1、.自主機器人研究總結報告一、課題研究背景和意義工業(yè)機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術附加值很高，應用范圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起著越來越重要的作用。在國際上，工業(yè)機器人技術日趨成熟，已經(jīng)成為一種標準設備而得到工業(yè)界廣泛應用，從而也形成了一批在國際上較有影響力的、著名的工業(yè)機器人公司，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性企業(yè)。在眾多制造業(yè)領域中，應用工業(yè)機器人最廣泛的領域是汽車及汽車零部件制造業(yè)。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。工業(yè)

2、機器人在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網(wǎng)絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發(fā)展。工業(yè)機器人技術正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化、PC化和網(wǎng)絡化；伺服驅(qū)動技術的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化。在汽車領域，應用最廣泛的是中載和重載機器人，因此開發(fā)具有較高負載能力的機器人意義更大。二、課題研究的總體目標及完成情況2.1 課題研究的總體目標、考核指標2.1.1總體目標開發(fā)出具有自主創(chuàng)新的點焊機器人及周邊應用成套設備樣機，解決機器人產(chǎn)業(yè)化過程中的機器人本體優(yōu)化設

3、計、基于網(wǎng)絡的新型控制器技術、系統(tǒng)集成技術等關鍵技術問題，進行小批量生產(chǎn)，解決機器人產(chǎn)業(yè)制造中的加工工藝問題、制造精度問題和機器人整體制造成本降低問題，在此基礎上進行產(chǎn)業(yè)化，并首先在奇瑞汽車生產(chǎn)線上進行示范應用，逐步形成中國的工業(yè)機器人品牌，促進我國新型工業(yè)機器人技術的應用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時制訂和完善適合我國國情的安全規(guī)范和技術規(guī)范，在技術上創(chuàng)新，爭取獲得多項專利。2.1.2 主要技術指標其技術指標如下：（1）本體參數(shù)要求在滿足機械本體剛度、強度、轉(zhuǎn)動慣量及一些其它技術參數(shù)的基礎上選擇結構簡單、機身緊湊的機身設計，以滿足輕量化、低成本及可維護性要求。具體參數(shù)范圍要求如下：參數(shù)ER165型點焊機器

4、人ER200型點焊機器人動作類型關節(jié)型關節(jié)型控制軸數(shù)6軸6軸放置方式地裝地裝手腕末端最大負載165Kg 200Kg 最大臂展半徑2.66m 2.66m 重復定位精度0.3mm0.3mm手腕部允許最大扭矩J4軸951NmJ4軸1274NmJ5軸951NmJ5軸1274NmJ6軸490NmJ6軸686Nm手腕部允許最大慣量J4軸88.9kgJ4軸117 kgJ5軸88.9kgJ5軸117 kgJ6軸44.1kgJ6軸66 kg最大動作速度J1軸100/secJ1軸100/secJ2軸90/secJ2軸90/secJ3軸95/secJ3軸95/secJ4軸130/secJ4軸120/secJ5軸13

5、0/secJ5軸120/secJ6軸180/secJ6軸170/sec最大動作范圍J1軸+180/-180J1軸+180/-180J2軸+80/-60J2軸+80/-60J3軸+210/-80J3軸+210/-80J4軸360J4軸360J5軸120J5軸120J6軸720J6軸720由第三方檢測機構出具檢測報告。（2）主控柜技術要求 編程單元：便攜式示教盒； 具備常用功能的操作單元； 具備緊急停止單元； 具備編程接口，方便傳輸程序； 控制柜應具有良好的防滴漏、防灰塵及散熱裝置； 外觀美觀。（3）系統(tǒng)功能指標： 控制系統(tǒng)可同時控制六軸或六軸以上運動； 具有負載調(diào)整功能； 具有零點復位功能； 具

