipulatorul de capăt, iar fiecare dintre aceste părți majore are un număr de sisteme mecanice cu mai multe grade de libertate. Dacă baza are un mecanism de mers, aceasta constituie un robot de mers; daca baza nu are mecanism de mers si indoire, constituie un singur brat robot. Brațul constă în general dintr-un braț superior, un braț inferior și o încheietură. Manipulatorul de capăt este o piesă importantă montată direct pe încheietura mâinii, poate fi o prindere cu două degete sau cu mai multe degete, poate fi și un pistol de pulverizare pentru vopsea, unelte de sudare și alte instrumente de operare.
(2) sistemul de acționare, pentru a face funcționarea robotului, trebuie să fie plasat în articulații, adică fiecare grad de libertate de mișcare pe dispozitivul de transmisie, care este sistemul de acționare. Sistemul de antrenare poate fi hidraulic, pneumatic, electric sau o combinație a acestora pentru a aplica sistemul integrat, poate fi o acționare directă sau indirectă prin cureaua sincronă, lanț, sistem de roți, angrenaje armonice și alt mecanism de transmisie mecanică.
(3) Sistemul de detectare constă dintr-un modul senzor intern și un modul senzor extern pentru a obține informații semnificative despre starea mediului intern și extern. Utilizarea senzorilor inteligenți îmbunătățește nivelul de mobilitate, adaptabilitate și inteligență a robotului. Sistemul senzorial uman este extrem de abil în a detecta informații despre lumea exterioară, cu toate acestea, senzorii sunt mai eficienți decât sistemul senzorial uman pentru anumite informații specifice.
(4) Sistemul de schimb de mediu robot este un robot industrial modern și mediul extern al echipamentului interschimbabil sistem de contact și coordonare. Roboți industriali și echipamente externe setate într-o unitate funcțională, cum ar fi unitatea de procesare, unitatea de sudură, unitatea de asamblare, etc. Desigur, pot fi, de asemenea, mai mulți roboți, mai multe mașini-unelte sau echipamente, mai multe dispozitive de stocare a pieselor etc. într-o unitate funcțională pentru a îndeplini sarcini complexe.
(5) Omul-sistemul de schimb de mașini este operatorul și robotul de control și contact cu dispozitivul robot, de exemplu, terminalul standard al computerului, consola de comandă, panoul de afișare a informațiilor, alarma de semnal de pericol etc.. Sistemul este rezumat în două categorii principale: dispozitive de-datoare de comandă și dispozitive de afișare a informațiilor.
6) Sistemul de control al robotului este creierul robotului și este factorul principal în determinarea funcției și performanței robotului.
Sarcina sistemului de control este de a controla actuatorul robotului pentru a finaliza mișcarea și funcționarea prescrisă în conformitate cu programul de instrucțiuni de funcționare al robotului și semnalul înapoi de la senzor. Dacă robotul industrial nu are caracteristici de feedback informațional, acesta este un sistem de control-în buclă deschisă; dacă are caracteristici de feedback informațional, este un sistem de control-în buclă închisă. Conform principiului de control, sistemul de control poate fi împărțit în sistem de control al programului, sistem de control adaptiv și sistem de control al inteligenței artificiale. În funcție de forma operațiunii de control, sistemul de control poate fi împărțit în control punct și control traiectorie. Tipul de poziție punct controlează doar poziționarea precisă a actuatorului de la un punct la altul și este potrivit pentru operațiuni precum încărcarea și descărcarea mașinilor-unelte, sudarea în puncte și manipularea generală, încărcarea și descărcarea, etc. Tipul cu traiectorie continuă controlează mișcarea actuatorului în funcție de o traiectorie dată și este potrivit pentru operațiuni precum sudarea și vopsirea continuă.
Sarcina sistemului de control este de a controla actuatorul robotului pentru a finaliza mișcarea și funcționarea prescrisă în conformitate cu programul de instrucțiuni de funcționare al robotului și semnalul înapoi de la senzor. Dacă robotul industrial nu are caracteristici de feedback informațional, acesta este un sistem de control-în buclă deschisă; dacă are caracteristici de feedback informațional, este un sistem de control-în buclă închisă. Conform principiului de control, sistemul de control poate fi împărțit în sistem de control al programului, sistem de control adaptiv și sistem de control al inteligenței artificiale. În funcție de forma operațiunii de control, sistemul de control poate fi împărțit în control punct și control traiectorie. Un set complet de roboți industriali include corpul robotului, software-ul de sistem, dulapul de control, echipamentul mecanic periferic, viziunea CCD, dispozitivul de fixare/prinderea, dulapul de control PLC pentru echipamente periferice și cutia demonstratoare/demonstratoare.
Următoarea secțiune se concentrează pe sistemul de antrenare și sistemul de detectare al robotului.
2. Sistem de antrenare robot
Sistemul de antrenare al roboților industriali este împărțit în trei mari categorii și anume hidraulic, pneumatic și electric, în funcție de sursa de alimentare. În funcție de nevoile acestor trei tipuri de bază, pot fi, de asemenea, combinate într-un sistem de antrenare compozit. Aceste trei tipuri de sisteme de antrenare de bază au propriile lor caracteristici.
