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        基于關(guān)節(jié)模塊自由組裝式7 自由度工業(yè)機(jī)器人

        2022-04-06 08:34:46敖冰峰
        關(guān)鍵詞:命令按鈕角度

        鮑 敏 鮑 婕 敖冰峰

        (黑龍江職業(yè)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080)

        1 7 自由度工業(yè)機(jī)器人研發(fā)背景

        習(xí)近平總書(shū)記在兩院院士大會(huì)上表示,機(jī)器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。隨著中國(guó)制造2025和工業(yè)4.0 的推進(jìn),我國(guó)已成為世界上最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng),2020 年,工業(yè)機(jī)器人人才缺口達(dá)到300 萬(wàn),2025 年將達(dá)450 萬(wàn)。然而目前全國(guó)開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的大學(xué)有300 多所,很多處于起步階段,工業(yè)機(jī)器人教學(xué)儀器設(shè)備需求量巨大。但是,現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備成本較高,功能單一,靈活度不高,核心傳動(dòng)部件也無(wú)法滿足高校教學(xué)需要。另外,隨著技術(shù)日新月異和產(chǎn)品的多樣化,簡(jiǎn)易的往復(fù)機(jī)已經(jīng)不能滿足形狀各異和復(fù)雜工藝的要求。工業(yè)柔性機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)地成為了自動(dòng)化生產(chǎn)線中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié),仿生機(jī)器人研究也成為機(jī)器人學(xué)的熱點(diǎn)之一,但是由于多年的進(jìn)化,生物的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)一般難以用機(jī)械結(jié)構(gòu)完全實(shí)現(xiàn)。近期,國(guó)際知名機(jī)器人廠商紛紛發(fā)布七自由度工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品,這引發(fā)了我們的思考。七軸工業(yè)機(jī)器人從二十世紀(jì)七十年代末逐步發(fā)展至今,為工業(yè)自動(dòng)化的推進(jìn)起到了重要的作用。由于具備其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì),因此其相關(guān)產(chǎn)品動(dòng)向更值得我們深入研究。

        2 7 自由度工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)

        2.1 改善運(yùn)動(dòng)特性

        機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中存在著三個(gè)問(wèn)題,這三個(gè)問(wèn)題極大地限制了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

        2.1.1 奇怪的配置。當(dāng)機(jī)器人處于奇異位形時(shí),其末端執(zhí)行器不能沿某一方向運(yùn)動(dòng)或施加力矩,因此奇異位形對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃有很大的影響。

        2.1.2 關(guān)節(jié)位移超限。在實(shí)際工作條件下,機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角度范圍是有限的,理想狀態(tài)是正180 度或負(fù)180 度,但很多關(guān)節(jié)做不到。此外,7 自由度機(jī)器人可以避免角速度移動(dòng)過(guò)快,使角速度分布更加均勻。

        2.1.3 三是工作環(huán)境存在障礙。在工業(yè)環(huán)境中,在許多場(chǎng)合存在著各種各樣的環(huán)境障礙。7 自由度機(jī)器人不僅可以改變末端機(jī)構(gòu)的姿態(tài),而且可以改變末端機(jī)構(gòu)的位置。

        2.2 改善動(dòng)態(tài)特性

        對(duì)于7 自由度機(jī)器人,利用其冗余自由度不僅可以通過(guò)軌跡規(guī)劃獲得良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,而且可以通過(guò)其結(jié)構(gòu)獲得良好的動(dòng)力學(xué)性能。

        7 自由度機(jī)器人可以重新分配關(guān)節(jié)力矩,這涉及到機(jī)器人的靜平衡問(wèn)題,即作用在末端的力可以通過(guò)算法來(lái)計(jì)算。對(duì)于傳統(tǒng)的六軸機(jī)器人,各關(guān)節(jié)的受力是確定的,其分布可能不合理。而7 自由度機(jī)器人可以通過(guò)控制算法來(lái)調(diào)整各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩,使薄弱環(huán)節(jié)的力矩盡可能小,從而使整個(gè)機(jī)器人的力矩分布更加均勻合理。

        2.3 容錯(cuò)

        當(dāng)機(jī)器人發(fā)生故障時(shí),如果一個(gè)關(guān)節(jié)發(fā)生故障,傳統(tǒng)的6 自由度機(jī)器人將無(wú)法繼續(xù)工作,而7 自由度機(jī)器人則可以通過(guò)重新調(diào)整故障關(guān)節(jié)的速度(運(yùn)動(dòng)容錯(cuò))和重新分配故障關(guān)節(jié)的扭矩(動(dòng)態(tài)容錯(cuò))來(lái)繼續(xù)工作。