6、有系統(tǒng)啟動自檢功能； 工作時具有故障判斷及提示功能； 具有自動/示教模式切換功能，便于機器人在各種工作模式下的工作； 具有不同的操作權限（工程師、維修工、操作工）。（4）系統(tǒng)安全性指標： 具備限位保護：保護機器人因運動范圍超限引起碰撞和干涉； 具備防過載檢測：防止因速度過快引起的超轉(zhuǎn)矩而導致電機燒毀或軸斷； 具備緊急停止功能，有效的保護人生及設備的安全。（5）軟件應用指標： 定義多種坐標，方便使用與操作； 系統(tǒng)適用于點焊，且在相關軟件包修改后，機器人主體可用于搬運、裝配等工作環(huán)境； 系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下可進行仿真操作，程序檢測，組線設計等。（6）機器人適用的工作環(huán)境 廠房溫度：（屋架下弦處）-5-

7、45 環(huán)境濕度：普通：75RH；短時間：95%（一個月之內(nèi)） 振動：0.5G（4.9M/S2）； 廠房結構：輕鋼結構，屋架為非承載型式； 公用動力要求：380V(+15%，-15%)，50Hz； 壓縮空氣：0.40.6MPA； 循環(huán)水：溫度32；進口壓力0.4Mpa，工藝設備承壓不低于0.6Mpa； 地面載荷：地面最大承載能力為5000kg/m2。2.1.3 知識產(chǎn)權 申報國家發(fā)明專利23項； 在核心刊物上發(fā)表文章58篇。 機器人應用說明書1套。2.1.4 人才培養(yǎng) 培養(yǎng)博士生12名，碩士35名； 培養(yǎng)一支1520人的機器人骨干技術開發(fā)隊伍。2.2 完成情況在機器人核心技術研發(fā)方面，本課題主要

8、圍繞機器人本體設計和制造，控制器開發(fā)和焊接機器人應用技術三方面展開。(1) 在機器人本體設計和制造方面，目標是要設計出高精度，高剛度，高可靠性，低負載自重比，且造價低的機械本體結構，力爭達到國際先進同類機器人的技術水平。為此，在165kg和200kg機器人的分析及優(yōu)化設計中，綜合采用了基于虛功原理的機器人靜力平衡分析，關鍵部件的有限元分析，基于運動學指標和整體模態(tài)特性的結構和尺寸優(yōu)化分析的方法。通過對以上方法的理論研究、仿真計算分析以及試驗等階段的實施，摸索了一套具體的實現(xiàn)方法。該方法已經(jīng)在165kg和200kg機器人的分析及優(yōu)化設計中得到了應用，取得了比較理想的效果，例如：通過采用優(yōu)化設計方

9、法和幾年多現(xiàn)場應用，改進設計和再制造，大部分性能指標已達到國際同類產(chǎn)品的水平，例如：u 機器人的重復定位精度（小于0.15mm，合同指標為0.25mm）；u 機器人本體的最小固有震動頻率為5Hz，與意大利Comau機器人相當；u 系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性：故障率統(tǒng)計顯示與意大利Comau機器人相當；u 機械噪音小于80dB。(2) 在機器人控制器開發(fā)方面，目標是要研發(fā)出能控制機器人實現(xiàn)高速平穩(wěn)運動，穩(wěn)定性和可靠性與國外先進機器人控制器相當，且成相對較低的機器人控制器。為此，在控制器軟件設計中，通過理論建模，搭建了包含摩擦、間隙和非線性剛度的動態(tài)關節(jié)模型。然后引入機械臂模型和電機模型，組成整個機器人模

10、型。在理論建模的基礎上，搭建了整個機器人的動態(tài)matlab仿真模型。在硬件選型和控制方法的設計方面，充分考慮可靠性和先進性，采用嵌入式總線類型的控制模式，確保設計出的控制器不僅性能高，低成本而且穩(wěn)定可靠。從應用結果可以看出，新研發(fā)出的控制器在抑制高速運動的振動，穩(wěn)定性和可靠性方面與意大利Comau機器人及日本的Funac機器人相當。（3）在焊接機器人應用技術方面，已經(jīng)開發(fā)出機器人運動仿真軟件。機器人虛擬仿真技術應用于機器人設計，應用規(guī)劃，離線編程和操作培訓，是機器人關鍵技術之一。進口的一套仿真軟件價格高達一兩百萬元人民幣。目前，在自主開發(fā)機器人仿真軟件方面已經(jīng)取得了重要進展。自行開發(fā)的仿真軟件

