I. Bakgrunn for utviklingen av industriroboter
Begrepet ROBOT ble først brukt i 1920 av den tsjekkiske dramatikeren Karilo Chibek i hans science fiction-skuespill Rossums Universal Robots, og har siden blitt synonymt med robotikk.
I mars 1938 rapporterte The Meccano Magazine om en modell av en håndteringsrobot, en av de tidligste rapportene om en modellrobot rettet mot industrielle applikasjoner. Designet av Griffith P. Taylor i 1935, var den i stand til fem bevegelsesakser ved hjelp av en enkelt elektrisk motor. I 1954 ble den første elektronisk programmerbare industriroboten designet av GC Devol i USA. Og i 1960 produserte det amerikanske selskapet AMF kolonnekoordinaten Versatran-roboten med punkt- og banekontroll, som var verdens første robot som ble brukt i industriell produksjon.
I 1974 utviklet Cincinnati Milacron vellykket en multi-leddet robot. I 1979 lanserte Unimation PUMA-roboten, som er en multi-leddet, all-motordrevet, multi-CPU sekundær kontroll av roboten, bruken av VAL spesialspråk, kan utstyres med visuelle, taktile, kraftsensorer, på den tiden er den mest teknologisk avanserte industriroboten. Dagens industriroboter er i stor grad basert på denne strukturen. Denne perioden av roboten tilhører "Teach-in/Playback" (Teach-in/Playback) typen roboter, bare med minne, lagringskapasitet, i henhold til det tilsvarende programmet for å gjenta operasjonen, det omgivende miljøet har i utgangspunktet ingen persepsjons- og tilbakemeldingskontrollevne.
Inn på 80-tallet, med utviklingen av sensorteknologi, inkludert visuelle sensorer, ikke-visuelle sensorer og informasjonsbehandlingsteknologi, andre generasjon roboter - sensoriske roboter. Den er i stand til å innhente deler av relevant informasjon om driftsmiljøet og driftsobjektet, utføre visse sanntidsbehandlinger og veilede roboten til å utføre operasjoner. Andre generasjon roboter har vært mye brukt i industriell produksjon.
Land forsker for tiden på den «intelligente roboten», som ikke bare har mer enn andre generasjon roboter med bedre miljøbevissthet, men som også har en logisk tenkning, dømmekraft og{0}}beslutningsevne, i henhold til driftskravene og miljøinformasjonen for å fungere autonomt.
II. Bruksscenarier for industrielle roboter
Siden tidlig på 1960-tallet skapte menneskeheten de første industrirobotene, roboter viser sin store vitalitet, i løpet av drøyt 50 år har robotteknologi utviklet seg raskt, i mange produksjonsfelt er industriroboter mest brukt innen produksjon av bil- og bildeler og komponenter, og ekspanderer stadig til andre områder, slik som elektronisk maskinindustri, plastindustri, gummiindustri, og plastindustri. bildeler og komponentproduksjonsindustrien. Elektroindustri, gummi- og plastindustri, næringsmiddelindustri, tre- og møbelproduksjon og andre felt. I industriell produksjon har sveiseroboter, slipe- og poleringsprosesseringsroboter, sveiseroboter, laserbehandlingsroboter, sprøyteroboter, håndteringsroboter, vakuumroboter og andre industriroboter blitt tatt i bruk i stort antall. Det følgende er en introduksjon til noen av applikasjonsscenariene og tekniske egenskaper til industriroboter.
III. Den nåværende situasjonen for industriroboter
Sammen med den økende fremveksten av industriroboter vil «maskin for menneske» bli trenden. Foxconn har tidligere annonsert at det vil kjøpe en million roboter i tre år, forventes å 2016 vil bli bygget i Shanxi Jincheng, "verdens største intelligente robot produksjon base".
Automotive, elektronikk, mat, kjemikalier, plast og gummi, metallprodukter, seks produksjonsindustrier, blir sett på som den nåværende anvendelsen av industriroboter i hovedområdene, spådde byrået at det vil være 1 million til 2 millioner enheter årlig etterspørsel, som står for Kinas industriroboter etterspørsel på rundt 70%.
Per september i år har hele Kinas robotikkbedrifter nådd nesten 420. I tillegg er mer enn 30 robotindustriparker under bygging over hele Kina.
Grunnen til at industriroboter øker på det kinesiske markedet er for det første fordi roboter i form av kostnader vanligvis bare er en-fjerdedel av arbeidskostnadene; for det andre kan roboter også gi mye ny merverdi når det gjelder kvalitet, effektivitet og ledelse. Derfor, i den raske forbedringen av robotteknologi, har prisene falt dramatisk, mangel på arbeidskraft, økende lønnskostnader og andre faktorer, er Kinas industrielle robotikkindustri inne i en utblåsningstid.
IV. Nøkkelteknologier for industriroboter
1. Robot grunnleggende systemsammensetning
Industriell robot består av 3 hoveddeler og 6 undersystemer, som er mekanisk del, føledel og kontrolldel, og de 6 delsystemene kan deles inn i mekanisk struktursystem, drivsystem, sensorsystem, robotmiljø interaksjonssystem, menneskelig-maskininteraksjonssystem og kontrollsystem.
Sammensetning av industrirobotsystem
(1) Det mekaniske struktursystemet til industriroboter består av tre hoveddeler: basen, armen og endemanipulatoren, og hver av disse hoveddelene har en rekke mekaniske systemer med flere frihetsgrader. Hvis basen har en gangmekanisme, utgjør den en gårobot; hvis basen ikke har en gå- og bøyemekanisme, utgjør den en enkelt robotarm. Armen består vanligvis av en overarm, en underarm og et håndledd. Endemanipulatoren er en viktig del direkte montert på håndleddet, den kan være to fingre eller multi-fingerhåndtak, kan også være en malingssprøytepistol, sveiseverktøy og andre betjeningsverktøy.
