張秋霞，陳文皓

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院，江蘇 淮安223003）

重載搬運(yùn)機(jī)器人是替代人工搬運(yùn)的一種自動化產(chǎn)品，人工搬運(yùn)具有可移動性高、靈活性好，但是勞動強(qiáng)度大的特點(diǎn)；重載搬運(yùn)機(jī)器人具有工作場合廣泛、工作效率高，但是工作空間不可變的特點(diǎn)，融合二者優(yōu)勢，專家們研制出了能夠替代人工搬運(yùn)的重載搬運(yùn)機(jī)器人。近年來，重載搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展迅速，汽車行業(yè)、電子行業(yè)、橡膠及塑料行業(yè)、船舶行業(yè)、金屬制品行業(yè)、食品行業(yè)均有應(yīng)用，主要從事分揀、搬運(yùn)、鑄造和碼垛等工種。

1 國內(nèi)外重載搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展

工業(yè)機(jī)器人最早起源于美國，1958年，美國成立了世界上第一家機(jī)器人公司，并制造了世界上第一臺機(jī)械手式的搬運(yùn)機(jī)器人；1960年，美國又出現(xiàn)了用于搬運(yùn)作業(yè)的搬運(yùn)機(jī)器人Versatran和Unimate[1]；1966年，美國通用公司研制出了“哈迪曼系統(tǒng)”，這套系統(tǒng)有30個活動關(guān)節(jié)，一只胳膊承重能力為自身質(zhì)量的一半。自從1970年，在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會議以后，人們對工業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)入了快速發(fā)展階段，美國、日本、德國和瑞典的發(fā)展尤其突出。目前，日本的FANUC集團(tuán)、德國的KUKA集團(tuán)、瑞典的ABB集團(tuán)所生產(chǎn)的搬運(yùn)機(jī)器人最能夠代表世界搬運(yùn)機(jī)器人的水平，其中，F(xiàn)ANUC集團(tuán)主要推出了FANUC系列、OKURA系列等產(chǎn)品；KUKA集團(tuán)主要推出了KUKA系列、M-系列、KR系列等產(chǎn)品；ABB集團(tuán)主要推出了ABB系列、IRB系列等產(chǎn)品。2017年，F(xiàn)ANUC集團(tuán)在上海工博會展出了一款M-410iC/110搬運(yùn)機(jī)器人，該機(jī)器人采用通用性法蘭，中空走線，4軸機(jī)器人，末端負(fù)載能力為110 kg，行程范圍為2 403 mm，前臂驅(qū)動采用后置式。

中國工業(yè)機(jī)器人與國外相比，起步較晚，技術(shù)相對薄弱，但是，隨著國家對機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的重視和科技的不斷進(jìn)步，最近幾十年中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，許多高校、科研院所和企業(yè)投入機(jī)器人工業(yè)的研究。中國第一臺全液壓式重載搬運(yùn)機(jī)器人是由青島華東工程機(jī)械有限公司研發(fā)出來的，上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所與沃迪包裝科技有限公司合作開發(fā)出了TPR系列機(jī)器人，哈爾濱博實自動化有限公司、沈陽新松機(jī)器人自動化有限公司、盟立自動化科技有限公司等公司在機(jī)器人工業(yè)方面發(fā)展迅速，清華大學(xué)、北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所、上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所、武漢理工大學(xué)等為中國機(jī)器人的發(fā)展作出了極大貢獻(xiàn)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，機(jī)器人成為了許多國家的支柱性產(chǎn)業(yè)，并制定了國家發(fā)展戰(zhàn)略，例如，法國的“工業(yè)新法國”、德國的“工業(yè)4.0”和中國的“中國制造2025”計劃等，隨著國家政策的出臺，市場將會加快機(jī)器人發(fā)展，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將會出現(xiàn)穩(wěn)定增長。

2 重載搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域

近年來，中國重載搬運(yùn)機(jī)器人銷量逐年攀升，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，從應(yīng)用行業(yè)看，汽車制造行業(yè)、電子行業(yè)、橡膠和塑料制品行業(yè)、化學(xué)原料和化學(xué)制品制造行業(yè)及電氣機(jī)械和器材制造行業(yè)應(yīng)用較為集中，占銷售總量的58%。其中，黑色金屬冶煉和壓延工業(yè)、教育、醫(yī)藥制造業(yè)、專用設(shè)備制造業(yè)、家具制造、服裝、服飾業(yè)、酒、飲料和精制茶制造業(yè)增速較快。