11、已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對導入的機器人，焊鉗和工裝夾具的三維模型進行動態(tài)仿真和離線編程，能實現(xiàn)多機器人，多工位的三維仿真和離線編程。此外，通過從單工位，工作站到多機器人自動化生產(chǎn)線應用技術的開發(fā)，已經(jīng)掌握了機器人集成應用的基本技術，培養(yǎng)了一批機器人系統(tǒng)集成應用隊伍。三、課題研究的主要技術內(nèi)容、技術路線、實施方案和方法3.1研究的技術內(nèi)容:本課題研制的點焊機器人系統(tǒng)包括：機器人本體、控制器、焊接系統(tǒng)(專用焊接電源、焊槍或焊鉗等)、控制計算機和相應的安全設備等。機器人本體結構采用6自由度全關節(jié)型機器人。對于165kg點焊機器人將采用具有一定開放性的數(shù)字運動控制器實現(xiàn)運動控制，對于200kg點焊機器人將采用工業(yè)

12、以太網(wǎng)形式的分布式控制器實現(xiàn)運動控制。以IPC作為整個系統(tǒng)的控制單元，協(xié)調(diào)和處理各種I/O和用戶操作。研制專門用來讀取各個單元狀態(tài)信息、處理錯誤和故障的安全電路來保證系統(tǒng)安全可靠運行，通過自行研制圖形化界面的示教盒、開發(fā)三維虛擬焊接仿真系統(tǒng)和操作控制相關的配套軟件把各個部分有機整合，從而實現(xiàn)功能完善的點焊機器人系統(tǒng)。3.2 技術路線和方法:（1）在機械本體設計方面以國外成熟的外形設計為參考對象，結合我國制造工藝現(xiàn)狀，綜合考慮精度，強度，剛度，成本和機器人設計對整體性能的影響等幾方面因素，研究和開發(fā)出最優(yōu)化的機器人設計和制造方法和技術；（2）在機器人控制器方面瞄準國外先進機器人控制器的構架，兼顧

13、我國目前實際情況，采用基于運動控制卡和基于高性能工業(yè)PC的兩種控制形式，開發(fā)出滿足生產(chǎn)需求的、性能穩(wěn)定可靠的機器人控制器。（3）在機器人集成應用方面，以汽車機器人自動化生產(chǎn)線集成應用為目標，開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權的機器人仿真和離線編程軟件，機器人網(wǎng)絡協(xié)調(diào)控制技術和機器人自動化生產(chǎn)線工藝設計和組態(tài)技術。四、課題研究取得的主要技術成果、創(chuàng)新點及未來前景4.1 課題研究取得的主要技術成果:課題申請發(fā)明專利4項。具體明細如下表所示：序號名稱專利申請?zhí)栴悇e1一種焊接機器人的平衡器及其構成方法201010195982.6 發(fā)明2一種機器人平衡器聯(lián)接結構及裝配方法201010611600.3發(fā)明3重載機器

14、人帶加速度及電流前饋的位置控制器201110102600.5發(fā)明4一種重載工業(yè)機器人操作空間內(nèi)運動軌跡規(guī)劃方法201110107316.7發(fā)明累計論文發(fā)表論文8篇，具體明細如下：序號論文名稱第一作者發(fā)表刊名或會議名稱發(fā)表時間1機器人自動焊接系統(tǒng)的設計與應用趙彥斌機器人技術與應用2010年，已錄用2工業(yè)機器人離線編程軟件的國產(chǎn)化開發(fā)及應用曹金學機器人技術與應用2010年，已錄用3Optimal design for a 2-DOF high dynamic manipulator based on parallelogram mechanism孔民秀IEEE/ASME2010.7已錄用4Cont

