重載搬運機器人的研究進展綜述＊

張秋霞，陳文皓

（江蘇電子信息職業(yè)學院，江蘇 淮安223003）

重載搬運機器人是替代人工搬運的一種自動化產品，人工搬運具有可移動性高、靈活性好，但是勞動強度大的特點；重載搬運機器人具有工作場合廣泛、工作效率高，但是工作空間不可變的特點，融合二者優(yōu)勢，專家們研制出了能夠替代人工搬運的重載搬運機器人。近年來，重載搬運機器人發(fā)展迅速，汽車行業(yè)、電子行業(yè)、橡膠及塑料行業(yè)、船舶行業(yè)、金屬制品行業(yè)、食品行業(yè)均有應用，主要從事分揀、搬運、鑄造和碼垛等工種。

1 國內外重載搬運機器人的發(fā)展

工業(yè)機器人最早起源于美國，1958年，美國成立了世界上第一家機器人公司，并制造了世界上第一臺機械手式的搬運機器人；1960年，美國又出現(xiàn)了用于搬運作業(yè)的搬運機器人Versatran和Unimate[1]；1966年，美國通用公司研制出了“哈迪曼系統(tǒng)”，這套系統(tǒng)有30個活動關節(jié)，一只胳膊承重能力為自身質量的一半。自從1970年，在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術會議以后，人們對工業(yè)機器人的研究進入了快速發(fā)展階段，美國、日本、德國和瑞典的發(fā)展尤其突出。目前，日本的FANUC集團、德國的KUKA集團、瑞典的ABB集團所生產的搬運機器人最能夠代表世界搬運機器人的水平，其中，F(xiàn)ANUC集團主要推出了FANUC系列、OKURA系列等產品；KUKA集團主要推出了KUKA系列、M-系列、KR系列等產品；ABB集團主要推出了ABB系列、IRB系列等產品。2017年，F(xiàn)ANUC集團在上海工博會展出了一款M-410iC/110搬運機器人，該機器人采用通用性法蘭，中空走線，4軸機器人，末端負載能力為110 kg，行程范圍為2 403 mm，前臂驅動采用后置式。

中國工業(yè)機器人與國外相比，起步較晚，技術相對薄弱，但是，隨著國家對機器人產業(yè)的重視和科技的不斷進步，最近幾十年中國機器人產業(yè)發(fā)展迅速，許多高校、科研院所和企業(yè)投入機器人工業(yè)的研究。中國第一臺全液壓式重載搬運機器人是由青島華東工程機械有限公司研發(fā)出來的，上海交通大學機器人研究所與沃迪包裝科技有限公司合作開發(fā)出了TPR系列機器人，哈爾濱博實自動化有限公司、沈陽新松機器人自動化有限公司、盟立自動化科技有限公司等公司在機器人工業(yè)方面發(fā)展迅速，清華大學、北京機械工業(yè)自動化研究所、上海交通大學機器人研究所、武漢理工大學等為中國機器人的發(fā)展作出了極大貢獻。

進入21世紀后，機器人成為了許多國家的支柱性產業(yè)，并制定了國家發(fā)展戰(zhàn)略，例如，法國的“工業(yè)新法國”、德國的“工業(yè)4.0”和中國的“中國制造2025”計劃等，隨著國家政策的出臺，市場將會加快機器人發(fā)展，機器人產業(yè)將會出現(xiàn)穩(wěn)定增長。

2 重載搬運機器人的應用領域

近年來，中國重載搬運機器人銷量逐年攀升，應用領域越來越廣泛，從應用行業(yè)看，汽車制造行業(yè)、電子行業(yè)、橡膠和塑料制品行業(yè)、化學原料和化學制品制造行業(yè)及電氣機械和器材制造行業(yè)應用較為集中，占銷售總量的58%。其中，黑色金屬冶煉和壓延工業(yè)、教育、醫(yī)藥制造業(yè)、專用設備制造業(yè)、家具制造、服裝、服飾業(yè)、酒、飲料和精制茶制造業(yè)增速較快。

