基于八軸六聯(lián)動(dòng)控制復(fù)合機(jī)器人的技術(shù)集成及應(yīng)用研究*

李伯基

（廣州伯樂智能技術(shù)有限公司，廣州 511300）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)器人的高精度、高速度、多軸協(xié)調(diào)成為研究設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)[1]。工業(yè)機(jī)器人目前按使用結(jié)構(gòu)分類主要有關(guān)節(jié)式、桁架式和移動(dòng)式3種，但大多都作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品應(yīng)用：關(guān)節(jié)式機(jī)器人大多是4～6軸，受結(jié)構(gòu)影響只能在一定半徑范圍內(nèi)的工作位置姿態(tài)應(yīng)用，例如小范圍焊接、搬運(yùn)等；桁架式機(jī)器人適用于空間直線移動(dòng)，例如多機(jī)臺(tái)上下料機(jī)構(gòu)的點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；移動(dòng)式機(jī)器人主要應(yīng)用于長距離的搬運(yùn)工作，例如AGV小車（圖1）。

圖1 關(guān)節(jié)式、桁架式、移動(dòng)式機(jī)器人

根據(jù)大量的市場調(diào)研，對于零件尺寸在3～6 m范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)空間的自動(dòng)化加工，例如大件焊接、大件噴涂、大型幕墻單元體注膠、大型石材雕刻等。

受機(jī)器人結(jié)構(gòu)所限，無法解決大范圍任意空間位置和姿態(tài)的應(yīng)用。物體的空間機(jī)械運(yùn)動(dòng)變化具有相對性，即對于不同的參照物這種變化具有不同的描述[2]。因此，開發(fā)新型復(fù)合機(jī)器人機(jī)構(gòu)、擴(kuò)展控制系統(tǒng)功能和數(shù)字化通訊集成，以實(shí)現(xiàn)大面積位置和姿態(tài)末端執(zhí)行工具的任意軌跡應(yīng)用，滿足各類功能使用要求是行業(yè)之急需。

項(xiàng)目研究結(jié)合關(guān)節(jié)機(jī)器人和桁架機(jī)器人的特點(diǎn)，提出了三關(guān)節(jié)機(jī)器人+三直線軸龍門桁架的機(jī)構(gòu)作為解決方案主體，創(chuàng)新采用八軸六聯(lián)動(dòng)技術(shù)控制以實(shí)現(xiàn)空間任意軌跡運(yùn)動(dòng)：三關(guān)節(jié)機(jī)器人負(fù)責(zé)空間A、B、C軸旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，三直線軸龍門桁架負(fù)責(zé)空間X、Y、Z軸的直線位置，從而使末端工具的空間某點(diǎn)的任意姿態(tài)坐標(biāo)得已確定，加上X軸雙驅(qū)動(dòng)U軸輔助Y軸大跨距龍門橫梁移動(dòng)，V軸為輔助擺臂軸滿足隨動(dòng)功能，形成八軸六聯(lián)動(dòng)數(shù)控結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2 八軸六聯(lián)動(dòng)數(shù)控結(jié)構(gòu)模型

1 重點(diǎn)與難點(diǎn)攻關(guān)

1.1 技術(shù)重點(diǎn)

（1）控制系統(tǒng)

國內(nèi)尚無成熟應(yīng)用的八軸六聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，需要采用現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，算法上增加三直線軸加三關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)空間世界坐標(biāo)與電機(jī)各軸機(jī)械坐標(biāo)之間的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)六聯(lián)動(dòng)基本控制。

（2）龍門桁架

參考高架橋式龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用場合，采用輕量化設(shè)計(jì)的理念轉(zhuǎn)換成桁架結(jié)構(gòu)。其中X軸同步雙驅(qū)動(dòng)控制，覆蓋大型工件的工作范圍。桁架結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)末端工具的X、Y、Z三軸坐標(biāo)位置。龍門加工中心其產(chǎn)品檢測的主要檢驗(yàn)指標(biāo)為幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度、定位精度和重復(fù)定位精度[3]。

