焊接机械手控制系统设计-英文译文

1、附件C：译文.重庆大学本科学生毕业设计(论文)附件C 指点教师评定成果(五级制)：指点教师签字：附件C：译文从工业的角度看机器人控制开展的现状和前景Torgny BrogardhABB机器人、SE-721stera 68 Va瑞典2006年10月5日投稿2007年1月14日发表2007年5月4日网上刊登摘要：对于机器人制造商来说机器人控制技术是一项中心竞争力。为了改善机器人性能、减小机器人本钱和开发新的功能，机器人制造商做了大量的研发任务。当今，在这一开展领域最引人注目的是多机器人控制、平安控制、力控制、三维视觉、远程控制机器人的监视和无线通讯等。目前人们正在研讨受害于这些研发的技术运用和机器

2、人制造商所面临的技术挑战。现阶段，基于模型的控制是工业机器人控制的关键技术。虽然本钱压力致使机器人机械构造更加难以控制，为了满足更高的性能要求，控制模型和控制方案还是越来越准确。可以从某些领域找到机器人未来开展的驱动力。这些领域包括汽车行业新的机器人技术，特别是在中小型企业、食品工业、铸造厂等的最后组装以及大型构造的加工和装配领域。在这里本文提出了未来机器人控制开展的一些情况。一种情况是，轻型机器人的概念能够对未来汽车制造和中小型企业SME的自动化产生影响。这样的开展能够导致模块化机器人和在机器人臂构造上运用传感器的控制方案的诞生。上面提到的这种传感器也可以用于冗余平安控制的实现。高度模块化机

3、器人的引进将添加机器人对安装支持的需求，这样就使得即插即用功能变得更为重要。获得高度模块化机器人的一种途径是利用近年来开展起来的一种新型的并行构造机器人构造。相对于机器人底座来说并行机器人构造有很大的任务空间。为进一步有效地运用机器人,自顺应机器人方案就被提了出来，这意味着机器人在执行不同的程序是所产生的热应力和疲劳应力分别得到了控制优化。上述陈说的主要结论是:工业机器人的开展是在远离它的限制, 需求大量的研讨和开发来获得一个工业机器人自动化更广泛运用。#2007爱思唯尔保管一切权益。关键词:工业机器人,机器人控制;控制功能;控制运用简介工业机器人开展的特点是一个大范围的多学科技术的交融。这些

4、技术很多都不是特定面向机器人的，可以经过其他更广泛的产品领域得到开展。然而，机器人控制，尤其是机器人运动控制，对不同的机器人产品相差很大，同时构成了对工业机器人的开展最重要的关键才干之一。经过运用和开展先进的控制技术,就有能够不断提高机器人的性能,这对于工业机器人自动化性能的提高和本钱的降低是很有必要的。应该强调的是，汽车产业包括他们的供应链是今天主导客户forindustrial机器人结合国欧洲经济委员会，2004。这意味着出自这种类型的制造系统的要求很大程度上驱动着机器人的开展。所以,如今的大多数机器人,都顺应在非常猛烈的竞争环境下高容量柔性消费的本钱敏感性。对机器人制造商来说，对本钱、效

5、率、高可靠性和高消费率的根本要求有必要做出很大的努力。而且,有必要使机器人控制与工厂自动化系统的诸如运用协议、通讯系统、I / O接口、PLC设备、用户界面、工艺设备等相顺应，以到达不同机器人产品之间的最正确利用和最短的切换时间。(RIA及美国国家规范与技术研讨院,2000年)。世界汽车工业,将是上述陈说观念的腾飞点，完全机器人自动化通常出如今汽车车身总成、锻压、油漆和涂料。发动机和动力总成在某种程度上也实现了机器人自动化(ABB-1,2003年)。这些运用技术曾经很好的建立起来，机器人的一些特征诸如安装、编程、集成、维修、性能和功能被不断完善。从控制的观念来看, 这意味着对鲁棒性，稳定性和精