15、rol system design for high payload industrial robot via highspeed communication bus and real-time system游瑋Key Engineering Materials2010.8已錄用5Modeling and Simulating the Nonlinear Characters of Robot Joints.肖永強IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics錄用6Optimal design of dynamic and c

16、ontrol performance for planar manipulator游瑋中南大學學報錄用7含有摩擦間隙遲滯的機械臂關節(jié)建模方法杜志江機器人錄用8Optimal motion generation for heavy duty industrial robotscontrol scheme and algorithm游瑋ICM2011錄用4.2 課題研究的技術創(chuàng)新點:（1）動態(tài)設計是從傳統(tǒng)的單純機械本體性能設計轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]機械人控制動態(tài)性能，從機構優(yōu)化設計到結構優(yōu)化設計，從運動學性能分析向動力學性能分析轉(zhuǎn)變，從純剛體動力學分析向剛?cè)狁詈蟿恿W分析轉(zhuǎn)變，整個設計流程如下圖所示。首先從機

17、構學的層面，進行運動學建模，提出運動學指標，如工作空間，靈巧度等；對機構慣量分布進行簡化，完成剛體動力學分析，提出剛體動力學指標，如各軸慣量，耦合慣量等。基于運動學指標和剛體動力學指標完成機構尺寸綜合。在完成機構主要參數(shù)確定后，進行關鍵部件結構設計，在此過程中，對關鍵部件進行柔性體分析，獲得部件在典型工況下的應力分布情況，進行強度校核以及變形分析，綜合各種指標完成關鍵部件的結構優(yōu)化。在完成部件結構設計后，進行整機剛?cè)狁詈戏治?，提出整機剛?cè)狁詈蟿恿W指標，如自振模態(tài)頻率等動態(tài)性能。如不滿足則返回機構設計環(huán)節(jié)從新進行動態(tài)迭代, 如性能滿足要求，則至此完成所有的機構設計和結構設計，進行樣機制造，最后

18、完成動態(tài)測試。圖1在165kg點焊機器人及200kg點焊機器人的分析及優(yōu)化設計中，綜合采用了基于虛功原理的機器人靜力平衡分析，關鍵部件的有限元分析，基于運動學指標和整體模態(tài)特性的結構和尺寸優(yōu)化分析的方法。通過對以上方法的理論研究、仿真計算分析以及試驗等階段的實施，取得了在機械分析及優(yōu)化設計技術上的突破。綜合考慮機械和驅(qū)動方面因素，建立了機電耦合模型。由于電機轉(zhuǎn)矩間耦合、摩擦、間隙、滯后及柔性等因素的存在，使得建模非常復雜。首先，由于機械臂的關節(jié)在整個系統(tǒng)的運動過程中非常復雜且對系統(tǒng)性能影響最大，所以本課題在已有模型的基礎上，首先通過理論建模，搭建了包含摩擦、間隙和非線性剛度的動態(tài)關節(jié)模型，模型

19、結構如圖a所示。然后引入機械臂模型、控制器模型和電機模型，組成整個機器人模型。模型結構如圖b所示。在理論建模的基礎上，搭建了整個機器人的動態(tài)matlab仿真模型，模型結構如圖c所示。該模型已應用于對機器人的主動抑振及虛擬仿真中。 圖2.動態(tài)關節(jié)模型結構 圖3.機電耦合機器人模型結構圖4.機器人matlab仿真模型（2）目前對機器人的性能要求越來越高，不僅要具有快速的響應特性，較高的跟蹤精度，而且應該有良好的通用性和擴展性。采用傳統(tǒng)控制結構固有的缺點逐漸暴露出來，例如：由于配線過多，對系統(tǒng)進行調(diào)試及維修比較困難；系統(tǒng)的可靠性較差。 當需要控制的節(jié)點不斷增加，需要反饋的傳感器信號不斷增多時(例如應