(2) drivsystem, for å få roboten til å operere, må plasseres i leddene, det vil si hver grad av bevegelsesfrihet på overføringsenheten, som er drivsystemet. Drivsystemet kan være hydraulisk, pneumatisk, elektrisk, eller en kombinasjon av dem for å bruke det integrerte systemet, kan være en direkte kjøring eller indirekte kjøring gjennom synkronbeltet, kjedet, hjulsystemet, harmoniske gir og annen mekanisk overføringsmekanisme.
(3) Følesystemet består av en intern sensormodul og en ekstern sensormodul for å få meningsfull informasjon om tilstanden til det interne og eksterne miljøet. Bruken av smarte sensorer forbedrer robotens mobilitet, tilpasningsevne og intelligens. Det menneskelige sansesystemet er ekstremt fingernemt når det gjelder å sanse informasjon om den ytre verden, men sensorer er mer effektive enn det menneskelige sansesystemet for spesifikk informasjon.
(4) Robotmiljøutvekslingssystem er en moderne industrirobot og det ytre miljøet til utstyrets utskiftbare kontakt- og koordineringssystem. Industriroboter og eksternt utstyr satt inn i en funksjonell enhet, som prosessenhet, sveiseenhet, monteringsenhet osv.. Det kan selvfølgelig også være flere roboter, flere maskinverktøy eller utstyr, flere deler lagringsenheter osv. til en funksjonell enhet for å utføre komplekse oppgaver.
(5) menneske-maskinutvekslingssystem er operatøren og robotens kontroll og kontakt med robotenheten, for eksempel standardterminalen til datamaskinen, kommandokonsollen, informasjonsdisplaytavle, faresignalalarm osv.. Systemet er oppsummert i to hovedkategorier: kommando-enheter og informasjonsdisplayenheter.
6) Robotkontrollsystemet er hjernen til roboten og er hovedfaktoren for å bestemme funksjonen og ytelsen til roboten.
Kontrollsystemets oppgave er å styre robotens aktuator for å fullføre den foreskrevne bevegelsen og funksjonen i henhold til robotens driftsinstruksjonsprogram og signalet tilbake fra sensoren. Hvis industriroboten ikke har informasjonstilbakemeldingsegenskaper, er den et åpen-sløyfekontrollsystem; hvis det har informasjonstilbakemeldingsegenskaper, er det et lukket-sløyfekontrollsystem. I henhold til kontrollprinsippet kan kontrollsystemet deles inn i programkontrollsystem, adaptivt kontrollsystem og kunstig intelligenskontrollsystem. I henhold til formen for kontrolldrift kan kontrollsystemet deles inn i punktkontroll og banekontroll. Punktposisjonstypen kontrollerer kun den nøyaktige posisjoneringen av aktuatoren fra ett punkt til et annet, og er egnet for operasjoner som lasting og lossing av verktøymaskiner, punktsveising og generell håndtering, lasting og lossing etc. Den kontinuerlige banetypen styrer aktuatorens bevegelse i henhold til en gitt bane, og er egnet for operasjoner som kontinuerlig sveising og maling.
Kontrollsystemets oppgave er å styre robotens aktuator for å fullføre den foreskrevne bevegelsen og funksjonen i henhold til robotens driftsinstruksjonsprogram og signalet tilbake fra sensoren. Hvis industriroboten ikke har informasjonstilbakemeldingsegenskaper, er den et åpen-sløyfekontrollsystem; hvis det har informasjonstilbakemeldingsegenskaper, er det et lukket-sløyfekontrollsystem. I henhold til kontrollprinsippet kan kontrollsystemet deles inn i programkontrollsystem, adaptivt kontrollsystem og kunstig intelligenskontrollsystem. I henhold til formen for kontrolldrift kan kontrollsystemet deles inn i punktkontroll og banekontroll. Et komplett sett med industriroboter inkluderer robotkropp, systemprogramvare, kontrollskap, perifert mekanisk utstyr, CCD vision, armatur/griper, PLS kontrollskap for perifert utstyr og demonstrator/demonstratorboks.
Den følgende delen fokuserer på drivsystemet og sensorsystemet til roboten.
2. Robotdrivsystem
Drivsystemet til industriroboter er delt inn i tre hovedkategorier, nemlig hydraulisk, pneumatisk og elektrisk, i henhold til strømkilden. I henhold til behovene til disse tre grunnleggende typene kan også kombineres til et sammensatt drivsystem. Disse tre typene grunnleggende drivsystemer har sine egne egenskaper.
Hydraulisk drivsystem: Ettersom hydraulisk teknologi er en mer moden teknologi. Den har en stor kraft, kraft (eller moment) og treghetsforhold, rask respons, lett å realisere egenskapene til direkte kjøring. Egnet for bruk i disse robotene med stor bæreevne, stor treghet og arbeider i et sveisesikret miljø. Imidlertid krever det hydrauliske systemet energikonvertering (elektrisk energi til hydraulisk energi), hastighetskontroll i de fleste tilfeller ved hjelp av regulering av gasshastighet, effektiviteten er lavere enn det elektriske drivsystemet. Hydraulikksystemets flytende slamavløp kan forurense miljøet, og driftsstøyen er også høyere. På grunn av disse svakhetene er de de siste årene ofte erstattet av elektriske systemer i roboter med belastning på 100 kg eller mindre.
Helt hydrauliske tunge-roboter
Pneumatisk drift har fordelene med høy hastighet, enkel systemstruktur, enkelt vedlikehold og lav pris. På grunn av det lave arbeidstrykket til den pneumatiske enheten er den imidlertid ikke lett å posisjonere nøyaktig, vanligvis bare brukt til industriell robot-ende-effektordrift. Pneumatisk håndgrep, roterende sylinder og pneumatisk suger som ende-effektor kan brukes for grep og montering av arbeidsstykker med middels og liten belastning. Pneumatiske sugekopper og pneumatiske robotgripere er vist på figuren.