6、度方面的要求提高了。与此同时，本钱压力意味着需求开展少器具有更复杂的机械振动模态和更大的动态变化的刚性机械构造的单独机器人，而这种机器人必需由控制系统处置。图1 . 多机器人控制需求高性能方式控 图2 . 汽车传动系组件的装配，如下图的液力变制概念和有效的机器人的编程方法。 矩器就是机器人力控制有很大潜力的一个例子。再进一步看汽车制造业自动化程度的现状，目前只需极少数的机器人用于最后的装配。在这里，需求新的机器人技术和新的柔性自动化处理方案来处置装配义务的复杂性和产品的几何外形多边性。工业机器人未来面临的一个宏大挑战是为这种运用技术开发出经济可行的处理方案,这种运用技术中机器人控制需求满足更直

7、观,更互动的几何公差、外形公差。这个方向的一项突破会掀起大范围的工业运用机器人学的一股新浪潮，虽然这些在今天看来是不现实的。然而,在讨论未来机器人的控制技术之前,先给出目前主要工业机器人控制的开展一些例子。然后对机器人开展的驱动力进展讨论,并在此根底上概述未来开展的情景。2. 目前的工业机器人控制的开展工业机器人的一种开展趋势是时髦工业机器人，这通常源于汽车工业提出的新消费概念。目前流行的一个例子是多机器人控制以及由几个机器人制造商提出的不同处理方案，虽然这几年来一些制造商曾经将他们作为本人的商品供应(布雷丁，2005)。在工业上采用多机器人控制的主要缘由是经过让机器人并行任务以降低消费本钱，

8、尤其对电弧焊这种低速的过程而言。其他益处是，几个机器人由一个控制器控制，就可以节省占地面积、改善防止碰撞性能、减少周期时间。在电弧焊接时, 同时从不同的方向对一样的对象进展焊接，跟有能够到达焊接热量的平衡分布。通常的一种安装就是运用两个或更多的机器人在同一个工件焊接，该工件由一个或两个自在度的机械手旋转。对于更高的灵敏性，工件也可以由一个机器人夹持(图1)，另一个机器人夹持被焊接的部件。汽车工业也希望经过改善在一个共同的机器人车体上机器人组织的协同性，来降低点焊机器人的循环时间。开展多机器人控制系统时，一个很困难的控制实例就是如何实现动态优化伺服参考的准确定时以及协调不协调的动作、异常处置和缺

9、点恢复的平滑的过渡。当一大群机器人任务在一个大型消费线任务时也有这个问题，就是如何动态地给机器人和集群机器人分配义务以到达最优消费率。同时,必需留意到collabor -ating机器人比独身的机器人更难于编程，因此离线编程机器人和细胞模型更有积极性。另外一个问题是协作机器人安装的准确度。由于串联运动链需求被控制，比起单个机器人安装，伺服回路及机器人的运动学和动力学模型错误将给工具和工件之间产生更大的姿态偏向。因此, 多机器人控制的开展会刺激器人的运动学和动力学模型以及机器人的伺服性能的进一步改善和提高。多机器人控制是需求相关的是开发机器人具有很高的承载力的要求ABB公司- 2，2001。例如

10、,汽车车身的部分地域。负荷达500公斤机器人曾经着手开发。一重负荷处置机器人拥有与车身零件夹具而其他机器人那么没有，例如，点或弧焊接机器人。这种自动化处理方案的动力用机器人取代单一的目的运输系统产生的更高灵敏性。除了多机器人这种控制方面，向更高的负载才干开展导致降低机械机器人固有频率和添加准确模型和控制机器人的构造。另一种流行的开展方向是朝着在机器人安装新的平安安排ESALAN系统，2006年。一个短期的动机用平安软件的限制替代电气和机械的任务范围限制的能够性，这使得它更廉价，更快速地配置一个机器人单元。此外,一个机器人单元平安栅栏，更有效的顺应任务空间的局限性,这将节省占地面积在车间。也有一

11、些方案,开展为人类与机器人之间的平安直接协作的新概念Schraft，梅耶，Parlitz，与赫尔姆斯，2005年。对这种协作运用的例子包括资料处置，机械维护，康波，新界东北转移和装配。为了提高机器人人机协作的平安程度，对硬件和软件的冗余机器人的平安监视程度的添加，例如，经过两个通道的丈量系统和缺点平安总线和I / O系统。所需的冗余当然可以在许多方面得到它，但同时重要的是不能添加添加的本钱超越它的冗余功能可接受的运用。一个控制方面的新平安观念是如何利用曾经运转了机器人的实时模型在机器人控制器来获得一种足够敏感但没有给予太多的假警报缺点检测。同样重要的是可以监视平安功能确实有效，当紧急情况发生。

