I. Antecedentes do desenvolvimento de robôs industriais
O termo ROBÔ foi usado pela primeira vez em 1920 pelo dramaturgo tcheco Karilo Chibek em sua peça de ficção científica Rossum's Universal Robots, e desde então se tornou sinônimo de robótica.
Em março de 1938, a The Meccano Magazine relatou um modelo de robô de manuseio, um dos primeiros relatos de um modelo de robô voltado para aplicações industriais. Projetado por Griffith P. Taylor em 1935, era capaz de movimentar cinco eixos por meio de um único motor elétrico. Em 1954, o primeiro robô industrial programável eletronicamente foi projetado por GC Devol nos Estados Unidos. E em 1960, a empresa americana AMF produziu o robô Versatran de-colunas com controle de ponto e trajetória, que foi o primeiro robô do mundo usado na produção industrial.
Em 1974, Cincinnati Milacron desenvolveu com sucesso um robô multi{1}articulado. Em 1979, a Unimation lançou o robô PUMA, que é um multi{4}}articulado, todo-acionado por motor, multi-controle secundário de CPU do robô, o uso da linguagem especial VAL, pode ser equipado com sensores visuais, táteis e de força, naquela época são os robôs industriais mais avançados tecnologicamente. Os robôs industriais de hoje baseiam-se em grande parte nesta estrutura. Este período do robô pertence aos robôs do tipo "Teach-in/Playback" (Teach-in/Playback), apenas com memória, capacidade de armazenamento, de acordo com o programa correspondente para repetir a operação, o ambiente circundante basicamente não tem capacidade de percepção e controle de feedback.
Na década de 80, com o desenvolvimento da tecnologia de detecção, incluindo sensores visuais, sensores não{1}}visuais e tecnologia de processamento de informações, a segunda geração de robôs - robôs sensoriais. Ele é capaz de obter parte das informações relevantes sobre o ambiente operacional e o objeto operacional, realizar determinados processamentos-em tempo real e orientar o robô na execução de operações. A segunda geração de robôs tem sido amplamente utilizada na produção industrial.
Atualmente, os países estão pesquisando o "robô inteligente", que não só possui mais do que a segunda geração de robôs com melhor consciência ambiental, mas também possui pensamento lógico, julgamento e capacidade-de tomada de decisão, de acordo com os requisitos operacionais e informações ambientais para trabalhar de forma autônoma.
II. Cenários de Aplicação de Robôs Industriais
Desde o início da década de 1960, a humanidade criou os primeiros robôs industriais, os robôs mostram sua grande vitalidade, em pouco mais de 50 anos, a tecnologia robótica se desenvolveu rapidamente, em muitos campos de manufatura, os robôs industriais são mais amplamente utilizados na área de peças automotivas e automotivas e indústria de fabricação de componentes, e está em constante expansão para outras áreas, como indústria de usinagem, eletrônica, indústria elétrica, indústria de borracha e plástico, peças automotivas e automotivas e indústria de fabricação de componentes. Indústria elétrica, indústria de borracha e plástico, indústria alimentícia, fabricação de madeira e móveis e outros campos. Na produção industrial, robôs de soldagem, robôs de processamento de retificação e polimento, robôs de soldagem, robôs de processamento a laser, robôs de pulverização, robôs de manuseio, robôs de vácuo e outros robôs industriais foram adotados em grande número. A seguir é apresentada uma introdução a alguns dos cenários de aplicação e características técnicas dos robôs industriais.
III. A situação atual dos robôs industriais
Juntamente com o aumento crescente dos robôs industriais, a "máquina para o homem" se tornará a tendência. A Foxconn anunciou anteriormente que irá comprar um milhão de robôs em três anos, está previsto para 2016 será construído em Shanxi Jincheng, "a maior base de produção de robôs inteligentes do mundo".
Automotivo, eletrônicos, alimentos, produtos químicos, plásticos e borracha, produtos metálicos, seis indústrias manufatureiras, são vistos como a aplicação atual de robôs industriais nas principais áreas, a agência previu que haverá de 1 milhão a 2 milhões de unidades de demanda anual, respondendo pela demanda do mercado de robôs industriais da China de cerca de 70%.
Em setembro deste ano, o total de empresas de robótica da China atingiu quase 420. Além disso, mais de 30 parques industriais de robótica estão atualmente em construção em toda a China.
A razão pela qual os robôs industriais estão surgindo no mercado chinês é, em primeiro lugar, porque em termos de custo, os robôs geralmente representam apenas um{0}}quarto do custo da mão de obra; em segundo lugar, os robôs também podem trazer muito valor acrescentado em termos de qualidade, eficiência e gestão. Portanto, na rápida melhoria da tecnologia robótica, os preços caíram drasticamente, a escassez de mão de obra, o aumento dos custos trabalhistas e outros fatores, a indústria de robótica industrial da China está em uma era de ruptura.
4. Principais tecnologias de robôs industriais
1. Composição básica do sistema do robô
O robô industrial consiste em 3 partes principais e 6 subsistemas, que são parte mecânica, parte de detecção e parte de controle, e os 6 subsistemas podem ser divididos em sistema de estrutura mecânica, sistema de acionamento, sistema de detecção, sistema de interação com o ambiente do robô, sistema de interação homem-máquina e sistema de controle.
Composição do sistema robótico industrial
(1) O sistema de estrutura mecânica dos robôs industriais consiste em três partes principais: a base, o braço e o manipulador final, e cada uma dessas partes principais possui vários sistemas mecânicos com vários graus de liberdade. Se a base possuir mecanismo de caminhada, constitui um robô ambulante; se a base não possuir mecanismo de deslocamento e flexão, constitui um único braço robótico. O braço geralmente consiste em um braço, um antebraço e um pulso. O manipulador final é uma parte importante montada diretamente no pulso, pode ser um punho manual de dois dedos ou vários-dedos, também pode ser uma pistola de pintura, ferramentas de soldagem e outras ferramentas operacionais.
