工業(yè)機器人工作過程中能耗最小控制策略

文/明習鳳

近年來，我國人口紅利的消退，機器人技術(shù)取得較大進步，企業(yè)逐步擴大了對機器人的使用，彌補人員缺失造成的影響。工業(yè)機器人是一種十分消耗電能的設(shè)備，比車間內(nèi)的很多設(shè)備的電能消耗都高。電能巨大消耗會增加企業(yè)的成本，但是，如果降低機器人的使用，則會造成企業(yè)的效益下降，減少企業(yè)的收益，所以，如何能夠在不降低機器人工作效率的同時，降低機器人的電能消耗，變得至關(guān)重要。

國內(nèi)外都在機器人路徑和步態(tài)進行了大量的研究，但在工業(yè)的使用中，機器人的運動方式復雜，而且有很多變化，同時機器人的運動速度也會對能耗產(chǎn)生影響。工業(yè)機器人是一種六自由度串聯(lián)機器人，工作時能耗最大的部分是機器人的伺服電機和驅(qū)動器，其中屬腰關(guān)鍵、肩關(guān)鍵和肘關(guān)節(jié)的能量消耗最大。本文主要在確定了工業(yè)機器人的運動軌跡后，對各關(guān)節(jié)的能耗和轉(zhuǎn)動速度之間的關(guān)系進行研究，制定相關(guān)的約束條件，并提出機器人能耗的最小控制策略。

1　工業(yè)機器人的動力學建模

工業(yè)上所使用的六自由度工業(yè)機器人，底座都是固定的，腰部繞腰關(guān)節(jié)的垂直方向進行轉(zhuǎn)動。

2　對工業(yè)機器人的能耗進行建模

2.1　降低機器人能耗的思路

工業(yè)機器人在進行工作時，有以下幾個因素會影響機器人的能耗量：機器人的運動速率、機器人變速時加速度、機器人的運動軌跡、機器人電機的動態(tài)特性、伺服電機控制。在運動過程中，絕大多數(shù)電能都有伺服電機消耗。

有以下幾種問題分析思路，可以降低機器人的能耗：

（1）尋找能耗最低的工作路徑。

（2）優(yōu)化機器人的工作流程，降低機器人需要進行加速的次數(shù)，降低加速度。

（3）對機器人的運動速度進行控制。

（4）對機器人的動作狀態(tài)進行合理安排。

（5）改用更加先進的電機，提升能量轉(zhuǎn)化效率。

這次研究是通過對機器人的運動速度進行控制，從而獲得機器人最小能耗的策略。

2.2　能耗分析

在工業(yè)機器人選擇所使用的電機時，主要選擇交流伺服電機、交流伺服電機無線電刷以及換向器，這些電機和電器，具有較高的可靠性，不需要太高的維護保養(yǎng)需求，而且慣量小，定子繞組散熱方便，而且能適應(yīng)高速大力矩的工作狀態(tài)。作為工業(yè)機器人能耗占用比較大的部分，降低伺服電機的能耗可以伺服電機能耗的降低就意味著機器人總體能耗的大幅度降低。

電子技術(shù)的發(fā)展，促進了交流私服電機的技術(shù)革新，交流伺服電機的驅(qū)動技術(shù)取得了大量成果。所以，如果是僅僅通過提升電機性能上去研究能耗的降低方法，并沒有太多的研究意義，研究能耗降低需要一些其他的路徑。可以優(yōu)化機器人的工作軌跡，得到工作軌跡的最優(yōu)解，進而使機器人的工作能耗降低。當確定了最佳軌跡之后，還需要尋找與這個軌跡相匹配的最佳速度，保證機器人的整個運動狀態(tài)，都符合低能耗策略。慣性力作用的做工，是產(chǎn)生能耗的主要方式，當機器人進行加速或減速，其能耗高于機器人進行勻速運動時，應(yīng)該盡量讓機器人減少加速減速這些動作，或者，也可以對機器人加減速與勻速運動進行合理安排，進而降低能耗。

伺服電機由兩個主要部分構(gòu)成，定子和轉(zhuǎn)子。定子負責支撐整個電機和固定磁極，轉(zhuǎn)子對電動勢進行感應(yīng)。這兩種結(jié)構(gòu)進行配合，完成對電能向機械能的轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)子進行工作時，所受主要作用的是電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩讓機械產(chǎn)生負載轉(zhuǎn)動，電動機平衡公式為：

在上面的等式中，Tem是交流電伺服電機的電磁轉(zhuǎn)矩，Tm為電機軸上的輸出轉(zhuǎn)矩，T0是由機械損耗、鐵芯損耗和雜損耗所產(chǎn)生的空載制動轉(zhuǎn)矩。

工業(yè)機器人的機械損耗、鐵芯損耗和雜損耗引起的空載制動轉(zhuǎn)矩相比于機械負載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要小得多，因此，空載制動轉(zhuǎn)矩可以省略，對上面的等式進行修改，得到：

在此之上，根據(jù)電動機轉(zhuǎn)矩的特性，

可以推到得到電機機械負載制動轉(zhuǎn)矩與電機輸電電流的計算公式，并最終得到機器人各關(guān)節(jié)力矩和伺服電流大小的關(guān)系：

因此可以得出，機器人不同關(guān)節(jié)之間的電流：

在工業(yè)機器人進行工作時，電機通常都在勻速運轉(zhuǎn)。當機器人需要進行加速和減速，就需要施加加速度給機器人臂，改變機器人的運動狀態(tài)會消耗比勻速運轉(zhuǎn)更多的能量，當機器人處在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，因為其恒定的轉(zhuǎn)速，消耗的能量比較小。對上式進行推導之后，可以得到機器人消耗的總能量，并且可以用MATLAB進行驗證，計算出最小值。進行驗證時，必須充分考慮最大轉(zhuǎn)速對機器人工作狀態(tài)的限制，并給出機器人所需要的工作時間，使用最后求得的最佳路徑，來對機器人的工作進行規(guī)劃。

3　結(jié)束語

本文對工業(yè)機器人進行了理論分析，并且找到了提升機器人效率的思路，通過對機器人進行動力學建模和能耗建模，對機器人在勻速運動時的運動狀態(tài)進行了推導?？梢栽趯ζ渌愋蜋C器人進行最小能耗策略規(guī)劃時，也采用本文這樣的思路。這個研究仍然沒有全面解決機器人的能耗優(yōu)化，僅僅考慮了勻速上的優(yōu)化，而沒有考慮到加減速的情況，工業(yè)機器人在進行加減速時，是能耗最高的時候，這些情況，這是最需要進行探究的。文章主要為了拋磚引玉，能夠在思路指出一些方向，幫助研究人員對機器人工作中能耗最小進行驗證。