12、例如,刹车和监视功能的机器人必需循环测试。这种平安技术的不断开展，可以对未来人类在更少的机器人构造化的环境比在今天的机器人安装所需求的人机协作的第一步。还有一个继续的开展方向,在运用无线通讯技术在机器人系统可以发现,(Katzel,2004年)。无线通讯最大的热点,是关于示教系统和控制器之间的沟通, 另外一个热点就是机器人控制器和传感器及工艺设备之间的无线通讯。弗雷，Endresen，Kreitz，Scheibe，2005年。测试设备的阅历阐明，一个车间的环境通讯本身不是主要问题，大问题是关于平安的，,例如, 为平安的无线紧急事件的处置方法和机器人示教系统在日志中平安的选择去发现新的概念。同时

13、也应该指出由于大部分无线传输设备消费市场消费的，有能够将这些安装用作本钱低的机器人控制器用户界面德安杰洛和Corke，2001年。在机器人控制的开展前景,新平安机制的无线传输、无线编程设备和无线传感器和执行器的自诊断都将是重要的方面。近几年有一个传感器类型引起工业留意力添加是六自在度(自在度)力/力矩传感器ATI苏达权等,2006)。很长一段时间以来，虽然机器人制造商已能将机器人进展力的控制，尚未有广泛的利用这个功能。运用场所的实例就是用六维指尖力/力矩传感器来控制的工业机器人研磨，去毛刺，去毛刺，研磨，抛光，测试和组装。在资料去除的运用，力传感器为根底的控制优点是工艺质量较高，容易校准过程质

14、量和对夹具和夹持器的准确度要求降低皮雷，冲压，劳赫，Arau乔，2002年用于装配的优点是缩短工期、减少冲击力，减少风险的干扰，楔入和擦伤张，Zhongxue，Broga桉木RDH，王和伊萨克森，2004。在力传感器的运用为根底的控制运用中，手任务业与恶劣的任务条件、发安康风险是引进这项新技术的缘由。为了添加运用力传感器控制的机器人的运用，编程和调试方法需求进一步开展，工艺参数的规范设置和低本钱力传感器应加以开展。快速增长的运用技术能够在世界汽车工业中还有传动链组件装配中被发现,例如, 插入轴，花键与液力变矩器匹配的安装(图2)。由于力和扭矩传感将在未来的人类与机器人协作中不可短少，正在开展的

15、力/力矩传感器控制，如何整合该技术到机械手系统的协作显得非常重要。图3 . 利用计算机软件、触摸屏、高效的运用开发工具、教学吊坠，同时也是一种通用的图形用户界面安装和一个专门的机器人编程器和操作工具。正如对力的控制，机器人视觉系统曾经运用了很长时间了，但没有找到任何制造业机器人大量运用的情况。缘由之一就是短少了在一个典型的任务间环境下的二维视觉系统较强的鲁棒性, 控制机器人视觉系统主要用于在摄像机的场景已很确定，光线条件可以控制的条件下，例如，在传送带上捡取和放置ABB公司- 3，2004。然而, 目前市场上运用三维视觉的产品是尽能够地提高机器人的视觉鲁棒性和系统的处理方案,从而能充分提高灵敏

16、性,例如, 资料处置，机械维护和装配(Braintech-ref,2006)。甚至如今抓取工件技术为工业用途具有足够的鲁棒性渡边和典，Warashina，Kumiya，2005年, 也有利用三维视觉技术校准工具、任务对象、夹具和其他机器人部件的能够性。三维视觉的主要开展当然与特征提取和其他的计算机视觉问题相关联，机器人控制来设计高性能的视觉界面Lippiello，西西利亚诺，维拉尼，2005。与三维视觉相关的是激光跟踪传感器技术,主要用于控制任务对象位置不能得到保证的电弧焊接的途径的控制Servorobot，2006这些传感器类型曾经运用了很长时间,但有一种走向全三维丈量的趋势, 例如,经过在

