基于關節(jié)模塊自由組裝式7 自由度工業(yè)機器人

鮑 敏 鮑 婕 敖冰峰

(黑龍江職業(yè)學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 7 自由度工業(yè)機器人研發(fā)背景

習近平總書記在兩院院士大會上表示，機器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。其研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。隨著中國制造2025和工業(yè)4.0 的推進，我國已成為世界上最大的工業(yè)機器人市場，2020 年，工業(yè)機器人人才缺口達到300 萬，2025 年將達450 萬。然而目前全國開設工業(yè)機器人專業(yè)的大學有300 多所，很多處于起步階段，工業(yè)機器人教學儀器設備需求量巨大。但是，現(xiàn)有工業(yè)機器人實訓設備成本較高，功能單一，靈活度不高，核心傳動部件也無法滿足高校教學需要。另外，隨著技術日新月異和產(chǎn)品的多樣化，簡易的往復機已經(jīng)不能滿足形狀各異和復雜工藝的要求。工業(yè)柔性機器人應用技術已經(jīng)不可逆轉地成為了自動化生產(chǎn)線中不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)，仿生機器人研究也成為機器人學的熱點之一,但是由于多年的進化,生物的各關節(jié)運動一般難以用機械結構完全實現(xiàn)。近期,國際知名機器人廠商紛紛發(fā)布七自由度工業(yè)機器人產(chǎn)品,這引發(fā)了我們的思考。七軸工業(yè)機器人從二十世紀七十年代末逐步發(fā)展至今,為工業(yè)自動化的推進起到了重要的作用。由于具備其獨特的技術優(yōu)勢,因此其相關產(chǎn)品動向更值得我們深入研究。

2 7 自由度工業(yè)機器人特點

2.1 改善運動特性

機器人運動學中存在著三個問題，這三個問題極大地限制了機器人的運動。

2.1.1 奇怪的配置。當機器人處于奇異位形時，其末端執(zhí)行器不能沿某一方向運動或施加力矩，因此奇異位形對機器人的運動規(guī)劃有很大的影響。

2.1.2 關節(jié)位移超限。在實際工作條件下，機器人各關節(jié)的角度范圍是有限的，理想狀態(tài)是正180 度或負180 度，但很多關節(jié)做不到。此外，7 自由度機器人可以避免角速度移動過快，使角速度分布更加均勻。

2.1.3 三是工作環(huán)境存在障礙。在工業(yè)環(huán)境中，在許多場合存在著各種各樣的環(huán)境障礙。7 自由度機器人不僅可以改變末端機構的姿態(tài)，而且可以改變末端機構的位置。

2.2 改善動態(tài)特性

對于7 自由度機器人，利用其冗余自由度不僅可以通過軌跡規(guī)劃獲得良好的運動學特性，而且可以通過其結構獲得良好的動力學性能。

7 自由度機器人可以重新分配關節(jié)力矩，這涉及到機器人的靜平衡問題，即作用在末端的力可以通過算法來計算。對于傳統(tǒng)的六軸機器人，各關節(jié)的受力是確定的，其分布可能不合理。而7 自由度機器人可以通過控制算法來調整各個關節(jié)的力矩，使薄弱環(huán)節(jié)的力矩盡可能小，從而使整個機器人的力矩分布更加均勻合理。

2.3 容錯

當機器人發(fā)生故障時，如果一個關節(jié)發(fā)生故障，傳統(tǒng)的6 自由度機器人將無法繼續(xù)工作，而7 自由度機器人則可以通過重新調整故障關節(jié)的速度(運動容錯)和重新分配故障關節(jié)的扭矩(動態(tài)容錯)來繼續(xù)工作。

3 基于關節(jié)模塊自由組裝式7 自由度工業(yè)機器人功能

3.1 不封蓋RV 減速器，國內首創(chuàng)

7 軸工業(yè)機器人是最接近人類手臂結構的機器人，本工業(yè)機器人產(chǎn)品以7 自由度的高起點出發(fā)兼顧3 至7 自由度研發(fā)設計，既可以應用于智能工廠代替人工，也可應用于高校機器人教學。有以下6 大特色：(1)關節(jié)模塊可實現(xiàn)3-7 軸的靈活拼裝運行；(2)創(chuàng)新開發(fā)了核心傳動部件-RV 減速器；(3)為適用不同場合，設計專利底座結構；(4)無線控制，平板電腦示教編程；(5)開發(fā)了虛擬仿真互動訓練平臺；(6)與同類產(chǎn)品相比，一機多能，性價比高。

