Industriële robot is een geheel van machines, elektronica, besturing, computers, sensoren, kunstmatige intelligentie en andere multidisciplinaire geavanceerde technologie in een van de moderne productie-industrie in de belangrijke automatiseringsapparatuur. Robotica, CNC-technologie en PLC-technologie staan bekend als de drie belangrijkste ondersteunende technologieën voor industriële automatisering. Roboticatechnologie en haar producten ontwikkelen zich zeer snel en zijn de automatiseringstools geworden voor flexibele productiesystemen (FMS), fabrieksautomatisering (FA), computergeïntegreerde productiesystemen (CIMS), evenals een belangrijk onderdeel van de intelligente industrie 4.0-fabriek.
1. Samenstelling en prestatie-indicatoren van industriële robotsystemen
1) Samenstelling van industriële robotsystemen
Een industriële robot is een manipulator met meerdere- gewrichten of een machine met meerdere- graden-- vrijheidsgraden, gericht op het industriële veld, die automatisch werk kan uitvoeren, en is een soort machine die afhankelijk is van zijn eigen kracht en controlevermogen om verschillende functies te realiseren. Het kan menselijk commando aanvaarden, of werken volgens een voor-voorgeprogrammeerd programma. Moderne industriële robots kunnen ook gebaseerd zijn op kunstmatige intelligentietechnologie om het principe van programma-actie te ontwikkelen. Een typische industriële robot wordt getoond in Figuur 1. Industriële robots kunnen worden onderverdeeld in drie generaties, afhankelijk van het niveau van technologische ontwikkeling: de eerste generatie demonstratieve reproductierobots, de tweede generatie perceptuele robots en de derde generatie intelligente robots.
De eerste generatie industriële robots bestaat qua externe structuur uit drie hoofdonderdelen: de operator (of robotlichaam), de controller en de demonstrator. Tot de tweede en derde generatie industriële robots behoren ook perceptiesystemen en analyse- en besluitvorming-systemen, die respectievelijk worden gerealiseerd door sensoren en software.
(1) Exploitant:Het hoofdgedeelte van de machine dat wordt gebruikt om verschillende operationele taken uit te voeren, en dat voornamelijk een robotarm, een aandrijfeenheid, een transmissie-eenheid en interne sensoren bevat.
(2) Verwerkingsverantwoordelijke:Het is het apparaat dat het robotlichaam bestuurt om bepaalde acties uit te voeren volgens de instructies en sensorinformatie, wat het belangrijkste onderdeel is om de functie en prestaties van de robot te bepalen, en ook het snelst update- en ontwikkelingsdeel van de industriële robot.
(3) Docent:Het is de menselijke-machine-interactie-interface van de robot, waarmee de operator de robot kan programmeren of de robot handmatig kan manipuleren om te bewegen.
Industriële robots zijn functioneel samengesteld uit drie hoofdonderdelen en zes subsystemen. De hoofdonderdelen zijn het mechanische deel, het besturingsdeel en het sensorgedeelte. De subsystemen zijn het aandrijfsysteem, het mechanische structuursysteem, het menselijke-machine-interactiesysteem, het besturingssysteem, het sensorsysteem en het robot-omgevingsinteractiesysteem.
2) Prestatie-index van industriële robots
De prestatie-index van industriële robots zijn de technische gegevens die door de robotfabrikant worden verstrekt op het moment van productlevering en die het toepassingsgebied en de werkprestaties van de robot weerspiegelen, waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van een robot. Hoewel de door de robotfabrikant verstrekte technische gegevens niet precies hetzelfde zijn, zijn de structuur van industriële robots, toepassingen en gebruikersbehoeften niet hetzelfde, maar de belangrijkste prestatie-indicatoren zijn over het algemeen: vrijheidsgraden, werknauwkeurigheid, werkbereik, nominale belasting, maximale werksnelheid.
Het is belangrijk op te merken dat een robot singulariteiten kan hebben binnen zijn werkingsbereik. Singulariteiten zijn punten waar gewrichten in bepaalde richtingen vrijheidsgraden verliezen als gevolg van beperkingen in de robotstructuur. Singulariteiten bevinden zich meestal aan de randen van de werkruimte, en wanneer singulariteiten bij elkaar worden gegroepeerd, worden ze "leegtes" genoemd. Wanneer de robot in de buurt van een singulariteit beweegt, verandert de houding van de gewrichten drastisch door het geleidelijke verlies van vrijheidsgraden, wat resulteert in een grote belasting van het aandrijfsysteem en overbelasting. Daarom vereist het werkbereik van robots met singulariteiten ook het verwijderen van singulariteiten en holtes.