17、三角丈量为根底的跟踪传感器中引入一种以上的扫描线条。同样的开展趋势也存在于由机器人进展检查光学丈量系统中，例如,汽车车身和汽车子组件。对于跟踪传感器，优化运用和与机器人程序相关的超前信息协调是很重要的，为了能在丈量数据缺乏的情况下可以处置并且从进程失败中能进展有效的恢复。从一个更长的角度来看，搬运，装配，跟踪，检查，校正，三维视觉等概念可以进一步整合到机器人控制器中，从性能的角度来说它能够激发在伺服回路方面某些机器人运用技术采用三维视觉技术。其他正在进展的机器人技术的提高涉及到机器人的控制器用户运用界面，其目的是使机器人编程，操作和维护简单，虽然机器人系统的复杂性不断添加。基于机器人动作和行动

18、的图形表示的精灵般的循序渐进的概念也在教学吊坠上运用图3; ABB公司- 4，2006，现实的机器人仿真接口实现对机器人编程程度(RRS, 2006)，过程建模工具的开发以简化机器人编程Skarin，Claesson，Bergling，2004年，用于逻辑控制和先进的工艺和设备控制的PLC控制功能集成到机器人控制器中，消费数据的优化、监测、预防性维护和缺点隔离等的远程自动化采集将进一步开展。缺点隔离基于从伺服回路传感器，特殊监管传感器，驱动系统的电流和电压高低、运用了观测概念说我虚拟传感器传回来的数据。这种开展一定会继续，在实时动态方式运转的机器人等待着会更多的用于缺点检测、缺点隔离与诊断,基

19、于剩余的生成和系统辨识方法(Mattone& De Luca, 2003; Ostring, 2002)。方式控制(Sciavicco & Siciliano,2000) 在机器人学被以为是非常重要的，以满足对性能的改良和本钱的降低这一对矛盾的要求图4。不断的开展的方向是更加复杂的运动学和动力学模型，更复杂的多输入多输出MIMO控制方案，静态和动态模型参数变化更大大，日益添加噪音和干扰，较低的特征频率机和扩展化得非线形性的数量更大。即使一切的这些方面都做了很多学术研讨，大量的运用研讨需求进一步改善基于模型工业机器人的鲁棒控制。与基于模型控制的进一步开展携手并进的是采用虚拟原型机来提高性能/本钱

20、比、降低了开发本钱、并能缩短产品周期的于模型的设计的重要开展(Pettersson,2005)。非常重要的那么是由机械设计和机器人控制专家组成的机电一体化团队设计方法。3、未来工业机器人控制开展驱动力跟一切其他工业产品一样，由机器人的开展主要是其用户的需求所支配。然而, 就其用途广泛而言机器人也非常独特,这意味着机器人技术要向着不同的自动化和不同的用途的大范围的要求去开展(机器人制造商联络,2006)。从运用需求出发，需求妥善处置新工艺产生的要求和改良传统工艺的要求之间的关系。新工艺是指工业机器人相结合过程的新作为，例如搅拌摩擦焊，铣，高性能激光切割，变速箱总成，平板电视屏幕的处置和金属板材变

21、形等等。进一步提高机器人性能的传统工艺的例子是水射流切割，激光切割，激光焊接，涂胶，打磨，去毛刺，丈量和装配等等。有时机器人自动化会变得很受欢迎对于一个特定的图4 . 由一个共同的控制器控制的机器人家族的基于模型控制，可以由可配置的刚体和弹性动力学模型来实现。运用或资料的制造商来说,例如，塑料行业目前非常盼望运用机器人。从客户驱动的要求来看，根本要求当然以降低消费本钱、提高最终产质量量同时新的自动化概念不时的试图获得产量的显着添加。这种概念的例子是紧凑型机器人，向后弯曲的机器人，重载机器人，多机器人控制，准确的离线编程机器人，灵敏的框架机器人，传感器控制的机器人和平安机器人。与此同时,还需求提