重載搬運機器人具有工作效率高、裝配精度高、應用范圍廣等特點，在汽車行業(yè)得到大力發(fā)展，主要應用于焊接、裝配和拆卸等工種，外資品牌的機器人在國內整車廠占據(jù)主導地位，一般與哪個國家合資的汽車企業(yè)會使用哪個國家的機器人，一般的汽車零件廠使用內資品牌的機器人較多，新能源汽車企業(yè)是國內主導的企業(yè)，內資品牌的機器人有望占據(jù)主導地位。隨著機器人裝配精度的提升，許多大型電子企業(yè)引進機器人從事涂層和膠封、裝配和拆卸工作，內資品牌主要集中在膠封工作中，噴涂具有易燃易爆的危險性，內資技術還不能達到。船舶行業(yè)也開啟了中國智能制造的新篇章，引進重載搬運機器人應用于焊接、修補、背燒、上料和卸料等工種，有效解決了工件一致性差、加工誤差大、焊縫組對間隙不規(guī)則等問題。

3 重載搬運機器人的研究內容

通過對國內外專家研究成果整理、分析發(fā)現(xiàn)，重載搬運機器人的研究內容主要包括機器人機械部分設計、運動軌跡規(guī)劃、控制部分設計、運動學分析與仿真、動力學分析[2]。

根據(jù)機器人的機械結構劃分，可分為多關節(jié)型機器人、坐標型機器人、物流機器人和并聯(lián)機器人[3]，根據(jù)重載搬運機器人的實際使用場景，選擇不同機械結構的機器人，規(guī)劃出機器人的主要動作，設計出主要的技術參數(shù)。機械部分設計主要指運動軸結構設計、驅動系統(tǒng)的設計和傳動機構設計，根據(jù)運動軸數(shù)分，分為三軸機器人、四軸機器人、五軸機器人和六軸機器人，驅動系統(tǒng)分為氣動驅動、液壓驅動、電動驅動和綜合驅動，綜合驅動指驅動系統(tǒng)中的兩項或三項綜合起來的驅動形式，可以是直接驅動或間接驅動，間接驅動可以通過齒形皮帶、同步鏈條、齒輪齒條、諧波傳動等方式進行驅動，每種方式的特點、運動方式、傳動距離如表1所示。為保證機器人工作安全、可靠、穩(wěn)定、準確，必須針對具體的用途，對機械結構進行詳細分析，為后續(xù)的控制部分設計奠定理論基礎。

表1 傳動方式比較

運動軌跡指機器人的末端執(zhí)行機構運動時所產生的運動軌跡。運動軌跡的規(guī)劃可分為兩種：規(guī)劃構建與構件之間的關節(jié)角；規(guī)劃末端在空間坐標系中的位置，無論采用哪種規(guī)劃方式，均采用函數(shù)關系進行計算[4]。

控制部分和機械部分是機器人不可缺少的兩部分，控制部分是機器人的電腦控制模塊，是衡量機器人智能化水平的重要標志，關系到所設計產品的優(yōu)劣[5]。控制部分主要包括人機交互界面設計、軟件和硬件設計、驅動系統(tǒng)設計和傳感器設計，所設計內容必須能夠滿足重載搬運要求。目前的控制方案主要有以下三種形式，其優(yōu)缺點如表2所示。控制方案選擇時，既要考慮到實際使用環(huán)境、用戶操作簡單方便、數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控診斷與通訊等功能，也要考慮到性價比、維修方便、后續(xù)升級改造等因素。

表2 控制方案

運動學分析與仿真指借助AutoCAD、CAM等三維建模軟件創(chuàng)建機器人的三維模型，利用ADAMS、SAP、SolidWorks Motion、Ansys等仿真軟件進行靜態(tài)和動態(tài)分析[6]，檢測機器人在結構上是否存在干涉、碰撞等問題，是否能夠準確地按照設計的軌跡運動，簡化機器人的設計、開發(fā)、生產過程，縮短機器人的開發(fā)周期，節(jié)約生產成本，根據(jù)分析、仿真結果，修改設計、優(yōu)化參數(shù)，進而達到最優(yōu)設計方案。

動力學分析是對機器人進行仿真分析和建模的基礎，動力學模型能夠真實模擬機器人的工作狀況，利用控制算法，實現(xiàn)機器人各個關節(jié)之間的最優(yōu)控制，最終實現(xiàn)高速度、穩(wěn)定控制和準確定位。動力學分析的主要內容是關節(jié)輸入驅動力矩與輸出角位移和角速度等運動特性之間的關系[7]，以此來解決驅動系統(tǒng)的控制問題，實現(xiàn)精確控制，進而達到預期的運動軌跡和動態(tài)性能。