可不封蓋運行的工業(yè)機器人系列RV 減速器，能清晰看見內部機構，方便演示工作原理，且能應用于工業(yè)機器人關節(jié)軸中，用于組建多關節(jié)軸機器人，其內部至少三處鏤空，可穿過導線、氣管，不影響減速機正常運轉，為工業(yè)機器人傳動機構教學提供強力支撐，填補了此項產(chǎn)品國內空白，見圖1。

圖1 關節(jié)模塊減速器拆解狀態(tài)

3.2 自由組裝式多軸機器人，面向不同應用

市面上的工業(yè)機器人產(chǎn)品結構都是固定自由度，功能單一，利用自研不封蓋運行的RV 減速器、核心傳動機構及機械結構，以關節(jié)為單元，可自由拼裝成3 自由度、4 自由度、5自由度、6 自由度、7 自由度機器人。相比較市面上的單一功能的實訓臺，集成了工業(yè)機器人教學中幾乎全部的實訓操作項目，一臺實現(xiàn)多臺的功能，見圖2。

圖2 自由組裝3-7 自由度工業(yè)機器人形態(tài)

3.3 產(chǎn)品采用專利底座設計，方便換裝移動平臺

現(xiàn)有的工業(yè)機器人安裝底座通常是固化的，無法進行位置調整，無法適應各種安裝情況，同時缺乏在減震和加固方面的安全性，工作發(fā)生碰撞時易傾倒造成設備損壞和人員危險。本機器人底座采用卡槽和門形銷可拆卸結構專利設計，可安裝在移動AGV 小車等多平臺中使用，安裝穩(wěn)固、可快速切換，方便安裝于不同平臺。

3.4 創(chuàng)新平板電腦示教編程，無線連接、離線仿真編程

機器人除傳統(tǒng)示教器外，創(chuàng)新開發(fā)了在平板電腦(或手機)上示教，既實現(xiàn)傳統(tǒng)控制器的功能又可離線仿真編程，無線連接，擺脫線纜束縛，使用方便。

3.5 配套虛擬仿真互動訓練系統(tǒng)，直觀生動

配套開發(fā)了虛擬仿真互動訓練系統(tǒng)，能夠在仿真環(huán)境下學習機器人結構、組成原理，直觀生動，為高校工業(yè)機器人機械結構教學提供支撐。

3.6 一機多能，高性價比

1 臺設備即可實現(xiàn)多方面實訓應用，既可實現(xiàn)多場合工業(yè)實際應用，又可完成本體認知、傳動機構認知、示教編程、虛擬拆裝、面向不同應用等5 方面以上實訓教學應用，一機多能。量產(chǎn)價格僅為3 萬元，相比市場上功能單一，價格動輒三五十萬元的7 自由度工業(yè)機器實訓設備，性價比優(yōu)勢明顯。

4 基于關節(jié)模塊自由組裝式工業(yè)機器人技術參數(shù)

七軸機器人包括三個主要部件，機器人本體、控制柜、示教器，所有的編輯工作都在示教器上完成，當作業(yè)編輯完成后，點擊下載按鈕，將命令下載到控制柜中的主控板中，切換至運行模式，點擊運行按鈕開始執(zhí)行下載命令。當遇到不可預知的運動狀態(tài)時或危險時，按下急停按鈕，機器人立即停止。

4.1 控制柜

硬件采用48v、24v、5v 電源供電，7 路步進電機驅動器，16 路繼電器，wifi 模塊，儲存模塊、控制按鈕、主控板(stm32f103zet6)組成。

控制柜按鈕布局，見圖3。

圖3 控制柜按鈕布局

4.2 示教器

軟硬件配置：移動端，安卓5.0 以上版本，分辨率2560*1600，具備wifi 網(wǎng)絡。pc 端，win7、win10 系統(tǒng)，具備wifi網(wǎng)絡。

4.3 開機

連接電源線，確定復位按鈕彈起，撥動電源開關，電源指示燈亮起，待工作指示燈間隔閃爍時，開機完成。

示教器軟件安裝：在安卓平板電腦或安卓手機上安裝7自由度工業(yè)機器人示教器控制軟件。pc 機上拷貝七7 自由度示教器軟件到硬盤上。

示教器連接：當7 自由度工業(yè)機器人正常開機后，確保模塊開關轉動到編輯模式，查看wifi，選擇HY-001 網(wǎng)絡服務，輸入密碼“12345678”，網(wǎng)絡連接成功后，啟動示教器軟件。當看到菜單頭信息反饋欄中出現(xiàn)主控板的反饋信息時，示教器鏈接成功。

4.4 編輯模式

控制模式選擇開關，擰動到編輯模式，急停開關彈起。

在編輯模式下，示教器可控制機器人姿態(tài)、編輯作業(yè)等操作。

4.5 示教器功能布局(圖4)

