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用于汽車零件組裝的工業(yè)雙臂機(jī)器人的開發(fā)
摘要
一般的工業(yè)機(jī)器人由于只有單只手臂在工作運(yùn)用中有一定的局限性。盡管某些特殊工業(yè)機(jī)器人有雙臂，但它們是單獨(dú)工作的。也就是說，每只手臂在控制下按照其基準(zhǔn)彈道工作，對工作中的合作性不多以考慮，因此，它們在只能完成簡單的合作工作。近來，一些日本汽車生產(chǎn)商對雙臂機(jī)器人的使用產(chǎn)生了濃厚的興趣，因?yàn)樗鼈兡芙M裝汽車零件，而這需要機(jī)器人擁有雙臂，并且通過位置控制和力控制下能協(xié)調(diào)合作。我們正致力于開發(fā)能組裝汽車零件的雙臂機(jī)器人，其手臂的自由度達(dá)6DOF，整體自由度達(dá)3DOF，手臂負(fù)荷達(dá)10kg，可觸范圍達(dá)1.5m。此參數(shù)是為實(shí)現(xiàn)WIA有限公司和機(jī)器人谷有限公司的汽車組裝而設(shè)計(jì)的，并且融合了設(shè)計(jì)概念。
關(guān)鍵詞 ：雙臂機(jī)器人 組裝 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制器
1.簡介
自面世以來，工業(yè)機(jī)器人在各工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。機(jī)器人的應(yīng)用在汽車行業(yè)更為顯著，如果汽車行業(yè)和生產(chǎn)商沒有機(jī)器人，那后果是無法想象的。但是，目前在很多領(lǐng)域仍沒有工業(yè)機(jī)器人能代替人完成需要雙臂操作的工作。一般的工業(yè)機(jī)器人由于只有單只手臂在工作運(yùn)用中有一定的局限性。盡管某些特殊工業(yè)機(jī)器人有雙臂，但它們是單獨(dú)工作的。也就是說，每只手臂在控制下按照其基準(zhǔn)彈道工作，對工作中的合作性不多以考慮，因此，它們在只能完成簡單的合作工作。近來，一些日本汽車生產(chǎn)商對雙臂機(jī)器人的使用產(chǎn)生了濃厚的興趣，因?yàn)樗鼈兡芙M裝汽車零件，而這需要機(jī)器人擁有雙臂，并且通過位置控制和力控制下能協(xié)調(diào)合作[5]。
我們正致力于開發(fā)能組裝汽車零件的雙臂機(jī)器人，其手臂的自由度達(dá)6DOF，整體自由度達(dá)3DOF，手臂負(fù)荷達(dá)10kg，可觸范圍達(dá)1.5m。此參數(shù)是為實(shí)現(xiàn)WIA有限公司和機(jī)器人谷有限公司的汽車組裝而設(shè)計(jì)的，并且融合了設(shè)計(jì)原理。
就一般工業(yè)機(jī)器人而言，用一個(gè)示教箱足以指導(dǎo)機(jī)器人定位操作，因?yàn)槔梦恢没鶞?zhǔn)一個(gè)控制器只控制一只手臂。對于雙臂機(jī)器人，由于雙臂需合作完成零件組裝，控制器必須考慮兩只手臂以及組裝零件產(chǎn)生的相互作用力，光用定位指導(dǎo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?？梢岳秒x線編程技術(shù)，但是我們需要更敏感的指示方法，因此采用了主從式技術(shù)。我們采用兩個(gè)商業(yè)主設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都能達(dá)到6DOF的定位輸入和6DOF的力量輸出。因此，控制器需及時(shí)在0.05-0.01s內(nèi)為從機(jī)器人和主機(jī)器人分別提供15DOF和12DOF反向/正向動(dòng)力。這也正是為什么我們采用基于電腦的控制器的原因。我們將采用運(yùn)動(dòng)工程有限公司和實(shí)時(shí)擴(kuò)展軟件產(chǎn)品有限公司的windows XP專業(yè)版奔騰處理器，引用控制器的原理和結(jié)構(gòu)。
2、雙臂機(jī)器人的工件定義
我們對汽車公司利用雙臂機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)械零件組裝的自動(dòng)化非常感興趣。而齒輪傳動(dòng)和等速萬向接頭的組裝過程是我們的研究目標(biāo)。毫無疑問，這兩個(gè)過程均需要雙臂合作才能完成，也就是所謂的“合作性工作”，所以，單臂機(jī)器人無法應(yīng)用于這些過程。這也是大多數(shù)汽車公司在這些過程中未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的原因之一。
在此，對于這兩個(gè)過程我們不會(huì)詳述，僅展示一些圖片。圖1顯示的是裝配輸送線，它由很多齒輪和軸組成。圖2顯示的是等速萬向接頭生產(chǎn)線，它由兩個(gè)萬向接頭和軸組成。在WIA有限公司，這些都是政府資助的。很多不包含著兩個(gè)過程的汽車零件的生產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。雙臂機(jī)器人是為實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的。