4 重載搬運機器人的優(yōu)化設計思路

針對該項目重載搬運機器人的工作環(huán)境、運動要求，設計重載搬運機器人的類型、構建三維模型、控制設計、運動學以及空間軌跡優(yōu)化分析，實現(xiàn)重載搬運機器人的精確控制與精準定位，主要研究內容如下。

4.1 重載搬運機器人結構模型建立與分析

分析重載搬運機器人的結構參數(shù)、傳動方式與驅動方式的設計選擇，通過理論分析、三維建模完成在非線性運動約束條件下重載搬運的智能助力機器人的傳動尺寸、重心位置、自重等結構參數(shù)的優(yōu)化。

4.2 重載搬運機器人運動軌跡規(guī)劃研究

基于機器人學中的逆運動學，把軌跡上規(guī)定的中間位置點的坐標換算成關節(jié)空間的角度，并添加一些特定的約束，獲取各個關節(jié)量關于時間的函數(shù)。通過這些函數(shù)實現(xiàn)機器人按次序經(jīng)過各個中間位置點。利用關節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法對電機輸入角進行軌跡規(guī)劃，并求得輸入角函數(shù)的樣條曲線，從而機器人以預期的位置和姿態(tài)到達各路徑點。

4.3 伺服驅動控制系統(tǒng)研究

針對重載搬運機器人各關節(jié)之間的位姿運動關系以及外界擾動因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，在決定了系統(tǒng)的結構以后，提出對系統(tǒng)參數(shù)進行辨識的方法。對主控制器與驅動器的接線端子進行分布，編寫了控制系統(tǒng)的底層程序并對其進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了對各軸運動的精確控制。

4.4 人機界面設計

加強工作時的人機交互，采用嵌入式觸摸屏作為上位機，編寫機器人的監(jiān)控程序，實現(xiàn)對機器人的實時監(jiān)控。

4.5 重載搬運機器人搬運重物實驗

在完成以上工作后，進行重載搬運機器人搬運重物實驗，以驗證先前軌跡規(guī)劃和運動控制研究的有效性以及驗證能否達到預期目標。從中也可以看出在將來的重載搬運機器人研究中，可能要求增加控制系統(tǒng)的柔性，比如使用魯棒控制、滑模控制等更加復雜的控制算法來對機器人進行控制。

5 重載搬運機器人的發(fā)展趨勢

近年來，雖然中國重載搬運機器人發(fā)展迅速，但是，與發(fā)達國家相比，在技術方面還是存在一定的差距，自主創(chuàng)新能力不足，大型合資企業(yè)或獨資企業(yè)所使用的重載搬運機器人大多使用合資方國家的機器人，對于中國重載搬運機器人發(fā)展也是一個很大的沖擊。隨著現(xiàn)代信息技術和工業(yè)自動化的快速發(fā)展，中國重載搬運機器人發(fā)展迅速，發(fā)展勢頭良好，主要的發(fā)展趨勢如下。

5.1 智能一體化

將機器人本體與控制器、驅動器與電機組合成一體，利用總線技術，將人機交互界面、運算控制、編碼器反饋和電機集成一體化控制系統(tǒng)。機器人不但能夠檢測自身狀況，而且可以通過分析、判斷、處理外部環(huán)境的變化。

5.2 輕量化

目前機器人所使用的材料主要是高強度不銹鋼、鋁合金等，與“中國制造2025”提出的新型復合材料碳纖維相比，質量較重，隨著研發(fā)的深入，碳纖維材料有望在重載搬運機器人的零部件中使用。

5.3 虛擬調試

將機器人調試、電氣調試、離線編程等聯(lián)調的模塊和設備，合并到可視化頁面中，進行測試和驗證虛擬環(huán)境中的機器人和電氣系統(tǒng)以及其他相關參數(shù)，在非現(xiàn)場環(huán)境下進行維護保養(yǎng)與維修。

6 結語

重載搬運機器人是集機械結構、電控系統(tǒng)于一體的一種自動化設備，近年來，雖然在許多領域得到了廣泛應用，但是在柔性、效率、精度、適用范圍和可靠性方面還有待進一步提高。