重載搬運(yùn)機(jī)器人具有工作效率高、裝配精度高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，在汽車行業(yè)得到大力發(fā)展，主要應(yīng)用于焊接、裝配和拆卸等工種，外資品牌的機(jī)器人在國內(nèi)整車廠占據(jù)主導(dǎo)地位，一般與哪個國家合資的汽車企業(yè)會使用哪個國家的機(jī)器人，一般的汽車零件廠使用內(nèi)資品牌的機(jī)器人較多，新能源汽車企業(yè)是國內(nèi)主導(dǎo)的企業(yè)，內(nèi)資品牌的機(jī)器人有望占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著機(jī)器人裝配精度的提升，許多大型電子企業(yè)引進(jìn)機(jī)器人從事涂層和膠封、裝配和拆卸工作，內(nèi)資品牌主要集中在膠封工作中，噴涂具有易燃易爆的危險性，內(nèi)資技術(shù)還不能達(dá)到。船舶行業(yè)也開啟了中國智能制造的新篇章，引進(jìn)重載搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用于焊接、修補(bǔ)、背燒、上料和卸料等工種，有效解決了工件一致性差、加工誤差大、焊縫組對間隙不規(guī)則等問題。

3 重載搬運(yùn)機(jī)器人的研究內(nèi)容

通過對國內(nèi)外專家研究成果整理、分析發(fā)現(xiàn)，重載搬運(yùn)機(jī)器人的研究內(nèi)容主要包括機(jī)器人機(jī)械部分設(shè)計、運(yùn)動軌跡規(guī)劃、控制部分設(shè)計、運(yùn)動學(xué)分析與仿真、動力學(xué)分析[2]。

根據(jù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)劃分，可分為多關(guān)節(jié)型機(jī)器人、坐標(biāo)型機(jī)器人、物流機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人[3]，根據(jù)重載搬運(yùn)機(jī)器人的實際使用場景，選擇不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，規(guī)劃出機(jī)器人的主要動作，設(shè)計出主要的技術(shù)參數(shù)。機(jī)械部分設(shè)計主要指運(yùn)動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)運(yùn)動軸數(shù)分，分為三軸機(jī)器人、四軸機(jī)器人、五軸機(jī)器人和六軸機(jī)器人，驅(qū)動系統(tǒng)分為氣動驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電動驅(qū)動和綜合驅(qū)動，綜合驅(qū)動指驅(qū)動系統(tǒng)中的兩項或三項綜合起來的驅(qū)動形式，可以是直接驅(qū)動或間接驅(qū)動，間接驅(qū)動可以通過齒形皮帶、同步鏈條、齒輪齒條、諧波傳動等方式進(jìn)行驅(qū)動，每種方式的特點(diǎn)、運(yùn)動方式、傳動距離如表1所示。為保證機(jī)器人工作安全、可靠、穩(wěn)定、準(zhǔn)確，必須針對具體的用途，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析，為后續(xù)的控制部分設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。

表1 傳動方式比較

運(yùn)動軌跡指機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動時所產(chǎn)生的運(yùn)動軌跡。運(yùn)動軌跡的規(guī)劃可分為兩種：規(guī)劃構(gòu)建與構(gòu)件之間的關(guān)節(jié)角；規(guī)劃末端在空間坐標(biāo)系中的位置，無論采用哪種規(guī)劃方式，均采用函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計算[4]。

控制部分和機(jī)械部分是機(jī)器人不可缺少的兩部分，控制部分是機(jī)器人的電腦控制模塊，是衡量機(jī)器人智能化水平的重要標(biāo)志，關(guān)系到所設(shè)計產(chǎn)品的優(yōu)劣[5]。控制部分主要包括人機(jī)交互界面設(shè)計、軟件和硬件設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計和傳感器設(shè)計，所設(shè)計內(nèi)容必須能夠滿足重載搬運(yùn)要求。目前的控制方案主要有以下三種形式，其優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示?？刂品桨高x擇時，既要考慮到實際使用環(huán)境、用戶操作簡單方便、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷與通訊等功能，也要考慮到性價比、維修方便、后續(xù)升級改造等因素。

表2 控制方案

運(yùn)動學(xué)分析與仿真指借助AutoCAD、CAM等三維建模軟件創(chuàng)建機(jī)器人的三維模型，利用ADAMS、SAP、SolidWorks Motion、Ansys等仿真軟件進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)分析[6]，檢測機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上是否存在干涉、碰撞等問題，是否能夠準(zhǔn)確地按照設(shè)計的軌跡運(yùn)動，簡化機(jī)器人的設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)過程，縮短機(jī)器人的開發(fā)周期，節(jié)約生產(chǎn)成本，根據(jù)分析、仿真結(jié)果，修改設(shè)計、優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計方案。

動力學(xué)分析是對機(jī)器人進(jìn)行仿真分析和建模的基礎(chǔ)，動力學(xué)模型能夠真實模擬機(jī)器人的工作狀況，利用控制算法，實現(xiàn)機(jī)器人各個關(guān)節(jié)之間的最優(yōu)控制，最終實現(xiàn)高速度、穩(wěn)定控制和準(zhǔn)確定位。動力學(xué)分析的主要內(nèi)容是關(guān)節(jié)輸入驅(qū)動力矩與輸出角位移和角速度等運(yùn)動特性之間的關(guān)系[7]，以此來解決驅(qū)動系統(tǒng)的控制問題，實現(xiàn)精確控制，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動軌跡和動態(tài)性能。

