「科普」機(jī)器人主要分支：工業(yè)機(jī)器人

時間：2022-02-16作者：上海圣起包裝機(jī)械有限公司瀏覽：672

宏觀上，機(jī)器人主要可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人、無人機(jī)、無人車輛、無人潛水器、醫(yī)療機(jī)器人和仿人機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的幾個重要分支。




機(jī)器人主要可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人。

工業(yè)機(jī)器人，按ISO8373定義為工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由機(jī)器人。其主要應(yīng)用場景包括焊接、油漆、裝配、采集、存儲、產(chǎn)品測試等，而不是人類進(jìn)行危險和繁重的工作。在這些應(yīng)用領(lǐng)域，對工業(yè)機(jī)器人的效率、速度和準(zhǔn)確性提出了要求。具體來說，工業(yè)機(jī)器人的評價標(biāo)準(zhǔn)主要包括：

自由：一般為機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)；

工作包絡(luò)面：機(jī)器人末端活動范圍；

載荷：機(jī)器人能承受多少物體重量；

速度：機(jī)器人能使其末端快速到達(dá)*位置；

加速：機(jī)器人關(guān)節(jié)加速；

精度：機(jī)器人實際位置與目標(biāo)位置的誤差；

再現(xiàn)：機(jī)器人能否在多次操作中重現(xiàn)同一行為。

工業(yè)機(jī)器人起源于1958年，Uni ** tion發(fā)布Uni ** tion機(jī)器人。Uni ** tion機(jī)器人是一個用于壓鑄的五軸液壓驅(qū)動機(jī)器人，使用分離的固體數(shù)控元件，使用磁鼓存儲信息，總共可以存儲180步。整個手臂的控制是通過計算完成的。在早期的工業(yè)機(jī)器人中，日本AMF公司研制的Versatran機(jī)器人用于物料運輸工作。Versatran也采用液壓驅(qū)動，機(jī)器人手臂可以繞底座旋轉(zhuǎn)，沿半徑伸縮，沿垂直方向起降。它可以控制點和軌跡。它是世界上**個用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人。1979年，Uni ** tion公司推出PUMA工業(yè)機(jī)器人。已在上面介紹，PUMA它是一種由電機(jī)驅(qū)動、串聯(lián)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)多的裝配機(jī)器人CPU二級控制。并使用**VAL語言編程控制還可以擴(kuò)展外部傳感器，如視覺和觸覺。在此期間，機(jī)器人經(jīng)常使用教學(xué)再現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行動作規(guī)劃，沒有能力感知和控制周圍環(huán)境。

目前，工業(yè)機(jī)器人涉及的主要技術(shù)包括體育校準(zhǔn)、體育規(guī)劃、體育控制等。經(jīng)過近50年的發(fā)展，上述技術(shù)已經(jīng)有了相對成熟的解決方案。新的挑戰(zhàn)主要是非線性控制、多目標(biāo)優(yōu)化、智能化、重負(fù)荷、高精度、高速等技術(shù)。為了解決上述問題，工業(yè)機(jī)器人的研究重點關(guān)注機(jī)器人控制方法、力混合控制、視覺伺服、主動、柔性控制、協(xié)作操作等方向。如今，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場景逐漸從重復(fù)和簡單的動作轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的任務(wù)，通常需要工業(yè)機(jī)器人具有一定的智能和群體協(xié)調(diào)能力。

工業(yè)機(jī)器人的組成部分可以劃分為機(jī)械部分、傳感部分和控制部分，由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所支配。按照機(jī)械結(jié)構(gòu)劃分，總體上可以將工業(yè)機(jī)器人劃分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人兩類，二者主要區(qū)別在于是否一個軸的原點會隨著其他軸的運動而變動。早期工業(yè)機(jī)器人往往采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其運動可以使用基于連桿機(jī)器人運動學(xué)計算得到，但是其逆運動往往因為奇異點等問題難以求解。隨著1978年Hunt提出可以使用6自由并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人操作員，并聯(lián)機(jī)器人逐漸進(jìn)入歷史舞臺，與串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人具有剛度大、微動態(tài)精度高、運動負(fù)荷小的優(yōu)點，適用于工業(yè)裝配線高精度材料操作和裝配，但由于其工作包裝面小，不適合終端需要復(fù)雜的運動場景，如焊接等。

串聯(lián)機(jī)器人通常由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動，并伴有少量的平移關(guān)節(jié)。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通常由電機(jī)通過減速器驅(qū)動，價格昂貴。市場上常用的減速器包括諧波齒輪減速器和RV與前者相比，后者通常具有較好的旋轉(zhuǎn)精度和精度保持。**機(jī)器人減速器的主要供應(yīng)商包括Harmonic Drive和Nabtesco，國內(nèi)主要供應(yīng)商包括蘇州綠、山東、浙江恒豐、陜西、沈、哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人工業(yè)集團(tuán)等。

