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可用于生產(chǎn)線的工業(yè)機器人研究

   2012年01月05日 15:19  
  摘要:工業(yè)機器人在東莞的應(yīng)用有著巨大的市場和前景,本文介紹的是一種精密型裝配機器人,從它的基本構(gòu)成數(shù)據(jù)通信方式、控制器等方面進行介紹,同時總結(jié)了現(xiàn)有技術(shù)的局限性,也對以后研究方向做了探討。
  
  1、簡介
  
  隨著信息技術(shù)、材料技術(shù)、新能源技術(shù)等新技術(shù)與制造技術(shù)的相互交叉、滲透、融合,現(xiàn)在的制造業(yè)與過去相比有了許多重大而深刻的變化。El益增長的復雜性是現(xiàn)在制造業(yè)的一個重要特點,這不僅表現(xiàn)在制造系統(tǒng)中,還表現(xiàn)在所制造的產(chǎn)品,制造過程以及企業(yè)的結(jié)構(gòu)中。這種復雜性為工業(yè)機器人的發(fā)展提供了一個好的機遇,當然,也是一種挑戰(zhàn)!東莞理工學院處于東莞松山湖高新開發(fā)區(qū),東莞作為一個現(xiàn)代制造業(yè)名城,正處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的zui關(guān)鍵時期,如果能適時的把工業(yè)機器人應(yīng)用到各企業(yè)生產(chǎn)線的改造中,無疑將有著巨大的空間和前景。
  
  本工業(yè)機器人是一種精密型裝配機器人,采用四軸伺服電機驅(qū)動控制,實現(xiàn)四軸空間聯(lián)動,配置不同工具包可實現(xiàn)搬運、碼垛、裝配等工作,具有速度快、精度高、柔性好等特點,采用交流伺機服電機驅(qū)動,由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和傳感裝置構(gòu)成:
  
  (1)操作機:通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用,機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。
  
  (2)控制器:由開始應(yīng)用固高科技有限公司的GT系列運動控制器到自主開發(fā)基于ARM9的控制器,并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。
  
  (3)伺服驅(qū)動系統(tǒng):采用富士伺服器。
  
  (4)傳感裝置:正在嘗試使用激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中應(yīng)用,這樣就能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等,大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。
  
  (5)網(wǎng)絡(luò)通信:機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的連接,使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步,也使機器人由過去的設(shè)備向標準化設(shè)備發(fā)展。
  
  2、數(shù)據(jù)通信方式
  
  由于串行通信所用的傳輸線少,傳輸?shù)木嚯x長,有利于實時控制和管理,所以本系統(tǒng)采用了串行通信方式,“串行通信”時,數(shù)據(jù)在一根數(shù)據(jù)線上~位一位地進行傳輸,每一位數(shù)據(jù)都占用某一固定的時間段,但由于計算機CPU與接口之間按并行方式傳輸,接口與外設(shè)之間按串行方式傳輸,因此在串行接口中必須有“接受移位寄存器”和“發(fā)送移位寄存器”,負責串行數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換,能夠完成“串<——>并”轉(zhuǎn)換功能的電路稱為“通用異步收發(fā)器”。在傳輸?shù)乃俣壬希型ㄐ琶黠@低于并口通信,但是串行通信的成本低、通信距離長的優(yōu)勢是顯而易見的。
  
  信息傳輸在一個方向上只占用一根通信線,這根線既作數(shù)據(jù)線又作聯(lián)絡(luò)線,上位機與機器人間的協(xié)議按照如下三個級別來組織的。
  
  (1)物理層:是指用來執(zhí)行這種通信的硬件,包括數(shù)據(jù)線和控制線本系統(tǒng)中采用RS232串口,機器人一端為9針D形接頭,另一端RJ-45接頭連到了終端服務(wù)器TerminalServer擴展的串行接口上,然后通過終端服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)接口與FMS局域網(wǎng)相連、zui終實現(xiàn)與機器人控制算機的連接。硬件平臺如圖1。
  
  (2)數(shù)據(jù)鏈路層:該層是一種低級的通信協(xié)議,該協(xié)議利用發(fā)送與接受特殊的控制字符確保信息可靠的發(fā)送。工業(yè)機器人控制器與上位計算機之間的信息交換由字符串組成,該字符串包括實際要交換的信息以及附加的控制字符,附加字符是必須的,以便接受設(shè)備能夠決定是否已接受到一個完整的信息。發(fā)送一個機器人的控制指令,需要經(jīng)過以下六個階段:發(fā)送開相、打包發(fā)送、發(fā)送閉相、接受開相、接受解包和接受閉相。
  
