王金濤

工業(yè)機器人是當(dāng)前先進制造技術(shù)的典型代表，在制造業(yè)中擁有巨大的發(fā)揮空間，并持續(xù)帶動社會生產(chǎn)水平的提高。工業(yè)機器人作為推動制造變革的催化劑，該領(lǐng)域的新產(chǎn)品和新技術(shù)研發(fā)持續(xù)引發(fā)社會關(guān)注。本文將以新松工業(yè)機器人為例，著重分析探討工業(yè)機器人若干關(guān)鍵技術(shù)要點。

工業(yè)機器人被重新定義

如今機器人的發(fā)展進入了全新的R2.0時代，并被賦予了新的概念（是一種具備感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，具有高度靈活性的自動化機器）。機器人正成為各行各業(yè)、各工藝工序的作業(yè)專家能手，以新松為例，其工業(yè)機器人成熟具備了焊接、磨拋、噴涂、裝配、搬碼、上下料等工藝包與專家系統(tǒng)，廣泛服務(wù)于汽車、航空航天、船舶制造、電子電氣、食品醫(yī)療等領(lǐng)域。

對比五年前的傳統(tǒng)機器人，現(xiàn)在的工業(yè)機器人已經(jīng)打破了技術(shù)壁壘，成為一種具有自感知、自決策、自執(zhí)行的智能生產(chǎn)工具。一是自感知功能，以用戶個性化定制為主線，通過視覺或力控技術(shù)幫助機器人作業(yè)，采用力位混合的柔性控制技術(shù)等，都是在傳統(tǒng)的工業(yè)機器人上外加各類智能傳感器輔助、實現(xiàn)信息的感知與融合，從而指導(dǎo)下一步工作。二是自決策功能，使用各種工藝專家數(shù)據(jù)庫來共享經(jīng)驗知識，將機器人與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)融合構(gòu)建MES，以智能互聯(lián)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)智能控制、決策及交互。三是自執(zhí)行功能，以全流程整合為方法，建立智能化生產(chǎn)機制，通常會配套智能離線編程軟件來實現(xiàn)免示教作業(yè)及柔性路徑的自主規(guī)劃，實現(xiàn)快速編程與自編程，快速就位與換產(chǎn)等，同時重視操作性和實用化，達到智能生產(chǎn)的目的。

新松工業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)機器人是集計算機、機械、電子、控制等諸多學(xué)科于一體的自動化設(shè)備，具有較高的技術(shù)附加價值，接下來就新松工業(yè)機器人的幾項關(guān)鍵技術(shù)展開介紹。

一、新松工業(yè)機器人核心控制技術(shù)

1.網(wǎng)絡(luò)化控制器

隨著機器人的工程應(yīng)用越來越多，機器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來越重要。首先，控制器需要支持更多的協(xié)議擴展與通信接口，具備各類現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能，實現(xiàn)機機融合，便于對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行監(jiān)管及優(yōu)化。其次，為更好地解決機器人復(fù)雜作業(yè)中指令過多的問題，提高作業(yè)存儲的安全性，控制器的存儲形式向多元化發(fā)展，存儲容量也順勢得到了顯著提升，實現(xiàn)了機器人作業(yè)和指令的海量安全存儲。

2.路徑控制技術(shù)

（1）連續(xù)軌跡規(guī)劃技術(shù)

機器人位置控制分為點位式和軌跡式兩種方式。連續(xù)軌跡算法一直是工業(yè)機器人軌跡規(guī)劃技術(shù)的重要組成部分，是性能優(yōu)化的關(guān)鍵體現(xiàn)。新松工業(yè)機器人通過對位置給定信號按照優(yōu)化的時間間隔進行速度合成與插值計算，建立優(yōu)化路徑控制的目標(biāo)函數(shù)，從而實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。連續(xù)軌跡規(guī)劃技術(shù)保證了機器人運動軌跡的圓滑過渡，提高過渡區(qū)域的速度，減少過渡所需時間，充分發(fā)揮工業(yè)機器人的能力。

（2）振動抑制技術(shù)