工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)可分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動。液壓驅(qū)動通常用于早期工業(yè)機(jī)器人，如Uni ** tie和Versatran。液壓系統(tǒng)可輸出較大的推力或扭矩，可實際低速大噸位運動。但由于液壓驅(qū)動的液體泄漏、噪聲大、低速狀態(tài)不穩(wěn)定，工業(yè)機(jī)器人很少使用，只有一些大型機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人和一些特殊場景使用的機(jī)器人使用液壓驅(qū)動。與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動具有管道簡單、能耗小、反應(yīng)快、使用壽命長、維護(hù)方便等特點。但由于空氣壓縮性大，氣動系統(tǒng)的動作穩(wěn)定性較差。氣動系統(tǒng)一般壓力較低，不適合擴(kuò)大輸出強(qiáng)度和扭矩。因此，氣壓驅(qū)動裝置通常用于工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動，如抓手、吸盤等。常見于中小型負(fù)荷工件的捕獲和組裝任務(wù)。電機(jī)驅(qū)動是目前工業(yè)機(jī)器人的主流驅(qū)動方式。以伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)為動力源。其中，直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)通常用于高精度和高速度的工業(yè)機(jī)器人，通常采用開環(huán)控制方法。

工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)一般分為內(nèi)部感知系統(tǒng)和外部感知系統(tǒng)。內(nèi)部感知系統(tǒng)使用壓力傳感器、接觸傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器等來獲取機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置、速度、力和扭矩。外部傳感器通常通過感器通常通過攝像頭、聲納等來感知周圍的環(huán)境。由于近年來計算機(jī)視覺技術(shù)的快速發(fā)展，視覺伺服已成為共機(jī)器人感知的一個重要方面。

視覺伺服系統(tǒng)將相機(jī)捕獲的視覺信息作為調(diào)整機(jī)器人位置的反饋信號，廣泛應(yīng)用于半島體和電子行業(yè)、質(zhì)量檢測、工件識別、分揀等行業(yè)。

機(jī)器人視覺伺服控制分為三維視覺伺服和二維視覺伺服兩類，后來發(fā)展成2.5維視覺伺服。在三維視覺伺服中，通過三維視覺校準(zhǔn)，建立攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，并與機(jī)器人終端執(zhí)行器的運動學(xué)相匹配，即圖像雅克比矩陣法，形成終端執(zhí)行器的閉環(huán)反饋控制。二維視覺伺服通過提取拍攝到的圖像的特征，獲得當(dāng)前終端執(zhí)行器與目標(biāo)位置之間的偏差，然后通過控制器糾正誤差。相比之下，二維視覺伺服對攝像頭校準(zhǔn)誤差較具魯棒性，但受視覺圖像雅克比矩陣奇怪和局部較佳問題的限制。因此，綜合考慮，Chaumetie提出2.5D視覺伺服方法。具體來說，改變相機(jī)平移和旋轉(zhuǎn)閉環(huán)控制解耦的方法，根據(jù)圖像特征點重建三維物體的方向和成像深度比，可以在一定程度上結(jié)合圖像信息和三維視覺位置信息，解決一些奇怪、局部較佳問題，但仍存在不一的問題。

工業(yè)機(jī)器人的運動規(guī)劃與生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全密切相關(guān)，已成為工業(yè)機(jī)器人研究的關(guān)鍵問題。工業(yè)機(jī)器人的運動規(guī)劃方法一般可分為路徑規(guī)劃和軌道規(guī)劃。路徑規(guī)劃的目標(biāo)是使工業(yè)機(jī)器人的每個關(guān)節(jié)和連桿的運動路徑盡可能短，并與障礙物保持安全距離。軌道規(guī)劃的目的是規(guī)劃每個關(guān)節(jié)的運動過程，使機(jī)器人從初始位置到目標(biāo)位置的總時間盡可能短，能耗盡可能小。軌道規(guī)劃在路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上增加了關(guān)節(jié)速度和加速度的限制，使軌道較加平滑、較快、較可控。

早期的工業(yè)機(jī)器人通常采用教學(xué)再現(xiàn)方法進(jìn)行路徑規(guī)劃，即通過記錄人類操作的路徑點在工作中復(fù)制，從而順利完成相同的任務(wù)。這是一種在笛卡爾空間進(jìn)行路徑規(guī)劃的方法。早期的教學(xué)再現(xiàn)方法要求操作員編程每個動作，這是一項非常繁瑣的工作。隨著柔性控制的發(fā)展，特別是阻抗/導(dǎo)納控制，今天的機(jī)械臂具有測量交互力的能力，在一定程度上簡化了教學(xué)再現(xiàn)的軌道規(guī)劃方法。這種方法也被稱為手工教學(xué)。手工教學(xué)可以通過直接推拉來控制機(jī)械手達(dá)到預(yù)期位置，而*計算和編程，并記錄坐標(biāo)點。系統(tǒng)將通過插入值計算每一步的位置和速度，以實現(xiàn)軌道規(guī)劃。然而，教學(xué)再現(xiàn)方法仍然難以獲得較佳路徑。

與笛卡爾空間相比，軌跡規(guī)劃也可以在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行。常用的方法一般是樣條函數(shù)插值法，并根據(jù)平滑度、加速度、加速度等約束條件進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃可以避免笛卡爾空間中的異常問題，避免大量的正反運動解決過程。





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