六軸關節(jié)型機器人工作性能修復

盧志斌，林俊歡

（廣州市輕工職業(yè)學校，廣東廣州 510663）

1 背景簡介

機器人實訓室有40 臺六軸機器人，使用中發(fā)現某些機器人存在關節(jié)機械部件運行性能嚴重下降，甚至發(fā)生明顯抖動的現象。修復這些實驗設備需要更換機器人機械部件，但是機器人關節(jié)部件的價格不是學校可以承受的，必須另辟蹊徑。為修復六軸機器人，研究用空間換性能的方法來延長老舊機器人的工作壽命。

2 空間換性能的基本原理

大多數工業(yè)機器人的工作崗位是相對固定的，作業(yè)范圍也是固定的。作業(yè)范圍對應的關節(jié)轉角受力較大，長期運行造成這些位置的關節(jié)轉角磨損和變形，導致關節(jié)運動故障，本文把這些關節(jié)轉角稱為“故障轉角”。在對應非作業(yè)位置的其他角度，存在保留原機械性能的關節(jié)轉角范圍，本文稱之為“正常轉角”。通過適當的方法找出機器人活動空間中對應正常轉角范圍的區(qū)域，把實驗操作安排在這些區(qū)域，能夠以最小的代價恢復機器人的工作性能。

根據機器人運動學原理，關節(jié)轉角空間（控制空間）與機器人手末位姿空間（任務空間）之間的關系為：

其中，Px、Py、Pz是工具坐標系原點在機器人機座參考系中的坐標，cθi=cosθi，sθi=sinθi，cθij=cos（θi+θj），sθij=sin（θi+θj）。θi是第i 關節(jié)轉角。按照上述公式可以建立機器人控制空間與任務空間之間的關系，把關節(jié)故障轉角范圍等分為若干間隔，每間隔處用其余所有關節(jié)轉角的全范圍畫出手末執(zhí)行器所占有的位置，這些位置就是受關節(jié)故障轉角影響的區(qū)域（本文稱之為“隔離區(qū)”）。

在同一畫布上畫出手末執(zhí)行器的活動空間、隔離區(qū)和履行工作任務時要進入的區(qū)域（簡稱“作業(yè)范圍”）的形狀和位置，通過觀察圖形判斷機器人要實現的運動是否進入隔離區(qū)。如果機器人作業(yè)范圍進入隔離區(qū)，采用改變機器人運動構型、移動作業(yè)范圍、改變機器人機座安裝位置等措施，使得機器人作業(yè)范圍脫離隔離區(qū)，機器人工作在正常關節(jié)轉角范圍內，達到機器人工作性能修復的目的。

3 軟件工具

“六軸機器人留用、降級或退役篩選”工具軟件適用于大多數六軸關節(jié)型機器人，六軸關節(jié)型機器人結構如圖1 所示。

圖1 六軸關節(jié)型機器人結構

軟件主界面（圖2），共分為5 個區(qū)域。區(qū)域①用來輸入機器人定義，包括結構參數、運動參數、故障轉角的邊界。區(qū)域②用來展示機器人活動空間以及隔離區(qū)的位置和形狀。區(qū)域②中的功能按鈕分為左右兩列，左邊對應的動點位于機器人手腕點，右邊對應的動點位于機器人執(zhí)行器上的工具坐標原點。區(qū)域③和區(qū)域④用來輸入機器人作業(yè)范圍或軌跡，展示隔離區(qū)與機器人作業(yè)范圍或軌跡、機器人活動空間之間的位置關系。所不同的是區(qū)域③對應的動點位于工具坐標原點，區(qū)域④對應的動點位于機器人手腕點。利用區(qū)域③提供的功能得到圖3，顯示在通過第1 關節(jié)軸線的平面上，機器人執(zhí)行器工具坐標原點活動空間（點圓圖形所示）、隔離區(qū)（實體陰影部分）、作業(yè)范圍（粗實線正方形范圍）之間的位置關系。

圖2 工具軟件主界面

從圖3 可以看到，機器人作業(yè)范圍進入了隔離區(qū)，受關節(jié)故障轉角的影響。移動作業(yè)范圍至細實線位置可以避開隔離區(qū)，機器人運動性能將不受影響。在實際使用中，不是所有作業(yè)范圍的位置都可以移動的，此時可以利用區(qū)域⑤的功能，通過改變機器人機座安裝的位置和方向來改變隔離區(qū)的位置，使得機器人工作在正常轉角范圍。