        3 基于關(guān)節(jié)模塊自由組裝式7 自由度工業(yè)機(jī)器人功能

        3.1 不封蓋RV 減速器,國(guó)內(nèi)首創(chuàng)

        7 軸工業(yè)機(jī)器人是最接近人類手臂結(jié)構(gòu)的機(jī)器人,本工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品以7 自由度的高起點(diǎn)出發(fā)兼顧3 至7 自由度研發(fā)設(shè)計(jì),既可以應(yīng)用于智能工廠代替人工,也可應(yīng)用于高校機(jī)器人教學(xué)。有以下6 大特色:(1)關(guān)節(jié)模塊可實(shí)現(xiàn)3-7 軸的靈活拼裝運(yùn)行;(2)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了核心傳動(dòng)部件-RV 減速器;(3)為適用不同場(chǎng)合,設(shè)計(jì)專利底座結(jié)構(gòu);(4)無(wú)線控制,平板電腦示教編程;(5)開(kāi)發(fā)了虛擬仿真互動(dòng)訓(xùn)練平臺(tái);(6)與同類產(chǎn)品相比,一機(jī)多能,性價(jià)比高。

        可不封蓋運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人系列RV 減速器,能清晰看見(jiàn)內(nèi)部機(jī)構(gòu),方便演示工作原理,且能應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)軸中,用于組建多關(guān)節(jié)軸機(jī)器人,其內(nèi)部至少三處鏤空,可穿過(guò)導(dǎo)線、氣管,不影響減速機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),為工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)教學(xué)提供強(qiáng)力支撐,填補(bǔ)了此項(xiàng)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)空白,見(jiàn)圖1。

        圖1 關(guān)節(jié)模塊減速器拆解狀態(tài)

        3.2 自由組裝式多軸機(jī)器人,面向不同應(yīng)用

        市面上的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都是固定自由度,功能單一,利用自研不封蓋運(yùn)行的RV 減速器、核心傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及機(jī)械結(jié)構(gòu),以關(guān)節(jié)為單元,可自由拼裝成3 自由度、4 自由度、5自由度、6 自由度、7 自由度機(jī)器人。相比較市面上的單一功能的實(shí)訓(xùn)臺(tái),集成了工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中幾乎全部的實(shí)訓(xùn)操作項(xiàng)目,一臺(tái)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)的功能,見(jiàn)圖2。

        圖2 自由組裝3-7 自由度工業(yè)機(jī)器人形態(tài)

        3.3 產(chǎn)品采用專利底座設(shè)計(jì),方便換裝移動(dòng)平臺(tái)

        現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人安裝底座通常是固化的,無(wú)法進(jìn)行位置調(diào)整,無(wú)法適應(yīng)各種安裝情況,同時(shí)缺乏在減震和加固方面的安全性,工作發(fā)生碰撞時(shí)易傾倒造成設(shè)備損壞和人員危險(xiǎn)。本機(jī)器人底座采用卡槽和門形銷可拆卸結(jié)構(gòu)專利設(shè)計(jì),可安裝在移動(dòng)AGV 小車等多平臺(tái)中使用,安裝穩(wěn)固、可快速切換,方便安裝于不同平臺(tái)。

        3.4 創(chuàng)新平板電腦示教編程,無(wú)線連接、離線仿真編程

        機(jī)器人除傳統(tǒng)示教器外,創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了在平板電腦(或手機(jī))上示教,既實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)控制器的功能又可離線仿真編程,無(wú)線連接,擺脫線纜束縛,使用方便。

        3.5 配套虛擬仿真互動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng),直觀生動(dòng)

        配套開(kāi)發(fā)了虛擬仿真互動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng),能夠在仿真環(huán)境下學(xué)習(xí)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、組成原理,直觀生動(dòng),為高校工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)教學(xué)提供支撐。

        3.6 一機(jī)多能,高性價(jià)比

        1 臺(tái)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)多方面實(shí)訓(xùn)應(yīng)用,既可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)合工業(yè)實(shí)際應(yīng)用,又可完成本體認(rèn)知、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)認(rèn)知、示教編程、虛擬拆裝、面向不同應(yīng)用等5 方面以上實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用,一機(jī)多能。量產(chǎn)價(jià)格僅為3 萬(wàn)元,相比市場(chǎng)上功能單一,價(jià)格動(dòng)輒三五十萬(wàn)元的7 自由度工業(yè)機(jī)器實(shí)訓(xùn)設(shè)備,性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯。

