機(jī)器人自動裝配方法及技術(shù)分析

譚紅軍 陳昌中 張斌 呂林林

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)制造行業(yè)作為重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域也得到了長足的進(jìn)步。目前，自動化生產(chǎn)線已成為世界工業(yè)發(fā)展的趨勢，而機(jī)器人裝配技術(shù)作為柔性自動化裝配系統(tǒng)的核心技術(shù)更是愈加受到制造行業(yè)的青睞。本文即針對目前常見的機(jī)器人自動裝配方法及技術(shù)進(jìn)行簡要的分析與探討，希望能對制造業(yè)的相關(guān)工作帶來些許幫助。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;自動裝配;方法;技術(shù)

1裝配機(jī)器人概述

裝配機(jī)器人是柔性自動化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，由機(jī)器人操作機(jī)、控制器、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。機(jī)器人操作機(jī)的結(jié)構(gòu)類型主要包括水平關(guān)節(jié)型、直角坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型和圓柱坐標(biāo)型等幾類;控制器通常選用多CPU或多級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制和運(yùn)動編程;末端執(zhí)行器一般是為了適應(yīng)不同的裝配對象設(shè)計(jì)而成的各類手爪、手腕等機(jī)械設(shè)備;傳感系統(tǒng)主要用來采集裝配機(jī)器人與工作環(huán)境和裝配對象之間相互作用的信息。

2 機(jī)器人自動裝配的常見運(yùn)動規(guī)劃方法

2.1 反向規(guī)劃法

反向規(guī)劃法是指初始階段要遵循目標(biāo)的狀態(tài)，著重關(guān)注裝配的操作過程，并將操作方法中的不確定性加以考慮，在體現(xiàn)初始狀態(tài)時要應(yīng)用逆向推導(dǎo)的方式，最終返回初始狀態(tài)。在完成任務(wù)回溯過程后，初始狀態(tài)則進(jìn)行重新規(guī)劃，以此形成一套順暢的裝配操作序列。這種規(guī)劃方法的實(shí)際操作中涉及的摩擦與運(yùn)動速度都具有一定的不確定性，而通過對反向投影區(qū)域的相關(guān)計(jì)算累積起來的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)再為反向投影提供參考，如此就可以使前臺的構(gòu)造與實(shí)際操作逐漸靠近。簡而言之，反向規(guī)劃法就是在理想狀態(tài)下對運(yùn)動實(shí)施規(guī)劃，再針對不確定性進(jìn)行動態(tài)規(guī)劃，而對于動態(tài)實(shí)施的規(guī)劃過程即是柔順映射的過程。

2.2 正向規(guī)劃法

正向規(guī)劃法是指從初始階段開始就使用正向遞推的方式對機(jī)器人自動裝配的相關(guān)操作采取深入的規(guī)劃。這種規(guī)劃法通過離散時間，使位移的空間處于離散的狀態(tài)下，并于相異的接觸模式下形成集合，最后在接觸狀態(tài)中尋求最為合理的轉(zhuǎn)移路徑，并對其執(zhí)行規(guī)劃，已達(dá)到實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)的目的。另外，正向規(guī)劃法也具有一定的不確定性，并且對于運(yùn)動的規(guī)劃可能會造成極大影響。因此在執(zhí)行主規(guī)劃時應(yīng)該采取兩階段分開執(zhí)行的模式，先選擇相對理想的運(yùn)動狀態(tài)，再針對名義運(yùn)動路徑進(jìn)行展開性的有效規(guī)劃，最后再實(shí)施動態(tài)深入規(guī)劃，整個的規(guī)劃同樣屬于柔順映射過程。

2.3 戰(zhàn)略控制級綜合規(guī)劃法

這種方法屬于比較先進(jìn)的機(jī)器人裝配任務(wù)運(yùn)動規(guī)劃方法。戰(zhàn)略控制級綜合規(guī)劃法不需要配套高成本、復(fù)雜度高的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且能保持良好的工作性能，是一中可執(zhí)行性很強(qiáng)的運(yùn)動規(guī)劃方法。該方法主要由以下三個階段組成。①準(zhǔn)備一個專家級的系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)下針對機(jī)器人實(shí)際操作的裝配任務(wù)執(zhí)行識別操作，以此來掌握與之相匹配的計(jì)算時間與運(yùn)動規(guī)劃相關(guān)問題的解決方案。然后以所明確的計(jì)算時間為根據(jù)，應(yīng)用專家級系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算并確認(rèn)機(jī)器人模型種類與操作環(huán)境的類型，并明確相關(guān)問題的處理算法。②在確定了操作系統(tǒng)的模型種類與相關(guān)算法的基礎(chǔ)上，開始進(jìn)行裝配機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃工作，并將運(yùn)動規(guī)劃信息向裝配機(jī)器人的低級別控制系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。③對裝配機(jī)器人的實(shí)際操作性能進(jìn)行信息采集，以此為依據(jù)針對機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)參數(shù)以及操作環(huán)境采取進(jìn)一步的識別操作，再經(jīng)由傳感器采集裝配機(jī)器人的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通過得到的數(shù)據(jù)即可以判斷機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃與環(huán)境模型的調(diào)整方向，有助于優(yōu)化運(yùn)動規(guī)劃的相關(guān)算法。

3 機(jī)器人自動裝配的常用技術(shù)

3.1裝配機(jī)器人結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化技術(shù)

該技術(shù)主要體現(xiàn)在針對裝配機(jī)器人采用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的設(shè)計(jì)材料所進(jìn)行的研究，目的是提高裝配機(jī)器人的負(fù)荷與自重比，以可重復(fù)構(gòu)筑的模塊化方向?yàn)槟繕?biāo)進(jìn)行發(fā)展。