22、高的是延续的灵敏性,提高机器人的运用可靠性,改善劳动条件,降低寿命周期本钱,使安装、系统集成、编程和维护容易、以提高性能(图5)。一切这些需求驱使着机器人制造商不断添加更大的综合性开发工程，开发新一代的产品和新产品的概念。图5 . 为了满足机器人离线编程对机器人精度日益增长的要求，运动学和弹性静力学辨识和补偿方法不断准确化，今天0.5毫米的体积精度甚至一个大型的机器人上也可以到达。与此同时，由于用户运用需求的拉动当然有技术迫使制造商在其他更大的产品领域利用机器人的最新技术成果。因此，PC领域硬件和软件两个方面的开展都会对机器人控制器开展产生很大的影响，运用此项技术的努力电信领域。软件开发和维护

23、的本钱不断添加，一个很长的软件寿命时间是如此的重要，这意味着,例如,新的高效的软件开发环境和可扩展的系统体系构造的新概念、开放的接口和com - munication概念都是机器人控制器的开展重要的推进力。虽然在机器人技术开展最快的出如今在控制器方面，同时也存在着一些机电技术推进一面。更有效、更大的紧凑齿轮箱、更符合本钱效益的电机和驱动系统、更廉价的碳复合资料和更先进的机械设计工具。在长期的角度来看, 对汽车工业及其次级供应商来说，机器人一定是有一个继续开展。在这里能够发生的是燃料价钱上升，污染和其他环境问题将使得有必要建立更小、更高效的轻型车运用，例如，与燃料电池相结合的电力驱动。然后，问题

24、就是这将如何改动对制造系统，包括工业机器人的需求。一种能够性是，现场的汽车车身点焊将被替待，例如，激光焊接和金属零件，铆接焊接神户，2001年，粘合和布罗西斯，2006复合资料部件的精加工。这就意味着具有更高准确度和刚度的更小、更轻的机器人将有更大的需求。假设电力驱动和燃料电池将被普遍运用，那么新的运用将会出现，能够对机器人的准确度和短周期会有更高的要求。然而,由于大量的产品制造都是由一样的很工业组织所完成,才使得制造汽车和汽车零部件的制造系统的根底设备构造能够会是一样的。图6 . 食品工业将成为未来机器人开展的动力之一。在这里，基于Delta 概念的并联机器人FlexPicker，任务在一家

25、面包店。如在第1节指出了汽车制造业依然是劳动密集型的的一个部分是最后组装。今天将机器人技术用于装配，问题就出现了，几何复杂性和任务对象的多变性，平安围栏所需的空间与复杂的机器人编程和耗费时间的缺点处置等等。只需很少的机器人设备可以很经济的运用此技术，例如，上胶和车窗安装。在这种特殊情况，安康风险是机器人引进一个重要缘由。在重升降机中，任务条件刺激了引进设备以协助完成。在这里,一个曾经进展了几年的开发工程就是开发免受被动机械系统和伺服控制的起重工具。这些智能(IAD)辅助设备人们所感兴趣的分别是他们的平安要求和操作者与IAD之间相互的力控制(Colgate, Peshkin, & Kloster

26、meyer, 2003)。然而，这种设备不能给出一种现实的自动化处理方案并且这一概念不能开展为一个完好的机器人化汽车装配。相反，可以预期，汽车行业将推进装配机器人系统的新类型的产生和柔性自动化的根底设备构造的的新类型的产生。为了寻觅能够推进未来机器人的开展的其他行业，一种能够是看今天缺乏有效利用机器人做根底设备的制造系统。这里有一个时机，中小型企业自动化的需求SMErobot，2005年。在这种环境下所需求的是易于安装、配置、标定、编程和维护的低本钱的平安机器人系统。这个运用进程将同那些用于今天的机器人一样，其最大的挑战将是开发出发一个更低的机器人寿命周期本钱的机器人技术。今后运用工业机器人将

27、会有很多其他重要领域在这个开展方向走更远的路。柔性自动化实例诸如装配、废料处置分拣，肉类食品切割、食品加工和处置的其他类型图6; Hamazawa，1999年、对消费品的处置、飞机大部件的整机装配零部件加工库卡机器人，2005年、桥梁、建筑、船舶、火车、铁路、电站、风车等，大范围的工艺义务。假设柔性机器人自动化为这些类型的运用找到经济可行的处理方案, 工业机器人的一个宏大的新市场对将会驱动机器人技术一个新方向开展。从未来的新运用进程对机器人学的驱动力来看，提高了机器人的性能将非常重要。例如，众所周知，臂式机器人制造和安装比笛卡尔机器人本钱更低。然而,在频宽、刚度、准确性方面笛卡尔机械手可以远高