Sistem de antrenare hidraulic: Deoarece tehnologia hidraulică este o tehnologie mai matură. Are o putere mare, forță (sau moment) și raport de inerție, răspuns rapid, ușor de realizat caracteristicile acționării directe. Potrivit pentru utilizarea în acești roboți cu capacitate mare de încărcare, inerție mare și care lucrează într-un mediu rezistent la sudură-. Cu toate acestea, sistemul hidraulic necesită conversia energiei (energie electrică în energie hidraulică), controlul vitezei în majoritatea cazurilor folosind reglarea vitezei de accelerare, eficiența este mai mică decât sistemul de acționare electric. Evacuarea nămolului lichid al sistemului hidraulic poate polua mediul, iar zgomotul de funcționare este, de asemenea, mai mare. Din cauza acestor slăbiciuni, în ultimii ani, acestea sunt adesea înlocuite cu sisteme electrice la roboții cu sarcini de 100 kg sau mai puțin.
Roboți complet hidraulici{0}}grei
Acționarea pneumatică are avantajele vitezei rapide, structurii sistemului simplu, întreținerii ușoare și prețului scăzut. Cu toate acestea, din cauza presiunii scăzute de lucru a dispozitivului pneumatic, nu este ușor de poziționat cu precizie, în general folosit doar pentru acționarea-efectorului final al robotului industrial. Prinderea manuală pneumatică, cilindrul rotativ și ventuzele pneumatice ca efect-terminal pot fi utilizate pentru prinderea și asamblarea piesei de lucru cu sarcini medii și mici. Ventuzele pneumatice și prinderile roboților pneumatice sunt prezentate în figură.
Ventuze pneumatice și roboți de prindere pneumatice
Acționarea cu motor este un mod de acționare principal al roboților industriali moderni, împărțit în patru categorii de motoare: servomotoare DC, servomotoare AC, motoare pas cu pas și motoare liniare. Servomotoare de curent continuu și servomotoare de curent alternativ cu control-în buclă închisă, utilizate în general pentru acţionarea robotului de-înaltă precizie,-înaltă viteză; motoarele pas cu pas pentru cerințele de precizie și viteză nu sunt ocazii mari, utilizarea controlului în buclă deschisă-; motoarele liniare și sistemele lor de comandă au devenit mature din punct de vedere tehnic, au un dispozitiv de transmisie tradițional care nu poate fi comparat cu performanța superioară, cum ar fi adaptarea la aplicații cu viteză foarte mare- și viteză foarte mică-, accelerație mare, precizie ridicată, fără retur în gol, uzură redusă, structura și structura robotului de prindere. Fără spate gol, uzură redusă, structură simplă, fără reductor și cuplare cu șurub angrenaj. Având în vedere numărul mare de cerințe de acționare liniară în roboții paraleli, motoarele liniare au fost utilizate pe scară largă în domeniul roboților paraleli.
3. Sistem de detectare a robotului
Sistemul de percepție al robotului transformă diverse informații de stare internă și informații de mediu ale robotului din semnale în date și informații care pot fi înțelese și aplicate de robotul însuși sau între roboți. Pe lângă necesitatea de a percepe mărimile mecanice legate de propria stare de lucru, cum ar fi deplasarea, viteza, accelerația, forța și cuplul, tehnologia percepției vizuale este un aspect important al percepției robotului industrial.
Sistemele servo vizuale folosesc informații vizuale ca semnale de feedback pentru control pentru a regla poziția și atitudinea robotului. Aplicațiile în acest domeniu sunt în principal în industria semiconductoarelor și a electronicii. Sistemele de viziune artificială sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în diferite aspecte ale inspecției calității, identificarea pieselor de prelucrat, sortarea alimentelor și ambalarea.
De obicei, servocontrolul vizual al robotului este servo vizual bazat pe poziție-sau servo vizual bazat pe imagine-, care sunt cunoscute și sub denumirea de servo vizual 3D și, respectiv, servo vizual 2D, și fiecare dintre aceste două metode are propriile avantaje și aplicabilitate, precum și unele neajunsuri, așa că au fost propuse metode de servo vizuale 2,5-dimensionale.
Servosistemul vizual bazat pe poziție-utiliză parametrii camerei pentru a stabili relația de cartografiere dintre informațiile de imagine și informațiile de poziție/atitudine ale efectorului-capătului robotului pentru a realiza controlul în buclă-închisă a poziției-efectorului final al robotului. Erorile de poziție-efectorului final și de atitudine sunt estimate din informațiile-de poziția efectului final extrase din imaginile-capturate în timp real și din modelul geometric al țintei localizate, iar apoi pe baza erorilor de poziție și atitudine, se obțin noii parametri de poziție și atitudine a fiecărei articulații. Servirea vizuală bazată pe poziție-necesită ca efectul-final să fie întotdeauna observabil în scena vizuală, iar informațiile sale de poziție 3D sunt calculate. Eliminarea perturbațiilor și a zgomotului din imagine este cheia pentru a asigura calculul precis al erorilor de poziție și atitudine.
Servo de viziune 2D derivă semnalul de eroare comparând caracteristicile imaginii capturate de cameră cu o anumită imagine (nu informațiile geometrice 3D). Robotul este apoi corectat de controlerul comun și controlerul de viziune și starea curentă de funcționare a robotului, permițându-i robotului să completeze controlul servo. În comparație cu servocontrolul vizual 3D, servoservirea vizuală 2D este mai robustă la erorile de calibrare ale camerei și robotului, dar probleme precum singularitatea matricei Jacobi a imaginii și minimele locale sunt inevitabil întâlnite în proiectarea servocontrolerului vizual.
