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【全面】工业机器人全方位解读

2016-08-18 00:03
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  2)伺服电机

  在伺服电机和驱动方面,目前欧系机器人的驱动部分主要由伦茨,Lust,博世力士乐等公司提供,这些欧系电机及驱动部件过载能力,动态响应好,驱动器开放性强,且具有总线接口,但是价格昂贵。而日系品牌工业机器人关键部件主要由安川,松下,三菱等公司提供,其价格相对降低,但是动态响应能力较差,开放性较差,且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。国内近年来也开展了大功率交流永磁同步电机及驱动部分基础研究和产业化,如哈尔滨工业大学,北京和利时,广州数控等单位,并且具备了一点的生产能力,但是其动态性能,开放性和可靠性还需要更多的实际机器人项目应用进行验证。

  3)控制器

  在机器人控制器方面,目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发。目前通用的多轴控制器平台主要分为以嵌入式处理器(DSP,POWER

  PC)为核心的运动控制卡和以工控机加实时系统为核心的PLC系统,其代表分别是Delta

  Tau的PMAC卡和Beckhoff的TwinCAT系统。国内的在运动控制卡方面,固高公司已经开发出相应成熟产品,但是在机器人上的应用还相对较少。

  机器人操作系统

  通用的机器人操作系统(robotoperatingsystem,ROS)是为机器人而设计的标准化的构造平台,它使得每一位机器人设计师都可以使用同样的操作系统来进行机器人软件开发。ROS将推进机器人行业向硬件、软件独立的方向发展。硬件、软件独立的开发模式,曾极大促进了PC、笔记本电脑和智能手机技术的发展和快速进步。

  ROS的开发难度比计算机操作系统更大,计算机只需要处理一些定义非常明确的数学运算任务,而机器人需要面对更为复杂的实际运动操作。

  ROS提供标准操作系统服务,包括硬件抽象、底层设备控制、常用功能实现、进程间消息以及数据包管理。

  ROS分成两层,低层是操作系统层,高层则是用户群贡献的机器人实现不同功能的各种软件包。

  现有的机器人操作系统架构主要有基于linux的Ubuntu开源操作系统。另外,斯坦福大学、麻省理工学院、德国慕尼黑大学等机构已经开发出了各类ROS系统。微软机器人开发团队2007年也曾推出过一款“Windows机器人版”。

  机器人的运动规划

  为了提高工作效率,且使机器人能用尽可能短的时间完成特定的任务,必须有合理的运动规划。离线运动规划分为路径规划和轨迹规划。

  路径规划的目标是使路径与障碍物的距离尽量远同时路径的长度尽量短;轨迹规划的目的主要是机器人关节空间移动中使得机器人的运行时间尽可能短,或者能量尽可能小。轨迹规划在路径规划的基础上加入时间序列信息,对机器人执行任务时的速度与加速度进行规划,以满足光滑性和速度可控性等要求。

  示教再现是实现路径规划的方法之一,通过操作空间进行示教并记录示教结果,在工作过程中加以复现,现场示教直接与机器人需要完成的动作对应,路径直观且明确。缺点是需要经验丰富的操作工人,并消耗大量的时间,路径不一定最优化。为解决上述问题,可以建立机器人虚拟模型,通过虚拟的可视化操作完成对作业任务的路径规划。

  路径规划可在关节空间中进行。Gasparetto以五次B样条为关节轨迹的插值函数,并将加加速度的平方相对于运动时间的积分作为目标函数进行优化,以确保各个关节运动足够光滑。刘松国通过采用五次B样条对机器人的关节轨迹进行插补计算,机器人各个关节的速度、加速度端点值,可根据平滑性要求进行任意配置。另外,在关节空间的轨迹规划可避免操作空间的奇异性问题。Huo等人设计了一种关节空间中避免奇异性的关节轨迹优化算法,利用6自由度弧焊机器人在任务过程中某个关节功能上的冗余,将机器人奇异性和关节限制作为约束条件,采用TWA方法进行优化计算。

  关节空间路径规划与操作空间路径规划对比,具有以下优点:

  ①避免了机器人在操作空间中的奇异性问题;

  ②由于机器人的运动是通过控制关节电机的运动,因此在关节空间中,避免了大量的正运动学和逆运动学计算;

  ③关节空间中各个关节轨迹便于控制的优化。

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