Pneumatiske sugekopper og pneumatiske robotgripere
Motordrift er en vanlig kjøremodus for moderne industriroboter, delt inn i fire kategorier motorer: DC servomotorer, AC servomotorer, trinnmotorer og lineære motorer. DC-servomotorer og AC-servomotorer med lukket-sløyfekontroll, vanligvis brukt for høy-presisjon og høyhastighets-robotdrift; trinnmotorer for presisjons- og hastighetskrav er ikke høye anledninger, bruk av åpen-sløyfekontroll; lineære motorer og deres drivkontrollsystemer har blitt teknisk modne, har en tradisjonell transmisjonsenhet som ikke kan sammenlignes med den overlegne ytelsen, for eksempel tilpasning til applikasjoner med svært høy-hastighet og svært lav-hastighet, høy akselerasjon, høy nøyaktighet, ingen tom retur, lav slitasje, struktur og struktur til robotgriperen. Ingen tom rygg, liten slitasje, enkel struktur, ingen reduksjons- og girskruekobling. I lys av det store antallet lineære drivkrav i parallelle roboter, har lineære motorer blitt mye brukt innen parallellroboter.
3. Robotsensorsystem
Robotpersepsjonssystem transformerer forskjellig intern tilstandsinformasjon og miljøinformasjon til roboten fra signaler til data og informasjon som kan forstås og brukes av roboten selv eller mellom roboter. I tillegg til behovet for å oppfatte mekaniske størrelser relatert til sin egen arbeidstilstand, som forskyvning, hastighet, akselerasjon, kraft og dreiemoment, er visuell persepsjonsteknologi et viktig aspekt ved industriell robotoppfatning.
Visuelle servosystemer bruker visuell informasjon som tilbakemeldingssignaler for kontroll for å justere posisjonen og holdningen til roboten. Bruksområder på dette området er hovedsakelig i halvleder- og elektronikkindustrien. Maskinsynssystemer er også mye brukt i ulike aspekter av kvalitetsinspeksjon, identifisering av arbeidsstykker, matsortering og pakking.
Vanligvis er robotens visuelle servokontroll posisjons-basert visuell servo eller bilde-basert visuell servo, som også er kjent som henholdsvis 3D visuell servo og 2D visuell servo, og hver av disse to metodene har sine egne fordeler og anvendelighet, samt noen mangler, så 2,5-dimensjonale visuelle servometoder har blitt foreslått.
Det posisjonsbaserte-visuelle servosystemet bruker parameterne til kameraet for å etablere kartforholdet mellom bildeinformasjonen og posisjons-/holdningsinformasjonen til robotende-effektoren for å realisere den lukkede-sløyfekontrollen av robotens ende-effektorposisjon. Slutt-effektorposisjonen og holdningsfeil estimeres fra slutt-effektorposisjonsinformasjonen hentet fra sanntids-bildene og den geometriske modellen til det lokaliserte målet, og deretter, basert på posisjons- og holdningsfeilene, innhentes de nye posisjons- og holdningsparametrene for hvert ledd. Posisjonsbasert-visuell servoing krever at{10}sluteffektoren alltid skal være observerbar i den visuelle scenen og dens 3D-posisjonsholdningsinformasjon beregnes. Eliminering av forstyrrelser og støy i bildet er nøkkelen for å sikre nøyaktig beregning av posisjons- og holdningsfeil.
2D-synsservoen utleder feilsignalet ved å sammenligne egenskapene til bildet tatt av kameraet med et gitt bilde (ikke den geometriske 3D-informasjonen). Roboten blir deretter korrigert av felleskontrolleren og synskontrolleren og den nåværende driftstilstanden til roboten, slik at roboten kan fullføre servokontroll. Sammenlignet med 3D visuell servoing, er 2D visuell servoing mer robust overfor kalibreringsfeilene til kameraet og roboten, men problemer som singulariteten til Jacobi-bildematrisen og de lokale minima oppstår uunngåelig i utformingen av den visuelle servokontrolleren.
For å adressere begrensningene til 3D og 2D visuelle servometoder, F. Chaumette et al. foreslått en 2,5-dimensjonal visuell servometode. Den kobler fra den lukkede sløyfen for forskyvning og rotasjon av kameraoversettelse, og rekonstruerer orienterings- og bildedybdeforholdet til objektet i 3D-rom basert på bildefunksjonspunktene, med translasjonsdelen representert av koordinatene til funksjonspunktene på bildeplanet. Denne metoden kan med hell kombinere bildesignalene og posisjonssignalene som er hentet ut basert på bildet organisk, og syntetisere feilsignalene generert av dem for tilbakemelding, som i stor grad løser problemene med robusthet, singularitet og lokale minima. Det er imidlertid fortsatt noen problemer som skal løses i denne metoden, for eksempel hvordan man sikrer at referanseobjektet alltid er plassert innenfor kameraets synsfelt under servoprosessen, og eksistensen av ikke-unike løsninger ved dekomponering av singularitetsmatrisen.
Når du modellerer synskontrolleren, må du finne en passende modell for å beskrive kartforholdet mellom robotens ende-effektor og kameraet. Metoden for bilde Jacobi-matriser er en mye brukt klasse av metoder innen forskning på robotsyn. Jacobi-matrisen til et bilde varierer i tid-, så den må beregnes eller estimeres på nettet.
4. Grunnleggende robotkomponenter
Det er 4 hovedkomponenter i en robot, 22 % av kostnadene til kroppen, 24 % av servosystemet, 36 % av reduksjonsapparatet og 12 % av kontrolleren. De viktigste grunnleggende komponentene til roboten refererer til sammensetningen av robotens drivsystem, kontrollsystem og menneskelig-maskininteraksjonssystem, spiller en nøkkelrolle i å påvirke ytelsen til roboten, og har komponentenhetens generelle og modulære karakter. Robotens nøkkelkomponenter er hovedsakelig delt inn i følgende tre deler: høy-presisjonsrobotreduksjon, høy-vekselstrøms- og likestrømsservomotorer og -drev, høy-robotkontroller.
1) Reduser
Reduser er en nøkkelkomponent i roboten, og for tiden brukes hovedsakelig to typer reduksjonsmidler: harmonisk girredusering og RV-redusering.