3.2裝配機(jī)器人的直接驅(qū)動技術(shù)

直接驅(qū)動是指新型的電機(jī)直接與運(yùn)動的執(zhí)行部分相結(jié)合，即電機(jī)直接驅(qū)動設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，取消了中間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)。常見的對于直接驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用包括，以直線電機(jī)為核心驅(qū)動元件的直線運(yùn)動部件和以力矩電機(jī)為核心驅(qū)動元件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動元件。這項(xiàng)技術(shù)通過具有高扭矩的低速電機(jī)對裝配機(jī)器人進(jìn)行直接驅(qū)動，旨在有效的降低裝配機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動慣性，最終達(dá)到減少誤差、降低損耗以及提高裝配機(jī)器人運(yùn)作系統(tǒng)可靠性的目的。

3.3 裝配機(jī)器人程序控制技術(shù)

隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，裝配機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化與網(wǎng)絡(luò)化控制已經(jīng)占據(jù)了相關(guān)研究的主要地位，針對傳統(tǒng)的編程控制技術(shù)，新技術(shù)不但能夠提供更為優(yōu)秀的在線編程實(shí)操效果，還能夠使離線編程的實(shí)操性得到優(yōu)化與提高。另外新的程序控制技術(shù)還將帶來更為人性化的人機(jī)交互、語言支持以及圖形編程的相關(guān)界面。

3.4 裝配機(jī)器人的多傳感器信息融合技術(shù)

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以概括為把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對其進(jìn)行深入分析，從而消除多傳感器信息之間可能存在的冗余與矛盾，并進(jìn)行互補(bǔ)操作，降低其不確定性。另外根據(jù)得到的被測對象一致性解釋與描述，能夠有效提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃以及反應(yīng)的速度和準(zhǔn)確率，使系統(tǒng)獲得更為完整、可靠的反饋信息。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)相較單一傳感器信息處理技術(shù)具有容錯率高、互補(bǔ)性強(qiáng)、信息反饋及時、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，在裝配機(jī)器人領(lǐng)域已得到廣泛的推廣與應(yīng)用。

3.5 裝配機(jī)器人的柔順控制技術(shù)

柔順控制技術(shù)是指從力學(xué)傳感器接收控制信號，并應(yīng)用此信號來控制機(jī)器人，從而使機(jī)器人對信號的變化產(chǎn)生響應(yīng)完成相關(guān)動作。裝配機(jī)器人的柔順性可分為主動柔順性和被動柔順性兩類，裝配機(jī)器人通過輔助的柔順裝置，使其在與操作環(huán)境接觸時可以對外界的作用力產(chǎn)生相對自然的順從，稱為被動柔順性;裝配機(jī)器人根據(jù)力的反饋信息應(yīng)用相應(yīng)的控制方案主動控制作用力，則稱為主動柔順性。主動柔順性與被動柔順性通過有機(jī)的結(jié)合，能夠有效避免機(jī)器人與操作環(huán)境從非接觸到接觸完成自然轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的碰撞沖擊，是裝配機(jī)器人柔順控制的必然發(fā)展趨勢。

3.6 裝配機(jī)器人與圖形仿真技術(shù)的結(jié)合

目前，我國制造業(yè)的裝配工作愈加復(fù)雜，傳統(tǒng)的裝配機(jī)器人編程模式就顯得效率偏低如果將CAD系統(tǒng)的圖形仿真技術(shù)與裝配機(jī)器人的控制系統(tǒng)直接關(guān)聯(lián)，就可以提高裝配機(jī)器人編程的靈活性，使裝配機(jī)器人的離線編程效率得到極大地優(yōu)化與提高，并且在對裝配程序的準(zhǔn)確性與可行性進(jìn)行驗(yàn)證時提供一定的幫助。

3.7 并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)

并聯(lián)機(jī)器人是指動平臺與定平臺之間通過至少兩個獨(dú)立的運(yùn)動鏈相連接，整個機(jī)構(gòu)含有兩個及以上的自由度，同時采用并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)包括沒有累積誤差，精確度較高;驅(qū)動裝置可以設(shè)置在定平臺上或者接近定平臺的位置，這就可以使裝配機(jī)器人的運(yùn)動部分重量更輕，速度更快，從而具有更好的動態(tài)響應(yīng)。

結(jié)語

綜上所述，在“中國制造”的指導(dǎo)思想下，隨著我國制造業(yè)的不斷發(fā)展，裝配工作自動化已成為必然的發(fā)展趨勢，并且已經(jīng)走在高速發(fā)展的道路上。機(jī)器人自動裝配的規(guī)劃方法與相關(guān)技術(shù)作為裝配自動化的重要組成部分更應(yīng)受到工業(yè)自動化研究人員的充分重視。相信在不久的將來，我們一定可以實(shí)現(xiàn)全面的制造業(yè)騰飛，完成工業(yè)現(xiàn)代化的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全面“中國制造”的偉大目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]盧軍，胡凡，郝磊.基于視覺定位裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2016（8）：140-144.

[2]李慧，王曉偉，張緒龍.GZ-1型裝配操作機(jī)器人傳動部件的研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械， 2017（8）：13-17.

[3]劉卓立，王志輝.箱體部件自動化裝配工裝夾具設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2016（03）：120-122.

[4]李慧.面向機(jī)器人自動化作業(yè)的產(chǎn)品裝配規(guī)劃技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[5]朱龍杰.自動安平水準(zhǔn)儀自動化裝配關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2017.