        4 基于關(guān)節(jié)模塊自由組裝式工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)

        七軸機(jī)器人包括三個(gè)主要部件,機(jī)器人本體、控制柜、示教器,所有的編輯工作都在示教器上完成,當(dāng)作業(yè)編輯完成后,點(diǎn)擊下載按鈕,將命令下載到控制柜中的主控板中,切換至運(yùn)行模式,點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕開(kāi)始執(zhí)行下載命令。當(dāng)遇到不可預(yù)知的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)或危險(xiǎn)時(shí),按下急停按鈕,機(jī)器人立即停止。

        4.1 控制柜

        硬件采用48v、24v、5v 電源供電,7 路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,16 路繼電器,wifi 模塊,儲(chǔ)存模塊、控制按鈕、主控板(stm32f103zet6)組成。

        控制柜按鈕布局,見(jiàn)圖3。

        圖3 控制柜按鈕布局

        4.2 示教器

        軟硬件配置:移動(dòng)端,安卓5.0 以上版本,分辨率2560*1600,具備wifi 網(wǎng)絡(luò)。pc 端,win7、win10 系統(tǒng),具備wifi網(wǎng)絡(luò)。

        4.3 開(kāi)機(jī)

        連接電源線,確定復(fù)位按鈕彈起,撥動(dòng)電源開(kāi)關(guān),電源指示燈亮起,待工作指示燈間隔閃爍時(shí),開(kāi)機(jī)完成。

        示教器軟件安裝:在安卓平板電腦或安卓手機(jī)上安裝7自由度工業(yè)機(jī)器人示教器控制軟件。pc 機(jī)上拷貝七7 自由度示教器軟件到硬盤上。

        示教器連接:當(dāng)7 自由度工業(yè)機(jī)器人正常開(kāi)機(jī)后,確保模塊開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)到編輯模式,查看wifi,選擇HY-001 網(wǎng)絡(luò)服務(wù),輸入密碼“12345678”,網(wǎng)絡(luò)連接成功后,啟動(dòng)示教器軟件。當(dāng)看到菜單頭信息反饋欄中出現(xiàn)主控板的反饋信息時(shí),示教器鏈接成功。

        4.4 編輯模式

        控制模式選擇開(kāi)關(guān),擰動(dòng)到編輯模式,急停開(kāi)關(guān)彈起。

        在編輯模式下,示教器可控制機(jī)器人姿態(tài)、編輯作業(yè)等操作。

        4.5 示教器功能布局(圖4)

        圖4 示教器功能布局

        使能:示教器最左測(cè),黃底黑字,寫著使能。當(dāng)示教操作時(shí),要用一根手指按著使能按鈕,當(dāng)機(jī)器人發(fā)生不正常的運(yùn)動(dòng)時(shí),松開(kāi)使能按鈕,機(jī)器人立即停止。

        關(guān)閉示教器:點(diǎn)擊后關(guān)閉示教軟件。

        示教、校準(zhǔn)切換:切換示教模式和校準(zhǔn)模式。示教模式下,對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教操作,記錄、保存、命令下載等操作。校準(zhǔn)模式下,對(duì)機(jī)器人進(jìn)行原始狀態(tài)校準(zhǔn),使機(jī)器人可以在示教模式下正確運(yùn)行。

        狀態(tài)提示:提示機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)和狀態(tài)信息。

        命令作業(yè)提示區(qū):記錄和提示作業(yè)內(nèi)容,點(diǎn)擊作業(yè)可進(jìn)行編輯。

        文字書(shū)寫:機(jī)器人寫字功能的文字輸入和編輯執(zhí)行。

        IO 口狀態(tài)控制:控制機(jī)器人的外部IO 口的狀態(tài)。示教器可控制8 個(gè)外部IO 端口狀態(tài)。

        坐標(biāo)控制:控制機(jī)器人的姿態(tài)。最上面三組控制按鈕,可控制末端執(zhí)行器的位置坐標(biāo),點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)軸控制按鈕,可控制對(duì)應(yīng)軸,沿著軸方向移動(dòng)。中間三組控制按鈕,控制末端執(zhí)行器的角度,同樣點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)控制按鈕,可控制對(duì)應(yīng)軸,沿著軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)。最下面一組按鈕,可控制機(jī)器人擺臂姿態(tài)。最下面的滑動(dòng)條控制軸的調(diào)節(jié)速度,默認(rèn)是中速,向右滑動(dòng)加速,向左滑動(dòng)減速。

