Az ipari robot gépek, elektronika, vezérlés, számítógépek, érzékelők, mesterséges intelligencia és egyéb multidiszciplináris fejlett technológia halmaza a modern gyáripar egyik fontos automatizálási berendezésében. A robotika, a CNC technológia és a PLC technológia az ipari automatizálás három fő támogató technológiájaként ismert. A robottechnológia és termékei rendkívül gyorsan fejlődnek, és a rugalmas gyártási rendszer (FMS), a gyárautomatizálás (FA), a számítógépes integrált gyártási rendszer (CIMS) automatizálási eszközeivé váltak, valamint az ipari 4.0 intelligens gyár fontos részévé váltak.
1. Ipari robotrendszer összetétele és teljesítménymutatói
1) Ipari robotrendszer összetétele
Az ipari robot egy több-csuklós manipulátor vagy több-fokú-, ipari területre orientált-szabadsági gépeszköz, amely automatikusan is képes munkát végezni, és egyfajta gép, amely saját erejére és vezérlési képességére támaszkodik a különféle funkciók megvalósításához. Képes emberi parancsot fogadni, vagy előre programozott program szerint futni, a modern ipari robotok mesterséges intelligencia technológián is alapulhatnak a program cselekvési elvének fejlesztéséhez. Egy tipikus ipari robotot az 1. ábra mutat be. Az ipari robotok három generációra oszthatók a technológiai fejlettség szerint: a demonstratív reprodukciós robotok első generációja, az észlelő robotok második generációja és az intelligens robotok harmadik generációja.
Az ipari robotok első generációja külső felépítését tekintve három fő részből áll: a kezelőből (vagy robottestből), a vezérlőből és a demonstrátorból. Az ipari robotok második és harmadik generációja szintén érzékelési rendszert, valamint elemző és döntéshozó rendszert{1}} tartalmaz, amelyeket érzékelők, illetve szoftverek valósítanak meg.
(1) Üzemeltető:A különféle műveleti feladatok elvégzésére szolgáló gép törzsrésze, amely főként robotkart, hajtóegységet, átviteli egységet és belső érzékelőket tartalmaz.
(2) Vezérlő:Ez az eszköz a robot testének vezérlésére, hogy bizonyos műveleteket az utasítások és az érzékelő információi szerint hajtson végre, ami kulcsfontosságú a robot működésének és teljesítményének meghatározásához, valamint az ipari robot leggyorsabban frissítő és fejlődő része.
(3) Tanár:Ez a robot emberi-gép interakciós felülete, amelyen keresztül a kezelő programozhatja a robotot, vagy manuálisan manipulálhatja a robot mozgását.
Az ipari robotok funkcionálisan 3 fő részből állnak, és 6 alrendszerből. 3 a fő részek a mechanikai részből, a vezérlő részből és az érzékelő részből. 6 a meghajtórendszer, a mechanikus szerkezeti rendszer, az emberi-gép interakciós rendszer, a vezérlőrendszer, az érzékelő rendszer és a robot-környezeti interakciós rendszer.
2) Ipari robot teljesítményindex
Az ipari robotok teljesítményindexe a robot gyártója által a termék átadásakor megadott műszaki adatok, amelyek tükrözik a robot alkalmazási körét és munkateljesítményét, amit a robot kiválasztásakor feltétlenül figyelembe kell venni. Bár a robotgyártó által megadott műszaki adatok nem teljesen azonosak, az ipari robotok felépítése, az alkalmazások és a felhasználói igények nem azonosak, de főbb teljesítménymutatói általában: szabadsági fokok, munkapontosság, munkatartomány, névleges terhelés, maximális munkasebesség.
Fontos megjegyezni, hogy a robotnak lehetnek szingularitásai a működési tartományon belül. A szingularitások olyan pontok, ahol az ízületek bizonyos irányokban szabadságfokot veszítenek a robotszerkezet korlátai miatt. A szingularitások általában a munkaterület szélein találhatók, és amikor a szingularitásokat csoportosítják, "üresnek" nevezik őket. Amikor a robot egy szingularitás közelében mozog, az ízületek helyzete drasztikusan megváltozik a szabadságfokok fokozatos elvesztése miatt, ami nagy terhelést és túlterhelést eredményez a hajtásrendszeren. Ezért a szingularitásokkal rendelkező robotok működési tartománya megköveteli a szingularitások és üregek eltávolítását is.