Pentru a aborda limitările metodelor servo vizuale 3D și 2D, F. Chaumette și colab. a propus o metodă servo vizuală cu 2,5-dimensionale. Decuplează controlul-în buclă închisă a deplasării și rotației translației camerei și reconstruiește orientarea și raportul de adâncime a imaginii a obiectului în spațiul 3D pe baza punctelor caracteristice ale imaginii, cu partea de translație reprezentată de coordonatele punctelor caracteristice din planul imaginii. Această metodă poate combina cu succes semnalele de imagine și semnalele de poziție extrase pe baza imaginii în mod organic și poate sintetiza semnalele de eroare generate de acestea pentru feedback, ceea ce rezolvă în mare măsură problemele de robustețe, singularitate și minime locale. Cu toate acestea, există încă unele probleme de rezolvat în această metodă, cum ar fi cum să ne asigurăm că obiectul de referință este întotdeauna situat în câmpul de vedere al camerei în timpul procesului de servoare și existența unor soluții neunice la descompunerea matricei de singularitate.
Când modelați controlerul de viziune, trebuie găsit un model adecvat pentru a descrie relația de cartografiere dintre efectul-capăt al robotului și cameră. Metoda matricelor Jacobi de imagine este o clasă de metode utilizată pe scară largă în domeniul cercetării servoviziunii robotizate. Matricea Jacobi a unei imagini variază în timp-, prin urmare, trebuie să fie calculată sau estimată online.
4. Componentele de bază ale robotului cheie
Există 4 componente majore ale unui robot, 22% din costul corpului, 24% din sistemul servo, 36% din reductor și 12% din controler. Componentele de bază cheie ale robotului se referă la compoziția sistemului de acționare a robotului, a sistemului de control și a sistemului de interacțiune uman-mașină, joacă un rol cheie în influențarea performanței robotului și are generalitatea și modularitatea unității componente. Componentele cheie ale robotului sunt, în principal, împărțite în următoarele trei părți: reductor de-robot de înaltă precizie,-motoare și servomotoare de înaltă performanță AC și DC, controler de-robot de înaltă performanță.
1) Reductor
Reductorul este o componentă cheie a robotului, iar în prezent sunt utilizate în principal două tipuri de reductoare: reductorul de viteze armonice și reductorul RV.
Metoda de transmisie armonică a fost inventată de inventatorul american C. WaltMusser la mijlocul-1950. Reductorul de viteze armonice este compus în principal din generator de undă, angrenaj flexibil și angrenaj rigid 3 componente de bază, bazându-se pe generatorul de undă pentru a face un angrenaj flexibil pentru a produce deformare elastică controlată și cu angrenaj rigid pentru a transfera mișcarea și puterea, raportul vitezei de transmisie într-o singură etapă de până la 70 ~ 1000, cu ajutorul deformarii flexibile fără roată inversă. În comparație cu reductorul general, când cuplul de ieșire este același, volumul reductorului armonic poate fi redus cu 2/3, greutatea poate fi redusă cu 1/2. roată flexibilă pentru a rezista la o sarcină alternativă mare și, prin urmare, rezistența la oboseală a materialului, cerințele de prelucrare și tratament termic sunt ridicate, procesul de fabricație este complex, performanța roții flexibile este cheia reductorului armonic de înaltă calitate.
Germanul LorenzBaraen a propus principiul transmisiei cu angrenaje planetare cicloidale în 1926, iar japoneza TEIJINSEIKICo., Ltd. a preluat conducerea în dezvoltarea reductorului RV în anii 1980. Reductorul RV este format din treapta frontală a unui angrenaj planetar și treapta din spate a unui reductor cicloid. În comparație cu angrenajele armonice, angrenajele RV oferă o mai bună precizie de rotire și reținere a preciziei.
Chen Shixian a inventat tehnologia de transmisie a transmisiei de viteze. A patra generație de transmisie cu role oscilatoare (ORT) a fost aplicată cu succes la multe produse industriale. Transmisia cu role oscilatoare compusă (CORT) propusă pe baza ORT nu numai că are avantajele similare ale transmisiei RV, dar depășește și deficiențele forței de rulment a arborelui cotit al transmisiei RV, durata de viață scăzută și îmbunătățește și mai mult durata de viață și capacitatea de încărcare; Structura CORT o permite în același timp. Structura CORT face diferența de returnare mai mică sub același indice de precizie, iar precizia și rigiditatea mișcării mai mari, ceea ce atenuează defectele transmisiei RV care necesită o precizie ridicată de fabricație și poate reduce relativ cerințele de procesare și costurile de producție. CORT este dezvoltat independent în China și deține drepturi independente de proprietate intelectuală. Anshan Wear-Alloy Research Institute și Zhejiang Hengfengtai Reducer Manufacturing Co., Ltd. au dezvoltat ambele cu succes reductoare CORT pentru roboți.
