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工业机器人3
第2章工业机器人
2.1工业机器人概述
国际上第一台J—业机器人产品诞生于20世纪60年代,当时其作业能力仅限于上、下料这类简单的工作。
此后机器人进入了一个缓慢的发展期,直到进入80年代,机器人产业才得到了巨大的发展,成为机器人发展的一个里程碑,这一时代被称为“机器人元年”。
为了满足汽车行业蓬勃发展的需要,这个时期开发出的点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列产品已经成熟,并形成产业化规模,有利地推动了制造业的发展。
为进一步提高产品质量和市场竞争能力,装配机器人及柔性装配线又相继开发成功。
进人90年代以后,装配机器人和柔性装配技术得到了广泛的应用.并进入了一个大发展时期。
现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族,并与数控(NC)、可编程控制器(PLC)一起成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段。
广泛应用于制造业的各个领域之中。
纵观世界机器人的发展史,60年代为机器人发明和创建阶段;70年代为机器人走向实用化和产业化初建阶段;80年代为机器人普及和产业化高速发展阶段;90年代机器人进入智能化发展阶段,机器人得到广泛应用,并向非制造业拓展。
机器人由于其作业的高度柔性和可靠性、操作的简便性等特点,满足了工业自动化高速发展的需求,被广泛应用于汽车制造、工程机械、机车车辆、电子和电器、计算机和信息以及生物制药等领域。
据国际机器人联合会统计,60年代末工业机器人开始产业化发展以来,到1998年末累计年度销售机器人达到1020000台。
然而,早期的大多数机器人现在已不再服役。
所以,实际运行的工业机器人数量要比该数据少。
欧洲经济委员会(ECE)和国际机器
人联合会(IFR)伦计.到1998年末,全世界运转的工业机器人总量为720000台:
日本的机器人保有量占世界的一半还多,然而,近年来它的份额正在持续减少。
1990年全世界的工业机器人的年销量达到8l000多台,创历史最高记录。
在经历了199l—1993年的不景气之后,1993年全世界的上业机器人销量急剧下降到约54000台。
此后,世界工业机器人市场开始恢复活力,到1997年再创新高,达到85000台。
近年来,工业机器人的市场一直在稳步快速增长。
随着全球新经济的到来和高新技术的快速发展,机器人的应用领域将会愈来愈广,其作用也会越来越大。
2.2工业机器人结构
2.2.1工业机器人定义
工业机器人是机器人家族中的重要一员,也是目前在技术上发展最成熟、应用最多的一类机器人。
世界各国对工业机器人的定义不尽相同,但其内涵基本一致。
国际标准化组织(ISO)曾于1987年对工业机器人给出了定义:
“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能,能够完成各种作业的可编程操作机”。
日本工业标准(JIS)采用此定义,这也与美国工业机器入学会(RIA)的定义相近。
在德国的标准(VDI)中。
对工业机器人则给出了更为具体的定义:
“工业机器人是具有多自由度的、能进行各种动作的自动机器。
它的动作是可以顺序控制的。
轴的关节角度或轨迹可以不靠机械调节,而由程序或传感器加以控制。
工业机器人具有执行器、工具及制造用的辅助工业,可以完成材料搬运和制造等操作”。
ISO8373对工业机器人给出了更详细、具体的意义:
“机器人具备自动控制及可再编程、多用途功能,机器人操作机具有3个或以上的可编程轴,在工业自动化应用中,机器人的底座可固定也可移动。
”
2.2.2工业机器人系统结构
工业机器人一般由两大部分组成:
一部分是机器人执行机构,也称作机器人操作机(robotmanipulator),它完成机器人的操作和作业;另一部分是机器人控制器,它主要完成信息的获取、处理、作业编程、规划、控制以及整个机器人系统的管理等功能。
机器人控制器是机器人中最核心的部分,机器人性能的优劣主要取决于控制系统的品质。
机器人控制系统集中体现了各种现代高新技术和相关学科的最新进展。
当然,机器人要想进行作业,除去机器人以外,还需要相应的作业机构及配套的周边设备,这些与机器人一起形成了一个完整的工业机器人作业系统。
图2—1给出了工业机器人的系统结构。
2.2.3工业机路人操作机结构
迄今为止.典型的工业机器人仅实现了人类胳膊和手的某些功能,所以机器人操作机也称作机器人手臂或机械手,一船简称为机器人。
机器人机构可以视为一种杆件机构,它的基本结构是将机构学中的杆件(1ink)和运动副(pair)相互连接而构成的开式运动链(openloopkinematicschain)。
当然也有部分闭链或全部闭链的机器人。
图2—2是一个开链结构的工业机器人。
由图2—2可以看出,在机器人中,连杆可称为手臂,运动副称作关节(joint),关节分为平移关节和转动关节。
机器人的末端称为手腕(wrist),它一般由几个转动关节组成。
在机器人中,手臂决定机器人达到的位置,而手腕则决定机器人的姿态。
下面详细介绍机器人的几个重要概念及其典型的结构形式。
1)杆件与自由度
机器人是由杆件和连接它的关节(运动副)构成,关节由一个或多个自由度(degreeoffreedom)组成。
杆件是指两个关节之间的连杆,杆件一般有串联杆件和并联杆件两类。
自由度是表示机器人运动灵活的尺度,意味着独立的单独运动的个数。
自由度分为主动自由度和被动自由度两类,前者指该自由度能产生驱动力,而后者不能产生驱动力,只能被动地跟随其他关节运动。
∑
表2—1是几种有代表性的单自由度关节的符号和运动形式。
设可动部件的个数为n,自由度为f的关节个数为
,则杆件机构的自由度数F可由下式算出
杆件和关节的构成方法大致可分为两种。
从手臂的全貌看,构成手臂的杆件和关节是串联连接的,称为串联杆件机械手(seriallinkmanipulator)或开式链机械手;而并联连接的,则称为并联杆件机械手(parallellinkmanipulator)或闭式链机械手。
在图2—3中给出了串联和并联机械手的自由度构成的例子。
实际上,大部分机械手是串联杆件型的。
在三维空间中的无约束物体,可以做平行于x、y、z各轴的平移运动,还可以做围绕各轴的旋转运动,因此它有与位置有关的3个自由度和与姿态有关的3个自由度,共6个自由度。
机器人手臂为了能任意操纵物体的位置和姿态,必须最少有6个自由度。
人的手臂有7个自由度,其中肩关节为3,肘关节为2、手关节为2(或从功能观点来看,也可认为肩关节为3,肘关节为1,手关节为3),它比6还多,把这种比6还多的自由度称为冗余自由度(redundantdegreeoffreedom)。
人由于有这样的冗余性,在固定了指尖方向和手腕位置的情况下,可以通过旋转肘关节来改变手臂的姿态,因此就能够回避障碍物。
决定机器人自由度的构成.必须是它能完成与目标作业相适应的动作。
例如,若仅限于二维平面内的作业,有3个自由度就够了。
另外,在化学工厂这类障碍物很多的有代表性的环境中,如果是用机器人进行维修为目的、那么也许将需要7个以上的自由度。
(2)自由度的构成
自由度的构成方法将极大地影响机器人的可动范围和可操作性等性能。
例如,球形关节的构造,是可以向任意方向动作的3个自由度关节,它能方便地决定适应于作业的姿态。
然而,由于驱动器可动范围的限制,它很难完全实现这一功能。
所以机器人通常是把3个单自由度机构串联连接,以实现这种3个自由度的要求。
采用这样的串联连接方法,即使是相同的3个自由度,其自由度的组合方法也有多种,各自的功能也不同。
另外,
在进行这样的自由度组合时,必须注意奇异点(singularpoint)的存在。