Den harmoniske overføringsmetoden ble oppfunnet av den amerikanske oppfinneren C. WaltMusser på midten av-1950-tallet. Harmonisk girredusering er hovedsakelig sammensatt av bølgegenerator, fleksibelt gir og stivt gir 3 grunnleggende komponenter, avhengig av bølgegeneratoren for å lage fleksibelt gir for å produsere kontrollert elastisk deformasjon, og med stivt gir som griper inn for å overføre bevegelse og kraft, enkelt-transmisjonshastighetsforhold opp til 70 ~ 1000, med hjelp av fleksible hjulreversering kan gjøres tilbake. Sammenlignet med den generelle reduksjonen, når utgangsmomentet er det samme, kan volumet til den harmoniske girreduksjonen reduseres med 2/3, vekten kan reduseres med 1/2. fleksibelt hjul for å tåle en stor vekslende belastning, og dermed er dets materialutmattelsesstyrke, prosesserings- og varmebehandlingskrav høye, produksjonsprosessen er kompleks, den fleksible hjulytelsen er nøkkelen til høykvalitets harmonisk girredusering.
Tyskeren LorenzBaraen foreslo prinsippet om cykloid planetgiroverføring i 1926, og japanske TEIJINSEIKICo., Ltd. tok ledelsen i utviklingen av RV-reduseren på 1980-tallet. RV-reduksjonen består av det fremre trinnet til et planetgirhode og det bakre trinnet til en cykloid-reduksjonsanordning. Sammenlignet med harmoniske girhoder, gir RV-girhoder bedre svingenøyaktighet og nøyaktighetsoppbevaring.
Chen Shixian oppfant den levende giroverføringsteknologien. Den fjerde generasjonen av oscillerende rulletransmisjon (ORT) har blitt brukt på mange industriprodukter. Sammensatt oscillerende rulletransmisjon (CORT) foreslått på grunnlag av ORT har ikke bare de lignende fordelene med RV-overføring, men overvinner også manglene ved RV-transmisjonens veivaksellagerkraft, lav levetid og forbedrer levetiden og bæreevnen ytterligere; CORTs struktur tillater det i samme Strukturen til CORT gjør returforskjellen mindre under samme presisjonsindeks, og bevegelsespresisjonen og stivheten høyere, noe som lindrer defektene ved RV-transmisjon som krever høy produksjonspresisjon, og kan relativt redusere prosesseringskravene og produksjonskostnadene.CORT er uavhengig utviklet i Kina, og eier uavhengige eiendomsrettigheter. Anshan Wear-resistant Alloy Research Institute og Zhejiang Hengfengtai Reducer Manufacturing Co., Ltd. har begge utviklet CORT-reduksjonsmidler for roboter.
ORT redusering CORT redusering
For øyeblikket, når det gjelder høy-presisjonsrobotredusering, er 75 % av markedsandelen monopolisert av henholdsvis to japanske reduseringsselskaper, for å levere RV cycloid-redusering Japan Nabtesco og gi høy-ytelses harmonisk reduksjon Japan Harmonic Drive. inkludert ABB, FANUC, KUKA, MOTOMAN, inkludert internasjonale mainstream robot produsenter, redusering av de to ovennevnte selskapene for å gi, med innenlandske og internasjonale robotprodusenter, redusering av de to ovennevnte selskapene. Girkassene til internasjonale vanlige robotprodusenter, inkludert ABB, FANUC, KUKA og MOTOMAN, leveres alle av de to ovennevnte selskapene. Det som er forskjellig fra de generelle modellene valgt av innenlandske robotselskaper er at de internasjonale mainstream-robotprodusentene har inngått et strategisk samarbeidsforhold med de to ovennevnte selskapene, og de fleste av produktene som tilbys er spesialiserte modeller forbedret i henhold til produsentenes spesielle krav på grunnlag av de generelle modellene. Innenlandsk forskning i høy-presisjonssykloidredusering startet sent, bare på enkelte høyskoler og universiteter har forskningsinstitutter hatt relevant forskning. For tiden er det ingen modne produkter som brukes i industriroboter. I løpet av de siste årene har noen innenlandske produsenter og institusjoner begynt å vie til lokalisering og industrialisering av{10}}høypresisjonsforskning om cykloidreduksjoner, som Zhejiang Hengfengtai, Chongqing University State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Tianjin Reducer Factory, Qinchuan Machine Tool Factory, Dalian Railway Institute og så videre. Når det gjelder harmonisk redusering, er det alternative produkter i Kina, som Beijing Sinotech Kemi, Beijing Harmonic Drive, men de tilsvarende produktene i inngangshastighet, torsjonshøyde, overføringsnøyaktighet og effektivitet med japanske produkter er det fortsatt et lite gap, den modne bruken av industriroboter har nettopp begynt.
2) Servomotorer
I servomotoren og drivverket er den nåværende europeiske robotdrivdelen hovedsakelig levert av Lenze, Lust, Bosch Rexroth og andre selskaper, disse europeiske motorene og drivkomponentene overbelastningskapasitet, dynamisk respons er god, drivåpenheten er sterk, og har et bussgrensesnitt, men prisen er dyr. Nøkkelkomponentene til den japanske industriroboten leveres hovedsakelig av Yaskawa, Panasonic, Mitsubishi og andre selskaper, prisen er relativt lav, men den dynamiske responsen er dårlig, åpenheten er dårlig, og de fleste av dem har bare analog- og pulskontrollmodus. I løpet av de siste årene har Kina også utført grunnleggende forskning og industrialisering av høy-vekselstrøm permanentmagnet synkronmotorer og drivdeler, som Harbin Institute of Technology, Beijing og Lisi, Guangzhou CNC og andre enheter, og har litt produksjonskapasitet, men dens dynamiske ytelse, åpenhet og pålitelighet må verifiseres av mer praktiske robotprosjektapplikasjoner.