20、用于仿人型機器人)，如果處理信息和產(chǎn)生控制信號都由上位機的中央處理器來完成，那么 對它來說是不堪重負的。一旦中央處理器出現(xiàn)故障，將對整個系統(tǒng)帶來嚴重的影響。采用基于模擬信號的數(shù)據(jù)傳輸方式，系統(tǒng)的抗干擾能力很差；由于控制器的模塊繁多, 模塊之間的連接復雜，而且相互制約，難以實現(xiàn)十幾個軸以上的同步協(xié)調(diào)運動控制?；凇癙C+實時操作系統(tǒng)+高速總線接口”的機器人控制器能夠?qū)⒃S多以前只能用硬件實現(xiàn)的控制功能采用軟件實現(xiàn)的方式，它是一種開放體系結構的運動控制系統(tǒng)，主體是PC機。例如，充分利用PC機不斷提高的計算速度、不斷擴大的存儲量和具有硬實時性能的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)運動軌跡控制和開關量的邏輯控制。這種結構的

21、機器人控制器除了支持上層軟件(程序編輯、人機界面等)的用戶定制外，其更深入的開放性還體現(xiàn)在支持運動控制策略(算法)的用戶定制。用戶可以在任何運行于PC的操作系統(tǒng)平臺上，利用開放的系統(tǒng)內(nèi)核，開發(fā)各種功能，構成各種類型的高性能運動控制系統(tǒng)。在本項目中建立了基于實時系統(tǒng)的和高速通訊總線的高性能機器人控制體系結構，采用基于PC機的分布式控制系統(tǒng)，如圖d所示。其控制結構的主要特色為總線式模塊化結構，所有的模塊（如驅(qū)動、輸入輸出以及其它接口模塊）都可以通過支持EtherCAT總線的接口直接接入到系統(tǒng)中，擴展和維護極為便利。在軟件方面采用了基于windows XP系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，并內(nèi)嵌了TwinCAT的實時

22、內(nèi)核，直接編寫PLC和C+語言的程序。圖5：基于EtherCAT總線和TwinCAT內(nèi)核的機器人控制結構（3）在點焊機器人軌跡規(guī)劃中，規(guī)劃軌跡重點考慮時間最優(yōu)問題和消抖問題。也即運動的快速性和平衡性問題。首先在運動學方面進行了平滑無沖擊運動規(guī)劃算法研究，給出了直線、圓弧和修正樣條規(guī)劃算法。以空間圓弧軌跡規(guī)劃為例說明：設空間三點坐標：，設這三點組成的平面方程為由以下方程可解得 （1）求出兩條線段的中點，設圓心坐標為，圓心則滿足下列方程 （2）整理得線性方程組如下（3）求解可得圓心坐標，下面推導空間圓的參數(shù)方程 以圓心為球心的，R為半徑的球的參數(shù)方程為： （4）將上式代入平面方程 （5）因為在平面

23、上，所以有 （6）所以有 （7）所以空間圓的參數(shù)方程如下 （8）獨立參數(shù)為。平滑在圓所在平面內(nèi)的規(guī)劃，進行全局坐標系和局部坐標系的坐標變換，從固定坐標變換到新的坐標，其坐標原點為，矢量為軸，法向量為Z1軸，如下圖所示，圖7可以得到該坐標系的姿態(tài)變換矩陣和平動矩陣為， (9)其中則有， (10)在該坐標系下進行如下的軌跡規(guī)劃有(11)得到 后，通過坐標變換即可得到。通過上述方法可以獲得加加速度、加速度、速度都連續(xù)的運動軌跡，從而獲得了比較平滑的運動。另外在理論方面，開展基于動力學模型的軌跡規(guī)劃研究，考慮了關節(jié)空間的速度及力矩限制約束、加速度頻率限制約束以及迪卡爾空間的加速度和加加速度平滑約束條件