Reductor ORT Reductor CORT
În prezent, în ceea ce privește reductorul robot de{0}}înaltă precizie, 75% din cota de piață este monopolizată de două companii japoneze de reducere, respectiv, pentru a furniza reductor de cicloid RV Japan Nabtesco și pentru a furniza reductor de armonici-de înaltă performanță Japan Harmonic Drive. inclusiv ABB, FANUC, KUKA, MOTOMAN, inclusiv producătorii internaționali de roboți mainstream, reductorul de către cele două companii de mai sus pentru a furniza, cu producătorii de roboți interni și internaționali, reductorul de către cele două companii de mai sus. Cutiile de viteze ale producătorilor internaționali de roboți, inclusiv ABB, FANUC, KUKA și MOTOMAN, sunt toate furnizate de cele două companii de mai sus. Ceea ce este diferit de modelele generale alese de companiile autohtone de robotică este că producătorii internaționali de roboți au semnat o relație strategică de cooperare cu cele două companii de mai sus, iar majoritatea produselor oferite sunt modele specializate îmbunătățite conform cerințelor speciale ale producătorilor pe baza modelelor generale. Cercetările interne în -reductorul cicloid de înaltă precizie au început târziu, doar în unele colegii și universități, institutele de cercetare au avut cercetări relevante. În prezent, nu există produse mature utilizate în roboții industriali. În ultimii ani, unii producători și instituții autohtone au început să se dedice localizării și industrializării cercetării privind reductoarele cicloide de înaltă{10}}precizie, cum ar fi Zhejiang Hengfengtai, Laboratorul de transmisie mecanică de stat al Universității Chongqing, Fabrica de reductoare Tianjin, Fabrica de mașini-unelte Qinchuan, Institutul de căi ferate Dalian și așa mai departe. În ceea ce privește reductorul de armonici, există produse alternative în China, cum ar fi Beijing Sinotech Kemi, Beijing Harmonic Drive, dar produsele corespunzătoare în viteza de intrare, înălțimea de torsiune, precizia transmisiei și eficiența cu produsele japoneze există încă un mic decalaj, aplicarea matură a roboților industriali tocmai a început.
2) Servomotoare
În servomotor și acționare, partea actuală de acționare a robotului european este furnizată în principal de către Lenze, Lust, Bosch Rexroth și alte companii, aceste motoare europene și capacitatea de supraîncărcare a componentelor de antrenare, răspunsul dinamic este bun, deschiderea unității este puternică și are o interfață de autobuz, dar prețul este scump. Componentele cheie ale roboților industriali de marcă japoneză sunt furnizate în principal de Yaskawa, Panasonic, Mitsubishi și alte companii, prețul său este relativ scăzut, dar răspunsul dinamic este slab, deschiderea este slabă și majoritatea dintre ele au doar mod de control analog și impuls. În ultimii ani, China a desfășurat, de asemenea, cercetare de bază și industrializare a motoarelor sincrone cu magnet permanenți AC de mare-putere și a pieselor de antrenare, cum ar fi Institutul de Tehnologie Harbin, Beijing și Lisi, Guangzhou CNC și alte unități, și are o mică capacitate de producție, dar performanța sa dinamică, deschiderea și fiabilitatea trebuie verificate prin aplicații de proiect robotice mai practice.
3) Controler
În ceea ce privește controlerele de roboți, actualii producători străini de roboți se află în platforma generală de controler de mișcare cu mai multe axe-, bazată pe cercetare și dezvoltare independente. În prezent, platforma generală de controler cu mai multe axe este împărțită în principal în procesoare încorporate (DSP, POWER PC) ca nucleu al cardului de control al mișcării și computer industrial plus sistemul în timp real, ca nucleu al sistemului PLC, care sunt reprezentate de cardul PMAC al Delta Tau și sistemul TwinCAT al lui Beckhoff. Intern în cardul de control al mișcării, companie solidă mare a dezvoltat produsele corespunzătoare mature, dar în aplicarea robotului este relativ mic.
5. Sistem de operare robot
Sistemul de operare comun al robotului (sistem de operare robot, ROS) este o platformă de construcție standardizată concepută pentru roboți, care permite fiecărui proiectant de roboți să utilizeze același sistem de operare pentru dezvoltarea software-ului robot. ROS va promova dezvoltarea industriei robotului în direcția independenței hardware și software. Modelul de dezvoltare independent de hardware-software a contribuit în mare măsură la dezvoltarea și avansarea rapidă a tehnologiilor PC, laptop și smartphone.
ROS este mai dificil de dezvoltat decât un sistem de operare pe computer. Calculatoarele trebuie să facă față doar unor operații matematice bine-definite, în timp ce roboții trebuie să facă față unor operațiuni reale de mișcare mai complexe.
ROS oferă servicii standard ale sistemului de operare, inclusiv abstracția hardware, controlul dispozitivului subiacent, implementarea funcțiilor comune, mesaje între procese și managementul pachetelor.
ROS este împărțit în două straturi, stratul inferior este stratul sistemului de operare, iar stratul superior este diferitele pachete software contribuite de comunitatea de utilizatori pentru realizarea diferitelor funcții ale robotului.
Principalele arhitecturi existente ale sistemelor de operare pentru roboți sunt sistemul de operare open source Ubuntu bazat pe Linux-. În plus, diferite tipuri de sisteme ROS au fost dezvoltate la Universitatea Stanford, Institutul de Tehnologie din Massachusetts și Universitatea din München din Germania. Echipa de dezvoltare robotică a Microsoft a lansat și o „versiune de robotică Windows” în 2007.
6. Planificarea mișcării robotului
Pentru a îmbunătăți eficiența muncii și pentru ca robotul să poată îndeplini o anumită sarcină în cel mai scurt timp posibil, trebuie să existe o planificare rezonabilă a mișcării. Planificarea offline a mișcării este împărțită în planificarea traseului și planificarea traiectoriei.
