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用于汽車零件組裝的工業(yè)雙臂機器人的開發(fā) 摘要 一般的工業(yè)機器人由于只有單只手臂在工作運用中有一定的局限性。盡管某些特殊工業(yè)機器人有雙臂，但它們是單獨工作的。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)商對雙臂機器人的使用產(chǎn)生了濃厚的興趣，因為它們能組裝汽車零件，而這需要機器人擁有雙臂，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)是為實現(xiàn)WIA有限公司和機器人谷有限公司的汽車組裝而設(shè)計的，并且融合了設(shè)計概念。 關(guān)鍵詞 ：雙臂機器人 組裝 實時操作系統(tǒng) 運動控制器 1.簡介 自面世以來，工業(yè)機器人在各工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。機器人的應(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)機器人能代替人完成需要雙臂操作的工作。一般的工業(yè)機器人由于只有單只手臂在工作運用中有一定的局限性。盡管某些特殊工業(yè)機器人有雙臂，但它們是單獨工作的。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)商對雙臂機器人的使用產(chǎn)生了濃厚的興趣，因為它們能組裝汽車零件，而這需要機器人擁有雙臂，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)是為實現(xiàn)WIA有限公司和機器人谷有限公司的汽車組裝而設(shè)計的，并且融合了設(shè)計原理。 就一般工業(yè)機器人而言，用一個示教箱足以指導(dǎo)機器人定位操作，因為利用位置基準(zhǔn)一個控制器只控制一只手臂。對于雙臂機器人，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)。我們采用兩個商業(yè)主設(shè)備，每個設(shè)備都能達(dá)到6DOF的定位輸入和6DOF的力量輸出。因此，控制器需及時在0.05-0.01s內(nèi)為從機器人和主機器人分別提供15DOF和12DOF反向/正向動力。這也正是為什么我們采用基于電腦的控制器的原因。我們將采用運動工程有限公司和實時擴展軟件產(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、雙臂機器人的工件定義 我們對汽車公司利用雙臂機器人系統(tǒng)實現(xiàn)械零件組裝的自動化非常感興趣。而齒輪傳動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現(xiàn)自動化的原因之一。 在此，對于這兩個過程我們不會詳述，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。很多不包含著兩個過程的汽車零件的生產(chǎn)線已經(jīng)實現(xiàn)了自動化。雙臂機器人是為實現(xiàn)這兩個生產(chǎn)過程自動化而設(shè)計的。 雙臂機器人的高度需達(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列舉了雙臂機器人要完成目標(biāo)程序的參數(shù)要求。 圖1 圖2 表1 3、機器人設(shè)計 雙臂機器人多種多樣，有不同的運動結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)人形機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器人與大多數(shù)人形機器人在運動結(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)人形機器人和人有類似的運動結(jié)構(gòu)，但是我們所研究的雙臂機器人的運動結(jié)構(gòu)不同，它的雙臂的運動結(jié)構(gòu)和美洲獅的及其相像。我們期望它的動作和人類也不一樣。 人形機器人 本研究設(shè)計的機器人 圖3 我們設(shè)計的雙臂機器人要運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)。如果雙臂機器人的運動結(jié)構(gòu)如圖3左邊所示，那么每只手臂需有一個額外的旋轉(zhuǎn)夾。這樣，將會降低其負(fù)荷或者需要更強勁的馬達(dá)系統(tǒng)。因此，選擇了圖3右邊所示的運動結(jié)構(gòu)，最后一個接頭能使末端功能器實現(xiàn)螺旋運動，是組裝線360度旋轉(zhuǎn)。另外，這個運動結(jié)構(gòu)還要一個優(yōu)點，那就是所謂的“解耦”，反向運動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動結(jié)構(gòu)的原因。 