  (3)應(yīng)用層:該層是一種的通信協(xié)議,該協(xié)議定義了每一種信息的內(nèi)容以及每一種信息的響應(yīng)。機器人控制器接受到一個信息后,信息必須由其控制器負責譯碼,并作出相應(yīng)的動作,能夠響應(yīng)上位計算機信息指令的軟件就稱為應(yīng)用級協(xié)議。在本系統(tǒng)中,主要由上位機發(fā)送L0ADV、SAVEV、JwAIT、START四類指令,實現(xiàn)微機啟動機器人并進行實時監(jiān)控。
  
  3、控制器
  
  如何有效地將其他領(lǐng)域(如圖像處理、聲音識別、*控制、人工智能等)的研究成果應(yīng)用到機器人控制系統(tǒng)的實時操作中,是一項富有挑戰(zhàn)性的研究工作.而具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標準化機器人控制器的研究無疑對提高機器人性能和自主能力、推動機器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義.機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業(yè)任務(wù)的裝置,它是機器人的心臟,決定了機器人性能的優(yōu)劣。
  
  這里采用了串行的控制算法處理方式,機器人的控制算法是由串行機來處理。用上、下位機二級分布式結(jié)構(gòu),上位機負責整個系統(tǒng)管理以及運動學計算、軌跡規(guī)劃等。下位機由多CPU組成,每個CPU控制一個關(guān)節(jié)運動,這些CPU和主控機是通過總線形式的緊耦合。這種結(jié)構(gòu)的控制器工作速度和控制性能明顯提高,但這些多CPU系統(tǒng)共有的特征都是針對具體問題而采用的功能分布式結(jié)構(gòu),即每個處理器承擔固定任務(wù),控制器計算機控制系統(tǒng)中的位置控制部分,采用數(shù)字式位置控制。硬件平臺本一開始采用固高公司生產(chǎn)的GT系列運動控制器,可以同步控制四個運動軸,實現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運動。其核心由ADSP2I8l數(shù)字信號處理器和FPGA組成,可以實現(xiàn)高性能的控制計算。研究過程中,有以下幾個局限性:
  
  (1)開放性差:局限于“計算機、機器人語言、微處理器”的封閉式結(jié)構(gòu)。封閉的控制器結(jié)構(gòu)使其具有特定的功能、適應(yīng)于特定的環(huán)境,不便于對系統(tǒng)進行擴展和改進;
  
  (2)軟件獨立性差:軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件,難以在不同的系統(tǒng)間移植;
  
  (3)容錯性差:由于并行計算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點,控制器的容錯性能變差,其中一個處理器出故障可能導致整個系統(tǒng)的癱瘓;
  
  (4)擴展性差:目前,機器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級較常見的,比如對空宅導彈導引火來說,鎖定和預偏是兩個經(jīng)常要用到的功能,而它們卻對伺服系統(tǒng)的形式和速率傳感器的選擇提出丁不同的要求。
  
  首先,如果在導引頭內(nèi)增加一套測速機元什,則問題就可以解決,但這樣做會使系統(tǒng)復雜程度提高,利于產(chǎn)品研制的工程化和小型化;再者,通過計算分析發(fā)現(xiàn),在導彈的掛帆飛行狀態(tài),導引光軸雖然要求復現(xiàn)的是相對彈體的鎖定,搜索和雷達黼動信號,但導彈住掛機狀態(tài)彈體擺動角速度不是太大,且擺動持續(xù)的時間也不會很長,如果導引頭的鎖定品質(zhì)能滿足要求,則利用速率陀螺來進行反饋的弊端就可被大大減弱。所以經(jīng)過綜合考慮,決定仍僅采用速率陀螺作為內(nèi)回路速度傳感器件,以科于更好地實現(xiàn)光軸對El標的穩(wěn)定跟蹤。
  
  4、仿真驗證
  
  以隨動系統(tǒng)復現(xiàn)相對慣性空間穩(wěn)定的輸入為例,為進一步比較兩種方案,我們利用ADAMs軟件和MATLAB軟件一起進行了位標器運動學、動『J學和控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真。仿真條件假設(shè)目標在空間靜止,在中環(huán)通道,分別利用陀螺速度反饋和測速機速度反饋,在彈體擺動情況下,進行目標指示信息的隨動,對指向誤差(即光軸與視線的夾角)的大小進行記錄,仿真結(jié)果如圖3所示。
  
  其中實線為采用陀螺信號時的誤差,虛線為采用測速機信號時的誤差。結(jié)果表明,采用陀螺信號作為反饋信號可以有效地減小彈體擺動情況系統(tǒng)的隨動誤差,此結(jié)果與前面理論分析結(jié)果也基本一致。
  
  5、結(jié)語
  
  本文詳細分析了動基座隨動系統(tǒng)不同輸入信號的類型,得出對相對基座穩(wěn)定的輸入采用測速機反饋、對相對慣性空間穩(wěn)定的輸入采用速率陀螺反饋的傳感器選用原則,并以空空導彈導引頭為例進行了ADAMs和MATLAB聯(lián)合數(shù)字仿真,仿真結(jié)果驗證了分析的正確性。

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