Scopul planificării traseului este de a face distanța dintre cale și obstacol cât mai departe posibil, în timp ce lungimea căii este cât mai scurtă posibil; scopul planificării traiectoriei este în principal de a face ca articulațiile robotului în mișcarea spațială a timpului de rulare a robotului să fie cât mai scurt posibil, sau energia să fie cât mai mică posibil. Planificarea traiectoriei în planificarea traseului bazată pe adăugarea de informații despre seria temporală, robotul pentru a îndeplini sarcina de planificare a vitezei și accelerației, pentru a îndeplini cerințele de netezime și controlabilitate a vitezei.
Reproducerea demonstrativă este una dintre metodele de realizare a planificării traseului, prin spațiul de operare pentru demonstrație și înregistrarea rezultatelor demonstrației, și reprodusă în procesul de lucru,-demonstrația la fața locului corespunde direct nevoilor robotului pentru a finaliza acțiunea, calea este intuitivă și clară. Dezavantajul este că necesită operatori cu experiență și consumă mult timp, iar calea poate să nu fie optimizată. Pentru a rezolva problemele de mai sus, se poate construi un model virtual al robotului, iar planificarea traseului sarcinii de operare poate fi realizată prin vizualizare virtuală.
Planificarea traseului poate fi efectuată în spațiul articulației. Gasparetto utilizează spline de cinci ori B-ca funcție de interpolare pentru traiectorii articulațiilor, iar integrala pătratului accelerației adăugate în raport cu timpul de mișcare este utilizată ca funcție obiectiv pentru optimizare pentru a se asigura că mișcarea fiecărei articulații este suficient de lină. Songguo Liu calculează interpolarea traiectoriilor articulațiilor robotului utilizând spline de cinci ori B, iar valorile punctului final de viteză și accelerație ale articulațiilor individuale ale robotului pot fi configurate în mod arbitrar în funcție de cerințele de netezime. În plus, planificarea traiectoriei în spațiul comun poate evita problema singularității în spațiul de operare.Huo et al. a proiectat un algoritm de optimizare a traiectoriei articulației pentru evitarea singularității în spațiul articulației utilizând redundanța în funcționalitatea unei anumite articulații a unui robot de sudare cu arc de 6-grade{-libertate în timpul unei sarcini și luând singularitatea robotului și limitările articulației drept constrângeri pentru a optimiza calculul utilizând metoda TWA.
Planificarea traseului spațial comun are următoarele avantaje în comparație cu planificarea traseului spațiului de operare:
① Evitarea problemei de singularitate a robotului în spațiul de operare;
② Deoarece mișcarea robotului este controlată prin controlul mișcării motoarelor articulațiilor, un număr mare de calcule cinematice înainte și inverse sunt evitate în spațiul articulației;
③Traiectoriile individuale ale articulațiilor în spațiul articular facilitează optimizarea controlului.
V. Clasificarea roboţilor industriali
1. Din punct de vedere al structurii mecanice, este împărțit în roboți în serie și paraleli.
(1) robotul de serie se caracterizează prin mișcarea unei axe va schimba originea coordonatelor celeilalte axe, în soluția de poziție, robotul de serie este ușor de rezolvat soluția pozitivă, dar soluția inversă este foarte dificilă;
(2) Robotul paralel folosește un mecanism paralel, iar mișcarea unei axe nu schimbă originea coordonatelor celeilalte axe. Robotul paralel are avantajele unei rigidități mari, structuri stabile, capacitate mare de încărcare, precizie ridicată a micro-mișcării și încărcare mică de mișcare. Soluția sa pozitivă este dificil de rezolvat invers este foarte ușor. Roboții în serie și paraleli sunt prezentați în figură.
Robot tandem, robot paralel
2. Roboții industriali se împart în următoarele categorii după forma coordonatelor operatorului: (Forma coordonatelor se referă la forma sistemului de coordonate de referință luat de brațul operatorului în mișcare.)
(1) Roboți industriali de tip coordonate carteziene
Partea sa de mișcare constă din trei mișcări liniare reciproc perpendiculare (adică, PPP), iar figura spațiului său de lucru este dreptunghiulară. Distanța sa de mișcare în fiecare direcție axială poate fi citită direct pe fiecare axă de coordonate, ceea ce este intuitiv, ușor de programat și calculat poziția și atitudinea, precizie ridicată de poziționare, control liber de cuplare-, structură simplă, dar spațiul ocupat de corp este mare ca volum, rază de acțiune mică, flexibilitate slabă și dificil de lucrat în coordonare cu alți roboți industriali.
(2) Robot industrial tip coordonate cilindrice
Forma de mișcare este realizată printr-un sistem de rotație și două mișcări mobile, graficul spațiului de lucru pentru cilindru, în comparație cu robotul industrial cu coordonate carteziene, în aceleași condiții ale spațiului de lucru, corpul ocupă un volum mic, dar gama de mișcare este mare, precizia sa pozițională este a doua după robotul cu coordonate carteziene, dificil de coordonat cu alți roboți industriali.
(3) Robot industrial cu coordonate bile
Robot industrial cu coordonate bilă, cunoscut și sub denumirea de robot industrial cu coordonate polare-, mișcarea brațului său cu două mișcări rotative și o mișcare liniară (adică, RRP, o mișcare rotativă, un pas și o mișcare retractabilă) compusă dintr-o sferă în spațiul de lucru, poate fi acțiune de pitch în sus și în jos și poate prinde solul sau poate învăța coordonarea piesei de lucru, poziția joasă a preciziei sale de lucru, este mare, eroarea de poziție și lungimea brațului este proporțională cu lungimea brațului.