（3）機(jī)器人

選取成熟六關(guān)節(jié)機(jī)器人去除冗余的軸，保留4、5、6軸組成靈巧的三關(guān)節(jié)，負(fù)責(zé)末端工具的A、B、C三軸空間的角度姿態(tài)。

（4）外部設(shè)備數(shù)字化通信

以數(shù)字化形式全面實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線制造過程，是制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的有效輔助工具[4]。龍門桁架和機(jī)器人只是移動(dòng)載體，還需要控制器控制外圍設(shè)備來實(shí)現(xiàn)各類功能需求。這些控制很多地方都需要數(shù)字化通信，例如焊接設(shè)備焊縫跟蹤和焊絲用量與溫度的控制通過數(shù)字化才能精準(zhǔn)控制焊接質(zhì)量；又如智能注膠設(shè)備的視覺定位系統(tǒng)、流量檢測系統(tǒng)、掃碼參數(shù)錄入系統(tǒng)，均需要數(shù)字化控制，取得精確的注膠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制注膠質(zhì)量。

（5）末端執(zhí)行工具

為了采用外包圍位置內(nèi)環(huán)的控制方式完成單維的力控制，需要設(shè)計(jì)一個(gè)具有一定柔性的末端執(zhí)行器[5]。如何控制好末端工具、優(yōu)化工具結(jié)構(gòu)是使設(shè)備全面實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵之一。例如智能注膠單元設(shè)備中，膠槍和刮膠板是注膠單元的關(guān)鍵部件，性質(zhì)類似加工中心的刀具，它負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)膠的注射和刮膠工作，通過優(yōu)化膠槍、刮膠板的軌跡控制、延時(shí)、尺寸和材料，得出最終穩(wěn)定使用的膠槍。

1.2 技術(shù)集成

本項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)在于前述多項(xiàng)技術(shù)集成，并能穩(wěn)定服務(wù)于生產(chǎn)，主要有控制系統(tǒng)功能擴(kuò)展和多硬件數(shù)字通訊。

（1）控制系統(tǒng)功能擴(kuò)展

圖3 三直線軸、三關(guān)節(jié)軸數(shù)學(xué)模型

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)是六軸關(guān)節(jié)式機(jī)器人控制系統(tǒng)，或者五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床控制系統(tǒng)比較常見，但無法滿足八軸六聯(lián)動(dòng)控制需求，故需要特殊開發(fā)擴(kuò)展功能，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的八軸六聯(lián)動(dòng)控制。首先建立三直線軸、三關(guān)節(jié)軸的數(shù)學(xué)模型，如圖3所示，編寫算法，實(shí)現(xiàn)六聯(lián)動(dòng)控制，另外增加U軸同步控制算法和V軸擺臂角度控制算法，實(shí)現(xiàn)基本功能所需。

（2）數(shù)字化集成

基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化監(jiān)測，其便捷之處在于使用工業(yè)相機(jī)代替人眼，極大縮短檢測時(shí)間及減少人為誤差[6]。通過數(shù)字化控制各項(xiàng)功能，能精準(zhǔn)控制工作質(zhì)量及效果。嘗試將語言信息和深度預(yù)測融合到機(jī)器人中，以提高機(jī)器人感知場景的能力和人機(jī)交互的體驗(yàn)感[7]。

例如焊接采用焊縫跟蹤數(shù)字技術(shù)保證焊縫與焊接點(diǎn)穩(wěn)定距離；又如噴涂軌跡控制、石雕三維掃描和離線編程技術(shù)均采用模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，利用系統(tǒng)微積分?jǐn)?shù)字化運(yùn)算生產(chǎn)加工軌跡；再如，注膠單元數(shù)字化，通過視覺系統(tǒng)圖像識(shí)別（圖4）具體物件特征的位置轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)，通過掃碼收集ERP系統(tǒng)需要的特征數(shù)據(jù)（圖5）傳輸?shù)较到y(tǒng)，加上末端流量檢測的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)（圖6），3類數(shù)據(jù)的數(shù)字化集成生成自動(dòng)注膠動(dòng)作路徑與速度，能穩(wěn)定控制注膠質(zhì)量。