2. Controle van industriële robots
1) Kenmerken en eisen van industriële robotbesturing
De bewegingen van de gewrichten van de meeste industriële robots zijn onafhankelijk van elkaar, en coördinatie van meerdere gewrichten is vereist om positionele nauwkeurigheid van de eindeffector van de robot te bereiken. Daarom is het industriële robotbesturingssysteem complexer dan een gewoon besturingssysteem en heeft het de volgende kenmerken:
(1) Het is in wezen een niet-lineair systeem.
(2) Het is een multivariabel besturingssysteem dat bestaat uit meerdere verbindingen, en er is koppeling tussen de verbindingen.
(3) Het is een in de tijd-variërend systeem waarvan de dynamische parameters veranderen met de verandering van de gewrichtsbewegingspositie.
(4) Het is vereist om de omgevingsomstandigheden en controle-instructies te meten en analyseren, en automatisch de beste controlewet te selecteren.
(5) Het heeft een hoge herhaalbare positioneringsnauwkeurigheid en een goede systeemstijfheid.
(6) Positieoverschrijding is niet toegestaan, anders kan er een botsing optreden en moet de dynamische respons snel zijn.
Aangezien industriële robotbesturing bovengenoemde kenmerken heeft, moet bij het ontwerpen van het industriële robotbesturingssysteem aan de volgende basiseisen worden voldaan:
(1) Gecoördineerde controle van beweging over meerdere- assen om het vereiste werktraject te produceren.
(2) Hoge positionele nauwkeurigheid, een groot snelheidsbereik.
(3) Het statische verschil in snelheid van het systeem moet klein zijn, dat wil zeggen dat het systeem een goede stijfheid moet hebben.
(4) Positie zonder doorschieten, snelle dynamische respons.
(5) Acceleratie- en vertragingsregeling is vereist.
(6) De snelheidsfoutcoëfficiënt van elke verbinding moet zo consistent mogelijk zijn.
(7) Vanuit het oogpunt van de bediening moet het besturingssysteem een goede mens-machine-interface hebben, waardoor de vereisten voor de operator tot een minimum worden beperkt.
(8) Vanuit het oogpunt van de kosten van het systeem is het nodig om de hardwarekosten van het systeem zoveel mogelijk te verlagen en meer gebruik te maken van softwareservomethoden om de prestaties van het besturingssysteem te verbeteren.
2) industriële robotbesturingsmodus
Vanuit de besturingskarakteristieken en besturingseisen van industriële robots omvat de realisatie van de besturing van industriële robots een aantal elementen, die hoofdzakelijk zijn onderverdeeld in de onderste laagbesturing van de robot en de bovenste laagbesturing. Onder hen omvat de besturing op de onderste laag het robotlichaam (dat wil zeggen het mechanische deel), het aandrijfcircuitgedeelte, het sensorgedeelte en de besturingsstrategie (bijvoorbeeld PID-regeling). De besturing op de bovenste laag omvat de bewegingsanalyse van de robot, de padplanning en het softwaregedeelte van de robot [4]. Volgens verschillende categorisatiemethoden kan robotbesturing op verschillende manieren worden geclassificeerd. Volgens het bestuurde object kan het worden onderverdeeld in positieregeling, snelheidsregeling, krachtregeling, koppelregeling, kracht/positie hybride regeling, enz. Dit zijn voornamelijk de onderste laagregeling en de belangrijkste besturingsmethoden worden nu uitgelegd.
(1) Positiecontrole van industriële robots:Het doel is om ervoor te zorgen dat de robotverbindingen de vooraf-geplande beweging realiseren, en er uiteindelijk voor te zorgen dat de industriële robot-het vooraf bepaalde traject volgt, meestal met behulp van een AC-servosysteem of een DC-servosysteem.
(2) Controle van mankracht (koppel) van industriële machines:de noodzaak om de eindeffector van de robot en de omgeving van de beperkingen te analyseren, en om op basis van de beperkingen controlestrategieën te ontwikkelen. Bovendien moet aan het robotuiteinde een krachtsensor worden geïnstalleerd om de contactkracht tussen de robot en de omgeving te detecteren. Het besturingssysteem verwerkt deze krachtinformatie volgens de vooraf- vastgestelde besturingsstrategie en bestuurt vervolgens de robot om in de onzekere omgeving bewerkingen uit te voeren die compatibel zijn met die omgeving, zodat de robot complexe operationele taken kan voltooien.