4)Roboți industriali multi-articulați
Cunoscuți și sub numele de roboți industriali cu coordonate rotative, acest braț al robotului industrial și membrul superior uman similar cu primele trei articulații sunt menghine rotative (adică, RRR), robotul industrial este în general compus din coloane și brațe mari și mici, coloanele și brațul mare văd formarea articulațiilor umărului, brațul mare și articulațiile cotului dintre brațul mic, astfel încât brațul mare, brațul mic și brațul mic se rotesc. leagăn. Structura sa este cea mai compactă, flexibilitate, cea mai mică amprentă, poate funcționa în coordonare cu alți roboți industriali, dar precizia pozițională învață scăzută, există o problemă de echilibru, cuplare de control, acest robot industrial este din ce în ce mai utilizat.
(5) Robot industrial tip articulație plană
Utilizează o articulație mobilă și două articulații rotative (adică, PRR), articulații mobile pentru a realiza mișcarea în sus și în jos, în timp ce cele două articulații rotative controlează mișcările față și spate, stânga și dreapta. Această formă de robot industrial este cunoscută și sub denumirea de robot de asamblare (SCARA (Seletive Compliance Assembly Robot Arm). În direcția orizontală, are flexibilitate, în timp ce în direcția verticală, a învățat o mare rigiditate. Este o structură simplă, acțiune flexibilă, utilizată mai ales în operațiuni de asamblare, potrivită în special pentru ansamblu de introducere a pieselor de dimensiuni mici, cum ar fi în industria inserției electronice, a ansamblurilor cu gamă largă. a aplicatiilor.
3. Roboți industriali conform metodei de introducere a programului pentru a distinge două tipuri de tip de intrare de programare și tip de intrare de predare:
(1) Tipul de intrare de programare este computerul a fost programat pe fișierul programului de operare, prin portul serial RS232 sau Ethernet și alte metode de comunicare către dulapul de control al robotului.
(2) Există două tipuri de metode de predare pentru Teach-In type: Teaching box predare și direct operator-led actuator predation.
Predare caseta de predare de către operator cu un controler manual (caseta de predare), semnalul de comandă către sistemul de acționare, astfel încât actuatorul în conformitate cu secvența necesară de acțiune și traiectoria exercițiului o dată. Utilizarea casetei de predare pentru predarea roboților industriali este relativ comună, roboții industriali generali sunt echipați cu funcția de predare a casetei de predare, dar pentru traiectoria complexă a situației, predarea casetei de predare nu poate obține rezultatele dorite, cum ar fi pentru suprafețele complexe ale lucrării de pulverizare a vopselei robotului de vopsire.
Cutia de predare a robotului
Când operatorul conduce actuatorul direct, robotul este învățat să efectueze secvența necesară de mișcări și traiectorie. În procesul de predare, în același timp, informațiile programului de lucru sunt stocate automat în memoria programului în robotul funcționează automat, sistemul de control din memoria programului pentru a detecta informațiile corespunzătoare, semnalul de comandă către mecanismul de acționare, astfel încât actuatorul să reproducă predarea unei varietăți de acțiuni.
Ⅵ. indicele de evaluare a performanței robotului industrial
Parametrii de bază și indicatorii de performanță ai caracteristicilor robotului includ în principal spațiul de lucru, grade de libertate, sarcina utilă, precizia mișcării, caracteristicile mișcării, caracteristicile dinamice.
Indicatori de judecată a performanței roboților industriali
1. Spațiul de lucru (Spațiul de lucru) se referă la partea specifică a brațului robotului, în anumite condiții, poate ajunge la colectarea poziției spațiului. Trăsăturile și dimensiunea spațiului de lucru reflectă dimensiunea capacității de lucru a robotului. Când înțelegeți spațiul de lucru al unui robot, trebuie remarcate următoarele puncte:
(1) De obicei, spațiul de lucru indicat în manualul roboților industriali se referă la intervalul pe care îl poate atinge originea sistemului de coordonate al interfeței mecanice de pe încheietura mâinii în spațiu, adică intervalul pe care punctul central al flanșei de la capătul încheieturii poate ajunge în spațiu, mai degrabă decât intervalul care poate fi atins de punctul final al efectului-. Prin urmare, atunci când proiectați și selectați robotul, este important să acordați atenție spațiului de lucru la care robotul poate ajunge efectiv după instalarea-efectorului final.
(2) Spațiul de lucru prevăzut în manualul robotului este adesea mai mic decât spațiul maxim în sens cinematic. Acest lucru se datorează faptului că în spațiul accesibil, poziția brațului este diferită în timp ce sarcina utilă, viteza maximă și accelerația maximă nu sunt aceleași, în poziția maximă a stâlpului brațului permite valoarea limită este de obicei mai mică decât alte poziții. În plus, poate exista o degradare a gradelor de libertate la limita spațiului maxim accesibil al robotului, care se numește model de biți singular, iar evoluția gradelor de libertate are loc într-un interval considerabil în jurul modelului de biți singular, iar această parte a spațiului de lucru nu poate fi utilizată atunci când robotul lucrează.
(3) Pe lângă marginea spațiului de lucru, roboții industriali în aplicații practice pot fi limitați și de structura mecanică a spațiului de lucru, existând și o zonă în interiorul spațiului de lucru care nu poate fi atinsă de capătul brațului, care este adesea denumită gol sau cavitate. Cavitatea este un spațiu complet închis în spațiul de lucru, care nu poate fi atins de capătul brațului. Și cavitatea este de-a lungul axului pe toată lungimea brațului nu poate ajunge în spațiu.