(2) o sistema de acionamento, para fazer o funcionamento do robô, precisa ser colocado nas juntas, ou seja, cada grau de liberdade de movimento do dispositivo de transmissão, que é o sistema de acionamento. O sistema de acionamento pode ser hidráulico, pneumático, elétrico ou uma combinação deles para aplicar o sistema integrado, pode ser acionamento direto ou indireto através de correia síncrona, corrente, sistema de rodas, engrenagens harmônicas e outros mecanismos de transmissão mecânica.
(3) O sistema de detecção consiste em um módulo sensor interno e um módulo sensor externo para obter informações significativas sobre o estado do ambiente interno e externo. A utilização de sensores inteligentes melhora o nível de mobilidade, adaptabilidade e inteligência do robô. O sistema sensorial humano é extremamente hábil na detecção de informações sobre o mundo externo; no entanto, os sensores são mais eficazes do que o sistema sensorial humano para algumas informações específicas.
(4) O sistema de troca de ambiente robótico é um robô industrial moderno e o ambiente externo do sistema de contato e coordenação intercambiável do equipamento. Robôs industriais e equipamentos externos definidos em uma unidade funcional, como unidade de processamento, unidade de soldagem, unidade de montagem, etc. Claro, também podem ser vários robôs, múltiplas máquinas-ferramentas ou equipamentos, vários dispositivos de armazenamento de peças, etc.
(5) sistema de troca homem-máquina é o operador e o controle do robô e contato com o dispositivo do robô, por exemplo, o terminal padrão do computador, console de comando, placa de exibição de informações, alarme de sinal de perigo, etc. O sistema é resumido em duas categorias principais: dispositivos de fornecimento de comando-e dispositivos de exibição de informações.
6) O sistema de controle do robô é o cérebro do robô e é o principal fator na determinação da função e desempenho do robô.
A tarefa do sistema de controle é controlar o atuador do robô para completar o movimento prescrito e funcionar de acordo com o programa de instruções de operação do robô e o sinal de volta do sensor. Se o robô industrial não tiver características de feedback de informações, ele será um sistema de controle de malha-aberta; se tiver características de feedback de informações, é um sistema de controle de circuito-fechado. De acordo com o princípio de controle, o sistema de controle pode ser dividido em sistema de controle de programa, sistema de controle adaptativo e sistema de controle de inteligência artificial. De acordo com a forma de operação de controle, o sistema de controle pode ser dividido em controle de ponto e controle de trajetória. O tipo de posição pontual controla apenas o posicionamento preciso do atuador de um ponto a outro e é adequado para operações como carga e descarga de máquinas-ferramentas, soldagem a ponto e manuseio geral, carga e descarga, etc. O tipo de trajetória contínua controla o movimento do atuador de acordo com uma determinada trajetória e é adequado para operações como soldagem contínua e pintura.
A tarefa do sistema de controle é controlar o atuador do robô para completar o movimento prescrito e funcionar de acordo com o programa de instruções de operação do robô e o sinal de volta do sensor. Se o robô industrial não tiver características de feedback de informações, ele é um sistema de controle de malha-aberta; se tiver características de feedback de informações, é um sistema de controle de malha-fechada. De acordo com o princípio de controle, o sistema de controle pode ser dividido em sistema de controle de programa, sistema de controle adaptativo e sistema de controle de inteligência artificial. De acordo com a forma de operação de controle, o sistema de controle pode ser dividido em controle de ponto e controle de trajetória. Um conjunto completo de robôs industriais inclui corpo do robô, software de sistema, gabinete de controle, equipamento mecânico periférico, visão CCD, acessório/garra, gabinete de controle PLC para equipamentos periféricos e caixa demonstradora/demonstradora.
A seção a seguir enfoca o sistema de acionamento e o sistema de detecção do robô.
2. Sistema de acionamento do robô
O sistema de acionamento dos robôs industriais é dividido em três grandes categorias, a saber, hidráulico, pneumático e elétrico, de acordo com a fonte de energia. De acordo com as necessidades destes três tipos básicos também podem ser combinados em um sistema de acionamento composto. Esses três tipos de sistemas básicos de acionamento possuem características próprias.
Sistema de acionamento hidráulico: Como a tecnologia hidráulica é uma tecnologia mais madura. Possui grande potência, força (ou momento) e relação de inércia, resposta rápida, fácil de realizar as características do acionamento direto. Adequado para uso em robôs com grande capacidade de carga, grande inércia e trabalho em um ambiente à prova de soldagem. Porém, o sistema hidráulico requer conversão de energia (energia elétrica em energia hidráulica), controle de velocidade na maioria dos casos por meio de regulação de velocidade de estrangulamento, a eficiência é inferior ao sistema de acionamento elétrico. O dreno de lodo líquido do sistema hidráulico pode poluir o meio ambiente e o ruído operacional também é maior. Devido a estas fragilidades, nos últimos anos, são frequentemente substituídos por sistemas elétricos em robôs com cargas de 100kg ou menos.
Robôs para serviços-pesados totalmente hidráulicos
O acionamento pneumático tem as vantagens de velocidade rápida, estrutura de sistema simples, fácil manutenção e baixo preço. No entanto, devido à baixa pressão de trabalho do dispositivo pneumático, ele não é fácil de posicionar com precisão, geralmente usado apenas para acionamento de efetores finais de robôs industriais. A preensão manual pneumática, o cilindro rotativo e a ventosa pneumática como efetor-de extremidade podem ser usados para fixação e montagem de peças de carga média e pequena. Ventosas pneumáticas e garras robóticas pneumáticas são mostradas na figura.