所谓奇异点,是指由于手臂机构的约束,导致手臂姿态失掉了某特定方向的自由度功能,加之由于这种自由度的退化,进而在奇异点的附近,关节必须作急剧的姿态变化,驱动系统将承受很大的负荷。
奇异点的回避问题,主要是在手臂的轨迹控制中加以解决。
所以在设计时.有效的方法是设法使自由度的构成在执行作业内容时能容易地回避奇异点。
奇异点的例子如图2—4所示在图中、沿箭头方向的自由度已经退化,机械手不能沿此方向运动。
3)动作形态的分类
手臂的主要目的是在三维空间内定位,为此,如前所述必须要3个自由度。
这样的自由度构成法,若考虑平移、旋转、回转三种自由度的组合.则共计存在27种,然而根据它的动作形态,代表性的自由度构成可以分成下面五种:
①圆柱坐标型机器人;
②球坐标型机器人;
③直角坐标型机器人;
④关节型机器人;
⑤并联机器人。
圆柱坐标型机器人(cylindricalcoordinaterobot,见图2—5)是由一个回转和两个平移的自由度组合构成:
球坐标型机器人(polarcoordinaterobot.见图2—6)是由回转、旋转、平移的自由度组合构成。
这两种机器人由于具有中心回转自由度,所以它们都有较大的动作范围(motionrange),其坐标计算也比较简单。
世界上最初实用化的工业机器人“Versastran”和“Unimate”分别采用了圆柱坐标型和球坐标型的构成。
直角坐标型机器人(cartesiancoordinaterobot,见图27)的自由度是独立沿x、y、z轴的,结构简单,精度高,坐标计算和控制也都极为简单。
关节型机器人(articulatedrob俄t)主要是由回转和旋转自由度构成,可以看成是仿人手臂的结构,它是具有肘关节的连杆关节结构,见图2—8。
从肘(elbow)至手臂根部(肩:
shoulder)的部分称为上臂(upperarm),从肘到手朗(wrist)的部分称为前臂(forearm)。
这种结构,对于确定三维空间上的任意位置和姿态是最有效的。
它对于各种各样的作业都有良好的适应性,但其缺点是坐标计算和控制比较复杂.且难以达到高精度。
图2—8是一殿关节型机器人手臂,它采用回转、旋转、旋转的自由度结构。
关节型机器人,根据其自由度的构成方法,可再进一步分成几类。
图2—9是在标准手臂上再加上一个自由度(冗亲自由度),即所谓仿人型(anthropomorphic)。
图2—10的手臂采用了平行四边形连杆,并把前臂关节驱动用的电机装在手臂的根部,可获得更高的运动速度。
图2—11称为SCARA型机器人(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm),手臂的前端结构采用在二维空间内能任意移动的自由度,所以它具有垂直方向的刚性高、水平面内刚性低(柔顺性)的特征。
但在实际操作中主要不是出于它所具有的这种特殊的柔顺性质.而是因为它更能简单地实现二维平面上的动作,因而在装配作业的应用中普遍采用。
并联机构的机器人(见图2—12)是一种新型结构的机器人,它通过各连杆的复合运动,给出末端的运动轨迹.以完成不同类型的作业。
该结构的机器人特点在于刚性好,可用来完成数控机床的一些功能,因此也称之为并联机床。
目前已有这方面的样机,它可完成复杂曲面的加工,是数控机床的一种新的结构形式,也是机器人功能的一种拓展。
其不足是控制复杂,工作范围比较小,精度也比数控机床低一些。
以上介绍了工业机器人的一些基本结构形式和特点.表2—2给出了常见工业机器人的结构形式和运动形态。
2.3工业机器人控制
控制系统是机器人中的关键和核心部分,它类似于人的大脑,控制着机器人的全部动作,机器人功能的强弱以及性能的优劣,主要取决于控制系统。
2.3.1机器人控制技术的发展
机器人控制技术的发展实际上一直是伴随着自动控制技术、计算机技术、微电子技术、电机驱动技术以及传感器技术等相关技术的发展而发展的。
早期的机器人控制器功能很简单,但系统却很庞大,操作起来比较复杂,精度和可靠性也不高.因此机器人仅能完成一些简单的顺序作业,机器人的维护量非常大,寿命也不长,但价格却很昂贵。