2. Ipari robotok irányítása
1) Az ipari robotvezérlés jellemzői és követelményei
A legtöbb ipari robot csuklóinak mozgásai függetlenek egymástól, és több ízület koordinációja szükséges a robotvég{0}}effektor helyzeti pontosságának eléréséhez. Ezért az ipari robotvezérlő rendszer összetettebb, mint egy hagyományos vezérlőrendszer, és a következő jellemzőkkel rendelkezik:
(1) Ez lényegében egy nemlineáris rendszer.
(2) Ez egy többváltozós vezérlőrendszer, amely több csuklóból áll, és az ízületek között csatolás van.
(3) Ez egy időben változó rendszer, amelynek dinamikus paraméterei az ízületi mozgás pozíciójának változásával változnak.
(4) A környezeti feltételek és szabályozási utasítások mérése és elemzése, valamint a legjobb szabályozási törvény automatikus kiválasztása szükséges.
(5) Nagy megismételhető pozicionálási pontossággal és jó rendszermerevséggel rendelkezik.
(6) A pozíciótúllövés nem megengedett, ellenkező esetben ütközés léphet fel, és a dinamikus válasznak gyorsnak kell lennie.
Tekintettel arra, hogy az ipari robotvezérlés rendelkezik a fenti jellemzőkkel, az ipari robotvezérlő rendszer tervezésekor a következő alapvető követelményeknek kell megfelelni:
(1) Több-tengelyes mozgás összehangolt vezérlése a szükséges munkapálya létrehozásához.
(2) Nagy pozicionálási pontosság, nagy sebességtartomány.
(3) A rendszer statikus eltérési sebessége kicsi legyen, azaz a rendszernek jó merevséggel kell rendelkeznie.
(4) Túllövés nélküli pozíció, gyors dinamikus reakció.
(5) Gyorsítás és lassítás szabályozása szükséges.
(6) Az egyes kötések sebességi hibatényezőjének a lehető legkonzisztensebbnek kell lennie.
(7) Működési szempontból a vezérlőrendszernek jó emberi-gépi interfésszel kell rendelkeznie, minimálisra csökkentve a kezelői követelményeket.
(8) A rendszer költsége szempontjából szükséges a rendszer hardverköltségének a lehető legnagyobb mértékű csökkentése, valamint a szoftveres szervo módszerek nagyobb mértékű alkalmazása a vezérlőrendszer teljesítményének javítása érdekében.
2) ipari robotvezérlési mód
Az ipari robotok vezérlési jellemzőiből és vezérlési követelményei közül az ipari robotok vezérlésének megvalósítása számos elemet foglal magában, amelyek főként a robot alsó és felső rétegbeli vezérlésére oszlanak. Ezek közül az alsó réteg szabályozása tartalmazza a robottestet (azaz a mechanikus részt), a meghajtó áramköri részt, az érzékelő részt és a vezérlési stratégiát (pl. PID szabályozás). A felső szintű vezérlés magában foglalja a robot mozgáselemzését, útvonaltervezését és a robot szoftveres részét [4]. A különböző kategorizálási módszerek szerint a robotvezérlést többféleképpen osztályozhatjuk. A vezérelt objektum szerint helyzetszabályozásra, fordulatszám-szabályozásra, erőszabályozásra, nyomatékszabályozásra, erő/pozíció hibrid vezérlésre stb. osztható fel. Ezek elsősorban az alsó réteg szabályozása, és most a főbb vezérlési módszereket ismertetjük.
(1) ipari robot helyzetszabályozás:a cél az, hogy a robot csuklóit megvalósítsa az előre-eltervezett mozgást, és végső soron biztosítsa, hogy az ipari robotvég-effektor egy előre meghatározott pályán fusson, általában AC szervorendszert vagy egyenáramú szervorendszert használva.
(2) Ipari gépek munkaerő (nyomaték) szabályozása:a robotvég-effektor és a kényszerállapot környezetének elemzésének szükségessége, valamint a megszorítások szerint irányítási stratégiák kidolgozása. Ezenkívül egy erőérzékelőt kell felszerelni a robot végére, hogy érzékelje a robot és a környezet közötti érintkezési erőt. A vezérlőrendszer az előre meghatározott irányítási stratégia szerint dolgozza fel ezeket az erőinformációkat, majd vezérli a robotot, hogy a bizonytalan környezetben olyan műveleteket hajtson végre, amelyek kompatibilisek azzal a környezettel, hogy a robot bonyolult műveleti feladatokat hajtson végre.