2.Gradele de libertate de mișcare se referă la numărul de variabile necesare operatorului robotului pentru a se deplasa în spațiu, utilizate pentru a indica gradul de flexibilitate al parametrului de acțiune a robotului, în general pentru a se deplasa de-a lungul axei și a se roti în jurul axei numărului de mișcări independente pentru a indica.
Un obiect liber are șase grade de libertate în spațiu (trei grade de libertate pentru rotație și trei grade de libertate pentru mișcare). Roboții industriali sunt adesea sisteme de legătură deschise cu un singur grad de libertate pe cinematică a articulației, deci, de obicei, numărul de grade de libertate al unui robot este egal cu numărul de articulații. Cu cât un robot are mai multe grade de libertate, cu atât este mai puternic. Acum câteva zile, roboții industriali aveau de obicei 4-6 grade de libertate. Gradele de libertate redundante apar atunci când numărul de articulații (grade de libertate) unui robot crește până la punctul în care nu mai este util pentru orientarea și localizarea efectului final. Prezența unor grade redundante de libertate crește flexibilitatea muncii robotului, dar face și controlul mai complex.
Roboții industriali pot fi întotdeauna împărțiți în două tipuri de mișcare liniară (abreviată ca P) și mișcare rotativă (abreviată ca R) în ceea ce privește mișcarea, iar aplicarea simbolurilor scurte P și R poate indica caracteristicile gradelor de libertate de mișcare ale manipulatorului, de exemplu, RPRR indică faptul că robotul manipulator are patru grade de libertate a articulației, în ordinea aceea de mișcare a articulațiilor. rotativ-liniar-rotativ-rotativ, începând de la bază până la capătul brațului. În plus, gradele de libertate de mișcare ale roboților industriali au limitările intervalului de mișcare.
3. Sarcina utilă
Sarcina utilă se referă la greutatea obiectului pe care operatorul robot îl poate transporta la capătul brațului sau la forța sau momentul pe care îl poate suporta în timpul funcționării și este folosită pentru a indica capacitatea de încărcare a operatorului.
Robot în poziții diferite, masa maximă admisă este diferită, astfel încât masa nominală a robotului este brațul în orice poziție din spațiul de lucru al capătului articulației încheieturii mâinii poate gestiona masa maximă.
4. Precizia mișcării
Precizia sistemului mecanic al robotului implică în principal precizia poziției, precizia repetării poziției, precizia traiectoriei, precizia repetării traiectoriei și așa mai departe.
Precizia poziției se referă la abaterea dintre poziția comandată și centrul poziției efective atunci când se apropie de poziția comandată din aceeași direcție. Precizia de repetare a poziției se referă la gradul de inconsecvență al poziției reale după ce a răspuns la aceeași poziție de comandă din aceeași direcție de n ori.
Precizia traiectoriei este gradul de apropiere a interfeței mecanice robotului față de traiectoria comandată din aceeași direcție de n ori. Repetabilitatea traiectoriei se referă la gradul de inconsecvență dintre o traiectorie dată și traiectoria reală după ce a urmat-o de n ori în aceeași direcție.
5. Caracteristicile mișcării (Sped)
Viteza și accelerația sunt principalii indicatori ai caracteristicilor de mișcare ale robotului. În manualul robotului, de obicei, oferă viteza maximă stabilizată a principalelor grade de libertate de mișcare, dar, în practică, pur și simplu considerați că viteza maximă stabilizată nu este suficientă, ar trebui să acorde, de asemenea, o atenție la accelerația maximă admisă.
6. Caracteristicile dinamice ale parametrilor dinamici ai structurii includ în principal masa, momentul de inerție, rigiditatea, coeficientul de amortizare, frecvența intrinsecă și modurile de vibrație.
Designul ar trebui să minimizeze masa și inerția. Pentru rigiditatea robotului, dacă rigiditatea este slabă, precizia de poziție a robotului și frecvența intrinsecă a sistemului vor fi scăzute, ceea ce va duce la instabilitatea dinamică a sistemului; totuşi, pentru unele operaţii (de exemplu, operaţii de asamblare), este avantajos să se crească în mod corespunzător flexibilitatea şi, în mod ideal, se doreşte ca rigiditatea barei de braţ a robotului să fie reglabilă. Creșterea amortizării sistemului este avantajoasă pentru reducerea timpului de decădere a oscilațiilor și îmbunătățirea stabilității dinamice a sistemului. Creșterea frecvenței intrinseci a sistemului pentru a evita intervalul de frecvență de funcționare este, de asemenea, benefică pentru îmbunătățirea stabilității sistemului.
Ⅶ. roboții industriali se confruntă cu provocări tehnice
1, piața robotilor a reprezentat nouăzeci la sută din capitalul străin
Piața de robotică este înfloritoare, dar industria robotică din China nu este optimistă. Conform statisticilor pieței, piața robotică industrială a Chinei continentale este monopolizată de producători străini, producătorii de mărci japoneze au reprezentat 52%, producătorii europeni au reprezentat 30%, restul de aproximativ 10% din producătorii din China continentală.
Deoarece pragul de intrare în industria robotică este destul de ridicat, clasamentul global pe piața robotică a primilor patru furnizori au fost Japan Fanuc, Yaskawa Electric, ABB și KUKA, un total de 50% din cota de piață.