Ventosas pneumáticas e garras robóticas pneumáticas
O acionamento motorizado é um modo de acionamento convencional dos robôs industriais modernos, dividido em quatro categorias de motores: servomotores CC, servomotores CA, motores de passo e motores lineares. Servo motores CC e servo motores CA com controle de malha-fechada, geralmente usados para acionamento de robôs de alta-precisão e alta{3}}velocidade; motores de passo para requisitos de precisão e velocidade não são grandes ocasiões, o uso de controle de malha aberta-; motores lineares e seus sistemas de controle de acionamento tornaram-se tecnicamente maduros, tem um dispositivo de transmissão tradicional não pode ser comparado ao desempenho superior, como adaptação a aplicações de velocidade muito alta-e velocidade muito baixa-, alta aceleração, alta precisão, sem retorno vazio, baixo desgaste, estrutura e estrutura da garra do robô. Sem parte traseira vazia, baixo desgaste, estrutura simples, sem redutor e acoplamento de parafuso de engrenagem. Tendo em vista o grande número de requisitos de acionamento linear em robôs paralelos, os motores lineares têm sido amplamente utilizados no campo de robôs paralelos.
3. Sistema de detecção de robô
O sistema de percepção do robô transforma diversas informações de estado interno e ambientais do robô de sinais em dados e informações que podem ser compreendidos e aplicados pelo próprio robô ou entre robôs. Além da necessidade de perceber grandezas mecânicas relacionadas ao seu próprio estado de funcionamento, como deslocamento, velocidade, aceleração, força e torque, a tecnologia de percepção visual é um aspecto importante da percepção do robô industrial.
Os servosistemas visuais usam informações visuais como sinais de feedback para controle para ajustar a posição e atitude do robô. As aplicações nesta área são principalmente nas indústrias de semicondutores e eletrônica. Os sistemas de visão artificial também são amplamente utilizados em vários aspectos de inspeção de qualidade, identificação de peças de trabalho, classificação de alimentos e embalagem.
Normalmente, o controle servo visual do robô é servo visual baseado em posição ou servo visual baseado em imagem, que também são conhecidos como servo visual 3D e servo visual 2D, respectivamente, e cada um desses dois métodos tem suas próprias vantagens e aplicabilidade, bem como algumas deficiências, portanto, métodos servo visuais de 2,5 dimensões foram propostos.
O sistema servo visual-baseado em posição utiliza os parâmetros da câmera para estabelecer a relação de mapeamento entre as informações da imagem e as informações de posição/atitude do efetor-final do robô para realizar o controle de-loop fechado da posição do efetor-final do robô. Os erros-de posição e atitude do efetor final são estimados a partir das informações-de posição do efetor final extraídas das imagens-capturadas em tempo real e do modelo geométrico do alvo localizado e, em seguida, com base nos erros de posição e atitude, os novos parâmetros de posição e atitude de cada junta são obtidos. O servo-visual baseado em posição exige que o efetor-final sempre seja observável na cena visual e que suas informações de atitude posicional 3D sejam calculadas. A eliminação de perturbações e ruídos na imagem é a chave para garantir o cálculo preciso dos erros de posição e atitude.
O servo de visão 2D deriva o sinal de erro comparando as características da imagem capturada pela câmera com uma determinada imagem (não a informação geométrica 3D). O robô é então corrigido pelo controlador conjunto e controlador de visão e pelo estado operacional atual do robô, permitindo que o robô complete o servocontrole. Comparado com o servo visual 3D, o servo visual 2D é mais robusto aos erros de calibração da câmera e do robô, mas problemas como a singularidade da imagem da matriz de Jacobi e os mínimos locais são inevitavelmente encontrados no projeto do servo controlador visual.
Para resolver as limitações dos métodos servo visuais 3D e 2D, F. Chaumette et al. propôs um método servo visual de 2,5- dimensões. Ele desacopla o controle de loop fechado do deslocamento e rotação da translação da câmera e reconstrói a orientação e a proporção de profundidade da imagem do objeto no espaço 3D com base nos pontos característicos da imagem, com a parte de translação representada pelas coordenadas dos pontos característicos no plano da imagem. Este método pode combinar com sucesso os sinais de imagem e os sinais de posição extraídos organicamente com base na imagem e sintetizar os sinais de erro gerados por eles para feedback, o que resolve em grande parte os problemas de robustez, singularidade e mínimos locais. Porém, ainda existem alguns problemas a serem resolvidos neste método, como garantir que o objeto de referência esteja sempre localizado dentro do campo de visão da câmera durante o processo de servo, e a existência de soluções não únicas ao decompor a matriz de singularidade.
Ao modelar o controlador de visão, um modelo adequado precisa ser encontrado para descrever a relação de mapeamento entre o efetor-final do robô e a câmera. O método de matrizes de imagem de Jacobi é uma classe de métodos amplamente utilizada no campo de pesquisa de servovisão de visão robótica. A matriz de Jacobi de uma imagem varia-no tempo, portanto, ela precisa ser calculada ou estimada on-line.
4. Principais componentes básicos do robô
Existem 4 componentes principais de um robô, 22% do custo do corpo, 24% do servo sistema, 36% do redutor e 12% do controlador. Os principais componentes básicos do robô referem-se à composição do sistema de acionamento do robô, sistema de controle e sistema de interação homem{6}}máquina, desempenham um papel fundamental na influência do desempenho do robô e têm a generalidade e modularidade da unidade componente. Os principais componentes do robô são divididos principalmente nas três partes a seguir: redutor de robô de alta-precisão, servomotores e drives CA e CC de alto-desempenho e controlador de robô de alto-desempenho.
1) Redutor
O redutor é um componente chave do robô e, atualmente, dois tipos de redutores são usados principalmente: redutor de engrenagem harmônica e redutor RV.
