從新松看工業機器人關鍵技術

王金濤

工業機器人是當前先進制造技術的典型代表，在制造業中擁有巨大的發揮空間，并持續帶動社會生產水平的提高。工業機器人作為推動制造變革的催化劑，該領域的新產品和新技術研發持續引發社會關注。本文將以新松工業機器人為例，著重分析探討工業機器人若干關鍵技術要點。

工業機器人被重新定義

如今機器人的發展進入了全新的R2.0時代，并被賦予了新的概念（是一種具備感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，具有高度靈活性的自動化機器）。機器人正成為各行各業、各工藝工序的作業專家能手，以新松為例，其工業機器人成熟具備了焊接、磨拋、噴涂、裝配、搬碼、上下料等工藝包與專家系統，廣泛服務于汽車、航空航天、船舶制造、電子電氣、食品醫療等領域。

對比五年前的傳統機器人，現在的工業機器人已經打破了技術壁壘，成為一種具有自感知、自決策、自執行的智能生產工具。一是自感知功能，以用戶個性化定制為主線，通過視覺或力控技術幫助機器人作業，采用力位混合的柔性控制技術等，都是在傳統的工業機器人上外加各類智能傳感器輔助、實現信息的感知與融合，從而指導下一步工作。二是自決策功能，使用各種工藝專家數據庫來共享經驗知識，將機器人與工業物聯網的系統融合構建MES，以智能互聯為基礎，實現智能控制、決策及交互。三是自執行功能，以全流程整合為方法，建立智能化生產機制，通常會配套智能離線編程軟件來實現免示教作業及柔性路徑的自主規劃，實現快速編程與自編程，快速就位與換產等，同時重視操作性和實用化，達到智能生產的目的。

新松工業機器人關鍵技術

工業機器人是集計算機、機械、電子、控制等諸多學科于一體的自動化設備，具有較高的技術附加價值，接下來就新松工業機器人的幾項關鍵技術展開介紹。

一、新松工業機器人核心控制技術

1.網絡化控制器

隨著機器人的工程應用越來越多，機器人控制器的聯網技術變得越來越重要。首先，控制器需要支持更多的協議擴展與通信接口，具備各類現場總線及工業以太網的聯網功能，實現機機融合，便于對生產環節進行監管及優化。其次，為更好地解決機器人復雜作業中指令過多的問題，提高作業存儲的安全性，控制器的存儲形式向多元化發展，存儲容量也順勢得到了顯著提升，實現了機器人作業和指令的海量安全存儲。

2.路徑控制技術

（1）連續軌跡規劃技術

機器人位置控制分為點位式和軌跡式兩種方式。連續軌跡算法一直是工業機器人軌跡規劃技術的重要組成部分，是性能優化的關鍵體現。新松工業機器人通過對位置給定信號按照優化的時間間隔進行速度合成與插值計算，建立優化路徑控制的目標函數，從而實現連續軌跡控制。連續軌跡規劃技術保證了機器人運動軌跡的圓滑過渡，提高過渡區域的速度，減少過渡所需時間，充分發揮工業機器人的能力。

（2）振動抑制技術

柔性化是工業機器人的發展趨勢之一。工業機器人運動結束之后由于關節柔性和連桿柔性，將引起機械臂的殘余振動，通用方法是采用伺服驅動器的減振濾波功能，實現振動抑制效果。但該方法會導致跟蹤差增大，機器人軌跡精度變差。新松工業機器人創新的振動抑制技術基于軌跡規劃抑振，從根源上解決機械臂殘余振動問題，從而克服了通過驅動器減振濾波方式導致軌跡精度變差的缺陷，同時也加強了機器人運動終止時的精確定位。

3.動力學補償技術

工業機器人動力學研究的是關節力、力矩與關節運動的關系，主要目的是通過動力學模型來計算出工業機器人各關節在進行目標運動時各關節驅動器所應提供的力矩大小，并將這一力矩值用于機器人控制。通過動力學補償技術，來解決機器人碰撞保護、上電瞬間抖動、負載辨識、軌跡精度等關鍵問題。

（1）碰撞保護技術

碰撞保護是通過相應的控制策略，避免機器人與障礙物產生碰撞而提高其安全系數的機器人智能安全保護方法。大多數檢測碰撞或碰撞力都是通過添加外部傳感器實現。考慮到工業機器人的實際工作情況和性能要求，新松工業機器人采用機器人自身電機的電流反饋力矩的形式來檢測碰撞，無需額外添加傳感器，檢測范圍能夠覆蓋機器人的整個表面。同時設計并應用了基于自適應濾波算法，對報警閥值自動調整，有效提高碰撞檢測的靈敏度，降低設備的誤報警率。

（2）扭矩前饋控制技術

扭矩前饋控制技術主要針對大負載工況下機器人關節的剛度參數辨識問題進行誤差補償。通過動力學計算出機器人在某一姿態、某一速度下所需的扭矩變化，并將其加算到電流環的輸入環節，使得扭矩輸出可以快速地實現穩態調整，減少偏差，達到預期控制效果。通過扭矩前饋控制技術有效地解決了工業機器人（尤其大負載機器人）上電瞬間由于重力影響出現的瞬間“下垂”抖動;改善了傳統位置模式控制方式下，機器人不同負載、不同速度軌跡精度不一致問題。實際應用中拖拽示教、軟浮動功能也是基于該技術進行的擴展及優化。

（3）負載辨識技術

負載的動力學模型是機器人系統動力學模型的重要部分。機器人柔性化程度的提高以及定制化生產不斷完善，工業機器人負載辨識技術應運而生。工業機器人在同一作業過程中由于末端負載變化，往往會導致機械振動而影響精度，負載的動力學參數一般不能直接得到，也會影響建模精度，因此需要識別機器人末端負載去調整相應的控制參數來保證其具有良好的運動表現。新松工業機器人負載辨識技術是一種無需外接設備，基于伺服電機輸出力矩，通過末端辨識自動計算負載的動力學參數的方法。

（4）剛度補償技術

工業機器人控制中需要考慮彈性變形的作用，變形主要來源于關節和連桿。為精確辨識工業機器人的關節剛度參數，新松工業機器人以動力學為基礎，結合機器人柔度矩陣，使用了剛度補償技術，很大程度上提升了機器人的絕對精度和軌跡精度。以新松210kg機器人為例，測試的絕對精度在剛度補償后效果平穩。