機器人自動裝配方法及技術分析

譚紅軍 陳昌中 張斌 呂林林

摘要：隨著我國經濟實力與科學技術的不斷發展，工業制造行業作為重要的經濟發展領域也得到了長足的進步。目前，自動化生產線已成為世界工業發展的趨勢，而機器人裝配技術作為柔性自動化裝配系統的核心技術更是愈加受到制造行業的青睞。本文即針對目前常見的機器人自動裝配方法及技術進行簡要的分析與探討，希望能對制造業的相關工作帶來些許幫助。

關鍵詞：機器人;自動裝配;方法;技術

1裝配機器人概述

裝配機器人是柔性自動化裝配系統的核心設備，由機器人操作機、控制器、末端執行器和傳感系統組成。機器人操作機的結構類型主要包括水平關節型、直角坐標型、多關節型和圓柱坐標型等幾類;控制器通常選用多CPU或多級計算機系統，以實現運動控制和運動編程;末端執行器一般是為了適應不同的裝配對象設計而成的各類手爪、手腕等機械設備;傳感系統主要用來采集裝配機器人與工作環境和裝配對象之間相互作用的信息。

2 機器人自動裝配的常見運動規劃方法

2.1 反向規劃法

反向規劃法是指初始階段要遵循目標的狀態，著重關注裝配的操作過程，并將操作方法中的不確定性加以考慮，在體現初始狀態時要應用逆向推導的方式，最終返回初始狀態。在完成任務回溯過程后，初始狀態則進行重新規劃，以此形成一套順暢的裝配操作序列。這種規劃方法的實際操作中涉及的摩擦與運動速度都具有一定的不確定性，而通過對反向投影區域的相關計算累積起來的經驗與數據再為反向投影提供參考，如此就可以使前臺的構造與實際操作逐漸靠近。簡而言之，反向規劃法就是在理想狀態下對運動實施規劃，再針對不確定性進行動態規劃，而對于動態實施的規劃過程即是柔順映射的過程。

2.2 正向規劃法

正向規劃法是指從初始階段開始就使用正向遞推的方式對機器人自動裝配的相關操作采取深入的規劃。這種規劃法通過離散時間，使位移的空間處于離散的狀態下，并于相異的接觸模式下形成集合，最后在接觸狀態中尋求最為合理的轉移路徑，并對其執行規劃，已達到實現最終目標的目的。另外，正向規劃法也具有一定的不確定性，并且對于運動的規劃可能會造成極大影響。因此在執行主規劃時應該采取兩階段分開執行的模式，先選擇相對理想的運動狀態，再針對名義運動路徑進行展開性的有效規劃，最后再實施動態深入規劃，整個的規劃同樣屬于柔順映射過程。

2.3 戰略控制級綜合規劃法

這種方法屬于比較先進的機器人裝配任務運動規劃方法。戰略控制級綜合規劃法不需要配套高成本、復雜度高的計算機系統，并且能保持良好的工作性能，是一中可執行性很強的運動規劃方法。該方法主要由以下三個階段組成。①準備一個專家級的系統，在這一系統下針對機器人實際操作的裝配任務執行識別操作，以此來掌握與之相匹配的計算時間與運動規劃相關問題的解決方案。然后以所明確的計算時間為根據，應用專家級系統進行計算并確認機器人模型種類與操作環境的類型，并明確相關問題的處理算法。②在確定了操作系統的模型種類與相關算法的基礎上，開始進行裝配機器人的運動規劃工作，并將運動規劃信息向裝配機器人的低級別控制系統進行傳輸。③對裝配機器人的實際操作性能進行信息采集，以此為依據針對機器人的相關技術參數以及操作環境采取進一步的識別操作，再經由傳感器采集裝配機器人的相關數據信息。通過得到的數據即可以判斷機器人的運動規劃與環境模型的調整方向，有助于優化運動規劃的相關算法。