O método de transmissão harmônica foi inventado pelo inventor americano C. WaltMusser em meados da{4}}década de 1950. O redutor de engrenagem harmônica é composto principalmente de gerador de ondas, engrenagem flexível e engrenagem rígida 3 componentes básicos, contando com o gerador de ondas para fazer engrenagens flexíveis para produzir deformação elástica controlada e com engrenagens de engrenagens rígidas para transferir movimento e potência, relação de velocidade de transmissão de estágio único - de até 70 ~ 1000, com a ajuda da deformação flexível da roda pode ser feita ao contrário sem malha de folga. Comparado com o redutor geral, quando o torque de saída é o mesmo, o volume do redutor harmônico pode ser reduzido em 2/3, o peso pode ser reduzido em 1/2. roda flexível para suportar uma grande carga alternada e, portanto, sua resistência à fadiga do material, requisitos de processamento e tratamento térmico são altos, o processo de fabricação é complexo, o desempenho da roda flexível é a chave para um redutor de engrenagem harmônica de alta qualidade.
O alemão LorenzBaraen propôs o princípio da transmissão por engrenagem planetária ciclóide em 1926, e o japonês TEIJINSEIKICo., Ltd. assumiu a liderança no desenvolvimento do redutor RV na década de 1980. O redutor RV consiste no estágio frontal de um redutor planetário e no estágio traseiro de um redutor ciclóide. Em comparação com os redutores harmônicos, os redutores RV oferecem melhor precisão de giro e retenção de precisão.
Chen Shixian inventou a tecnologia de transmissão por engrenagem ativa. A quarta geração de transmissão de rolos oscilatórios (ORT) foi aplicada com sucesso a muitos produtos industriais. A transmissão composta de rolos oscilatórios (CORT) proposta com base no ORT não só tem as vantagens semelhantes da transmissão RV, mas também supera as deficiências da força de rolamento do eixo de manivela da transmissão RV, baixa vida útil e melhora ainda mais a vida útil e a capacidade de carga; A estrutura do CORT permite isso A estrutura do CORT torna a diferença de retorno menor sob o mesmo índice de precisão, e a precisão e rigidez do movimento maiores, o que alivia os defeitos de transmissão de RV que exigem alta precisão de fabricação e pode reduzir relativamente os requisitos de processamento e custos de fabricação. O CORT é desenvolvido de forma independente na China e possui direitos de propriedade intelectual independentes. O Anshan{4}}Instituto de Pesquisa de Ligas Resistentes ao Desgaste e a Zhejiang Hengfengtai Reducer Manufacturing Co., Ltd. desenvolveram com sucesso redutores CORT para robôs.
Redutor ORT Redutor CORT
Atualmente, em termos de redutores robóticos de alta-precisão, 75% da participação de mercado são monopolizadas por duas empresas redutoras japonesas, respectivamente, para fornecer o redutor ciclóide RV Japan Nabtesco e fornecer o redutor harmônico-de alto desempenho Japan Harmonic Drive. incluindo ABB, FANUC, KUKA, MOTOMAN, incluindo os principais fabricantes internacionais de robôs, o redutor pelas duas empresas acima para fornecer, com os fabricantes de robôs nacionais e internacionais, o redutor pelas duas empresas acima. As caixas de engrenagens dos principais fabricantes internacionais de robôs, incluindo ABB, FANUC, KUKA e MOTOMAN, são todas fornecidas pelas duas empresas acima. O que difere dos modelos gerais escolhidos pelas empresas nacionais de robótica é que os principais fabricantes internacionais de robôs assinaram uma relação de cooperação estratégica com as duas empresas acima, e a maioria dos produtos fornecidos são modelos especializados melhorados de acordo com os requisitos especiais dos fabricantes com base nos modelos gerais. A pesquisa nacional em redutores ciclóides de alta-precisão começou tarde, apenas em algumas faculdades e universidades, institutos de pesquisa tiveram pesquisas relevantes. Atualmente, não existem produtos maduros utilizados em robôs industriais. Nos últimos anos, alguns fabricantes e instituições nacionais começaram a se dedicar à localização e industrialização de pesquisas sobre redutores ciclóides de alta{10}}precisão, como Zhejiang Hengfengtai, Laboratório Chave Estadual de Transmissão Mecânica da Universidade de Chongqing, Fábrica de Redutores de Tianjin, Fábrica de Máquinas-Ferramenta de Qinchuan, Instituto Ferroviário de Dalian e assim por diante. Em termos de redutor harmônico, existem produtos alternativos na China, como Beijing Sinotech Kemi, Beijing Harmonic Drive, mas os produtos correspondentes na velocidade de entrada, altura de torção, precisão de transmissão e eficiência com produtos japoneses ainda há uma pequena lacuna, a aplicação madura de robôs industriais apenas começou.
2) Servomotores
No servo motor e no acionamento, a atual parte do acionamento do robô europeu é fornecida principalmente pela Lenze, Lust, Bosch Rexroth e outras empresas, esses motores europeus e componentes de acionamento têm capacidade de sobrecarga, a resposta dinâmica é boa, a abertura do acionamento é forte e tem uma interface de barramento, mas o preço é caro. Os principais componentes do robô industrial da marca japonesa são fornecidos principalmente por Yaskawa, Panasonic, Mitsubishi e outras empresas, seu preço é relativamente baixo, mas a resposta dinâmica é fraca, a abertura é fraca e a maioria deles só tem modo de controle analógico e de pulso. Nos últimos anos, a China também realizou pesquisa básica e industrialização de motores síncronos de ímã permanente CA de alta potência e peças de acionamento, como Instituto de Tecnologia de Harbin, Pequim e Lisi, CNC de Guangzhou e outras unidades, e tem um pouco de capacidade de produção, mas seu desempenho dinâmico, abertura e confiabilidade precisam ser verificados por aplicações de projetos de robótica mais práticas.