雙臂機(jī)器人的高度需達(dá)1.5m以承受10kgf，克服轉(zhuǎn)矩10N.m，使轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)150deg/s，這就要求可重復(fù)性達(dá)0.1mm。表1列舉了雙臂機(jī)器人要完成目標(biāo)程序的參數(shù)要求。
圖1
圖2
表1
3、機(jī)器人設(shè)計(jì)
雙臂機(jī)器人多種多樣，有不同的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)人形機(jī)器人的軀干自由度達(dá)3DOF，手臂自由度達(dá)6DOF。本課題研究的雙臂機(jī)器人與大多數(shù)人形機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)上有所不同，雖然它們的自由度相同。圖3顯示了它們之間的區(qū)別。大多數(shù)人形機(jī)器人和人有類似的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，但是我們所研究的雙臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)不同，它的雙臂的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和美洲獅的及其相像。我們期望它的動(dòng)作和人類也不一樣。
人形機(jī)器人 本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人
圖3
我們設(shè)計(jì)的雙臂機(jī)器人要運(yùn)用于傳送組裝線和等速萬向接頭組裝線，這要求手臂的末端功能器能360度不停旋轉(zhuǎn)。如果雙臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3左邊所示，那么每只手臂需有一個(gè)額外的旋轉(zhuǎn)夾。這樣，將會(huì)降低其負(fù)荷或者需要更強(qiáng)勁的馬達(dá)系統(tǒng)。因此，選擇了圖3右邊所示的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，最后一個(gè)接頭能使末端功能器實(shí)現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng)，是組裝線360度旋轉(zhuǎn)。另外，這個(gè)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)還要一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是所謂的“解耦”，反向運(yùn)動(dòng)在閉合形式方案下也得以簡單表達(dá)。這都是我們選擇這種運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的原因。
圖4
圖5 雙臂機(jī)器人設(shè)計(jì)工具
圖4顯示的是機(jī)器人右臂的簡單草圖以及符合表1所示參數(shù)的設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)工作分析，預(yù)備了運(yùn)動(dòng)解決方案，并開發(fā)了目光鑒定儀和簡單的雙臂分析工具，以便在制造過程中能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)評估和檢查控制計(jì)算等。圖5顯示的是雙臂機(jī)器人的設(shè)計(jì)工具。
4、控制器設(shè)計(jì)
圖6顯示的是控制器的總體構(gòu)造，它由中心主機(jī)，可是控制器，遙控控制器和機(jī)器人控制器組成。所有這些控制器均基于電腦系統(tǒng)，并且每個(gè)控制器都通過CAN總線相互連接，控制器間可以實(shí)時(shí)交流信息。離線編程，視覺系統(tǒng)和遙控控制器不在本研究范圍內(nèi)，在此只介紹機(jī)器人控制器。
圖6 控制器構(gòu)造
一般的機(jī)器人控制器在機(jī)器人開發(fā)系統(tǒng)中非常實(shí)用，它對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)和控制參數(shù)都起到借鑒作用。相對簡單的機(jī)器人而言，大多數(shù)普通機(jī)器人的控制器是可以利用的。但是要開發(fā)特殊的機(jī)器人，這些控制器則不可用，因?yàn)樗鼈儧]有所謂的“開放式體系結(jié)構(gòu)”。用戶不能存取運(yùn)動(dòng)方程式的源編碼，所以特殊機(jī)器人不能用普通機(jī)器人的控制器。目前市場上還沒有轉(zhuǎn)為雙臂機(jī)器人設(shè)計(jì)的商業(yè)機(jī)器人控制器，因此，必須先開發(fā)雙臂機(jī)器人的專用機(jī)器人控制器。
