机器人控制发展的现状与前景

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从工业的角度看——机器人操纵进展的现状和前景

Torgny Broga˚rdh

ABB机器人、SE-721˚stera 68 Va¨瑞典

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2006年10月5日投稿

2007年1月14日发表

2007年5月4日网上刊登

摘要：

关于机器人制造商来讲机器人操纵技术是一项核心竞争力。为了改善机器人性能、减小机器人成本和开发新的功能，机器人制造商做了大量的研发工作。当今，在这一进展领域最引人注目的是多机器人操纵、安全操纵、力操纵、三维视觉、远程操纵机器人的监督和无线通信等。目前人们正在研讨受益于这些研发的技术应用和机器人制造商所面临的技术挑战。现时期，基于模型的操纵是工业机器人操纵的关键技术。尽管成本压力致使机器人机械结构更加难以操纵，为了满足更高的性能要求，操纵模型和操纵打算依旧越来越精确。能够从某些领域找到机器人以后进展的驱动力。这些领域包括汽车行业新的机器人技术，特不是在中小型企业、食品工业、铸造厂等的最后组装以及大型结构的加工和装配领域。在那个地点本文提出了以后机器人操纵进展的一些情况。一种情况是，轻型机器人的概念可能对以后汽车制造和中小型企业（SME）的自动化产生阻碍。如此的进展可能导致模块化机器人和在机器人臂结构上使用传感器的操纵方案的诞生。上面提到的这种传感器也能够用于冗余安全操纵的实现。高度模块化机器人的引进将增加机器人对安装支持的需求，如此就使得即插即用功能变得更为重要。获得高度模块化机器人的一种途径是利用近年来进展起来的一种新型的并行结构机器人结构。相关于机器人底座来讲并行机器人结构有专门大的工作空间。为进一步有效地使用机器人,自适应机器人方案就被提了出来，这意味着机器人在执行不同的程序是所产生

的热应力和疲劳应力分不得到了操纵优化。上述陈述的要紧结论是:工业机器人的进展是在远离它的限制, 需要大量的研究和开发来获得一个工业机器人自动化更广泛应用。

#2007爱思唯尔有限公司保留所有权利。

关键词:工业机器人,机器人操纵;操纵功能;操纵应用

1、简介

工业机器人进展的特点是一个大范围的多学科技术的融合。这些技术专门多都不是特定面向机器人的，能够通过其他更广泛的产品领域得到进展。然而，机器人操纵，尤其是机器人运动操纵，对不同的机器人产品相差专门大，同时构成了对工业机器人的进展最重要的关键能力之一。通过应用和进展先进的操纵技术,就有可能不断提高机器人的性能,这关于工业机器人自动化性能的提高和成本的降低是专门有必要的。

应该强调的是，汽车产业包括他们的供应链是今天主导客户forindustrial机器人（联合国欧洲经济委员会，2004）。这意味着出自这种类型的制造系统的要求专门大程度上驱动着机器人的进展。因此,现在的大多数机器人,都适应在特不激烈的竞争环境下高容量柔性生产的成本敏感性。对机器人制造商来讲，对成本、效率、高可靠性和高生产率的差不多要求有必要做出专门大的努力。而且,有必要使机器人操纵与工厂自动化系统的诸如应用协议、通讯系统、I / O接口、PLC设备、用户界面、工艺设备等相适应，以达到不同机器人产品之间的最佳利用和最短的切换时刻。(RIA及美国国家标准与技术研究

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院,2000年)。

世界汽车工业,将是上述陈述观点的腾飞点，完全机器人自动化通常出现在汽车车身总成、锻压、油漆和涂料。发动机和动力总成在某种程度上也实现了机器人自动化(ABB-1,2003年)。这些应用技术差不多专门好的建立起来，机器人的一些特征诸如安装、编程、集成、维修、性能和功能被不断完善。从操纵的观点来看, 这意味着对鲁棒性，稳定性和精度方面的要求提高了。与此同时，成本压力意味着需要进展少用具有更复杂的机械振动模态和更大的动态变化的刚性机械结构的单独机器人，而这种机器人必须由操纵系统处理。

图1 . 多机器人操纵需要高性能模式控图2 .