圖4 圖5 雙臂機器人設(shè)計工具 圖4顯示的是機器人右臂的簡單草圖以及符合表1所示參數(shù)的設(shè)計。為實現(xiàn)工作分析，預(yù)備了運動解決方案，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)行運動評估和檢查控制計算等。圖5顯示的是雙臂機器人的設(shè)計工具。 4、控制器設(shè)計 圖6顯示的是控制器的總體構(gòu)造，它由中心主機，可是控制器，遙控控制器和機器人控制器組成。所有這些控制器均基于電腦系統(tǒng)，并且每個控制器都通過CAN總線相互連接，控制器間可以實時交流信息。離線編程，視覺系統(tǒng)和遙控控制器不在本研究范圍內(nèi)，在此只介紹機器人控制器。 圖6 控制器構(gòu)造 一般的機器人控制器在機器人開發(fā)系統(tǒng)中非常實用，它對機器人運動參數(shù)和控制參數(shù)都起到借鑒作用。相對簡單的機器人而言，大多數(shù)普通機器人的控制器是可以利用的。但是要開發(fā)特殊的機器人，這些控制器則不可用，因為它們沒有所謂的“開放式體系結(jié)構(gòu)”。用戶不能存取運動方程式的源編碼，所以特殊機器人不能用普通機器人的控制器。目前市場上還沒有轉(zhuǎn)為雙臂機器人設(shè)計的商業(yè)機器人控制器，因此，必須先開發(fā)雙臂機器人的專用機器人控制器。 開發(fā)雙臂機器人的專用機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)運動板。本研究選用了運動工程有限公司的帶有ZMP網(wǎng)絡(luò)同步并基于電腦的機器人控制器，此外工業(yè)電腦也正在開發(fā)中。另外還選用了實時控制器。ZMP網(wǎng)絡(luò)同步的運動板是普通的運動板，它采用的是集成計算技術(shù)，當(dāng)多根軸同時工作時，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)位傳輸運用于馬達(dá)驅(qū)動器上，另外運動工程支持實時操作系統(tǒng)、RTX、RTLinux的軟件驅(qū)動。普通運動板沒用支持實時操作系統(tǒng)的驅(qū)動，所以不能用來組成基于電腦的機器人控制器。 RTX是windows XP的一種實時擴展，它的中斷等待時間很短（<10us）。RTLinux是最好的實時操作系統(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不支持實時計算也不是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以，選擇了RTX。RTX在windows XP的基礎(chǔ)上增加了實時計算功能。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CUP系統(tǒng)下中斷等待時間克達(dá)10us，但是我們的實驗結(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CPU，那么RTX能不受windowsXP的影響而充分利用單核或者單個CPU。所以，即使電腦由于藍(lán)屏關(guān)機RTX也能在測試時保證中斷等待時間不少于2us。 用有獨自控制運算法則和軸插值的運動板組裝基于電腦的機器人控制器，主從控制器的同步性至關(guān)重要。RTX要有自己的計時器，運動板也使用單獨的計時器，所以選擇了ZMP網(wǎng)絡(luò)同步簡單機械霧化油槍[3]。 ZMP運動控制器能夠以特定頻率中斷主機，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算數(shù)據(jù)同步的系統(tǒng)，ZMP固件都有一個主程序標(biāo)志。這個標(biāo)志用于顯示主機軟件正在工作，并將所需的數(shù)據(jù)傳輸給ZMP，它是在主機工作后數(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同步前主程序標(biāo)志會被主機清除。ZMP軟件能在每個周期開始工作前檢查主程序標(biāo)志，如果主程序標(biāo)志在開始工作時是一個靜止的點，那么軟件便會在控制對象內(nèi)設(shè)置一個狀態(tài)位以表示主機未及時完成工作任務(wù)。圖9顯示了電腦主機和運動板（ZMP）在是如何同步使用的[3]。 5、總結(jié) 雙臂機器人應(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運動板、微軟windows XP和RTX技術(shù)。介紹了雙臂機器人設(shè)計理念和運動結(jié)構(gòu)，主機和ZMP運動板實現(xiàn)同步的方法以及RTX達(dá)到最短中斷等待時間的方法。 圖9運動板和主機的同步性 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