3) Kontroller
Når det gjelder robotkontrollere, er de nåværende mainstream utenlandske robotprodusentene i den generelle multi{0}}akse bevegelseskontrollerplattformen basert på uavhengig forskning og utvikling. For tiden er den generelle multi--kontrollerplattformen hovedsakelig delt inn i innebygde prosessorer (DSP, POWER PC) som kjernen i bevegelseskontrollkortet og industriell datamaskin pluss sanntidssystem som kjernen i PLS-systemet, som er representert av Delta Taus PMAC-kort og Beckhoffs TwinCAT-system. Innenriks i bevegelseskontroll kortet, har solid høy selskapet utviklet tilsvarende modne produkter, men i bruken av roboten er relativt liten.
5. Robotoperativsystem
Det vanlige robotoperativsystemet (robotoperativsystem, ROS) er en standardisert konstruksjonsplattform designet for roboter, som gjør at enhver robotdesigner kan bruke samme operativsystem for utvikling av robotprogramvare.ROS skal fremme utviklingen av robotindustrien i retning av maskinvare- og programvareuavhengighet. Den maskinvare-programvareuavhengige utviklingsmodellen har i stor grad bidratt til utviklingen og den raske utviklingen av PC-, bærbare- og smarttelefonteknologier.
ROS er vanskeligere å utvikle enn et datamaskinoperativsystem. Datamaskiner trenger bare å håndtere noen vel-definerte matematiske operasjoner, mens roboter må møte mer komplekse faktiske bevegelsesoperasjoner.
ROS tilbyr standard operativsystemtjenester, inkludert maskinvareabstraksjon, underliggende enhetskontroll, implementering av vanlige funksjoner, inter-prosessmeldinger og pakkebehandling.
ROS er delt inn i to lag, det nedre laget er operativsystemlaget, og det høyere laget er de ulike programvarepakkene som er bidratt av brukerfellesskapet for å realisere ulike funksjoner til roboten.
De viktigste eksisterende robotoperativsystemarkitekturene er det linux-baserte Ubuntu open source-operativsystemet. I tillegg er det utviklet ulike typer ROS-systemer ved Stanford University, Massachusetts Institute of Technology og University of München i Tyskland. Microsofts robotikkutviklingsteam ga også ut en "Windows robotikkversjon" i 2007.
6. Robotbevegelsesplanlegging
For å forbedre effektiviteten i arbeidet, og slik at roboten kan gjennomføre en spesifikk oppgave på kortest mulig tid, må det være en rimelig bevegelsesplanlegging. Offline bevegelsesplanlegging er delt inn i stiplanlegging og baneplanlegging.
Målet med stiplanlegging er å gjøre avstanden mellom stien og hindringen så langt som mulig mens lengden på stien er så kort som mulig; Hensikten med baneplanlegging er hovedsakelig å gjøre robotens ledd i den romlige bevegelsen av robotens kjøretid er så kort som mulig, eller energien er så liten som mulig. Baneplanlegging i banen planlegging basert på tillegg av tidsserieinformasjon, roboten til å utføre oppgaven med hastighet og akselerasjonsplanlegging, for å møte kravene til jevnhet og hastighetskontroll.
Demonstrasjonsreproduksjon er en av metodene for å realisere baneplanlegging, gjennom operasjonsrommet for demonstrasjon og registrering av resultatene av demonstrasjonen, og reprodusert i arbeidsprosessen, -demonstrasjon på stedet samsvarer direkte med robotens behov for å fullføre handlingen, banen er intuitiv og tydelig. Ulempen er at det krever erfarne operatører og bruker mye tid, og banen er kanskje ikke optimalisert. For å løse problemene ovenfor, kan en virtuell modell av roboten bygges, og veiplanleggingen av operasjonsoppgaven kan utføres gjennom virtuell visualisering.
Baneplanlegging kan utføres i leddrommet.Gasparetto bruker fem ganger B-splines som interpolasjonsfunksjon for leddbanene, og integralet av kvadratet av den tilførte akselerasjonen med hensyn til bevegelsestiden brukes som objektivfunksjon for optimalisering for å sikre at bevegelsen til hvert ledd er jevn nok. Songguo Liu beregner interpolasjonen av robotens leddbaner ved å bruke fem ganger B spline, og hastighets- og akselerasjonsendepunktverdiene til robotens individuelle ledd kan konfigureres vilkårlig i henhold til glatthetskravene. I tillegg kan baneplanlegging i fellesrommet unngå singularitetsproblemet i operasjonsrommet.Huo et al. utviklet en algoritme for optimalisering av leddbane for å unngå singularitet i leddrommet ved å bruke redundansen i funksjonaliteten til en viss skjøt av en 6-frihetsgraders-buesveiserobot under en oppgave, og ta robotens singularitet og leddbegrensninger som begrensninger for å optimalisere TWA-metoden.
Den felles rombaneplanleggingen har følgende fordeler sammenlignet med operasjonsromveiplanleggingen:
① Unngå singularitetsproblemet til roboten i operasjonsrommet;
② Siden bevegelsen til roboten styres ved å kontrollere bevegelsen til leddmotorene, unngås et stort antall forover- og inverskinematikkberegninger i leddrommet;
③De individuelle leddbanene i leddrommet letter optimaliseringen av kontrollen.
V. Klassifisering av industriroboter
1. Med tanke på mekanisk struktur er den delt inn i serie- og parallellroboter.
(1) serierobot er preget av bevegelsen av en akse vil endre opprinnelsen til koordinatene til den andre aksen, i posisjonsløsningen er serieroboten lett å løse den positive løsningen, men den omvendte løsningen er veldig vanskelig;
(2) Den parallelle roboten bruker en parallell mekanisme, og bevegelsen til den ene aksen endrer ikke koordinatopprinnelsen til den andre aksen. Den parallelle roboten har fordelene med stor stivhet, stabil struktur, stor lastbærende kapasitet, høy presisjon i mikro-bevegelse og liten bevegelsesbelastning. Den positive løsningen er vanskelig å inversere løsningen er veldig enkel. Serie- og parallellroboter er vist på figuren.
