從新松看工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

王金濤

工業(yè)機(jī)器人是當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表，在制造業(yè)中擁有巨大的發(fā)揮空間，并持續(xù)帶動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)水平的提高。工業(yè)機(jī)器人作為推動(dòng)制造變革的催化劑，該領(lǐng)域的新產(chǎn)品和新技術(shù)研發(fā)持續(xù)引發(fā)社會(huì)關(guān)注。本文將以新松工業(yè)機(jī)器人為例，著重分析探討工業(yè)機(jī)器人若干關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

工業(yè)機(jī)器人被重新定義

如今機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)入了全新的R2.0時(shí)代，并被賦予了新的概念（是一種具備感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器）。機(jī)器人正成為各行各業(yè)、各工藝工序的作業(yè)專家能手，以新松為例，其工業(yè)機(jī)器人成熟具備了焊接、磨拋、噴涂、裝配、搬碼、上下料等工藝包與專家系統(tǒng)，廣泛服務(wù)于汽車、航空航天、船舶制造、電子電氣、食品醫(yī)療等領(lǐng)域。

對(duì)比五年前的傳統(tǒng)機(jī)器人，現(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)打破了技術(shù)壁壘，成為一種具有自感知、自決策、自執(zhí)行的智能生產(chǎn)工具。一是自感知功能，以用戶個(gè)性化定制為主線，通過(guò)視覺(jué)或力控技術(shù)幫助機(jī)器人作業(yè)，采用力位混合的柔性控制技術(shù)等，都是在傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人上外加各類智能傳感器輔助、實(shí)現(xiàn)信息的感知與融合，從而指導(dǎo)下一步工作。二是自決策功能，使用各種工藝專家數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)共享經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，將機(jī)器人與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)融合構(gòu)建MES，以智能互聯(lián)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)智能控制、決策及交互。三是自執(zhí)行功能，以全流程整合為方法，建立智能化生產(chǎn)機(jī)制，通常會(huì)配套智能離線編程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)免示教作業(yè)及柔性路徑的自主規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)快速編程與自編程，快速就位與換產(chǎn)等，同時(shí)重視操作性和實(shí)用化，達(dá)到智能生產(chǎn)的目的。

新松工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人是集計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子、控制等諸多學(xué)科于一體的自動(dòng)化設(shè)備，具有較高的技術(shù)附加價(jià)值，接下來(lái)就新松工業(yè)機(jī)器人的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)介紹。

一、新松工業(yè)機(jī)器人核心控制技術(shù)

1.網(wǎng)絡(luò)化控制器

隨著機(jī)器人的工程應(yīng)用越來(lái)越多，機(jī)器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來(lái)越重要。首先，控制器需要支持更多的協(xié)議擴(kuò)展與通信接口，具備各類現(xiàn)場(chǎng)總線及工業(yè)以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)機(jī)融合，便于對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)管及優(yōu)化。其次，為更好地解決機(jī)器人復(fù)雜作業(yè)中指令過(guò)多的問(wèn)題，提高作業(yè)存儲(chǔ)的安全性，控制器的存儲(chǔ)形式向多元化發(fā)展，存儲(chǔ)容量也順勢(shì)得到了顯著提升，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人作業(yè)和指令的海量安全存儲(chǔ)。

2.路徑控制技術(shù)

（1）連續(xù)軌跡規(guī)劃技術(shù)

機(jī)器人位置控制分為點(diǎn)位式和軌跡式兩種方式。連續(xù)軌跡算法一直是工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃技術(shù)的重要組成部分，是性能優(yōu)化的關(guān)鍵體現(xiàn)。新松工業(yè)機(jī)器人通過(guò)對(duì)位置給定信號(hào)按照優(yōu)化的時(shí)間間隔進(jìn)行速度合成與插值計(jì)算，建立優(yōu)化路徑控制的目標(biāo)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。連續(xù)軌跡規(guī)劃技術(shù)保證了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的圓滑過(guò)渡，提高過(guò)渡區(qū)域的速度，減少過(guò)渡所需時(shí)間，充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的能力。

（2）振動(dòng)抑制技術(shù)

