浅析工业机器人运用技术

林连富

摘要：目前，机器人技术在制造业中发挥重要的作用。机器人综合运用机械、控制、检测、系统工程等方面的技术，通过其机械装置、伺服单元、控制系统和传感器系统等组成部分的协调运作，实现控制系统的指令要求。

关键词：工业机器人；机器人运用技术

引言

我国从“七五”期间及实施“863”计划开始，经过近20年的研制、生产、应用，工业机器人有了长足的发展。开发、生产了不同机型的工业机器人，同时也造就了一支具有一定技术水平的队伍，奠定了独立自主发展我国工业机器人的基础。但与欧美发达国家相比，我国工业机器人从技术、规模、应用领域等方面，还有很大差距，还需加大投入，利用自己的优势，建立集技工贸为一体(即研究、开发、生产、销售为一体)的机器人生产经营基地，从功能、精度、速度、应用领域、商品化、产业化等方面缩小与欧美发达国家的差距。

1.机器人技术概述

“发展高科技，实现现代化”是邓小平同志科技思想的重要组成部分，高科技是那些对国家军事、经济有重大影响，具有较大社会意义或能形成产业的新技术和尖端技术。机器人技术是高科技的重要组成部分，融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多领域的前沿技术。机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化生产设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产，对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

2.直觉示教与快捷编程技术

工业机器人的编程方式主要有离线编程和在线编程两种，其中离线编程是基于工件数模生成机器人的运动轨迹和控制程序，具有编程效率高的优点。除了工业机器人的生产商所提供的专用离线编程软件以外，还有许多通用的第三方离线仿真和编程软件（如RobCAD、DelmiaRobot-work、Workspace等）以及一些开源软件，但其实用性依赖于两个先决条件：一是要有工件的三维数字模型，二是机器人的绝对定位精度和工件的安装精度要非常高。而上述两个条件尤其是第二个条件在实际工作中很难满足。因为工业机器人虽然重复定位精度高，但受制于机器人零部件的制造、装配以及整机的现场安装误差等因素，其绝对定位精度差。此外，工件的安装也会存在一定的误差。因此，如果不进行机器人的标定和误差补偿，离线编程方法难于在高精度作业中得到实际的应用。而基于示教器的在线编程模式虽然不依赖于上述两个条件，但传统的手持示教器示教效率低，例如，大型汽车车体生产厂商通常要花费几个月的时间进行电弧焊接机器人的编程，而整个焊接过程中机器人的工作时间却仅为十几个小时。虽然这种情况对于大批量汽车制造还勉强能够接受，但对于制造业中越来越普遍的多品种、小批量的柔性化生产则难于得到有效实施。

3.运动标定与误差补偿技术

工业机器人通常具有较高的重复定位精度（0.1毫米左右），但是由于机器人组成零部件的制造和装配误差、现场的安装误差以及工件的安装误差等，使得工业机器人的绝对定位精度较差（一般为几个毫米），严重影响了机器人离线编程的运动控制精度，因此必须设法予以补偿。传统上是采用基于机器人误差模型的离线运动学标定方法找

出机器人系统的几何误差。而后根据这些辨识的误差对机器人运动学模型进行修正。然而，这种方法的主要问题是：（1）难于直接修正机器人控制器内建立的运动学模型；（2）需要精密仪器测量机器人的实际位姿。针对第一个问题，研究人员提出了一种基于机器人标定参数的目标位姿前处理算法，实现了在不改变机器人运动学模型前提下进行在线补偿误差。针对第二个问题，当前的研发热点是建立新的误差模型并研制面向误差模型的便携式测量装置，从而达到简化标定方法、降低测量装置成本的目的。近年来，随着三维数字化扫描技术在机器人领域的应用，研究人员开始研究基于工件几何特征的机器人在线误差补偿方法。该方法类似于移动式机器人的定位导航方法，首先需要在机器人的末端安装一个三维数字化扫描装置，当机器人末端接近工件时，三维数字化扫描装置就会得到实际工件的局部几何特征或是云点坐标，进而通过比对在理论模型条件下工件的局部几何特征或是云点坐标在三维扫描装置坐标系的描述，可以较为准确地确定机器人末端相对于实际工件的运动误差,而这一误差可以直接用来对机器人系统进行在线误差补偿，提高运动控制精度。这是一种无需机器人误差模型，简单实用的局部误差补偿方法，具有广泛的应用前景。当前的机器人标定和误差补偿主要是针对机器人系统的几何误差，很少考虑机器人刚度和外载荷对机器人定位精度的影响。为了进一步提高机器人的绝对定位精度，最新的研究开始考虑机器人的刚度、载荷等非几何误差对机器人的精度影响。通过采用机器学习算法建立机器人系统的综合误差模型，实现了工业机器人几何误差与非几何误差的一体化补偿。国内在机器人标定和误差补偿方面的研究工作比较欠缺，已开展的研究主要集中在机器人运动学离线标定方法方面，虽有学者提出采用视觉的方法实现机器人在线误差标定，但是效果还不理想，而基于三维扫描装置和云点匹配的在线误差补偿方法的研究工作尚未见报道。

4.力-运动混合控制技术

现有的工业机器人基本上是为了执行运动学任务而设计的，主要用于如上下料、焊接和喷涂等非连续接触式的工作。随着工业机器人技术的发展，制造业开始尝试利用工业机器人进行一些连续接触式的表面加工和后处理任务，如去毛刺，抛光和打磨等。因材料的去除率和刀具与工件的接触力大小直接相关，完成高质量的连续接触式加工任务不仅要实现刀具沿接触面法线方向的力控制，同时也要实现其他方向的运动控制，也就是要实现力-运动混合控制。然而，现有的工业机器人大多没有力控制功能，在很大程度上限制了机器人在连续接触式加工方面的应用。工业机器人力控制的方法主要有两种，即通过控制机器人操作臂的驱动关节的力矩实现直接力控制和通过控制一个附加的末端力控装置实施的间接力控制。两种方法各有其优缺点：前者主要是通过机器人系统的力控制算法实现的，需要针对具体的机器人结构建立准确的机器人动力学模型，并开发实时、鲁棒的力控制算法；而后者则需要增加一个具有力控制功能的末端执行装置，虽然系统成本略有增加，但由于特别设计的末端执行器具有良好的动力学特性（如质量小、动态响应快），易于实现高性能的接触力控制，而且通用性好。在一定程度上，前者更适用于新一代轻量化机器人的力控制，而后者更适用于传统的高速重载工业机器人系统。机器人操作臂的力-运动混合控制主要有两种方法，即基于关节空间动力学模型的阻抗控制方法和基于操作空间动力学模型的直接力控制方法。阻抗控制方法的特点是在建立了机器人末端位移与接触力关系的基础上，通过调节驱动关节的阻力或者刚度等参数实现机器人末端的力-运动混合控制。

结束语：工业机器人的诞生和机器人学的建立，无疑是人类科学技术的重大成就。要缩短我国工业机器人应用及研究与国外的差距，首先要有国家政策的支持，培养和吸引人才，引进、消化和吸收发达国家先进技术，利用自己的优势，建立集技工贸为一体的企业集团，创造名牌，形成企业的良性发展，以实现我国工业机器人的商品化、产业化。

参考文献

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