进入20世纪80年代以后,随着微电子技术的发展,特别是随着微处理器的出现,机器人控制器也发生了革命性的变化、机器人控制器由过去的一个简易控制装置,变成了一个由计算机控制的高性能控制器。
它具有良好的人机界面。
具有功能完善的编程语言,系统保护、状态监控、诊断功能日趋完善,对外通讯能力进一步加强。
由于计算能力的提高和存储能力的扩大,这时的机器人控制器已能实现一些比较复杂的控制算法,完成复杂轨迹的规划和插补运算.因此大大提高了机器人的控制精度和作业能力。
同时机器人的操作也变得非常简单.可靠性有了很大提高。
此外由于机器人通讯能力的增强,使得机器人由过去的单台独立工作.变成可以多台机器人同时作业,甚至形成一条多台机器人组成的机器人生产线,大大拓展了机器人的应用领域。
图2—13是一条点焊机器人组成的汽车焊接生产线。
90年代以后.计算机性能进一步提高,比的集成度也越来越高,过去需要多个CPU及控制板才能完成的功能,现在一个芯片就可以完成。
机器人控制器的功能已变得非常强大,其控制能力已由过去的6—9轴扩展到多达21轴.可同时完成多台机器人及周边装备的协调控制。
而机器人控制系统的体积却越来越小.价格也愈来愈低。
此外由于计算能力的增强,过去的模拟控制已全部由数字化控制来代替,并且过去许多由硬件来实现的功能现在也完全可由软件来实现,因此大大提高了系统的可靠性和柔性,同时降低了成本。
现在机器人系统的可靠性已由最早的几百小时提高到现在的6万小时,并且操作非常简便,几乎不需要维护。
在机器人控制系统中,其开放性和通讯功能也有了很大提高,机器人控制器可方便地实现与其他先进的工业自动设备的互联,,也可通过CAN—BUS、PROFIBUS或Ethernet与企业不同级别的网络连接,形成一个先进的企业制造系统。
2.3.2机器人控制的基本原理
要使机器人按照人们的要求去完成特定的作业,须作下面几件事情:
①告诉机器人要做什么;
②机器人接受命令,并形成作业的控制策略;
③去完成作业;
④保证正确完成作业,并通报作业已完成。
上述四个过程就是通过机器人控制器来完成的,也是机器人控制器的基本原理。
第一个过程在机器人控制中称作示教,也就是通过计算机可接受方式告诉机器人去做什么,结机器人作业命令;第二个过程则是机器人控制系统中的计算机部分,它负责整个机器人系统的管理、信息获取及处理、控制策略的制定,作业轨迹的规划等任务,这是机器人控制系统中的核心部分;第三个过程是机器人控制中的伺服驱动部分,它通过不同的控制算法.将机器人控制策略转化为驱动信号,驱动伺服电机,实现机器人的高速、高精度运动,去完成指定的作业。
最后一个过程则是机器人控制中的传感器部分,通过传感器的反馈,保证机器人去正确地完成指定作业,同时也将各种姿态反馈到计算机中,以便使计算机实时监控整个系统
的运动情况。
图2。
14是机器人控制基本原理框图。
2.3.3机器人控制系统的典型结构
下面以新松机器人自动化公司开发的高性能机器人控制器为例说明机器人控制器的结构和主要功能。
新松公司的机器人控制器采用多CPU计算机结构,分为主计算机相编程示教盒〔手控盒)及位置伺服模块,见图2—l5。
主计算机和编程示教盒通过串口进行异步通讯。
主计算机和伺服模块分别完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O等功能,而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。
系统采用模块化结构,根据需要可以配置成不同轴数的机器人系统。
整个机器人控制系统采用开放式和模块化结构、32位计算机全数字控制。
在硬件上,采用全新设计的计算机控制系统、控制柜和编程示教盒。
在软件上、采用软件工程的思想,实现了以功能键驱动的全菜单操作的汉字机器人操作系统,系统操作更为简单。
(1)系统硬件结构
系统组成如图2—15所示。
(2)人机接口的设计
编程示教盒是机器人控制器中人机交互的主要部件,它通过串行口与主计算机相联。