28、于一个关节机器人,但是假设关节机器人的性能有了显著的提高的话，关节机器人将占领从更昂贵的笛卡尔机械手大片的市场份额。其中运用臂式工业机器人的例子是高性能激光切割，等离子切割装配和机加工。既提高了机器人的性能和新的柔性自动化的概念的一个例子就是铁铸件的补炉(Lauwers, Wallis, Haigh, & Sohald,2004)。在这种情况下，第三个方面也很重要，那就是是非常不安康的铸造环境。思索到工人的安康问题，未来一些其他的的工业机器人运用例子可以找到。这样的例子比如屠宰场，冷藏库，玻璃加工商店，渔业和渣滓处置厂。图7 . 电容式编码器环(Hexagon Metrology)集成到ABB

29、 图8 . 为了使机器人的编程更加简单，引导编程有望成为一机器人的机械手臂用于机器人手臂的运动准确的丈量。 个重要的技术。在这里，引导编程是用丈量臂衔接到机 器人的ABB TeachSaver编程软件上。4、未来工业机器人控制的开展前景虽然长期开展方向很难预测，一些前景还是能被勾勒出来，即在可观测的机器人运用情况的主要驱动力的根底上怎样做出一个合理的外推。由于汽车业是目前机器人开展的主要动力，因此看一看基于激光焊接、铆接、焊接、组装、上胶等用的更准确、刚性、快速和纤细的机器人替代大量的笨重的点焊机器人的这种更早的建议需求的汽车制造业前景是很相关的。假设运用光纤、改良钇铝石榴石(YAG) 激光科

30、技 (Rooks,2000年)和轻量级的焊接、铆接、上胶设备等的技术，点焊机器人焊枪部分所接受的载荷将从根本上降低。这意味着,在不远未来会看到运用集成化的执行器处理方案、纤维复合资料等其他轻质资料的拥有手腕和上臂概念的轻盈苗条的机器人实现场景。即使一个轻量级的高速电机连同一个轻量级的大传动比的减速机很有能够会变得比起如今运用的较重的手腕驱动系统更加的昂贵，由于主轴可配备具有较低功率执行机构以及机器人的安装可采用更小巧的框架构造，机器人安装能够会变得更廉价。为了使苗条的轻量级机器人关于工具力的生硬，机器人控制能够需求提供一个虚拟的刚度, ,对机器人的手臂有必要运用传感器构造。传感器的一些例子有可

31、选择式振动丈量电极来丈量角度和输出轴的振动的电容式编码器图7、关节力矩传感器(Pfeffer, Khatib, & Hake, 1989)，加速度计(de Jager, 1994)、可以丈量臂的振动应变规(Feliu, Garca, & Somolinos,2001)。这些分布式传感器然后以传感器信息交融的方式被伺服系统运用，基于控制器中运转的实时控制方式。在这种情况下重要的当然是有准确的动态模型。工业机器人是一种强耦合的多变量系统，高达50质量弹簧元素加上源自齿轮及其他传动组件的摩擦和空转的非线性进展建模。一个轻盈苗条的机器人概念还被用于汽车厂总装线义务。在这种情况下，然而，必需也包括直观的

32、编程人类与机器人之间的直接接触高效的缺点处置的能够性，否那么自动化系统将会太复杂。因此，充分的平安是必要的，低挪动质量和柔顺控制机器人的在这方面是很重要的(DLR, 2006; Hirzinger, Albu- Schaffer, Hahnle, Schaefer, & Sporer, 2001; Ogawa, Haniya, Okahisa, & Ichibangase, 2005; Zinn, Khatib, Roth, & Salisbury, 2004)。为了获得高的平安程度，出于平安目的的传感器虚拟刚度控制的利用将并不遥远。这可以经过运用丈量信号产生残差和利用机器人控制冗余的检测来实现。假设六维指尖力/力矩传感器或关节力矩传感器用于人机互动, 会进一步引进冗