圖4 視覺系統(tǒng)圖像識(shí)別

圖5 掃碼輸入特征數(shù)據(jù)

圖6 流量實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)

2 市場應(yīng)用研究

2.1 階段性研究成果

龍門桁架結(jié)構(gòu)加關(guān)節(jié)復(fù)合機(jī)器人目前已應(yīng)用于智能注膠單元設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)八軸六聯(lián)動(dòng)控制，解決了控制系統(tǒng)算法、功能擴(kuò)展、數(shù)字化集成的問題，取得良好的生產(chǎn)效果。注膠中采用的視覺定位技術(shù)，目前研發(fā)成功，應(yīng)用數(shù)字化通信技術(shù)集成到控制器里，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互控制。末端閉環(huán)檢測系統(tǒng)采用數(shù)字化流量計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)注膠流量監(jiān)測和數(shù)字化反饋到控制器中實(shí)時(shí)控制速度，流量精度達(dá)到1%控制，更新周期在10 ms以內(nèi)，達(dá)到理想的注膠效果。在石雕應(yīng)用試驗(yàn)上，研究出三維掃描的應(yīng)用方法，對接離線編程后處理程序，實(shí)現(xiàn)三維掃描—代碼生成—加工成型的數(shù)字化通信、集成、控制的功能。

2.2 技術(shù)價(jià)值

桁架式機(jī)器人作為一種成本低、系統(tǒng)簡單的自動(dòng)化解決方案，在注膠、噴涂、焊接上下料等市場領(lǐng)域中，在替代人工、提高效率、穩(wěn)定質(zhì)量等方面都具有顯著價(jià)應(yīng)用價(jià)值[8]。多場景柔性應(yīng)用、大面積零件加工的技術(shù)工藝集成應(yīng)用，能以點(diǎn)帶面、擴(kuò)展組合，滿足客戶不同場景應(yīng)用需求，如表1所示，這是本項(xiàng)目創(chuàng)新研究的技術(shù)價(jià)值意義。

表1 不同場景技術(shù)組合應(yīng)用

2.3 經(jīng)濟(jì)及社會(huì)價(jià)值

由于大型焊接、大型噴涂、大型注膠、大型石雕這些行業(yè)大多生產(chǎn)工藝落后、環(huán)境惡劣、自動(dòng)化程度低，目前受生產(chǎn)限制較多，突破上述技術(shù)后，潛在的需求得到激活，將帶來良好的市場前景。例如智能注膠單元項(xiàng)目，應(yīng)用上述多項(xiàng)技術(shù)后，成功產(chǎn)業(yè)化，提升效率10%、節(jié)約用膠20%～25%，提高打膠質(zhì)量和解決產(chǎn)品安全性等問題，產(chǎn)生較快的投資回報(bào)。調(diào)研分析，上述這些行業(yè)基本都是勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境污染嚴(yán)重且生產(chǎn)效率低，項(xiàng)目成果的推廣應(yīng)用，能促進(jìn)行業(yè)自動(dòng)化水平和企業(yè)形象提升。

3 結(jié)束語

控制系統(tǒng)功能擴(kuò)展、數(shù)字化通信與集成實(shí)現(xiàn)了硬件功能的需求，龍門桁架加關(guān)節(jié)機(jī)器人結(jié)構(gòu)解決了大范圍任意位置姿態(tài)工作的需求，末端執(zhí)行工具與閉環(huán)檢測提升了工作效果與質(zhì)量，視覺系統(tǒng)、三維掃描、離線編程解決了智能識(shí)別問題。本文通過研究意義的分析，得出以下結(jié)論：利用上述技術(shù)的集成應(yīng)用，能滿足行業(yè)上大型零部件的生產(chǎn)加工需求，

具有廣泛的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。