3) Controlador
Em termos de controladores de robôs, os principais fabricantes estrangeiros de robôs atuais estão na plataforma geral de controladores de movimento multi{0}eixos, baseada em pesquisa e desenvolvimento independentes. Atualmente, a plataforma geral do controlador multi{2}}eixo é dividida principalmente em processadores incorporados (DSP, POWER PC) como o núcleo da placa de controle de movimento e computador industrial mais sistema-em tempo real como o núcleo do sistema PLC, que são representados pela placa PMAC da Delta Tau e pelo sistema TwinCAT da Beckhoff. Doméstica no cartão de controle de movimento, empresa sólida e alta desenvolveu os produtos maduros correspondentes, mas na aplicação do robô é relativamente pequena.
5. Sistema operacional do robô
O sistema operacional de robô comum (sistema operacional de robô, ROS) é uma plataforma de construção padronizada projetada para robôs, que permite que cada projetista de robô use o mesmo sistema operacional para o desenvolvimento de software de robô. O ROS promoverá o desenvolvimento da indústria de robôs na direção da independência de hardware e software. O modelo de desenvolvimento independente de hardware-software contribuiu enormemente para o desenvolvimento e o rápido avanço das tecnologias de PC, laptop e smartphone.
O ROS é mais difícil de desenvolver do que um sistema operacional de computador. Os computadores só precisam lidar com algumas operações matemáticas bem{1}}definidas, enquanto os robôs precisam enfrentar operações de movimento reais mais complexas.
O ROS fornece serviços padrão do sistema operacional, incluindo abstração de hardware, controle de dispositivo subjacente, implementação de funções comuns, mensagens entre{0}}processos e gerenciamento de pacotes.
O ROS é dividido em duas camadas, a camada inferior é a camada do sistema operacional e a camada superior são os vários pacotes de software contribuídos pela comunidade de usuários para realizar diferentes funções do robô.
As principais arquiteturas de sistemas operacionais de robôs existentes são o sistema operacional de código aberto Ubuntu-baseado em Linux. Além disso, vários tipos de sistemas ROS foram desenvolvidos na Universidade de Stanford, no Instituto de Tecnologia de Massachusetts e na Universidade de Munique, na Alemanha. A equipe de desenvolvimento de robótica da Microsoft também lançou uma "versão robótica do Windows" em 2007.
6. Planejamento de Movimento do Robô
Para melhorar a eficiência do trabalho, e para que o robô possa completar uma tarefa específica no menor tempo possível, deve haver um planejamento de movimento razoável. O planejamento de movimento offline é dividido em planejamento de caminho e planejamento de trajetória.
O objetivo do planejamento do caminho é fazer com que a distância entre o caminho e o obstáculo seja a maior possível, enquanto o comprimento do caminho é o mais curto possível; o objetivo do planejamento da trajetória é principalmente fazer com que as articulações do robô no movimento espacial do tempo de execução do robô sejam o mais curtas possível, ou a energia seja a menor possível. Planejamento de trajetória no planejamento de trajetória com base na adição de informações de séries temporais, o robô para realizar a tarefa de planejamento de velocidade e aceleração, a fim de atender aos requisitos de suavidade e controlabilidade de velocidade.
A reprodução da demonstração é um dos métodos para realizar o planejamento do caminho, por meio do espaço de operação para demonstração e registro dos resultados da demonstração, e reproduzida no processo de trabalho, a-demonstração no local corresponde diretamente às necessidades do robô para completar a ação, o caminho é intuitivo e claro. A desvantagem é que requer operadores experientes e consome muito tempo, podendo o caminho não ser otimizado. Para resolver os problemas acima, um modelo virtual do robô pode ser construído, e o planejamento do caminho da tarefa de operação pode ser realizado através da visualização virtual.
O planejamento do caminho pode ser realizado no espaço da junta. Gasparetto usa cinco vezes B-splines como função de interpolação para as trajetórias das juntas, e a integral do quadrado da aceleração adicionada em relação ao tempo de movimento é usada como função objetivo para otimização para garantir que o movimento de cada junta seja suficientemente suave. Songguo Liu calcula a interpolação das trajetórias das juntas do robô usando cinco vezes o spline B, e os valores finais de velocidade e aceleração das juntas individuais do robô podem ser configurados arbitrariamente de acordo com os requisitos de suavidade. Além disso, o planejamento da trajetória no espaço conjunto pode evitar o problema de singularidade no espaço de operação.Huo et al. projetou um algoritmo de otimização de trajetória conjunta para evitar a singularidade no espaço da junta usando a redundância na funcionalidade de uma determinada junta de um robô de soldagem a arco com 6-graus-de liberdade durante uma tarefa e tomando a singularidade do robô e as limitações da junta como as restrições para otimizar o cálculo usando o método TWA.
O planejamento do caminho espacial conjunto tem as seguintes vantagens em comparação com o planejamento do caminho espacial operacional:
① Evitar o problema de singularidade do robô no espaço de operação;
② Como o movimento do robô é controlado pelo controle do movimento dos motores articulares, um grande número de cálculos de cinemática direta e inversa são evitados no espaço articular;
③As trajetórias articulares individuais no espaço articular facilitam a otimização do controle.
V. Classificação de robôs industriais
1. Do ponto de vista da estrutura mecânica, é dividido em robôs em série e paralelos.
(1) o robô em série é caracterizado pelo movimento de um eixo mudará a origem das coordenadas do outro eixo, na solução de posição, o robô em série é fácil de resolver a solução positiva, mas a solução inversa é muito difícil;
(2) O robô paralelo usa um mecanismo paralelo e o movimento de um eixo não altera a origem das coordenadas do outro eixo. O robô paralelo tem as vantagens de grande rigidez, estrutura estável, grande capacidade de carga, alta precisão de micro-movimento e pequena carga de movimento. Sua solução positiva é difícil, a solução inversa é muito fácil. Robôs em série e paralelos são mostrados na figura.