圖4 示教器功能布局

使能：示教器最左測，黃底黑字，寫著使能。當示教操作時，要用一根手指按著使能按鈕，當機器人發(fā)生不正常的運動時，松開使能按鈕，機器人立即停止。

關閉示教器：點擊后關閉示教軟件。

示教、校準切換：切換示教模式和校準模式。示教模式下，對機器人進行示教操作，記錄、保存、命令下載等操作。校準模式下，對機器人進行原始狀態(tài)校準，使機器人可以在示教模式下正確運行。

狀態(tài)提示：提示機器人的當前姿態(tài)和狀態(tài)信息。

命令作業(yè)提示區(qū)：記錄和提示作業(yè)內容，點擊作業(yè)可進行編輯。

文字書寫：機器人寫字功能的文字輸入和編輯執(zhí)行。

IO 口狀態(tài)控制：控制機器人的外部IO 口的狀態(tài)。示教器可控制8 個外部IO 端口狀態(tài)。

坐標控制：控制機器人的姿態(tài)。最上面三組控制按鈕，可控制末端執(zhí)行器的位置坐標，點擊對應軸控制按鈕，可控制對應軸，沿著軸方向移動。中間三組控制按鈕，控制末端執(zhí)行器的角度，同樣點擊對應軸旋轉控制按鈕，可控制對應軸，沿著軸方向轉動。最下面一組按鈕，可控制機器人擺臂姿態(tài)。最下面的滑動條控制軸的調節(jié)速度，默認是中速，向右滑動加速，向左滑動減速。

延時設置：設置當前作業(yè)的延時等待時間，機器人在運行時，執(zhí)行停止等待的時間，主要用途是，外部電路元件(例如：電磁換向閥)運行時需要時間來執(zhí)行功能，延時功能就是配合外部電路元件的功能執(zhí)行。

控制區(qū)：播放作業(yè)、執(zhí)行示教命令、下載命令、存檔的保存和讀取。

4.6 校準功能布局(圖5)

圖5 校準功能布局

校準模式下，對機器人進行原點設置。

軸號：提示各軸編號。

當前軸角度：提示和手動設置機器人的軸角度。

軸角度加減：按鈕方式設置機器人的軸角度。

變換速度：調整按鈕角度設置的速度。

快捷功能：所軸轉動回0 點，機器人各軸，轉動回0 點。設置所有軸為0 點，設置機器人當前位置為0 點。

4.7 運行模式

運行模式選擇開關，擰動到編輯模式，急停開關彈起。點擊運行按鈕，機器人將執(zhí)行由示教器下載到控制柜中主控板的程序。

4.8 串口命令

通過串口命令，可控制七軸機器人的的所有功能，包括但不限于是示教器的指令控制，方便用戶二次開發(fā)，功能擴展。

4.9 軸角度控制：用于調整機器人軸角度

“軸號”=“角度”，“軸號”=“角度”；

例如：0 號軸轉動到10.5 度。 命令：0=10.5；

當需要多個角度聯(lián)動時，需要多個角度命令組合發(fā)送，多條命令用“，”隔開；

例如：1 號軸轉動到11.3 度，3 號軸轉動到-10 度。命令：1=11.3，3=-10；

4.10 IO 控制

用于控制外部IO 口狀態(tài)，開和關，此命令可以和軸角控制命令一同使用，串口命令，最多可控制16 個IO 口狀態(tài)。

“IO 編號”=“設置狀態(tài)”，“IO 編號”=“設置狀態(tài)”；

例如：p1IO 端口狀態(tài)設置為開；

命令：p1=1;

4.11 軸角度設置：修改當前軸角度

set:“軸號”=“角度”，“軸號”=“角度”；

例如：設置0，1 軸角度為0；

命令：set:0=0,1=0;

4.12 停止、急停：stop

4.13 急停復位：stop_over

4.14 暫停：pause

4.15 播放、繼續(xù)：play

4.16 存儲命令：main：“多行或單行命令”；

命 令 ：main：0=10，1=10，p1=1；0=-10，1=-10，p1=0

4.17 讀取存檔數(shù)據(jù)：get_all

4.18 清空存檔：clear

4.19 設置主控板wifi 設備名和密碼

例如：設置wifi 設備名“HY-001”，密碼“12345678”

命令：ssid:ap_ssid=HY-001,ap_pw=12345678

7 自由度工業(yè)機器人是對人手臂的真實還原，隨著工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟，近年來，跨國機器人巨頭們紛紛推出7 軸工業(yè)機器人，這種協(xié)作機器人是工業(yè)機器人的一類，是能夠與人在生產(chǎn)線上協(xié)同作戰(zhàn)，充分發(fā)揮本體效率及人類智能的新型機器人。成為了工業(yè)機器人高端新市場和眾多企業(yè)的突破目標，也被視為高端工業(yè)機器人的標志。