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北航教授贠超:高速机器人关键技术及应用

9月29-30日,以“赋能新产业、构建新生态”为主题的OFweek 2021中国机器人系统集成商峰会在深圳会展中心成功举办。

大会设有“机器人系统集成商专场”、“机器人创新应用,赋能行业转型升级”、“3C行业智造专场”三大专场,专家学者、企业高层云集,围绕机器人行业现状、问题、应用等众多议题发表专题演讲。

北京航空航天大学机械学院教授贠超带来《高速机器人关键技术及应用》专题演讲。

贠超教授演讲全程聚焦高速机器人,从专业的角度分析高速机器人类型、结构、关键技术与应用。

顾名思义,高速机器人相较于其他类型,在速度上更占优势。但速度与精度往往互相牵制。现在主流的工业机器人,重复定位精度高于±0.02mm,全工作空间内绝对定位精度高于±1mm,基本可以说是“高精度”机器人了。但机器人带载时的速度越高,惯性力越大,机器人的路径精度和跟踪精度越差。

就如何在保证高速的同时提高作业精度,贠超教授分别就SCARA型、DELTA型、小型六轴型、四轴重载型、直角坐标型机器人等五种机器人的关键技术进行分析,寻求提高精度的技术解决方案。

SCARA型机器人关键技术

结构优化设计

强度、零部件的固有频率(刚度)以及静动态误差,它们决定了 SCARA机器人的高速性、承载能力以及运动精度等关键性能

误差分析及优化

零部件形变误差、运动的平稳性以及负载大小都会直接影响机器人末端的定位精度,因此有必要对SCARA机器人进行误差分析及优化

控制算法

从快速响应、高精度及高稳定性角度出发,选择最合适的优化解,得到最优控制策略

DELTA型机器人关键技术

运动学正逆解

正解是已知各关节的运动参数,求末端执行器的相对参考坐标系的位置和姿态;逆解是根据已给定的满足工作要求的末端执行器相对参考坐标系的位置和姿态,求各关节的运动参数。

轨迹叠加

在拾取作业时,从指定位置提取目标,水平运送目标,然后在终止位置放置目标。通过速度规划叠加的方式获取较高的速度指标。

直线与圆弧跟踪

1. 生成物体的物体源——生成初始的跟踪位置信息,可借助相机等传感器生成物体最初始的位置;

2. 传送带——物体的运动轨迹;

3. 计米轮——记录物体的移动距离,在确定初始位置之后物体运动的距离。

小型六轴机器人关键技术

伺服电机

1. 保证电机转子惯量与负载惯量相匹配(即惯量匹配),这是机器人机械设计的一项重要指标;

2. 高的功率/体积比和高的功率/重量比;

3. 全封闭式的构造,伺服电机做成封闭结构主要是为了适应多粉尘和有腐蚀性物质的生产现场;

4. 环境适应性强(温度、湿度等),连接电缆要柔韧,耐疲劳。

惯量匹配

伺服电机驱动器对伺服电机的响应控制,最佳值为负载惯量与电机转子惯量之比在5-15倍,即惯量比,这是机械传动装置设计的一个重要指标。

关节型机器人的负载惯量都很大,因此需要与大惯量电机与之匹配。

四轴重载型机器人关键技术

动力学分析

整机的设计参数,如各部件质量、几何尺寸、运动惯量、关节阻尼等都要进行综合的动力学分析

轨迹规划

轨迹规划问题通常是将机器人的轨迹规划器看成黑箱,接受表示路径约束的输入变量,输出起点与终点之间按时间排列的机器人中间形态(位移、速度和加速度)序列。

直角坐标型机器人的核心部件

直线运动轴

也叫直线运动单元,主要由支撑载体的铝型材或钢型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及带动滑块运动的同步带组成。

驱动系统

在要求高速运行状态(电机转速>600r/ min)、大功率驱动、高定位精度的场合多采用交流/直流伺服电机系统作为驱动;在要求低速运行状态(电机转速<600r/ min)、小功率驱动、定位精度不高的场合可采用步进电机系统作为驱动;在要求极高的运行速度和定位精度的场合可采用直线伺服系统驱动。

控制系统

控制系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量以及软件的配置和功能。

高速机器人的应用主要分为两方面:轻载高速机器人的应用和重载高速机器人的应用。

SCARA型机器人是目前世界范围内装机量最高的工业机器人类型,广泛应用于汽车、电子、家电、五金、日用品、医药等行业。

DELTA机器人最核心的应用就是高速分拣操作

小型六轴机器人灵活性高,在汽车、电子、家电、五金、日用品等行业应用广泛,随着国产化程度的提高,小型六轴机器人在我国的应用前景发展迅速。在装配、加工、移载行业,近年来小型六轴机器人的装机量明显提升,特别是在3C行业,装机量接近SCARA机器人的水平。

高速重载机器人作为工业机器人的重要分支,其最主要的应用领域为物流行业的重载高速搬运。它不仅能代替人工单调、频繁重复的作业,更能在危险和恶劣的环境下实现对人体有害物料的作业。更重要的是它可以实现人力无法完成的重载高速搬运,实现物流作业的自动化、无人化。

直角坐标型机器人的应用:

根据末端操作工具的不同,直角坐标机器人的应用场合:

物流(高速作业):搬运、上下料、码垛、拆垛、包装、分拣等;

加工:焊接、切割、铣削加工、拉丝加工等;

其它(高速作业):喷码、打码、贴标、绘图等;

其它:检测、探伤、(软仿型)喷涂等。

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