裝配機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向

摘要： 隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)的后續(xù)工序，在制造業(yè)中占有非常重要的地位。由于裝配所具有的重要意義，裝配領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?lái)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)之一。裝配機(jī)器人將在機(jī)器人應(yīng)用中躍居第一位。

關(guān)鍵詞： 裝配機(jī)器人；機(jī)器人；裝配；

引言

裝配機(jī)器人則是工業(yè)生產(chǎn)中，用于裝配生產(chǎn)線上對(duì)零件或部件進(jìn)行裝配的工業(yè)機(jī)器人，它屬于高、精、尖的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是集光學(xué)、機(jī)械、微電子、自動(dòng)控制和通訊技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，具有很高的功能和附加值。

1.裝配機(jī)器人的精確定位

裝配機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的定位精度由機(jī)械系統(tǒng)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)精度（幾何誤差、熱和載荷變形誤差）和機(jī)電系統(tǒng)高頻響應(yīng)的暫態(tài)特性（過(guò)渡過(guò)程）所決定，其中靜態(tài)精度取決于設(shè)備的制造精度和機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式，動(dòng)態(tài)響應(yīng)取決于外部跟蹤信號(hào)、系統(tǒng)固有的開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)特性、所采用的減振方法（阻尼）和控制器的調(diào)節(jié)作用。

2.裝配機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制

在許多微機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，PC機(jī)的速度和功能往往不能滿足需要。特別是在多任務(wù)工作環(huán)境下，各任務(wù)只能分時(shí)工作，動(dòng)態(tài)響應(yīng)取決于外部跟蹤信號(hào)、系統(tǒng)固有的開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)特性、所采用的減振方法（阻尼）和控制器的調(diào)節(jié)作用。

3.檢測(cè)傳感技術(shù)

檢測(cè)傳感技術(shù)的關(guān)鍵是傳感器技術(shù)，它主要用于檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)中自身與作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，向控制器提供信息以決定系統(tǒng)動(dòng)作。傳感器精度、靈敏度和可靠性很大程度決定了系統(tǒng)性能的好壞。檢測(cè)傳感技術(shù)包含兩個(gè)方面內(nèi)容：一是傳感器本身的研究和應(yīng)用，二是檢測(cè)裝置的研究與開(kāi)發(fā)。

4.裝配機(jī)器人系統(tǒng)軟件研制

PC機(jī)是在MS-DOS或Windows操作系統(tǒng)下工作的。MS-DOS是一個(gè)單任務(wù)操作系統(tǒng)，Windows則是分時(shí)多任務(wù)，均不能滿足機(jī)器人規(guī)劃，伺服同時(shí)進(jìn)行的要求。為此，必須開(kāi)發(fā)一個(gè)協(xié)調(diào)上、下位機(jī)各任務(wù)工作的實(shí)時(shí)控制程序，它作為MS-DOS或Windows下的一個(gè)應(yīng)用程序分別在兩個(gè)系統(tǒng)上運(yùn)行。裝配機(jī)器人系統(tǒng)的軟件主要由機(jī)器人語(yǔ)言編譯模塊、多任務(wù)監(jiān)控模塊、雙系統(tǒng)握手通訊模塊、伺服控制模塊四部分構(gòu)成。系統(tǒng)在上電啟動(dòng)后即初始化，建立雙系統(tǒng)聯(lián)系，根據(jù)Semaphore鎖存器的值及雙口RAM中的數(shù)據(jù)調(diào)度任務(wù)，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行初始定位后對(duì)機(jī)器人語(yǔ)言命令編譯，分由上、下位機(jī)同時(shí)執(zhí)行。

5.裝配機(jī)器人控制器的研制

裝配機(jī)器人的伺服控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人操作空間力和位置混合伺服控制，實(shí)現(xiàn)了高精度的位置控制、靜態(tài)力控制，并且具有良好的動(dòng)態(tài)力控制性能。伺服模塊之上的局部自由控制模塊相對(duì)獨(dú)立于監(jiān)督控制模塊，它能完成精密的插圓孔、方孔等較為復(fù)雜的裝配作業(yè)。

6.裝配機(jī)器人的圖形仿真技術(shù)

對(duì)于復(fù)雜裝配作業(yè)，示教編程方法效率往往不高，如果能直接把機(jī)器人控制器與CAD系統(tǒng)相聯(lián)接，則能利用數(shù)據(jù)庫(kù)中與裝配作業(yè)有關(guān)的信息對(duì)機(jī)器人進(jìn)行離線編程，使機(jī)器人在結(jié)構(gòu)環(huán)境下的編程具有很大的靈活性。另一方面，如果將機(jī)器人控制器與圖形仿真系統(tǒng)相聯(lián)，則可離線對(duì)機(jī)器人裝配作業(yè)進(jìn)行動(dòng)畫(huà)仿真，從而驗(yàn)證裝配程序的正確性、可執(zhí)行性及合理性。

7.裝配機(jī)器人柔順手腕的研制

通常而言，通用機(jī)器人均可用于裝配操作，利用機(jī)器人固有的結(jié)構(gòu)柔性，可以對(duì)裝配操作中的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行修正。通過(guò)對(duì)影響機(jī)器人剛度的各種變量進(jìn)行分析，并通過(guò)調(diào)整機(jī)器人本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)獲得期望的機(jī)器人末端剛度，以滿足裝配操作對(duì)機(jī)器人柔順性要求。

總結(jié)

目前機(jī)器人領(lǐng)域正在加大科研力度，進(jìn)行裝配機(jī)器人共性技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化的方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下幾個(gè)方面：

1.裝配機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。

2.直接驅(qū)動(dòng)裝配機(jī)器人：傳統(tǒng)機(jī)器人都要通過(guò)一些減速裝置來(lái)達(dá)到降速并提高輸出力矩，這些傳動(dòng)鏈會(huì)增加系統(tǒng)功耗、慣量、誤差等，并降低系統(tǒng)可靠性，為了減小關(guān)節(jié)慣性，實(shí)現(xiàn)高速、精密、大負(fù)載及高可靠性。一種趨勢(shì)是采用高扭矩低速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

3.機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開(kāi)放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器己成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化的完善成為研究重點(diǎn)。

4.多傳感器融合技術(shù)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問(wèn)題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。

5.機(jī)器人的結(jié)構(gòu)要求更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。

6.機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。升虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。

7.智能裝配機(jī)器人：裝配機(jī)器人的一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工作自主，因此要利用知識(shí)規(guī)劃，專家系統(tǒng)等人工智能研究領(lǐng)域成果，開(kāi)發(fā)出智能型自主移動(dòng)裝配機(jī)器人，能在各種裝配工作站工作。

8.并聯(lián)機(jī)器人：傳統(tǒng)機(jī)器人采用連桿和關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而并聯(lián)機(jī)器人具有非累積定位誤差，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分布得到改善、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性提高、承載能力增加等優(yōu)點(diǎn)，而且其逆位置問(wèn)題比較直接、奇異位置相對(duì)較少，所以近些年來(lái)倍受重視。

9.協(xié)作裝配機(jī)器人：隨著裝配機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)裝配機(jī)器人也提出一些新要求，如多機(jī)器人之間的協(xié)作，同一機(jī)器人雙臂的協(xié)作，甚至人與機(jī)器人的協(xié)作，這對(duì)一于重型或精密裝配任務(wù)非常重要。

10.多智能體（multi-agent）協(xié)調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。