Pe de altă parte, în următorii 30 de ani, piața de robotică industrială a Chinei continentale va menține cel puțin 30% din creșterea rapidă. În acest scop, producătorii mondiali de robotică de marcă extind în mod activ scara vânzărilor de roboți pe piața continentală chineză, inclusiv FANUC, YASKAWA Electric, ABB și KUKA, etc. sunt activ în China continentală, au înființat fabrici.
În prezent, roboții industriali din China continentală, deși industrializarea unor progrese inițiale, dar datorită preciziei, vitezei și altor aspecte ale producătorilor străini decât produse similare, rezultând în industrializarea acestor produse la un grad scăzut de aplicare, cota de piață este foarte mică; unele dintre produsele nivelului tehnologic al țărilor străine este doar echivalentă cu nivelul de la mijlocul anilor 90 ai secolului trecut.
Li Xiaojia, directorul Centrului de Statistică de Date al Alianței Industriei Roboților din China, a declarat că, în 2013, China a achiziționat și asamblat aproape 37.000 de roboți industriali, dintre care roboți finanțați din străinătate sunt, în general, roboți industriali cu 6-axe sau mai multe-de ultimă generație, aproape monopolizând producția de automobile, producția de sudură și alte{9} de înaltă calitate. sectoare industriale, reprezentând 96%. Principala aplicație a roboților domestici este încă în principal manipularea și încărcarea și descărcarea roboților, în zonele low-end ale industriei.
Este demn de remarcat faptul că dezvoltarea actuală a industriei de robotică a Chinei cu țări străine, decalajul dintre riscul de a fi extins în continuare. În prezent, industria de robotică din China, în general, este încă în stadiu incipient, lipsa de recunoaștere a mărcii de roboți industriali, cele mai mari companii de robotică producția anuală de roboți doar câteva mii de unități. Întrucât companiile străine de robotică au China ca bază de producție, dezvoltarea mărcilor independente de roboți industriali va fi în continuare comprimată.
În același timp, din cauza componentelor cheie de bază supuse altora, riscul de golire industrială sa extins. Cele trei componente cheie ale roboților industriali (motoare și servere, cutii de viteze, sisteme de control) provin în principal din străinătate, iar producătorii din China continentală nu au relativ capabilități competitive de cercetare și dezvoltare și producție și s-au bazat de mult pe importuri. Întrucât partea din amonte a lanțului industrial nu este acceptată de producătorii de componente de bază, va fi supusă-constrângerilor pe termen lung.
2, roboții industriali se confruntă cu provocări tehnice
Trebuie să vedem cu seriozitate provocările uriașe cu care se confruntă dezvoltarea industriei robotice industriale din China.
În primul rând, designul arhitectural{0}}la nivel superior al robotului și tehnologia de bază sunt controlate de țările dezvoltate, în structura costurilor robotului o proporție mai mare de reductoare, servomotoare, controlere, sisteme CNC depind în mare măsură de importuri, roboții autohtoni nu au un avantaj semnificativ de cost.
În al doilea rând, există riscul de blocare-inferioară. Pe de o parte, țările dezvoltate nu vor cu ușurință la China pentru a transfera sau autoriza tehnologia robotică de bază, brevete, întreprinderile robotice din China prin participarea la dezvoltarea standardelor internaționale, cooperarea tehnologică și cercetare și dezvoltare pentru a intra în mijlocul și obstacolele de piață de vârf-; pe de altă parte, investiția oarbă a guvernului local în industrie poate forma un excedent de capacitate de producție, ducând la dublarea construcțiilor și la concurență la prețuri mici-.
Din nou, există o lipsă de conexiune eficientă între R&D robot, producție și aplicare. Robot-tehnologie legate de cercetare și dezvoltare a universităților și institutelor de top nu au capacitatea de a dezvolta piața, iar întreprinderile în investițiile de bază în cercetare și dezvoltare este încă foarte scăzută, combinația internă de industrie, mediul academic și cercetare și existența unui număr de bariere instituționale, ducând la deconectarea legăturii de cercetare și dezvoltare și producție.
Monopolul străin al pieței interne pentru status quo-ul, experții sugerează că printr-o varietate de moduri de a căuta o „recunoaștere” și de a prinde din urmă: în primul rând, trebuie să consolidăm urmărirea cercetării internaționale în domeniul roboticii, dezvoltarea și introducerea dezvoltării efective a „Foii de parcurs robotice” din China, pași clari pentru dezvoltarea tehnologică, concentrarea pe descoperiri, dezvoltarea roboticii și dezvoltarea drumurilor robotice. În mod clar, pașii dezvoltării tehnologice, descoperirile cheie în tehnologiile de bază, procesele și componentele cheie, precum și calea de industrializare.
În al doilea rând, trebuie să stabilim un model de dezvoltare a robotului în conformitate cu dezvoltarea reală a Chinei. Consolidarea aplicației integrate a segmentelor industriei, consolidarea combinației dintre industrie, mediul academic, cercetare și utilizarea cercetării colective, concentrându-se pe descoperiri în componentele de bază cheie, cât mai curând posibil pentru a forma un corp de robot, componente cheie, integratori de sisteme și alte lanțuri industriale de robotică pentru a promova întregul.
În plus, este necesar să se accelereze cultivarea unor întreprinderi și mărci de roboți industriali de top. China ar trebui să cultive și să-și dezvolte propria marcă de roboți industriali ca sarcină importantă pentru a crea o versiune îmbunătățită a economiei Chinei. Introducerea directorului industriei roboților industriali, promovarea în colaborare pentru a realiza localizarea roboților industriali.