開發(fā)雙臂機(jī)器人的專用機(jī)器人控制器有兩種方法：開發(fā)特殊的控制器板或使用商業(yè)運(yùn)動(dòng)板。本研究選用了運(yùn)動(dòng)工程有限公司的帶有ZMP網(wǎng)絡(luò)同步并基于電腦的機(jī)器人控制器，此外工業(yè)電腦也正在開發(fā)中。另外還選用了實(shí)時(shí)控制器。ZMP網(wǎng)絡(luò)同步的運(yùn)動(dòng)板是普通的運(yùn)動(dòng)板，它采用的是集成計(jì)算技術(shù)，當(dāng)多根軸同時(shí)工作時(shí)，其控制頻率就降低了。它一次可控制4根48khz的軸，32根2khz的軸。它有明顯的特征那就是將用數(shù)位傳輸運(yùn)用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器上，另外運(yùn)動(dòng)工程支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、RTX、RTLinux的軟件驅(qū)動(dòng)。普通運(yùn)動(dòng)板沒用支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，所以不能用來組成基于電腦的機(jī)器人控制器。
RTX是windows XP的一種實(shí)時(shí)擴(kuò)展，它的中斷等待時(shí)間很短（<10us）。RTLinux是最好的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一，但是對普通用戶而言在Linux系統(tǒng)中很難開發(fā)軟件，因此沒有選擇RTLinux系統(tǒng)。大多數(shù)電腦用戶使用windows XP，并且已經(jīng)開發(fā)出了很多軟件開發(fā)包?？紤]到市場情況，windows XP 是最好的操作系統(tǒng)，但是，windows XP不支持實(shí)時(shí)計(jì)算也不是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以，選擇了RTX。RTX在windows XP的基礎(chǔ)上增加了實(shí)時(shí)計(jì)算功能。圖7顯示了RTX的功能[4]。
圖7 RTX和windows
產(chǎn)品有限公司說RTX在單個(gè)CUP系統(tǒng)下中斷等待時(shí)間克達(dá)10us，但是我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和他們說的有所出入，因此選擇了雙核奔騰處理器。如果CPU大于兩核或是兩個(gè)CPU，那么RTX能不受windowsXP的影響而充分利用單核或者單個(gè)CPU。所以，即使電腦由于藍(lán)屏關(guān)機(jī)RTX也能在測試時(shí)保證中斷等待時(shí)間不少于2us。
用有獨(dú)自控制運(yùn)算法則和軸插值的運(yùn)動(dòng)板組裝基于電腦的機(jī)器人控制器，主從控制器的同步性至關(guān)重要。RTX要有自己的計(jì)時(shí)器，運(yùn)動(dòng)板也使用單獨(dú)的計(jì)時(shí)器，所以選擇了ZMP網(wǎng)絡(luò)同步簡單機(jī)械霧化油槍[3]。
ZMP運(yùn)動(dòng)控制器能夠以特定頻率中斷主機(jī)，且頻率是控制器樣品頻率的幾倍。該主從式中斷被稱為同步中斷。對于需要使控制器和樣品所需的計(jì)算數(shù)據(jù)同步的系統(tǒng)，ZMP固件都有一個(gè)主程序標(biāo)志。這個(gè)標(biāo)志用于顯示主機(jī)軟件正在工作，并將所需的數(shù)據(jù)傳輸給ZMP，它是在主機(jī)工作后數(shù)據(jù)傳輸前由同步器同步開啟的。當(dāng)所有程序完成后未進(jìn)入休眠和等待下一個(gè)同步前主程序標(biāo)志會(huì)被主機(jī)清除。ZMP軟件能在每個(gè)周期開始工作前檢查主程序標(biāo)志，如果主程序標(biāo)志在開始工作時(shí)是一個(gè)靜止的點(diǎn)，那么軟件便會(huì)在控制對象內(nèi)設(shè)置一個(gè)狀態(tài)位以表示主機(jī)未及時(shí)完成工作任務(wù)。圖9顯示了電腦主機(jī)和運(yùn)動(dòng)板（ZMP）在是如何同步使用的[3]。
5、總結(jié)
雙臂機(jī)器人應(yīng)用于汽車零件足證過程，它的控制器采用了工業(yè)電腦、ZMP運(yùn)動(dòng)板、微軟windows XP和RTX技術(shù)。介紹了雙臂機(jī)器人設(shè)計(jì)理念和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，主機(jī)和ZMP運(yùn)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)同步的方法以及RTX達(dá)到最短中斷等待時(shí)間的方法。
圖9運(yùn)動(dòng)板和主機(jī)的同步性
謝辭
感謝MOCIE和慶尚南道政府對本研究的大力支持。
參考文獻(xiàn)
1] Mark W. Spong, M. Vidyasagar, Robot dynamics
and control. John wiley & Sons, 1989
[2] John J. Craig, Introduction to Robotics, Addison
Wesley, 1989
[3] http://support.motioneng.com/Software-MPI/Top
ics/sync_interrupt.htm
[4] RTX Datasheet, Ardence (www.ardence.com)
[5] www.yaskawa.com