3 機器人自動裝配的常用技術

3.1裝配機器人結構與材料優化技術

該技術主要體現在針對裝配機器人采用強度高、質量輕的設計材料所進行的研究，目的是提高裝配機器人的負荷與自重比，以可重復構筑的模塊化方向為目標進行發展。

3.2裝配機器人的直接驅動技術

直接驅動是指新型的電機直接與運動的執行部分相結合，即電機直接驅動設備運轉，取消了中間的機械傳動環節。常見的對于直接驅動技術的應用包括，以直線電機為核心驅動元件的直線運動部件和以力矩電機為核心驅動元件的回轉運動元件。這項技術通過具有高扭矩的低速電機對裝配機器人進行直接驅動，旨在有效的降低裝配機器人的關節運動慣性，最終達到減少誤差、降低損耗以及提高裝配機器人運作系統可靠性的目的。

3.3 裝配機器人程序控制技術

隨著電子信息技術的不斷發展，裝配機器人的標準化與網絡化控制已經占據了相關研究的主要地位，針對傳統的編程控制技術，新技術不但能夠提供更為優秀的在線編程實操效果，還能夠使離線編程的實操性得到優化與提高。另外新的程序控制技術還將帶來更為人性化的人機交互、語言支持以及圖形編程的相關界面。

3.4 裝配機器人的多傳感器信息融合技術

多傳感器數據融合技術可以概括為把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數據信息進行整合，通過計算機技術對其進行深入分析，從而消除多傳感器信息之間可能存在的冗余與矛盾，并進行互補操作，降低其不確定性。另外根據得到的被測對象一致性解釋與描述，能夠有效提高系統決策、規劃以及反應的速度和準確率，使系統獲得更為完整、可靠的反饋信息。多傳感器數據融合技術相較單一傳感器信息處理技術具有容錯率高、互補性強、信息反饋及時、性價比高等優點，在裝配機器人領域已得到廣泛的推廣與應用。

3.5 裝配機器人的柔順控制技術

柔順控制技術是指從力學傳感器接收控制信號，并應用此信號來控制機器人，從而使機器人對信號的變化產生響應完成相關動作。裝配機器人的柔順性可分為主動柔順性和被動柔順性兩類，裝配機器人通過輔助的柔順裝置，使其在與操作環境接觸時可以對外界的作用力產生相對自然的順從，稱為被動柔順性;裝配機器人根據力的反饋信息應用相應的控制方案主動控制作用力，則稱為主動柔順性。主動柔順性與被動柔順性通過有機的結合，能夠有效避免機器人與操作環境從非接觸到接觸完成自然轉換時產生的碰撞沖擊，是裝配機器人柔順控制的必然發展趨勢。

3.6 裝配機器人與圖形仿真技術的結合

目前，我國制造業的裝配工作愈加復雜，傳統的裝配機器人編程模式就顯得效率偏低如果將CAD系統的圖形仿真技術與裝配機器人的控制系統直接關聯，就可以提高裝配機器人編程的靈活性，使裝配機器人的離線編程效率得到極大地優化與提高，并且在對裝配程序的準確性與可行性進行驗證時提供一定的幫助。

3.7 并聯機器人技術

并聯機器人是指動平臺與定平臺之間通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，整個機構含有兩個及以上的自由度，同時采用并聯方式驅動的一種閉環機構。并聯機器人的特點包括沒有累積誤差，精確度較高;驅動裝置可以設置在定平臺上或者接近定平臺的位置，這就可以使裝配機器人的運動部分重量更輕，速度更快，從而具有更好的動態響應。

結語

綜上所述，在“中國制造”的指導思想下，隨著我國制造業的不斷發展，裝配工作自動化已成為必然的發展趨勢，并且已經走在高速發展的道路上。機器人自動裝配的規劃方法與相關技術作為裝配自動化的重要組成部分更應受到工業自動化研究人員的充分重視。相信在不久的將來，我們一定可以實現全面的制造業騰飛，完成工業現代化的建設，實現全面“中國制造”的偉大目標。

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