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干货:不同的机器人控制系统,各需要哪些关键的核心技术?

日期:2019/05/07 08:56

&环亚娱乐平台emsp; 机器人控制系统是机器人的大脑,是决定机器人功能和性能的主要因素。

  工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等,具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。

  关键核心技术包括:

  (1)开放性模块化的控制系统体系结构:采用分布式CPU计算机结构,分为机器人控制器(RC),运动控制器(MC),光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机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、传感器处理等功能,而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

  (2)模块化层次化的控制器软件系统:软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上,采用分层和模块化结构设计,以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次:硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求,对应不同层次的开发,系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成,这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。

  (3)机器人的故障诊断与安全维护技术:通过各种信息,对机器人故障进行诊断,并进行相应维护,是保证机器人安全性的关键技术。

  (4)网络化机器人控制器技术:目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展,机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯,便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。

  移动机器人(AGV)

  (1)导引及定位技术。作为AGV技术研究的核心部分,导引及定位技术的优劣将直接关系着AGV的性能稳定性、自动化程度及应用实用性,表1为AGV的常见导引及定位技术。

  (2)路径规划和任务调度技术。第一,行驶路径规划。行驶路径规划是指解决AGV从出发点到目标点的路径问题,即“如何去”的问题。现阶段国内外已经有大量的人工智能算法被应用于AGV行驶路径规划中,如蚁群算法、遗传算法、图论法、虚拟力法、神经网络和A*算法等。

  第二,作业任务调度。作业任务调度是指根据当前作业的请求对任务进行处理,包括对基于一定规则的任务进行排序并安排合适的AGV处理任务等。需要综合考虑各个AGV的任务执行次数、电能供应时间、工作与空闲时间等多个因素,以达到资源的合理应用和最优分配。

  第三,多机协调工作。多机协调工作是指如何有效利用多个AGV共同完成某一复杂任务,并解决过程中可能出现的系统冲突、资源竞争和死锁等一系列问题。现在常用的多机协调方法包括分布式协调控制法、道路交通规则控制法、基于多智能体理论控制法和基于Petri网理论的多机器人控制法。

  3)运动控制技术。不同的车轮机构和布局有着不同的转向和控制方式,现阶段AGV的转向驱动方式包括如下两种:两轮差速驱动转向方式,即将两独立驱动轮同轴平行地固定于车体中部,其它的自由万向轮其支撑作用,控制器通过调节两驱动轮的转速和转向,可以实现任意转弯半径的转向;操舵轮控制转向方式,即通过控制操舵轮的偏航角实现转弯,其存在最小转弯半径的限制。

  控制系统通过安装在驱动轴上的编码器反馈来组成一个闭环系统,目前基于两轮差速驱动的AGV路径跟踪方法主要有:PID控制法、最优预测控制法、专家系统控制法、神经网络控制法和模糊控制法。

  (4)信息融合技术。信息融合是指利用多源信息的关联组合,充分识别、分析、估计和调度数据,完成下达决策和精确处理信息的任务,并对周围环境、战况等进行适度的估计。目前,在导引领域研究和应用的信息融合技术主要有Kalman滤波、贝叶斯估计法与D-S证据推理等,其中以Kalman滤波最广。Kalman滤波具有良好的实时性,但它是建立在严格的数学模型的基础上,当导引模型存在较大建模误差或者系统特性发生变化时往往会导致滤波发散。为提高滤波算法的鲁棒性和自适应能力,可针对AGV的导引要求与特点,研究适当的自适应Kalman滤波算法、鲁棒滤波算法或智能滤波(如模糊推理、神经网络、专家系统)方法等。

  点焊机器人

  焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点,焊接质量明显优于人工焊接,大大提高了点焊作业的生产率。

  点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作,生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系,向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国,在该领域占据市场主导地位。

  随着汽车工业的发展,焊接生产线要求焊钳一体化,重量越来越大,165公斤点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人。2008年9月,机器人研究所研制完成国内首台165公斤级点焊机器人,并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。2009年9月,经过优化和性能提升的第二台机器人完成并顺利通过验收,该机器人整体技术指标已经达到国外同类机器人水平。

  弧焊机器人

  弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。

  在该领域,国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。本公司主要从事弧焊机器人成套装备的生产,根据各类项目的不同需求,自行生产成套装备中的机器人单元产品,也可向大型工业机器人企业采购并组成各类弧焊机器人成套装备。在该领域,本公司与国际大型工业机器人生产企业既是竞争亦是合作关系。

  关键核心技术包括:

  (1)弧焊机器人系统优化集成技术:弧焊机器人采用交流伺服驱动技术以及高精度、高刚性的RV减速机和谐波减速器,具有良好的低速稳定性和高速动态响应,并可实现免维护功能。