柔性化是工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢之一。工業(yè)機器人運動結(jié)束之后由于關(guān)節(jié)柔性和連桿柔性，將引起機械臂的殘余振動，通用方法是采用伺服驅(qū)動器的減振濾波功能，實現(xiàn)振動抑制效果。但該方法會導(dǎo)致跟蹤差增大，機器人軌跡精度變差。新松工業(yè)機器人創(chuàng)新的振動抑制技術(shù)基于軌跡規(guī)劃抑振，從根源上解決機械臂殘余振動問題，從而克服了通過驅(qū)動器減振濾波方式導(dǎo)致軌跡精度變差的缺陷，同時也加強了機器人運動終止時的精確定位。

3.動力學(xué)補償技術(shù)

工業(yè)機器人動力學(xué)研究的是關(guān)節(jié)力、力矩與關(guān)節(jié)運動的關(guān)系，主要目的是通過動力學(xué)模型來計算出工業(yè)機器人各關(guān)節(jié)在進行目標(biāo)運動時各關(guān)節(jié)驅(qū)動器所應(yīng)提供的力矩大小，并將這一力矩值用于機器人控制。通過動力學(xué)補償技術(shù)，來解決機器人碰撞保護、上電瞬間抖動、負載辨識、軌跡精度等關(guān)鍵問題。

（1）碰撞保護技術(shù)

碰撞保護是通過相應(yīng)的控制策略，避免機器人與障礙物產(chǎn)生碰撞而提高其安全系數(shù)的機器人智能安全保護方法。大多數(shù)檢測碰撞或碰撞力都是通過添加外部傳感器實現(xiàn)。考慮到工業(yè)機器人的實際工作情況和性能要求，新松工業(yè)機器人采用機器人自身電機的電流反饋力矩的形式來檢測碰撞，無需額外添加傳感器，檢測范圍能夠覆蓋機器人的整個表面。同時設(shè)計并應(yīng)用了基于自適應(yīng)濾波算法，對報警閥值自動調(diào)整，有效提高碰撞檢測的靈敏度，降低設(shè)備的誤報警率。

（2）扭矩前饋控制技術(shù)

扭矩前饋控制技術(shù)主要針對大負載工況下機器人關(guān)節(jié)的剛度參數(shù)辨識問題進行誤差補償。通過動力學(xué)計算出機器人在某一姿態(tài)、某一速度下所需的扭矩變化，并將其加算到電流環(huán)的輸入環(huán)節(jié)，使得扭矩輸出可以快速地實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)調(diào)整，減少偏差，達到預(yù)期控制效果。通過扭矩前饋控制技術(shù)有效地解決了工業(yè)機器人（尤其大負載機器人）上電瞬間由于重力影響出現(xiàn)的瞬間“下垂”抖動;改善了傳統(tǒng)位置模式控制方式下，機器人不同負載、不同速度軌跡精度不一致問題。實際應(yīng)用中拖拽示教、軟浮動功能也是基于該技術(shù)進行的擴展及優(yōu)化。

（3）負載辨識技術(shù)

負載的動力學(xué)模型是機器人系統(tǒng)動力學(xué)模型的重要部分。機器人柔性化程度的提高以及定制化生產(chǎn)不斷完善，工業(yè)機器人負載辨識技術(shù)應(yīng)運而生。工業(yè)機器人在同一作業(yè)過程中由于末端負載變化，往往會導(dǎo)致機械振動而影響精度，負載的動力學(xué)參數(shù)一般不能直接得到，也會影響建模精度，因此需要識別機器人末端負載去調(diào)整相應(yīng)的控制參數(shù)來保證其具有良好的運動表現(xiàn)。新松工業(yè)機器人負載辨識技術(shù)是一種無需外接設(shè)備，基于伺服電機輸出力矩，通過末端辨識自動計算負載的動力學(xué)參數(shù)的方法。

（4）剛度補償技術(shù)

工業(yè)機器人控制中需要考慮彈性變形的作用，變形主要來源于關(guān)節(jié)和連桿。為精確辨識工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)剛度參數(shù)，新松工業(yè)機器人以動力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合機器人柔度矩陣，使用了剛度補償技術(shù)，很大程度上提升了機器人的絕對精度和軌跡精度。以新松210kg機器人為例，測試的絕對精度在剛度補償后效果平穩(wěn)。