Robô tandem, robô paralelo
2. Os robôs industriais são divididos nas seguintes categorias de acordo com a forma das coordenadas do operador: (A forma das coordenadas refere-se à forma do sistema de coordenadas de referência assumido pelo braço do operador em movimento.)
(1) Robôs industriais do tipo coordenadas cartesianas
Sua parte de movimento consiste em três movimentos lineares mutuamente perpendiculares (ou seja, PPP) e sua figura no espaço de trabalho é retangular. Sua distância de movimento em cada direção axial pode ser lida diretamente em cada eixo de coordenadas, o que é intuitivo, fácil de programar e calcular a posição e atitude, alta precisão de posicionamento, controle livre de acoplamento, estrutura simples, mas o espaço ocupado pelo corpo é grande em volume, pequeno alcance de ação, pouca flexibilidade e difícil de trabalhar em coordenação com outros robôs industriais.
(2) Robô industrial do tipo coordenada cilíndrica
A forma de movimento é realizada por um sistema de rotação e dois movimentos móveis, o gráfico do espaço de trabalho para o cilindro, em comparação com o Robô Industrial de Coordenadas Cartesianas, nas mesmas condições do espaço de trabalho, o corpo ocupa um pequeno volume, mas a amplitude de movimento é grande, sua precisão posicional perde apenas para o Robô de Coordenadas Cartesianas, difícil de coordenar com outros robôs industriais.
(3) Robô industrial com coordenadas esféricas
Robô industrial de coordenadas de bola-, também conhecido como robô industrial de coordenadas polares-, seu movimento de braço por dois movimentos rotativos e um movimento linear (ou seja, RRP, um movimento rotativo, de inclinação e retrátil) composto por uma esfera no espaço de trabalho, pode ter ação de inclinação para cima e para baixo e pode agarrar o solo ou ensinar a coordenação da posição baixa da peça de trabalho, sua precisão posicional é alto, o erro de posição e o comprimento do braço são proporcionais ao comprimento do braço.
4)Robôs industriais multi{1}}articulados
Também conhecidos como robôs industriais de coordenadas rotativas, este braço de robô industrial e membro superior humano semelhante às três primeiras articulações são tornos rotativos (ou seja, RRR), o robô industrial é geralmente composto de colunas e braços grandes e pequenos, as colunas e o braço grande veem a formação das articulações dos ombros, o braço grande e as articulações do cotovelo entre o braço pequeno, de modo que o braço grande faça o movimento rotativo e o balanço do passo, o braço pequeno faça o balanço do passo. Sua estrutura é a mais compacta, flexível, menor pegada, pode trabalhar em coordenação com outros robôs industriais, mas a precisão posicional ensina baixa, há um problema de equilíbrio, acoplamento de controle, este robô industrial é cada vez mais utilizado.
(5) Robô industrial tipo junta plana
Ele usa uma junta móvel e duas juntas rotativas (ou seja, PRR), juntas móveis para realizar movimentos para cima e para baixo, enquanto as duas juntas rotativas controlam os movimentos para frente e para trás, para a esquerda e para a direita. Esta forma de robô industrial também é conhecido como robô de montagem (SCARA (Seletive Compliance Assembly Robot Arm). Na direção horizontal, possui flexibilidade, enquanto na direção vertical, ensinou grande rigidez. É uma estrutura simples, ação flexível, principalmente utilizada em operações de montagem, especialmente adequada para montagem de inserção de peças de pequeno-tamanho, como na indústria eletrônica, inserção, montagem em uma ampla gama de aplicações.
3. Robôs industriais de acordo com o método de entrada do programa para distinguir entre dois tipos de tipo de entrada de programação e tipo de entrada de ensino:
(1) O tipo de entrada de programação é o computador que foi programado no arquivo do programa operacional, através da porta serial RS232 ou Ethernet e outros métodos de comunicação com o gabinete de controle do robô.
(2) Existem dois tipos de métodos de ensino para o tipo Teach-In: ensino de caixa de ensino e ensino de atuador conduzido-pelo operador direto.
Caixa de ensino ensinando pelo operador com um controlador manual (caixa de ensino), o sinal de comando para o sistema de acionamento, de modo que o atuador de acordo com a sequência de ação necessária e a trajetória do exercício uma vez. O uso de caixa de ensino para ensinar robôs industriais é relativamente comum, os robôs industriais em geral são equipados com função de ensino de caixa de ensino, mas para a trajetória complexa da situação, o ensino de caixa de ensino não consegue alcançar os resultados desejados, como para superfícies complexas do trabalho de pulverização de tinta do robô de pintura.
Caixa de ensino do robô
Quando o operador conduz o atuador diretamente, o robô é ensinado a realizar a sequência necessária de movimentos e trajetória. Ao mesmo tempo, no processo de ensino, as informações do programa de trabalho são armazenadas automaticamente na memória do programa no trabalho automático do robô, o sistema de controle da memória do programa para detectar as informações correspondentes, o sinal de comando para o mecanismo de acionamento, de modo que o atuador para reproduzir o ensino de uma variedade de ações.
Ⅵ. índice de avaliação de desempenho de robôs industriais
Os parâmetros básicos e indicadores de desempenho das características do robô incluem principalmente espaço de trabalho, graus de liberdade, carga útil, precisão de movimento, características de movimento e características dinâmicas.
Indicadores de julgamento de desempenho de robôs industriais
1. Espaço de trabalho (espaço de trabalho) refere-se à parte específica do braço do robô que em certas condições pode atingir a coleção de posição espacial. As características e o tamanho do espaço de trabalho refletem o tamanho da capacidade de trabalho do robô. Ao compreender o espaço de trabalho de um robô, os seguintes pontos devem ser observados:
(1) Normalmente, o espaço de trabalho indicado no manual dos robôs industriais refere-se ao alcance que a origem do sistema de coordenadas da interface mecânica no pulso pode atingir no espaço, ou seja, o alcance que o ponto central do flange na extremidade do pulso pode atingir no espaço, ao invés do alcance que pode ser alcançado pelo ponto final do efetor-final. Portanto, ao projetar e selecionar o robô, é importante prestar atenção ao espaço de trabalho que o robô pode realmente alcançar após a instalação do{3}efetor final.