Tandem robot, parallell robot
2. Industriroboter er delt inn i følgende kategorier i henhold til formen til operatørens koordinater: (Koordinatenes form refererer til formen til referansekoordinatsystemet tatt av operatørens arm i bevegelse.)
(1) Industriroboter av kartesisk koordinattype
Bevegelsesdelen består av tre innbyrdes vinkelrette lineære bevegelser (dvs. PPP), og arbeidsområdets figur er rektangulær. Bevegelsesavstanden i hver aksial retning kan leses ut direkte på hver koordinatakse, noe som er intuitivt, enkelt å programmere og beregne posisjon og posisjon, høy posisjoneringsnøyaktighet, koblings-fri kontroll, enkel struktur, men plassen som kroppen opptar er stor i volum, liten handlingsrekkevidde, dårlig fleksibilitet og vanskelig å jobbe i koordinering med andre industrielle roboter.
(2) Sylindrisk koordinattype industrirobot
Bevegelsesformen realiseres av et rotasjons- og to mobile bevegelsessystem, arbeidsområdegrafen for sylinderen, sammenlignet med Cartesian Coordinate Industrial Robot, under de samme forholdene i arbeidsområdet, opptar kroppen et lite volum, men bevegelsesområdet er stort, dens posisjonsnøyaktighet er nest etter Cartesian Coordinate Robot, vanskelig å koordinere med andre industriroboter.
(3) Kulekoordinat industrirobot
Kule-koordinatindustrirobot, også kjent som polar-koordinatindustrirobot, dens armbevegelse med to roterende og en lineær bevegelse (dvs. RRP, en roterende, en pitch og en uttrekkbar bevegelse) som består av en kule i arbeidsområdet, den kan være opp og ned i pitching og kan gripe bakken eller lære nøyaktig posisjonen til arbeidsstykket, lav posisjon. er høy, er posisjonsfeilen og armens lengde proporsjonal med armens lengde.
4)Multi-artikulerte industriroboter
Også kjent som industriroboter med roterende koordinater, denne industrirobotarmen og menneskets øvre lem som ligner på de tre første leddene er roterende skrustikke (dvs. RRR), industriroboten er vanligvis sammensatt av søyler og store og små armer, søylene og den store armen ser dannelsen av skulderledd, den store armen og albueleddene mellom den lille armen, slik at den store armen og pitchen roterer armen. svinge. Strukturen er den mest kompakte, fleksibilitet, minste fotavtrykk, kan fungere i koordinering med andre industriroboter, men posisjonsnøyaktigheten lærer lav, det er et balanseproblem, kontrollkobling, denne industriroboten er mer og mer utbredt.
(5) Industrirobot av plan ledd
Den bruker et bevegelig ledd og to roterende ledd (dvs. PRR), mobile ledd for å oppnå bevegelse opp og ned, mens de to roterende leddene kontrollerer bevegelsene foran og bak, venstre og høyre. Denne formen for industrirobot er også kjent som (SCARA (Seletive Compliance Assembly Robot Arm) monteringsrobot. I horisontal retning har den fleksibilitet, mens den i vertikal retning har lært stor stivhet. Det er en enkel struktur, fleksibel handling, mest brukt i monteringsoperasjoner, spesielt egnet for små-delerinnsetting av deler, i elektronisk montering, f.eks. av søknader.
3. Industriroboter i henhold til programinndatametoden for å skille mellom to typer programmeringsinndatatype og undervisningsinngangstype:
(1) Programmeringsinngangstype er datamaskinen som er programmert på driftsprogramfilen, via RS232-serieporten eller Ethernet og andre kommunikasjonsmetoder til robotens kontrollskap.
(2) Det er to typer undervisningsmetoder for Teach-In type: Teaching box-undervisning og direkte operatør-ledet aktuatorundervisning.
Læringsboks undervisning av operatøren med en manuell kontroller (læringsboks), kommandosignalet til drivsystemet, slik at aktuatoren i samsvar med den nødvendige sekvensen av handlingen og banen til øvelsen en gang. Bruken av undervisningsboks for undervisning av industriroboter er relativt vanlig, de generelle industrirobotene er utstyrt med undervisningsboksundervisningsfunksjon, men for situasjonens komplekse bane kan undervisningsboksundervisning ikke oppnå de ønskede resultatene, for eksempel for komplekse overflater av malingssprøytearbeidet til malingsroboten.
Robot undervisningsboks
Når operatøren leder aktuatoren direkte, læres roboten å utføre den nødvendige sekvensen av bevegelser og bane. I undervisningsprosessen på samme tid, er arbeidsprograminformasjonen automatisk lagret i programminnet i roboten fungerer automatisk, kontrollsystemet fra programminnet for å oppdage den tilsvarende informasjonen, kommandosignalet til drivmekanismen, slik at aktuatoren for å reprodusere undervisningen av en rekke handlinger.
Ⅵ. industrirobotytelsesevalueringsindeks
De grunnleggende parametrene og ytelsesindikatorene for robotegenskaper inkluderer hovedsakelig arbeidsområde, frihetsgrader, nyttelast, bevegelsesnøyaktighet, bevegelsesegenskaper, dynamiske egenskaper.
Ytelsesvurderingsindikatorer for industriroboter
1. Arbeidsområde (Arbeidsrom) refererer til den spesifikke delen av robotarmen under visse forhold kan nå plassposisjonssamlingen. Egenskapene og størrelsen på arbeidsområdet gjenspeiler størrelsen på robotens arbeidskapasitet. Når du forstår arbeidsområdet til en robot, bør du være oppmerksom på følgende punkter:
(1) Vanligvis refererer arbeidsområdet som er angitt i håndboken til industriroboter til området som opprinnelsen til koordinatsystemet til det mekaniske grensesnittet på håndleddet kan nå i rommet, det vil si området som senterpunktet til flensen ved enden av håndleddet kan nå i rommet, i stedet for området som kan nås av endepunktet til ende-effektoren. Derfor, når du designer og velger roboten, er det viktig å ta hensyn til arbeidsområdet som roboten faktisk kan nå etter å ha installert ende-effektoren.