        延時(shí)設(shè)置:設(shè)置當(dāng)前作業(yè)的延時(shí)等待時(shí)間,機(jī)器人在運(yùn)行時(shí),執(zhí)行停止等待的時(shí)間,主要用途是,外部電路元件(例如:電磁換向閥)運(yùn)行時(shí)需要時(shí)間來(lái)執(zhí)行功能,延時(shí)功能就是配合外部電路元件的功能執(zhí)行。

        控制區(qū):播放作業(yè)、執(zhí)行示教命令、下載命令、存檔的保存和讀取。

        4.6 校準(zhǔn)功能布局(圖5)

        圖5 校準(zhǔn)功能布局

        校準(zhǔn)模式下,對(duì)機(jī)器人進(jìn)行原點(diǎn)設(shè)置。

        軸號(hào):提示各軸編號(hào)。

        當(dāng)前軸角度:提示和手動(dòng)設(shè)置機(jī)器人的軸角度。

        軸角度加減:按鈕方式設(shè)置機(jī)器人的軸角度。

        變換速度:調(diào)整按鈕角度設(shè)置的速度。

        快捷功能:所軸轉(zhuǎn)動(dòng)回0 點(diǎn),機(jī)器人各軸,轉(zhuǎn)動(dòng)回0 點(diǎn)。設(shè)置所有軸為0 點(diǎn),設(shè)置機(jī)器人當(dāng)前位置為0 點(diǎn)。

        4.7 運(yùn)行模式

        運(yùn)行模式選擇開(kāi)關(guān),擰動(dòng)到編輯模式,急停開(kāi)關(guān)彈起。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕,機(jī)器人將執(zhí)行由示教器下載到控制柜中主控板的程序。

        4.8 串口命令

        通過(guò)串口命令,可控制七軸機(jī)器人的的所有功能,包括但不限于是示教器的指令控制,方便用戶二次開(kāi)發(fā),功能擴(kuò)展。

        4.9 軸角度控制:用于調(diào)整機(jī)器人軸角度

        “軸號(hào)”=“角度”,“軸號(hào)”=“角度”;

        例如:0 號(hào)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到10.5 度。 命令:0=10.5;

        當(dāng)需要多個(gè)角度聯(lián)動(dòng)時(shí),需要多個(gè)角度命令組合發(fā)送,多條命令用“,”隔開(kāi);

        例如:1 號(hào)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到11.3 度,3 號(hào)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到-10 度。命令:1=11.3,3=-10;

        4.10 IO 控制

        用于控制外部IO 口狀態(tài),開(kāi)和關(guān),此命令可以和軸角控制命令一同使用,串口命令,最多可控制16 個(gè)IO 口狀態(tài)。

        “IO 編號(hào)”=“設(shè)置狀態(tài)”,“IO 編號(hào)”=“設(shè)置狀態(tài)”;

        例如:p1IO 端口狀態(tài)設(shè)置為開(kāi);

        命令:p1=1;

        4.11 軸角度設(shè)置:修改當(dāng)前軸角度

        set:“軸號(hào)”=“角度”,“軸號(hào)”=“角度”;

        例如:設(shè)置0,1 軸角度為0;

        命令:set:0=0,1=0;

        4.12 停止、急停:stop

        4.13 急停復(fù)位:stop_over

        4.14 暫停:pause

        4.15 播放、繼續(xù):play

        4.16 存儲(chǔ)命令:main:“多行或單行命令”;

        命 令 :main:0=10,1=10,p1=1;0=-10,1=-10,p1=0

        4.17 讀取存檔數(shù)據(jù):get_all

        4.18 清空存檔:clear

        4.19 設(shè)置主控板wifi 設(shè)備名和密碼

        例如:設(shè)置wifi 設(shè)備名“HY-001”,密碼“12345678”

        命令:ssid:ap_ssid=HY-001,ap_pw=12345678

        7 自由度工業(yè)機(jī)器人是對(duì)人手臂的真實(shí)還原,隨著工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟,近年來(lái),跨國(guó)機(jī)器人巨頭們紛紛推出7 軸工業(yè)機(jī)器人,這種協(xié)作機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一類,是能夠與人在生產(chǎn)線上協(xié)同作戰(zhàn),充分發(fā)揮本體效率及人類智能的新型機(jī)器人。成為了工業(yè)機(jī)器人高端新市場(chǎng)和眾多企業(yè)的突破目標(biāo),也被視為高端工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)志。

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