(3) Ipari robot sebességszabályozás:általában a helyzetszabályozással egyidejűleg valósul meg. Például folyamatos pályavezérlési mód esetén az ipari robotoknak szabályozniuk kell a mozgó alkatrészek sebességét, és előre meghatározott utasítások szerint gyorsítást és lassítást kell végrehajtaniuk, hogy megfeleljenek a gördülékeny mozgás és a pontos pozicionálás követelményeinek. Mivel az ipari robot egyfajta munkakörülmények (vagy utazási terhelés) változó, tehetetlenségi terhelésű nagy mozgású gépek, a gyors és a sima közötti ellentmondás kezeléséhez a két átmeneti mozgásszakasz leállítása előtt vezérelni kell az indítási gyorsulást és lassulást. És az egész mozgási folyamatban általában szükség van sebességszabályozásra.
3) Ipari robotok intelligens vezérlése
Az ipari robotok intelligens vezérlési módja elsősorban a bizonytalan vagy ismeretlen körülmények közötti működésre vonatkozik, a robotnak szenzorokon keresztül információt kell szereznie a környező környezetről, saját belső tudásbázisa szerint kell döntéseket hoznia, majd a különböző aktuátorokat vezérelnie kell az adott feladat önálló elvégzéséhez, ami a robotirányítás felső szintjéhez tartozik. Ha intelligens vezérlési technológiát használnak, a robot erős környezeti alkalmazkodóképességgel és{1}}öntanuló képességgel rendelkezik. Az intelligens vezérlési módszerek szorosan kapcsolódnak a mesterséges intelligencia fejlesztéséhez, mint például a mesterséges neurális hálózatok, fuzzy algoritmusok, genetikai algoritmusok, szakértői rendszerek és így tovább. Az intelligens vezérlés és az ipari robotok kombinációjának bemutatására példaként a neurális hálózati algoritmusok mobil robotokban való alkalmazását használják.
Példaként az ábrán látható mobil robotot tekintve a kamera a mobil robot tetejére van felszerelve, hogy megkapja az akadály háromdimenziós képét. A mobil robot elé (közvetlenül a kamera alá) egy ultrahangos szenzorkészletet szerelnek fel, amely információt kap az akadály és a mobil robot közötti távolságról.
A vizuális és az ultrahangos szenzorinformációk fúziója neurális hálózati módszerekkel történik, és a következő szintre történő kimenet az akadály típusának felismeréséhez, amely lehetővé teszi a mobil robot számára, hogy elkerülje az akadályokat, amikor egy bizonytalan környezetben jár, és javítja navigációs képességét. Az ipari robotok fő lépései az intelligens információk integrált döntéshozatalhoz történő felhasználásához az akadályok elkerülése érdekében a következők:
(1) Amíg a robot halad, a távolságmérő rendszer rövid időközönként környezetérzékelést végez annak megállapítására, hogy a mobil robotnak le kell-e lassítania, és kell-e mintát vennie a CCD kamerából az ultrahangos érzékelő által az akadályról kapott távolságinformáció alapján.
(2) Ha az akadály távolsága a mobil robottól közepes, amint azt a távolságmérő rendszer érzékeli, a robot sebessége csökken; amikor az akadály távolsága a mobil robottól közel van, a CCD kamerából kétdimenziós képet kapunk a kérdéses akadályról, és kinyerjük annak bal és jobb élének koordinátáit.
(3) Az ultrahangos érzékelőtől és a CCD kamerától kapott, az akadályra vonatkozó információkat csoportosítják, előfeldolgozzák, majd a BP neurális hálózati vezérlőhöz fúzió céljából elküldik.
(4) A BP neurális hálózati vezérlő, amely elő-tanult az akadályelkerülés ismeretében, a külső multi- szenzorok által gyűjtött információk alapján hozza meg az akadályelkerülés megfelelő döntését, és elkerüli az akadályokat.
Hivatkozások
[1] Zhu Hongqian. Ipari robottechnológia [M]. Peking: Machinery Industry Press, 2019. [2] Chen Wanmi. Robotvezérlési technológia [M]. Peking: Machinery Industry Press, 2017. [3] Guo Tongying, An Dong. A robotika és intelligens vezérlése [M]. Peking: People's Posts and Telecommunications Press, 2014. [4] Zhang Xianmin. A robotika és alkalmazása [M]. Peking: Machinery Industry Press, 2017. [5] Zhang Xinxing. Az ipari robotalkalmazás alapjai [M]. Peking: Peking Institute of Technology Press, 2017.