(2) O espaço de trabalho fornecido no manual do robô é frequentemente menor que o espaço máximo no sentido cinemático. Isso ocorre porque no espaço alcançável a posição do braço é diferente enquanto a carga útil, a velocidade máxima e a aceleração máxima não são as mesmas, no braço a posição máxima permite que o valor limite seja geralmente menor que outras posições. Além disso, pode haver degradação dos graus de liberdade no limite do espaço máximo alcançável do robô, que é chamado de padrão de bits singular, e a evolução dos graus de liberdade ocorre em uma faixa considerável em torno do padrão de bits singular, e esta parte do espaço de trabalho não pode ser utilizada quando o robô está trabalhando.
(3) Além da borda do espaço de trabalho, os robôs industriais em aplicações práticas também podem ser limitados pela estrutura mecânica do espaço de trabalho; existe também uma área dentro do espaço de trabalho que não pode ser alcançada pela extremidade do braço, que é muitas vezes referida como oca ou cavidade. A cavidade é um espaço completamente fechado dentro da área de trabalho que não pode ser alcançado pela extremidade do braço. E a cavidade fica ao longo da haste em todo o comprimento do braço e não consegue alcançar o espaço.
2.Graus de liberdade de movimento referem-se ao número de variáveis necessárias para o operador do robô se mover no espaço, usado para indicar o grau de flexibilidade do parâmetro de ação do robô, geralmente para se mover ao longo do eixo e girar em torno do eixo do número de movimentos independentes para indicar.
Um objeto livre possui seis graus de liberdade no espaço (três graus de liberdade para rotação e três graus de liberdade para movimento). Os robôs industriais são frequentemente sistemas de ligação abertos com apenas um grau de liberdade por cinemática de junta, portanto, normalmente o número de graus de liberdade de um robô é igual ao seu número de juntas. Quanto mais graus de liberdade um robô tiver, mais poderoso ele será. Há alguns dias, os robôs industriais geralmente tinham 4-6 graus de liberdade. Graus de liberdade redundantes ocorrem quando o número de juntas (graus de liberdade) de um robô aumenta a ponto de não ser mais útil para orientação e localização do efetor final. A presença de graus de liberdade redundantes aumenta a flexibilidade do trabalho do robô, mas também torna o controle mais complexo.
Os robôs industriais sempre podem ser divididos em dois tipos de movimento linear (abreviado como P) e movimento rotativo (abreviado como R) em termos de movimento, e a aplicação dos símbolos abreviados P e R pode indicar as características dos graus de liberdade de movimento do manipulador, por exemplo, RPRR indica que o manipulador do robô tem quatro graus de liberdade, e que as juntas se movem na ordem de rotativo-linear-rotativo-rotativo, começando da base até o final do braço. Além disso, os graus de liberdade de movimento dos robôs industriais têm as limitações da amplitude de movimento.
3. Carga útil
A carga útil refere-se ao peso do objeto que o operador do robô pode carregar na extremidade do braço ou à força ou momento que pode suportar durante a operação, e é usada para indicar a capacidade de carga do operador.
Robô em diferentes posições, a massa máxima permitida é diferente, então a massa nominal do robô é o braço em qualquer posição no espaço de trabalho da extremidade da articulação do pulso que pode suportar a massa máxima.
4. Precisão de movimento
A precisão do sistema mecânico do robô envolve principalmente precisão de posição, precisão de repetição de posição, precisão de trajetória, precisão de repetição de trajetória e assim por diante.
A precisão da posição refere-se ao desvio entre a posição comandada e o centro da posição real ao aproximar-se da posição comandada na mesma direção. A precisão da repetição da posição refere-se ao grau de inconsistência da posição real após responder à mesma posição de comando na mesma direção por n vezes.
A precisão da trajetória é o grau de proximidade da interface mecânica do robô com a trajetória comandada na mesma direção n vezes. A repetibilidade da trajetória refere-se ao grau de inconsistência entre uma determinada trajetória e a trajetória real após segui-la n vezes na mesma direção.
5. Características de movimento (Sped)
Velocidade e aceleração são os principais indicadores das características de movimento do robô. No manual do robô, geralmente fornece a velocidade máxima estabilizada dos principais graus de liberdade de movimento, mas na prática, simplesmente considerar a velocidade máxima estabilizada não é suficiente, deve-se também prestar atenção à sua aceleração máxima permitida.
6. As características dinâmicas dos parâmetros dinâmicos da estrutura incluem principalmente massa, momento de inércia, rigidez, coeficiente de amortecimento, frequência intrínseca e modos de vibração.
O projeto deve minimizar a massa e a inércia. Para a rigidez do robô, se a rigidez for fraca, a precisão posicional do robô e a frequência intrínseca do sistema diminuirão, o que levará à instabilidade dinâmica do sistema; entretanto, para algumas operações (por exemplo, operações de montagem), é vantajoso aumentar adequadamente a flexibilidade e, idealmente, deseja-se ter a rigidez da barra do braço do robô ajustável. Aumentar o amortecimento do sistema é vantajoso para reduzir o tempo de decaimento das oscilações e melhorar a estabilidade dinâmica do sistema. Aumentar a frequência intrínseca do sistema para evitar a faixa de frequência operacional também é benéfico para melhorar a estabilidade do sistema.