柔性化是工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)之一。工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)結(jié)束之后由于關(guān)節(jié)柔性和連桿柔性，將引起機(jī)械臂的殘余振動(dòng)，通用方法是采用伺服驅(qū)動(dòng)器的減振濾波功能，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制效果。但該方法會(huì)導(dǎo)致跟蹤差增大，機(jī)器人軌跡精度變差。新松工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新的振動(dòng)抑制技術(shù)基于軌跡規(guī)劃抑振，從根源上解決機(jī)械臂殘余振動(dòng)問(wèn)題，從而克服了通過(guò)驅(qū)動(dòng)器減振濾波方式導(dǎo)致軌跡精度變差的缺陷，同時(shí)也加強(qiáng)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)終止時(shí)的精確定位。

3.動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究的是關(guān)節(jié)力、力矩與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，主要目的是通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)計(jì)算出工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)在進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器所應(yīng)提供的力矩大小，并將這一力矩值用于機(jī)器人控制。通過(guò)動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償技術(shù)，來(lái)解決機(jī)器人碰撞保護(hù)、上電瞬間抖動(dòng)、負(fù)載辨識(shí)、軌跡精度等關(guān)鍵問(wèn)題。

（1）碰撞保護(hù)技術(shù)

碰撞保護(hù)是通過(guò)相應(yīng)的控制策略，避免機(jī)器人與障礙物產(chǎn)生碰撞而提高其安全系數(shù)的機(jī)器人智能安全保護(hù)方法。大多數(shù)檢測(cè)碰撞或碰撞力都是通過(guò)添加外部傳感器實(shí)現(xiàn)?？紤]到工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際工作情況和性能要求，新松工業(yè)機(jī)器人采用機(jī)器人自身電機(jī)的電流反饋力矩的形式來(lái)檢測(cè)碰撞，無(wú)需額外添加傳感器，檢測(cè)范圍能夠覆蓋機(jī)器人的整個(gè)表面。同時(shí)設(shè)計(jì)并應(yīng)用了基于自適應(yīng)濾波算法，對(duì)報(bào)警閥值自動(dòng)調(diào)整，有效提高碰撞檢測(cè)的靈敏度，降低設(shè)備的誤報(bào)警率。

（2）扭矩前饋控制技術(shù)

扭矩前饋控制技術(shù)主要針對(duì)大負(fù)載工況下機(jī)器人關(guān)節(jié)的剛度參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題進(jìn)行誤差補(bǔ)償。通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算出機(jī)器人在某一姿態(tài)、某一速度下所需的扭矩變化，并將其加算到電流環(huán)的輸入環(huán)節(jié)，使得扭矩輸出可以快速地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)調(diào)整，減少偏差，達(dá)到預(yù)期控制效果。通過(guò)扭矩前饋控制技術(shù)有效地解決了工業(yè)機(jī)器人（尤其大負(fù)載機(jī)器人）上電瞬間由于重力影響出現(xiàn)的瞬間“下垂”抖動(dòng);改善了傳統(tǒng)位置模式控制方式下，機(jī)器人不同負(fù)載、不同速度軌跡精度不一致問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中拖拽示教、軟浮動(dòng)功能也是基于該技術(shù)進(jìn)行的擴(kuò)展及優(yōu)化。

（3）負(fù)載辨識(shí)技術(shù)

負(fù)載的動(dòng)力學(xué)模型是機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的重要部分。機(jī)器人柔性化程度的提高以及定制化生產(chǎn)不斷完善，工業(yè)機(jī)器人負(fù)載辨識(shí)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。工業(yè)機(jī)器人在同一作業(yè)過(guò)程中由于末端負(fù)載變化，往往會(huì)導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)而影響精度，負(fù)載的動(dòng)力學(xué)參數(shù)一般不能直接得到，也會(huì)影響建模精度，因此需要識(shí)別機(jī)器人末端負(fù)載去調(diào)整相應(yīng)的控制參數(shù)來(lái)保證其具有良好的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。新松工業(yè)機(jī)器人負(fù)載辨識(shí)技術(shù)是一種無(wú)需外接設(shè)備，基于伺服電機(jī)輸出力矩，通過(guò)末端辨識(shí)自動(dòng)計(jì)算負(fù)載的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的方法。

（4）剛度補(bǔ)償技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人控制中需要考慮彈性變形的作用，變形主要來(lái)源于關(guān)節(jié)和連桿。為精確辨識(shí)工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)剛度參數(shù)，新松工業(yè)機(jī)器人以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)器人柔度矩陣，使用了剛度補(bǔ)償技術(shù)，很大程度上提升了機(jī)器人的絕對(duì)精度和軌跡精度。以新松210kg機(jī)器人為例，測(cè)試的絕對(duì)精度在剛度補(bǔ)償后效果平穩(wěn)。