目前对编程示教盒的外形要求符合人体工程学的标准,因此需要进行三维CAD设计,见图2—16。
早期的示教盒只有示教功能,而没有编程功能。
编程要使用键盘和显示器,不适合于工业现场的应用。
现在已将示教和编程的功能集成在一起,发展出新型的编程示教盒。
编程示教盒一般由显示屏、功能按键和急停按钮组成,用单片机进行营理。
显示屏采用大屏幕的点阵LCD图形显示器,可显示多行汉字。
编程示教盒的显示界面由四个区域组成,即状态提示行、程序显示区、信息提示区和软键提示行。
整个操作采用基于功能键的软键菜单和汉字帮助信息。
(3)软件系统构成
机器人控制器的软件操作系统由机器人基本系统和机器人应用系统组成。
基本系统包括实时多任务操作系统、机器人语言系统、机器人模型、输入输出控制、通讯系统等功能。
机器人应用系统则是一个机器人作业软件包,针对不同的作业特点,设计相应的作业软件,以实现最优作业。
例如.为适应机器人弧焊作业,在软件系统中必须配置完善的弧焊机器人作业控制软件,提供多种焊机文件、焊接文件和摆动文件,以适应不同的焊机、复杂的焊接工艺条件的情况。
弧焊机器人的焊接指令具有抗粘丝功能,摆动指令具有直线、L形、三角形和任意波形的摆动算法。
此外,控制器软件还要具有内嵌PLC功能和机器人的协调运动算法,使机器人控制器的控制数达到10个轴以上,以满足多个机器人及周边设备的协调运动控制和作业的要求。
同时要具有完善的系统自诊断功能,提供系统的在线帮助,便于对用户进行操作指导利系统维护。
控制软件系统根据软件工程的方法按层次划分为不同的功能模块,其框图如图2—17所示。
新松机器人控制系统的主要性能指标如表2—3所示。
2.4工业机器人编程及仿真
机器人本来应该能自主地进行运动,但是,现阶段的机器人还没达到这个水平,为了让机器人产生出我们所希望的动作,就必须预先设计机器人的运动过程和编制完成这种运动过程的先后顺序,这利计算机中编制程序的概念是一样的,早期的机器人编程是人通过手把手地示教进行的。
示教时把机器人各个关节的角度用多通道记录仪记录下来,然后根据所记录的信号让机器人再现与这些关节角度一样的动作,从而实现人们对机器人的编程。
这个过程很像录音机在录制完声音后再重放这种声音的过程。
这种方式在机器人技术中叫做示教再现(teachingplay—back)。
后来,人们使用一种形式语言来描述机器人的运动,这种形式语言叫做机器人语言(robotlanguage)。
机器人语言出现后.人们可以便用示教盒利机器人语言来对机器人进行编程。
方法是;用示教盒将机器人移动到作业位置,然后用机器人语言记录这些位置信息、运动形式利作业内容,形成一个用机器人语言编写的机器人作业程序。
执行这些程序,机器人就完成了预定的作业任务。
通过机器人运动而对其进行示教的方法叫做在线编程(on—lineprogramming)示教法。
与此对应.不需要机器人运动而对其进行示教的方法叫做离线编程(off—1ineprogramming)示教法。
在离线编程示教法中,一般使用机器人语言和CAD技术进行编程。
把示教再现法和使用机器人语言进行编程示教法作一比较,可以看出示教再现法的优缺点.如表2—4所示。
两种示教方法的不同之处是,机器人语言编程示教法重视记录机器人运动的文件和资料,以及更强调使用符号语言来进行各种描述;而示教再现法重视连续地用数值记录机器人的运动顺序与运动条件,其操作过程复杂,作业效率低。
虽然现阶段的示教再现法比早期的有了很大的进步,但是还不能说已经从根本上克服了表2—4所列的不足之处,因此可以预料,机器人语疗编程示教法与CAD/CAM技术相结合,将会得到推广应用。
2.4.1机器人编程的种类与特征
(l)机器人语言的定义及其特征
机器人编程是为了使机器人产生运动。
在日本工业标准(JIS)中,从广义上对机器入的示教进行了定义,对机器人的编程也进行了定义,后考的定义是:
“一种期望机器人完成某种作业的动作顺序的描述”。
机器人语言就是为了方便地进行这种描述而发明的一种编程语言。