汽车传动系组件的装配，如图所示的液力变

制概念和有效的机器人的编程方法。矩器确实是机器人力操纵有专门大潜力的一个例子。

再进一步看汽车制造业自动化程度的现状，目前只有极少数的机器

人用于最后的装配。在那个地点，需要新的机器人技术和新的柔性自动化解决方案来处理装配任务的复杂性和产品的几何形状多边性。工业机器人今后面临的一个巨大挑战是为这种应用技术开发出经济可行的解决方案,这种应用技术中机器人操纵需要满足更直观,更互动的几何公差、形状公差。那个方向的一项突破会掀起大范围的工业应用机器人学的一股新浪潮，尽管这些在今天看来是不现实的。然而,在讨论以后机器人的操纵技术之前,先给出目前要紧工业机器人操纵的进展一些例子。然后对机器人进展的驱动力进行讨论,并在此基础上概述以后进展的情景。

2. 目前的工业机器人操纵的进展

工业机器人的一种进展趋势是时尚工业机器人，这通常源于汽车工业提出的新生产概念。目前流行的一个例子是多机器人操纵以及由几个机器人制造商提出的不同解决方案，尽管这几年来一些制造商差不多将他们作为自己的商品供应(布雷丁，2005)。在工业上采纳多机器人操纵的要紧缘故是通过让机器人并行工作以降低生产成本，尤其对电弧焊这种低速的过程而言。其他好处是，几个机器人由一个操纵器操纵，就能够节约占地面积、改善幸免碰撞性能、减少周期时刻。在电弧焊接时, 同时从不同的方向对相同的对象进行焊接，跟有可能达到焊接热量的均衡分布。通常的一种装置确实是使用两个或更多的机器人在同一个工件焊接，该工件由一个或两个自由度的机械手旋转。关于更高的灵活性，工件也能够由一个机器人夹持(图1)，另一个机器人夹持被焊接的部件。汽车工业也希望通过改善在一个共同的机器人车体上机器人组织的协同性，来降低点焊机器人的循环时刻。进展

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多机器人操纵系统时，一个专门困难的操纵实例确实是如何实现动态优化伺服参考的精确定时以及协调不协调的动作、异常处理和故障恢复的平滑的过渡。当一大群机器人工作在一个大型生产线工作时也有那个问题，确实是如何动态地给机器人和集群机器人分配任务以达到最优生产率。同时,必须注意到collabor -ating机器人比单身的机器人更难于编程，因此离线编程机器人和细胞模型更有积极性。另外一个问题是合作机器人装置的精确度。因为串联运动链需要被操纵，比起单个机器人装置，伺服回路及机器人的运动学和动力学模型错误将给工具和工件之间产生更大的姿态偏差。因此, 多机器人操纵的进展会刺激器人的运动学和动力学模型以及机器人的伺服性能的进一步改善和提高。

多机器人操纵是需求相关的是开发机器人具有专门高的承载力的要求（ABB公司- 2，2001）。例如,汽车车身的部分地区。负荷达500公斤机器人差不多着手开发。一重负荷处理机器人拥有与车身零件夹具而其他机器人则没有，例如，点或弧焊接机器人。这种自动化解决方案的动力来自用机器人取代单一的目的运输系统产生的更高灵活性。除了多机器人这种操纵方面，向更高的负载能力进展导致降低机械机器人固有频率和增加精确模型和操纵机器人的结构。

另一种流行的进展方向是朝着在机器人安装新的安全安排（ESALAN 系统，2006年）。一个短期的动机来自用安全软件的限制替代电气和机械的工作范围限制的可能性，这使得它更廉价，更快速地配置一个机器人单元。此外,一个机器人单元安全栅栏，更有效的适应工作空间的局限性,这将节约占地面积在车间。也有一些打算,进展为人类与机器人之间的安全直接合作的新概念（Schraft，梅耶，Parlitz，与赫尔姆