(3) Snelheidsregeling van industriële robots:meestal gelijktijdig met positieregeling gerealiseerd. In het geval van de continue trajectcontrolemodus moeten industriële robots bijvoorbeeld de snelheid van bewegende delen regelen en versnelling en vertraging implementeren volgens vooraf bepaalde instructies, om te voldoen aan de eisen van soepele bewegingen en nauwkeurige positionering. Omdat de industriële robot een soort variabele werkconditie (of reisbelasting) is, moeten grote bewegingsmachines met traagheidsbelasting, om de tegenstelling tussen snel en soepel aan te pakken, de startversnelling en -vertraging regelen voordat de twee overgangsbewegingssecties worden gestopt. En bij het hele bewegingsproces is meestal snelheidsregeling noodzakelijk.
3) Intelligente besturing van industriële robots
De intelligente besturingsmethode van industriële robots heeft voornamelijk betrekking op de werking onder onzekere of onbekende omstandigheden. De robot moet via sensoren informatie over de omgeving verkrijgen, beslissingen nemen op basis van zijn eigen interne kennisbasis en vervolgens de verschillende actuatoren besturen om de gegeven taak autonoom te voltooien, die tot het hoogste niveau van robotbesturing behoort. Als intelligente besturingstechnologie wordt gebruikt, zal de robot een sterk aanpassingsvermogen aan de omgeving en een zelflerend vermogen hebben. Intelligente controlemethoden zijn nauw verwant aan de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie, zoals kunstmatige neurale netwerken, fuzzy-algoritmen, genetische algoritmen, expertsystemen, enzovoort. De toepassing van neurale netwerkalgoritmen in mobiele robots wordt als voorbeeld gebruikt om de combinatie van intelligente besturing en industriële robots te illustreren.
Als we de mobiele robot in de afbeelding als voorbeeld nemen, wordt de camera bovenop de mobiele robot geïnstalleerd om het drie-dimensionale beeld van het obstakel te verkrijgen. Voor de mobiele robot (direct onder de camera) wordt een ultrasone sensorset gemonteerd om afstandsinformatie tussen het obstakel en de mobiele robot te verkrijgen.
De samensmelting van visuele en ultrasone sensorinformatie wordt uitgevoerd met behulp van neurale netwerkmethoden en wordt naar een hoger niveau gestuurd om het type obstakel te herkennen, waardoor de mobiele robot obstakels kan vermijden tijdens het lopen in een onzekere omgeving en zijn navigatievermogen verbetert. De belangrijkste stappen voor industriële robots om intelligente informatie te gebruiken voor geïntegreerde besluitvorming om obstakels te vermijden zijn als volgt:
(1) Terwijl de robot rijdt, voert het afstandssysteem met korte tussenpozen omgevingsdetectie uit om te bepalen of de mobiele robot moet vertragen en of hij monsters moet nemen van de CCD-camera op basis van de afstandsinformatie over het obstakel verkregen door de ultrasone sensor.
(2) Wanneer de afstand van het obstakel tot de mobiele robot middelgroot is, zoals gedetecteerd door het afstandssysteem, wordt de snelheid van de robot verlaagd; wanneer de afstand van het obstakel tot de mobiele robot klein is, wordt een twee-dimensionaal beeld van het obstakel in kwestie verkregen van de CCD-camera, en worden de coördinaten van de linker- en rechterrand ervan geëxtraheerd.
(3) De informatie over het obstakel verkregen van de ultrasone sensor en de CCD-camera wordt gegroepeerd en voorbewerkt en voor fusie naar de neurale netwerkcontroller van BP gestuurd.
(4) De neurale netwerkcontroller van BP, die vooraf- is aangeleerd met de kennis van het vermijden van obstakels, neemt de overeenkomstige beslissing over het vermijden van obstakels op basis van de informatie verzameld door de externe multi-sensoren en vermijdt de obstakels.
Referenties
[1] Zhu Hongqian. Industriële robottechnologie [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2019. [2] Chen Wanmi. Robotbesturingstechnologie [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2017. [3] Guo Tongying, An Dong. Robotica en haar intelligente besturing [M]. Peking: People's Post and Telecommunications Press, 2014. [4] Zhang Xianmin. Robotica en de toepassing ervan [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2017. [5] Zhang Xinxing. Grondbeginselen van industriële robottoepassing [M]. Peking: Beijing Institute of Technology Press, 2017.