不管是对机器人机械手的控制、还是对机器人两条腿的控制,所谓对机器入的控制,最终归结为对机器人的关节角度(或速度、力矩)的变化进行控制,于是研究与开发了在采样时间间隔内自动地产生能控制机器人关节角度的各种指令的方法。
在日本工业标准中指出,机器人语言是“一种程序语言.一种用于向机器人系统进行输人的形式语言,这种形式语言以人们容易理解的方式,使机器入能够完成人们所期望完成的作业或动作”。
机器人语言的含义是:
“机器人语言是在人与机器人之间的一种记录信息或交换信息的程序语言”。
在设计机器人的运动过程时
①运动顺序信息:
②环境信息;
③关于机器人的结构信息。
这些信息可以在现场进行实测,或者利用存储在计算机内部的已有信息。
根据信息来源的不同,有各式各样的机器人运动的设计方式。
但是这些不同的设计方式都介乎于使用机器人实际进行作业的示教再现方式与使用cAD/cAM示教方式之间。
不管是通用的算法语言,或者是系统的描述语言,这些描述机器人动作的形式语言都具有相同的算法结构。
机器人语言具有下述四方面的特征:
①实时系统;
②三维空间的运动系统;
③良好的人机接口;
④实际的运动系统。
也就是说,必须在实时处理时间内(在伺服级中在l一10ms之间)能使三维空间内机器人的位置与状态发生物理性的变化。
通过对几何模型的运算能够计算出机器人的运动轨迹。
此外,机器人语言系统必须是容易掌握和使用的语言系统。
(2)机器人语言程序流程
使用机器人语言的系统流程框图如图2—18所示.包括规划系统和执行系统两大部分。
规划系统计算从零件形状到机器人动作顺序和运动轨迹的全部数据,但是目前已经实现的规划系统的功能还不充分。
向执行系统输入机器人动作指令,然后输出机器人各个关节的角度。
所谓机器人语言是用数据和符号的形式对机器人的运动进行程序设计的一种语言,所以希望把这些动作指令在实际的机器人上进行试验或在计算机上进行仿真加以确认。
这些动作指令程序不是间歇地执行的,而是能够及时地对指令程序进行解释和执行的人机交互系统。
因此,在执行系统中要有对动作指令进行解释和执行的功能体系。
目前具有语言功能的机器人系统大多数是把规划系统和执行系统结合在一起应用的,今后随着用于机器人的CAD/LAM技术进一步发展,估计能把零件形状定义、作业规划部分与动作执行部分分离开来。
2.4.2机器人的语言功能
机器人的语言功能是对机器人动作证行描述和控制作业的流程。
机器人运动轨迹的控制方式有两种。
(1)CP控制方式
CP是英文continuouspathcontrol的缩写,表示一种机器人连续轨迹控制方式,或表示指定机器人全部运动轨迹的控制方式。
(2)PTP控制方式
PTP是英文pointto—pointcontrol的缩写,一种点位控制,它仅考虑控制的点位是否到达而不考虑各点位之间的轨迹形态。
对喷漆作业或弧焊作业的机器人进行控制的方式属于CP控制方式,对点焊作业或装配作业的机器人进行控制的方式主要是PTP控制方式.它是一种在时间上对各关节轴同时开始、同时结束的控制,而机器人的运动轨迹则因起始点位置的不同而不同。
在CP控制方式小,实际上是在PTP控制方式中尽量把插补点的间隔取得很小,使得这些插补点之间的连线近似于一条连续曲线。
因2—19所示的机器人动作指令的一般形式为:
MOVEPTl,VELl
这是从当前位置
0点移动到
l点的动作指令。
其中
1是目标点的数据,VELl表示移动平均速度或最高速度,这与机器人系统的加速或减速有关。
表示机器人运动速度指令的表达方式有两种:
一种是与动作相结合的方式,例如上述动作指令中的VEL1;
另一种是与动作指令分离的独立指令,这种速度指令的意义是在没有更改命令前保持同等速度,机器人运动速度指令表达方式为SPEED或JSPEED。
许多机器人语言采用后一种表达方式。
机器人轨迹控制的方式可根据从作
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