圖3 移動作業(yè)范圍避開隔離區(qū)

區(qū)域⑤包含5 列，左邊第1 列用來輸入新的機器人安裝位置。機器人安裝位置采用固定坐標系描述（圖1）。固定坐標系的Z 軸與原安裝位置機器人第1 關節(jié)軸線重合，向上為正方向；X 軸與Z 軸垂直相交，與原安裝位置上第1 關節(jié)轉角為零的基準位置一致，從Z 軸指向第2 關節(jié)中心為正方向；Y 軸符合右手定則。

新的安裝位置可以通過兩種方式輸入，一是點擊“坐標與轉角”按鈕，輸入新的安裝位置沿固定坐標系X、Y、Z 方向上移動的距離，以及繞固定坐標系某軸旋轉的角度。二是點擊“坐標與方向余弦”按鈕，輸入新安裝位置沿固定坐標系X、Y、Z 方向上移動的距離，以及新位置上機器人坐標系的方向余弦。

區(qū)域⑤左邊第2 列用來輸入機器人的作業(yè)范圍，對應工具坐標原點；展示在新的安裝位置上機器人的活動范圍、隔離區(qū)、作業(yè)范圍之間的位置關系。區(qū)域⑤左邊第3 列用來輸入機器人的工作軌跡，對應工具坐標原點；展示在新安裝位置上機器人的活動范圍、隔離區(qū)、工作軌跡之間的位置關系。區(qū)域⑤右邊兩列對應手腕點，功能與左邊第2、第3 列類似。

4 機器人運動性能修復案例

4.1 受檢機器人參數

實驗室某臺機器人的結構參數見表1，運動參數見表2。故障角度位于第2 關節(jié)30°～45°，如圖4 所示。受檢機器人執(zhí)行器上工具坐標原點的作業(yè)范圍位于通過關節(jié)1 軸線的平面上，L=650 mm，H=370 mm。該作業(yè)范圍呈傾斜姿態(tài)，A 點到第1 關節(jié)軸線的水平距離820 mm，B 點到第1 關節(jié)軸線的水平距離1050 mm。

表1 機器人結構參數 mm

表2 機器人關節(jié)轉動范圍 °

圖4 故障角度邊界和作業(yè)范圍形狀

4.2 確定隔離區(qū)與作業(yè)范圍的位置關系

運行軟件，在主界面區(qū)域①輸入受檢機器人結構參數、運動參數和關節(jié)故障轉角邊界。在主界面區(qū)域③輸入作業(yè)范圍，屏幕顯示通過第1 關節(jié)的平面上機器人的運動空間（圖5）。圖中實體陰影部分是機器人運動空間中對應第2 關節(jié)故障轉角的隔離區(qū)，粗實線表示機器人作業(yè)范圍，該范圍與隔離區(qū)發(fā)生干涉。

4.3 確定修復策略

當機器人作業(yè)范圍與隔離區(qū)發(fā)生干涉，在操作工藝允許的條件下，可以嘗試通過改變執(zhí)行器相對工件的接近角來改變機器人桿件的構形，或移動機器人作業(yè)范圍來避開隔離區(qū)。經分析，本案例不具備這些條件，決定采取改變機器人機座安裝位置的方法進行修復。

4.4 機器人工作性能修復

利用主界面區(qū)域⑤提供的功能，經幾次嘗試，最后采用的方案是：機器人機座原地繞Z 軸轉180°并升高150 mm 安裝，如圖5 所示（b=150 mm）。調整機座后，隔離區(qū)的位置發(fā)生變化，解除了與機器人作業(yè)范圍的干涉，機器人工作性能修復。

圖5 機器人運動性能修復

5 結束語

我國是機器人使用大國，隨著時間的推移，將迎來大量機器人進入降級使用或報廢的階段，需要有應對的措施。本文介紹的方法能在不增加費用的情況下延長機器人的工作壽命，有利于實現機器人全壽命周期的利潤最大化，也為機器人降級使用或報廢政策的制定提供了一種定量評價方法。