(2) Arbeidsplassen i robothåndboken er ofte mindre enn maksimal plass i kinematisk forstand. Dette er fordi i det tilgjengelige rommet er armposisjonen forskjellig mens nyttelasten, maksimal hastighet og maksimal akselerasjon ikke er det samme, i armpolens maksimale posisjon tillater grenseverdien vanligvis mindre enn andre posisjoner. I tillegg kan det være forringelse av frihetsgrader ved grensen til robotens maksimalt tilgjengelige plass, som kalles singularbitmønsteret, og utviklingen av frihetsgrader skjer i et betydelig område rundt enkeltbitmønsteret, og denne delen av arbeidsområdet kan ikke utnyttes når roboten jobber.
(3) I tillegg til kanten av arbeidsområdet, kan industriroboter i praktiske applikasjoner også være begrenset av den mekaniske strukturen til arbeidsområdet, det finnes også et område inne i arbeidsområdet som ikke kan nås ved enden av armen, som ofte refereres til som hulen eller hulrommet. Kavitet er et helt lukket rom i arbeidsområdet som ikke kan nås ved enden av armen. Og hulrommet er langs skaftet rundt hele lengden av armen kan ikke nå plassen.
2.Bevegelsesgrader av frihet refererer til antall variabler som kreves for robotoperatøren for å bevege seg i rommet, brukes til å indikere graden av fleksibilitet til robothandlingsparameteren, vanligvis for å bevege seg langs aksen og rotere rundt aksen til antall uavhengige bevegelser for å indikere.
Et fritt objekt har seks frihetsgrader i rommet (tre frihetsgrader for rotasjon og tre frihetsgrader for bevegelse). Industriroboter er ofte åpne koblingssystemer med bare én frihetsgrad per leddkinematikk, så vanligvis er antallet frihetsgrader til en robot lik antall ledd. Jo flere frihetsgrader en robot har, jo kraftigere er den. For noen dager siden hadde industriroboter vanligvis 4-6 frihetsgrader. Redundante frihetsgrader oppstår når antall ledd (frihetsgrader) til en robot øker til et punkt hvor den ikke lenger er nyttig for slutteffektororientering og lokalisering. Tilstedeværelsen av overflødige frihetsgrader øker fleksibiliteten i robotens arbeid, men gjør også kontrollen mer kompleks.
Industriroboter kan alltid deles inn i to typer lineær bevegelse (forkortet som P) og roterende bevegelse (forkortet som R) når det gjelder bevegelse, og bruken av stenografisymbolene P og R kan indikere egenskapene til bevegelsesfrihetsgradene til manipulatoren, for eksempel indikerer RPRR at robotmanipulatoren har fire grader av leddbevegelser, og rekkefølgen av leddbevegelsen roterende-lineær-roterende-roterende, starter fra basen til enden av armen. I tillegg har graden av bevegelsesfrihet til industriroboter begrensningene for bevegelsesområdet.
3. Nyttelast
Nyttelast refererer til vekten av objektet som robotoperatøren kan bære på enden av armen eller kraften eller momentet som den kan motstå under drift, og brukes til å indikere operatørens lastekapasitet.
Robot i forskjellige posisjoner, den maksimalt tillatte massen er forskjellig, så den nominelle massen til roboten er at armen i en hvilken som helst posisjon i arbeidsområdet til håndleddsleddet kan håndtere maksimal masse.
4. Bevegelsesnøyaktighet
Nøyaktigheten til det robotmekaniske systemet involverer hovedsakelig posisjonsnøyaktighet, gjentatt posisjonsnøyaktighet, banenøyaktighet, gjentatt banenøyaktighet og så videre.
Posisjonsnøyaktighet refererer til avviket mellom den beordrede posisjonen og det faktiske posisjonssenteret når man nærmer seg den beordrede posisjonen fra samme retning. Gjentatt posisjonsnøyaktighet refererer til graden av inkonsekvens av den faktiske posisjonen etter å ha svart på samme kommandoposisjon fra samme retning i n ganger.
Banenøyaktighet er graden av nærhet til robotens mekaniske grensesnitt til den kommanderte banen fra samme retning n ganger. Bane repeterbarhet refererer til graden av inkonsistens mellom en gitt bane og den faktiske banen etter å ha fulgt den n ganger i samme retning.
5. Bevegelsesegenskaper (hastighet)
Hastighet og akselerasjon er hovedindikatorene for robotens bevegelsesegenskaper. I robothåndboken, gir vanligvis den maksimale stabiliserte hastigheten til de viktigste gradene av bevegelsesfrihet, men i praksis, bare vurdere maksimal stabilisert hastighet er ikke nok, bør også ta hensyn til sin maksimalt tillatte akselerasjon.
6. Dynamiske egenskaper til strukturens dynamiske parametere inkluderer hovedsakelig masse, treghetsmoment, stivhet, dempningskoeffisient, egenfrekvens og vibrasjonsmoduser.
Designet skal minimere massen og tregheten. For stivheten til roboten, hvis stivheten er dårlig, vil posisjonsnøyaktigheten til roboten og den iboende frekvensen til systemet reduseres, noe som vil føre til den dynamiske ustabiliteten til systemet; For enkelte operasjoner (f.eks. monteringsoperasjoner) er det imidlertid fordelaktig å øke fleksibiliteten på en passende måte, og ideelt sett er det ønskelig å ha stivheten til robotens armstang justerbar. Økning av dempingen av systemet er fordelaktig for å redusere nedbrytningstiden til oscillasjonene og forbedre systemets dynamiske stabilitet. Å øke den indre frekvensen til systemet for å unngå driftsfrekvensområdet er også fordelaktig for å forbedre stabiliteten til systemet.
Ⅶ. industriroboter møter tekniske utfordringer
1, utgjorde robotmarkedet nitti prosent av utenlandsk kapital
Robotmarkedet blomstrer, men Kinas robotindustri er ikke optimistisk. I følge markedsstatistikk er fastlands-Kinas industrielle robotikk-marked monopolisert av utenlandske produsenter, japanske merkevareprodusenter sto for 52%, europeiske produsenter sto for 30%, de resterende ca. 10% av fastlands-Kina-produsenter.