24、，通過在迪卡爾空間中規(guī)劃軌跡向關節(jié)空間中的映射，求得關節(jié)空間中的軌跡指令。然后在關節(jié)空間中添加約束條件，并對映射的軌跡作約束限制且通過FSC（Feasible Solution Conversion）方法轉(zhuǎn)化為有效軌跡，從而實現(xiàn)軌跡的時間最優(yōu)控制和速度平穩(wěn)性。(4) 工業(yè)點焊機器人仿真軟件傳統(tǒng)的點焊機器人路徑規(guī)劃多采用在線示教方法，為了完成工作任務、避免碰撞，需要用實際的機器人反復調(diào)試，導致路徑規(guī)劃工作量大、效率低，且不便于優(yōu)化、無法并行工作。因為點焊機器人對軌跡的精度要求不高，可以通過在空間指定一些點來完成大致和路徑規(guī)劃。因此通過仿真進行現(xiàn)場環(huán)境的場景的模擬和運動模擬具有實際意義。為此開發(fā)出

25、了工業(yè)點焊機器人仿真軟件。整個軟件按按4個的功能類型進行設計：程序進入程序選擇界面，實現(xiàn)程序（進入程序選擇界面，實現(xiàn)程序選擇、新建、重新命名、復制、刪除、修改和程序內(nèi)容編輯等功能）；數(shù)據(jù)寄存器顯示界面，在此界面下進行數(shù)據(jù)的修改、復制、刪除、添加和示教等功能；I/O輸入輸出設置界面，進行板卡設置、變量設置、端口功能和變量操作等；設置此界面進行密碼設置、坐標系設置、關節(jié)角度限制、語言切換、用戶設置、報警設置）、手動（在此界面對機器人進行手動操作）。融合上述4個功能模塊，組成機器人軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)點焊機器人的示教、編程和編輯等功能。整體界面如下圖所示：圖8其在軌跡生成方面，具有直線、圓弧、樣條曲線生成

26、功能，還具備過指定點軌跡生成、平滑軌跡生成和平滑姿態(tài)生成功能，采用定時插補方式?？芍苯舆M行模擬指令的運動和將運動轉(zhuǎn)化成運動指令的能力。圖9主要包含模塊為：三維及坐標數(shù)據(jù)模型處理模塊數(shù)據(jù)模型格式支持dxf、.obj、.3DS、.STL等。環(huán)境中的坐標系統(tǒng)共分成兩層，一個是世界坐標系，一個是設備坐標系，環(huán)境中各機器人在自身的機器人基礎坐標系下計算運動，同時含有自身在世界坐標系下的坐標位置，同樣各夾具，其他設備也都有自身的坐標系，各設備之間的位置關系通過在世界坐標系和自身坐標系的累積計算進行位置信息的計算。機器人運動及算法模塊機器人六個關節(jié)的仿真運動是軟件的核心和關鍵部分，如何能使虛擬機器人樣機更加

27、準確的反應實際的機器人運動成為仿真運動的主要目標。點焊機器人具有在直角、關節(jié)、工具三個坐標系的運動功能，同樣在仿真軟件中相應的通過操作虛擬軟件示教盒可以在軟件環(huán)境中根據(jù)機器人位置姿態(tài)，在三種坐標系下計算出機器人各關節(jié)的轉(zhuǎn)角，使模型按照計算的結果進行運動，從而達到與現(xiàn)場機器人運動的統(tǒng)一。利用機器人運動學分析中的正解、逆解完成了機器人關節(jié)位置及姿態(tài)角的計算。用齊次坐標變換矩陣來表示機器人的正解運算如下：通過正、逆解求解。經(jīng)過從直角、工具坐標系的求逆可以快速計算出各軸關節(jié)角度，從而實現(xiàn)了在空間中的沿直線、曲線等其他形狀軌跡的運動。下面是軟件環(huán)境中機器人模型運動仿真流程圖。圖10軟件文件模塊本系統(tǒng)的文件模塊包括：機器人程序文件：（運動指令、邏輯命令、焊接指令，以及位置信息（點坐標、姿態(tài)角度），工藝參數(shù)（速度，焊接參數(shù)）等，這部分文件（焊接程序，參數(shù)等）保持了和實際機器人文件系統(tǒng)的一致，從而可使在離線仿真軟件中生成的程序可以直角拷