譚紅軍 陳昌中 張斌 呂林林

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)制造行業(yè)作為重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前，自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)已成為世界工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，而機(jī)器人裝配技術(shù)作為柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的核心技術(shù)更是愈加受到制造行業(yè)的青睞。本文即針對(duì)目前常見(jiàn)的機(jī)器人自動(dòng)裝配方法及技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析與探討，希望能對(duì)制造業(yè)的相關(guān)工作帶來(lái)些許幫助。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;自動(dòng)裝配;方法;技術(shù)

1裝配機(jī)器人概述

裝配機(jī)器人是柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，由機(jī)器人操作機(jī)、控制器、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。機(jī)器人操作機(jī)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要包括水平關(guān)節(jié)型、直角坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型和圓柱坐標(biāo)型等幾類(lèi);控制器通常選用多CPU或多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)編程;末端執(zhí)行器一般是為了適應(yīng)不同的裝配對(duì)象設(shè)計(jì)而成的各類(lèi)手爪、手腕等機(jī)械設(shè)備;傳感系統(tǒng)主要用來(lái)采集裝配機(jī)器人與工作環(huán)境和裝配對(duì)象之間相互作用的信息。

2 機(jī)器人自動(dòng)裝配的常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法

2.1 反向規(guī)劃法

反向規(guī)劃法是指初始階段要遵循目標(biāo)的狀態(tài)，著重關(guān)注裝配的操作過(guò)程，并將操作方法中的不確定性加以考慮，在體現(xiàn)初始狀態(tài)時(shí)要應(yīng)用逆向推導(dǎo)的方式，最終返回初始狀態(tài)。在完成任務(wù)回溯過(guò)程后，初始狀態(tài)則進(jìn)行重新規(guī)劃，以此形成一套順暢的裝配操作序列。這種規(guī)劃方法的實(shí)際操作中涉及的摩擦與運(yùn)動(dòng)速度都具有一定的不確定性，而通過(guò)對(duì)反向投影區(qū)域的相關(guān)計(jì)算累積起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)再為反向投影提供參考，如此就可以使前臺(tái)的構(gòu)造與實(shí)際操作逐漸靠近。簡(jiǎn)而言之，反向規(guī)劃法就是在理想狀態(tài)下對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)施規(guī)劃，再針對(duì)不確定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，而對(duì)于動(dòng)態(tài)實(shí)施的規(guī)劃過(guò)程即是柔順映射的過(guò)程。

2.2 正向規(guī)劃法

正向規(guī)劃法是指從初始階段開(kāi)始就使用正向遞推的方式對(duì)機(jī)器人自動(dòng)裝配的相關(guān)操作采取深入的規(guī)劃。這種規(guī)劃法通過(guò)離散時(shí)間，使位移的空間處于離散的狀態(tài)下，并于相異的接觸模式下形成集合，最后在接觸狀態(tài)中尋求最為合理的轉(zhuǎn)移路徑，并對(duì)其執(zhí)行規(guī)劃，已達(dá)到實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)的目的。另外，正向規(guī)劃法也具有一定的不確定性，并且對(duì)于運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃可能會(huì)造成極大影響。因此在執(zhí)行主規(guī)劃時(shí)應(yīng)該采取兩階段分開(kāi)執(zhí)行的模式，先選擇相對(duì)理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再針對(duì)名義運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行展開(kāi)性的有效規(guī)劃，最后再實(shí)施動(dòng)態(tài)深入規(guī)劃，整個(gè)的規(guī)劃同樣屬于柔順映射過(guò)程。

2.3 戰(zhàn)略控制級(jí)綜合規(guī)劃法

這種方法屬于比較先進(jìn)的機(jī)器人裝配任務(wù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。戰(zhàn)略控制級(jí)綜合規(guī)劃法不需要配套高成本、復(fù)雜度高的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且能保持良好的工作性能，是一中可執(zhí)行性很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。該方法主要由以下三個(gè)階段組成。①準(zhǔn)備一個(gè)專(zhuān)家級(jí)的系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)下針對(duì)機(jī)器人實(shí)際操作的裝配任務(wù)執(zhí)行識(shí)別操作，以此來(lái)掌握與之相匹配的計(jì)算時(shí)間與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃相關(guān)問(wèn)題的解決方案。然后以所明確的計(jì)算時(shí)間為根據(jù)，應(yīng)用專(zhuān)家級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算并確認(rèn)機(jī)器人模型種類(lèi)與操作環(huán)境的類(lèi)型，并明確相關(guān)問(wèn)題的處理算法。②在確定了操作系統(tǒng)的模型種類(lèi)與相關(guān)算法的基礎(chǔ)上，開(kāi)始進(jìn)行裝配機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃工作，并將運(yùn)動(dòng)規(guī)劃信息向裝配機(jī)器人的低級(jí)別控制系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。③對(duì)裝配機(jī)器人的實(shí)際操作性能進(jìn)行信息采集，以此為依據(jù)針對(duì)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)參數(shù)以及操作環(huán)境采取進(jìn)一步的識(shí)別操作，再經(jīng)由傳感器采集裝配機(jī)器人的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通過(guò)得到的數(shù)據(jù)即可以判斷機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與環(huán)境模型的調(diào)整方向，有助于優(yōu)化運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的相關(guān)算法。

3 機(jī)器人自動(dòng)裝配的常用技術(shù)

3.1裝配機(jī)器人結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化技術(shù)