  (2)协调控制技术:控制多机器人及变位机协调运动,既能保持焊枪和工件的相对姿态以满足焊接工艺的要求,又能避免焊枪和工件的碰撞。

  (3)精确焊缝轨迹跟踪技术:结合激光传感器和视觉传感器离线工作方式的优点,采用激光传感器实现焊接过程中的焊缝跟踪,提升焊接机器人对复杂工件进行焊接的柔性和适应性,结合视觉传感器离线观察获得焊缝跟踪的残余偏差,基于偏差统计获得补偿数据并进行机器人运动轨迹的修正,在各种工况下都能获得最佳的焊接质量。

  激光加工机器人

  激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中,通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。本系统通过示教盒进行在线操作,也可通过离线方式进行编程。该系统通过对加工工件的自动检测,产生加工件的模型,继而生成加工曲线,也可以利用CAD数据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。

  关键核心技术包括:

  (1)激光加工机器人结构优化设计技术:采用大范围框架式本体结构,在增大作业范围的同时,保证机器人精度;

  (2)机器人系统的误差补偿技术:针对一体化加工机器人工作空间大,精度高等要求,并结合其结构特点,采取非模型方法与基于模型方法相结合的混合机器人补偿方法,完成了几何参数误差和非几何参数误差的补偿。

  (3)高精度机器人检测技术:将三坐标测量技术和机器人技术相结合,实现了机器人高精度在线测量。

  (4)激光加工机器人专用语言实现技术:根据激光加工及机器人作业特点,完成激光加工机器人专用语言。

  (5)网络通讯和离线编程技术:具有串口、CAN等网络通讯功能,实现对机器人生产线的监控和管理;并实现上位机对机器人的离线编程控制。

  真空机器人

  真空机器人是一种在真空环境下工作的机器人,主要应用于半导体工业中,实现晶圆在真空腔室内的传输。真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强,其成为制约了半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。而且国外对中国买家严加审查,归属于禁运产品目录,真空机械手已成为严重制约我国半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。直驱型真空机器人技术属于原始创新技术。

  关键核心技术包括:

  (1)真空机器人新构型设计技术:通过结构分析和优化设计,避开国际专利,设计新构型满足真空机器人对刚度和伸缩比的要求;

  (2)大间隙真空直驱电机技术:涉及大间隙真空直接驱动电机和高洁净直驱电机开展电机理论分析、结构设计、制作工艺、电机材料表面处理、低速大转矩控制、小型多轴驱动器等方面。

  (3)真空环境下的多轴精密轴系的设计。采用轴在轴中的设计方法,减小轴之间的不同心以及惯量不对称的问题。

  (4)动态轨迹修正技术:通过传感器信息和机器人运动信息的融合,检测出晶圆与手指之间基准位置之间的偏移,通过动态修正运动轨迹,保证机器人准确地将晶圆从真空腔室中的一个工位传送到另一个工位。

  (5)符合SEMI标准的真空机器人语言:根据真空机器人搬运要求、机器人作业特点及SEMI标准,完成真空机器人专用语言。

  (6)可靠性系统工程技术:在IC制造中,设备故障会带来巨大的损失。根据半导体设备对MCBF的高要求,对各个部件的可靠性进行测试、评价和控制,提高机械手各个部件的可靠性,从而保证机械手满足IC制造的高要求。

  洁净机器人

  洁净机器人是一种在洁净环境中使用的工业机器人。随着生产技术水平不断提高,其对生产环境的要求也日益苛刻,很多现代工业产品生产都要求在洁净环境进行,洁净机器人是洁净环境下生产需要的关键设备。

  关键核心技术包括:

  (1)洁净润滑技术:通过采用负压抑尘结构和非挥发性润滑脂,实现对环境无颗粒污染,满足洁净要求。

  (2)高速平稳控制技术:通过轨迹优化和提高关节伺服性能,实现洁净搬运的平稳性。

  (3)晶圆检测技术:通过光学传感器,能够通过机器人的扫描,获得卡匣中晶圆有无缺片、倾斜等信息。

  (4)控制器的小型化技术:根据洁净室建造和运营成本高,通过控制器小型化技术减小洁净机器人的占用空间。

  大部分的洁净机器人都可以对障碍物做出反应,有的是使用触感在碰触到障碍物(墙体或家具)后,后退并调整行进角度再次尝试绕开障碍物继续工作。有的是使用红外或超声波传感,测量机器与障碍物间的距离,再保持不碰撞的安全距离进行沿障碍物清扫。

  洁净机器人的发明为社会环境建设带来很多便利,尤其是很多工业产品都需要在特殊的洁净环境中加工,而洁净机器人就是生产这类产品的关键设备。伴随着对生产环境的要求不断提高,洁净机器人的市场发展前景还是非常可观的。