4 重載搬運(yùn)機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計思路

針對該項目重載搬運(yùn)機(jī)器人的工作環(huán)境、運(yùn)動要求，設(shè)計重載搬運(yùn)機(jī)器人的類型、構(gòu)建三維模型、控制設(shè)計、運(yùn)動學(xué)以及空間軌跡優(yōu)化分析，實現(xiàn)重載搬運(yùn)機(jī)器人的精確控制與精準(zhǔn)定位，主要研究內(nèi)容如下。

4.1 重載搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型建立與分析

分析重載搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)、傳動方式與驅(qū)動方式的設(shè)計選擇，通過理論分析、三維建模完成在非線性運(yùn)動約束條件下重載搬運(yùn)的智能助力機(jī)器人的傳動尺寸、重心位置、自重等結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。

4.2 重載搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動軌跡規(guī)劃研究

基于機(jī)器人學(xué)中的逆運(yùn)動學(xué)，把軌跡上規(guī)定的中間位置點(diǎn)的坐標(biāo)換算成關(guān)節(jié)空間的角度，并添加一些特定的約束，獲取各個關(guān)節(jié)量關(guān)于時間的函數(shù)。通過這些函數(shù)實現(xiàn)機(jī)器人按次序經(jīng)過各個中間位置點(diǎn)。利用關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法對電機(jī)輸入角進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并求得輸入角函數(shù)的樣條曲線，從而機(jī)器人以預(yù)期的位置和姿態(tài)到達(dá)各路徑點(diǎn)。

4.3 伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)研究

針對重載搬運(yùn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)之間的位姿運(yùn)動關(guān)系以及外界擾動因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，在決定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以后，提出對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行辨識的方法。對主控制器與驅(qū)動器的接線端子進(jìn)行分布，編寫了控制系統(tǒng)的底層程序并對其進(jìn)行了優(yōu)化，實現(xiàn)了對各軸運(yùn)動的精確控制。

4.4 人機(jī)界面設(shè)計

加強(qiáng)工作時的人機(jī)交互，采用嵌入式觸摸屏作為上位機(jī)，編寫機(jī)器人的監(jiān)控程序，實現(xiàn)對機(jī)器人的實時監(jiān)控。

4.5 重載搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)重物實驗

在完成以上工作后，進(jìn)行重載搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)重物實驗，以驗證先前軌跡規(guī)劃和運(yùn)動控制研究的有效性以及驗證能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。從中也可以看出在將來的重載搬運(yùn)機(jī)器人研究中，可能要求增加控制系統(tǒng)的柔性，比如使用魯棒控制、滑?？刂频雀訌?fù)雜的控制算法來對機(jī)器人進(jìn)行控制。

5 重載搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展趨勢

近年來，雖然中國重載搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展迅速，但是，與發(fā)達(dá)國家相比，在技術(shù)方面還是存在一定的差距，自主創(chuàng)新能力不足，大型合資企業(yè)或獨(dú)資企業(yè)所使用的重載搬運(yùn)機(jī)器人大多使用合資方國家的機(jī)器人，對于中國重載搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展也是一個很大的沖擊。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和工業(yè)自動化的快速發(fā)展，中國重載搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展迅速，發(fā)展勢頭良好，主要的發(fā)展趨勢如下。

5.1 智能一體化

將機(jī)器人本體與控制器、驅(qū)動器與電機(jī)組合成一體，利用總線技術(shù)，將人機(jī)交互界面、運(yùn)算控制、編碼器反饋和電機(jī)集成一體化控制系統(tǒng)。機(jī)器人不但能夠檢測自身狀況，而且可以通過分析、判斷、處理外部環(huán)境的變化。

5.2 輕量化

目前機(jī)器人所使用的材料主要是高強(qiáng)度不銹鋼、鋁合金等，與“中國制造2025”提出的新型復(fù)合材料碳纖維相比，質(zhì)量較重，隨著研發(fā)的深入，碳纖維材料有望在重載搬運(yùn)機(jī)器人的零部件中使用。

5.3 虛擬調(diào)試

將機(jī)器人調(diào)試、電氣調(diào)試、離線編程等聯(lián)調(diào)的模塊和設(shè)備，合并到可視化頁面中，進(jìn)行測試和驗證虛擬環(huán)境中的機(jī)器人和電氣系統(tǒng)以及其他相關(guān)參數(shù)，在非現(xiàn)場環(huán)境下進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)與維修。

6 結(jié)語

重載搬運(yùn)機(jī)器人是集機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控系統(tǒng)于一體的一種自動化設(shè)備，近年來，雖然在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是在柔性、效率、精度、適用范圍和可靠性方面還有待進(jìn)一步提高。