該技術(shù)主要體現(xiàn)在針對(duì)裝配機(jī)器人采用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的設(shè)計(jì)材料所進(jìn)行的研究，目的是提高裝配機(jī)器人的負(fù)荷與自重比，以可重復(fù)構(gòu)筑的模塊化方向?yàn)槟繕?biāo)進(jìn)行發(fā)展。

3.2裝配機(jī)器人的直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)

直接驅(qū)動(dòng)是指新型的電機(jī)直接與運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部分相結(jié)合，即電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，取消了中間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。常見(jiàn)的對(duì)于直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用包括，以直線(xiàn)電機(jī)為核心驅(qū)動(dòng)元件的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件和以力矩電機(jī)為核心驅(qū)動(dòng)元件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)元件。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)具有高扭矩的低速電機(jī)對(duì)裝配機(jī)器人進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，旨在有效的降低裝配機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)慣性，最終達(dá)到減少誤差、降低損耗以及提高裝配機(jī)器人運(yùn)作系統(tǒng)可靠性的目的。

3.3 裝配機(jī)器人程序控制技術(shù)

隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，裝配機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化與網(wǎng)絡(luò)化控制已經(jīng)占據(jù)了相關(guān)研究的主要地位，針對(duì)傳統(tǒng)的編程控制技術(shù)，新技術(shù)不但能夠提供更為優(yōu)秀的在線(xiàn)編程實(shí)操效果，還能夠使離線(xiàn)編程的實(shí)操性得到優(yōu)化與提高。另外新的程序控制技術(shù)還將帶來(lái)更為人性化的人機(jī)交互、語(yǔ)言支持以及圖形編程的相關(guān)界面。

3.4 裝配機(jī)器人的多傳感器信息融合技術(shù)

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以概括為把分布在不同位置的多個(gè)同類(lèi)或不同類(lèi)傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行深入分析，從而消除多傳感器信息之間可能存在的冗余與矛盾，并進(jìn)行互補(bǔ)操作，降低其不確定性。另外根據(jù)得到的被測(cè)對(duì)象一致性解釋與描述，能夠有效提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃以及反應(yīng)的速度和準(zhǔn)確率，使系統(tǒng)獲得更為完整、可靠的反饋信息。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)相較單一傳感器信息處理技術(shù)具有容錯(cuò)率高、互補(bǔ)性強(qiáng)、信息反饋及時(shí)、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在裝配機(jī)器人領(lǐng)域已得到廣泛的推廣與應(yīng)用。

3.5 裝配機(jī)器人的柔順控制技術(shù)

柔順控制技術(shù)是指從力學(xué)傳感器接收控制信號(hào)，并應(yīng)用此信號(hào)來(lái)控制機(jī)器人，從而使機(jī)器人對(duì)信號(hào)的變化產(chǎn)生響應(yīng)完成相關(guān)動(dòng)作。裝配機(jī)器人的柔順性可分為主動(dòng)柔順性和被動(dòng)柔順性?xún)深?lèi)，裝配機(jī)器人通過(guò)輔助的柔順裝置，使其在與操作環(huán)境接觸時(shí)可以對(duì)外界的作用力產(chǎn)生相對(duì)自然的順從，稱(chēng)為被動(dòng)柔順性;裝配機(jī)器人根據(jù)力的反饋信息應(yīng)用相應(yīng)的控制方案主動(dòng)控制作用力，則稱(chēng)為主動(dòng)柔順性。主動(dòng)柔順性與被動(dòng)柔順性通過(guò)有機(jī)的結(jié)合，能夠有效避免機(jī)器人與操作環(huán)境從非接觸到接觸完成自然轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的碰撞沖擊，是裝配機(jī)器人柔順控制的必然發(fā)展趨勢(shì)。

3.6 裝配機(jī)器人與圖形仿真技術(shù)的結(jié)合

目前，我國(guó)制造業(yè)的裝配工作愈加復(fù)雜，傳統(tǒng)的裝配機(jī)器人編程模式就顯得效率偏低如果將CAD系統(tǒng)的圖形仿真技術(shù)與裝配機(jī)器人的控制系統(tǒng)直接關(guān)聯(lián)，就可以提高裝配機(jī)器人編程的靈活性，使裝配機(jī)器人的離線(xiàn)編程效率得到極大地優(yōu)化與提高，并且在對(duì)裝配程序的準(zhǔn)確性與可行性進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)提供一定的幫助。

3.7 并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)

并聯(lián)機(jī)器人是指動(dòng)平臺(tái)與定平臺(tái)之間通過(guò)至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，整個(gè)機(jī)構(gòu)含有兩個(gè)及以上的自由度，同時(shí)采用并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)包括沒(méi)有累積誤差，精確度較高;驅(qū)動(dòng)裝置可以設(shè)置在定平臺(tái)上或者接近定平臺(tái)的位置，這就可以使裝配機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分重量更輕，速度更快，從而具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在“中國(guó)制造”的指導(dǎo)思想下，隨著我國(guó)制造業(yè)的不斷發(fā)展，裝配工作自動(dòng)化已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，并且已經(jīng)走在高速發(fā)展的道路上。機(jī)器人自動(dòng)裝配的規(guī)劃方法與相關(guān)技術(shù)作為裝配自動(dòng)化的重要組成部分更應(yīng)受到工業(yè)自動(dòng)化研究人員的充分重視。相信在不久的將來(lái)，我們一定可以實(shí)現(xiàn)全面的制造業(yè)騰飛，完成工業(yè)現(xiàn)代化的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全面“中國(guó)制造”的偉大目標(biāo)。

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