Ⅶ. robôs industriais enfrentam desafios técnicos
1, o mercado de robôs representou noventa por cento do capital estrangeiro
O mercado de robótica está prosperando, mas a indústria robótica da China não está otimista. De acordo com estatísticas de mercado, o mercado de robótica industrial da China continental é monopolizado por fabricantes estrangeiros, os fabricantes de marcas japonesas representaram 52%, os fabricantes europeus representaram 30%, os restantes cerca de 10% dos fabricantes da China continental.
Como o limite de entrada na indústria robótica é bastante alto, as classificações do mercado global de robótica dos quatro principais fornecedores foram Japan Fanuc, Yaskawa Electric, ABB e KUKA, um total de 50% da participação de mercado.
Por outro lado, nos próximos 30 anos, o mercado de robótica industrial da China continental manterá pelo menos 30% do rápido crescimento. Para este fim, os fabricantes globais de robótica de marca expandem ativamente a escala de vendas de negócios de robôs no mercado continental chinês, incluindo FANUC, YASKAWA Electric, ABB e KUKA, etc.
Actualmente, os robôs industriais da China continental, embora a industrialização de algum progresso inicial, mas devido à precisão, velocidade e outros aspectos dos fabricantes estrangeiros do que produtos similares, resultando na industrialização destes produtos a um baixo grau de aplicação, a quota de mercado é muito pequena; alguns dos produtos do nível tecnológico de países estrangeiros equivale apenas ao nível de meados da década de 90 do século passado.
Li Xiaojia, diretor do Centro de Estatísticas de Dados da Aliança da Indústria de Robôs da China, disse que em 2013, a China comprou e montou cerca de 37 mil robôs industriais, dos quais robôs-financiados por estrangeiros são geralmente robôs industriais de 6-eixos ou mais-de ponta, quase monopolizando a fabricação automotiva, soldagem e outras indústrias-de ponta setores, representando 96%. A principal aplicação dos robôs domésticos ainda é principalmente robôs de movimentação e carga e descarga, nas áreas de baixo custo da indústria.
Vale a pena notar que o actual desenvolvimento da indústria robótica da China com países estrangeiros, o fosso entre o risco de ser ainda mais alargado. Actualmente, a indústria robótica da China em geral ainda está na sua infância, a falta de reconhecimento da marca de robôs industriais, as maiores empresas de robótica produção anual de robôs apenas alguns milhares de unidades. Com as empresas estrangeiras de robótica tendo a China como base de produção, o desenvolvimento de marcas independentes de robôs industriais será ainda mais comprimido.
Ao mesmo tempo, devido aos principais componentes principais sujeitos a outros, o risco de esvaziamento industrial aumentou. Os três principais componentes dos robôs industriais (motores e servidores, caixas de velocidades, sistemas de controlo) são provenientes principalmente do estrangeiro, e os fabricantes da China continental carecem relativamente de I&D competitiva e de capacidades de produção, e há muito que dependem de importações. Como o upstream da cadeia industrial não é apoiado pelos principais fabricantes de componentes, estará sujeito a restrições-de longo prazo.
2, robôs industriais enfrentam desafios técnicos
Precisamos de ver com sobriedade os enormes desafios que o desenvolvimento da indústria robótica industrial da China enfrenta.
Em primeiro lugar, o projeto arquitetônico-de nível superior e a tecnologia básica do robô são controlados pelos países desenvolvidos. Na estrutura de custos do robô, uma proporção maior de redutores, servomotores, controladores, sistemas CNC são fortemente dependentes de importações, os robôs domésticos não têm uma vantagem de custo significativa.
Em segundo lugar, existe o risco de bloqueio-de baixo custo. Por um lado, os países desenvolvidos não serão fáceis para a China transferir ou autorizar a tecnologia robótica central, patentes, empresas robóticas da China através da participação no desenvolvimento de padrões internacionais, cooperação tecnológica e pesquisa e desenvolvimento para entrar nos impedimentos do mercado de médio e alto nível-; por outro lado, o investimento cego do governo local na indústria pode formar um excedente de capacidade de produção, resultando na duplicação da construção e na concorrência-de baixos preços.
Mais uma vez, falta uma ligação eficaz entre a I&D, o fabrico e a aplicação de robôs. A pesquisa e o desenvolvimento de tecnologia-relacionada a robôs das principais universidades e institutos não têm a capacidade de desenvolver o mercado, e as empresas no investimento básico em P&D ainda são muito baixos, a combinação nacional de indústria, academia e pesquisa e a existência de uma série de barreiras institucionais, resultando na desconexão dos vínculos de P&D e manufatura.
Monopólio estrangeiro do mercado interno para o status quo, os especialistas sugerem que através de uma variedade de maneiras de buscar um "avanço" e recuperar o atraso: em primeiro lugar, devemos fortalecer o acompanhamento da pesquisa robótica internacional, o desenvolvimento e introdução do desenvolvimento real do "Roteiro da Robótica" da China, passos claros para o desenvolvimento tecnológico, foco em avanços e no desenvolvimento do roteiro da robótica, o desenvolvimento do roteiro da robótica. Claramente as etapas do desenvolvimento tecnológico, os principais avanços nas principais tecnologias, processos e componentes, bem como o caminho da industrialização.
Em segundo lugar, precisamos de estabelecer um modelo de desenvolvimento de robôs alinhado com o desenvolvimento real da China. Fortalecer a aplicação integrada de segmentos industriais, fortalecer a combinação da indústria, academia, pesquisa e uso de pesquisa coletiva, com foco em avanços nos principais componentes principais, o mais rápido possível para formar um corpo de robô, componentes-chave, integradores de sistemas e outras cadeias da indústria robótica para promover o todo.
Além disso, é necessário acelerar o cultivo de empresas e marcas líderes de robôs industriais. A China deve cultivar e desenvolver a sua própria marca de robôs industriais como uma tarefa importante para criar uma versão melhorada da economia chinesa. A introdução do diretório da indústria de robôs industriais, promoção colaborativa para realizar a localização de robôs industriais.