Siden inngangsterskelen for robotikkindustrien er ganske høy, var den globale robotikkmarkedsrangeringen av de fire beste leverandørene Japan Fanuc, Yaskawa Electric, ABB og KUKA, totalt 50 % av markedsandelen.
På den annen side, i løpet av de neste 30 årene, vil fastlands-Kinas industrirobotikk-marked opprettholde minst 30 % av den raske veksten. For dette formål, den globale merkevaren robotikk produsenter aktivt utvide omfanget av robot virksomhet salg i det kinesiske fastlandsmarkedet, inkludert FANUC, YASKAWA Electric, ABB og KUKA, etc. er aktivt i det kinesiske fastlandet, sette opp fabrikker.
I dag, fastlands-Kinas industrielle roboter, selv om industrialiseringen av noen innledende fremgang, men på grunn av nøyaktigheten, hastigheten og andre aspekter av utenlandske produsenter enn lignende produkter, noe som resulterer i industrialiseringen av disse produktene til en lav grad av anvendelse, er markedsandelen svært liten; noen av produktene fra det teknologiske nivået i fremmede land tilsvarer bare nivået på midten av 90-tallet av forrige århundre.
Li Xiaojia, direktør for China Robot Industry Alliance Data Statistics Center, sa at i 2013 kjøpte og monterte Kina nesten 37 000 industriroboter, hvorav utenlandsk-finansierte roboter vanligvis er 6-akse eller mer avanserte industriroboter, og nesten monopoliserer bilproduksjonen og annen bilproduksjon. høye-industrisektorer, som står for 96 %. Hovedanvendelsen av innenlandske roboter er fortsatt hovedsakelig håndtering og lasting og lossing av roboter, i de lave områdene av industrien.
Det er verdt å merke seg at den nåværende utviklingen av Kinas robotikk industri med utlandet, gapet mellom risikoen for å bli ytterligere utvidet. I dag er Kinas robotindustrien generelt fortsatt i sin spede begynnelse, mangelen på merkevaregjenkjenning av industriroboter, de største robotikkselskapene årlig produksjon av roboter bare noen få tusen enheter. Med utenlandske robotselskaper som har Kina som produksjonsbase, vil utviklingen av uavhengige merker av industriroboter bli ytterligere komprimert.
Samtidig, på grunn av de sentrale kjernekomponentene som er underlagt andre, økte risikoen for industriell uthuling. De tre nøkkelkomponentene til industriroboter (motorer og servere, girkasser, kontrollsystemer) er hovedsakelig hentet fra utlandet, og kinesiske produsenter på fastlandet mangler relativt konkurransedyktig FoU og produksjonsevne, og har lenge vært avhengig av import. Siden oppstrøms i industrikjeden ikke støttes av kjernekomponentprodusenter, vil den være underlagt langsiktige begrensninger.
2, industriroboter står overfor tekniske utfordringer
Vi må nøkternt se de enorme utfordringene utviklingen av Kinas industrielle robotindustri står overfor.
Først av alt er robotens arkitektoniske design og grunnleggende teknologi på topp-nivå kontrollert av utviklede land, i robotens kostnadsstruktur for en større andel av reduksjonsmotorer, servomotorer, kontrollere, CNC-systemer er sterkt avhengige av import, innenlandske roboter har ikke en betydelig kostnadsfordel.
For det andre er det risiko for lav-endelåsing. På den ene siden vil utviklede land ikke lett til Kina for å overføre eller autorisere kjernen robotteknologi, patenter, Kinas robotikk-bedrifter gjennom deltakelse i utviklingen av internasjonale standarder, teknologisamarbeid og forskning og utvikling for å gå inn i middels og høye-markedshinder; på den annen side kan lokale myndigheters blinde investering i næringen danne et overskudd av produksjonskapasitet, noe som resulterer i duplisering av bygging og lav-priskonkurranse.
Igjen er det mangel på effektiv forbindelse mellom robot-FoU, produksjon og applikasjon. Robot-relatert teknologisk forskning og utvikling av ledende universiteter og institutter har ikke evnen til å utvikle markedet, og foretakene i den grunnleggende FoU-investeringen er fortsatt svært lav, den innenlandske kombinasjonen av industri, akademia og forskning og eksistensen av en rekke institusjonelle barrierer, noe som resulterer i at FoU- og produksjonsforbindelser kobles fra.
Utenlandsk monopol på det innenlandske markedet for status quo foreslår eksperter at gjennom en rekke måter å søke et "gjennombrudd" og ta igjen: først av alt må vi styrke sporingen av internasjonal robotikkforskning, utviklingen og introduksjonen av den faktiske utviklingen av Kinas "Robotics Roadmap", klare skritt for teknologisk utvikling, fokus på gjennombrudd, og utviklingen av robotikkens veikart, utviklingen av robotikken. Tydelig trinnene i teknologisk utvikling, viktige gjennombrudd i sentrale kjerneteknologier, prosesser og komponenter, samt industrialiseringsvei.
For det andre må vi etablere en robotutviklingsmodell i tråd med Kinas faktiske utvikling. Styrke den integrerte applikasjonen av industrisegmenter, styrke kombinasjonen av industri, akademia, forskning og bruk av kollektiv forskning, med fokus på gjennombrudd i sentrale kjernekomponenter, så snart som mulig for å danne en robotkropp, nøkkelkomponenter, systemintegratorer og annen robotindustrikjede for å fremme helheten.
I tillegg er det nødvendig å akselerere dyrkingen av ledende industrirobotbedrifter og merkevarer. Kina bør dyrke og utvikle sitt eget merke industriroboter som en viktig oppgave for å skape en oppgradert versjon av Kinas økonomi. Innføringen av industrirobotindustrikatalog, samarbeidsfremmende formidling for å utføre lokalisering av industriroboter.