鮑 敏 鮑 婕 敖冰峰

(黑龍江職業(yè)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 7 自由度工業(yè)機(jī)器人研發(fā)背景

習(xí)近平總書記在兩院院士大會(huì)上表示，機(jī)器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。隨著中國制造2025和工業(yè)4.0 的推進(jìn)，我國已成為世界上最大的工業(yè)機(jī)器人市場，2020 年，工業(yè)機(jī)器人人才缺口達(dá)到300 萬，2025 年將達(dá)450 萬。然而目前全國開設(shè)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的大學(xué)有300 多所，很多處于起步階段，工業(yè)機(jī)器人教學(xué)儀器設(shè)備需求量巨大。但是，現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備成本較高，功能單一，靈活度不高，核心傳動(dòng)部件也無法滿足高校教學(xué)需要。另外，隨著技術(shù)日新月異和產(chǎn)品的多樣化，簡易的往復(fù)機(jī)已經(jīng)不能滿足形狀各異和復(fù)雜工藝的要求。工業(yè)柔性機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)地成為了自動(dòng)化生產(chǎn)線中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，仿生機(jī)器人研究也成為機(jī)器人學(xué)的熱點(diǎn)之一,但是由于多年的進(jìn)化,生物的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)一般難以用機(jī)械結(jié)構(gòu)完全實(shí)現(xiàn)。近期,國際知名機(jī)器人廠商紛紛發(fā)布七自由度工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品,這引發(fā)了我們的思考。七軸工業(yè)機(jī)器人從二十世紀(jì)七十年代末逐步發(fā)展至今,為工業(yè)自動(dòng)化的推進(jìn)起到了重要的作用。由于具備其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢,因此其相關(guān)產(chǎn)品動(dòng)向更值得我們深入研究。

2 7 自由度工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)

2.1 改善運(yùn)動(dòng)特性

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中存在著三個(gè)問題，這三個(gè)問題極大地限制了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

2.1.1 奇怪的配置。當(dāng)機(jī)器人處于奇異位形時(shí)，其末端執(zhí)行器不能沿某一方向運(yùn)動(dòng)或施加力矩，因此奇異位形對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃有很大的影響。

2.1.2 關(guān)節(jié)位移超限。在實(shí)際工作條件下，機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角度范圍是有限的，理想狀態(tài)是正180 度或負(fù)180 度，但很多關(guān)節(jié)做不到。此外，7 自由度機(jī)器人可以避免角速度移動(dòng)過快，使角速度分布更加均勻。

2.1.3 三是工作環(huán)境存在障礙。在工業(yè)環(huán)境中，在許多場合存在著各種各樣的環(huán)境障礙。7 自由度機(jī)器人不僅可以改變末端機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，而且可以改變末端機(jī)構(gòu)的位置。

2.2 改善動(dòng)態(tài)特性

對(duì)于7 自由度機(jī)器人，利用其冗余自由度不僅可以通過軌跡規(guī)劃獲得良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，而且可以通過其結(jié)構(gòu)獲得良好的動(dòng)力學(xué)性能。

7 自由度機(jī)器人可以重新分配關(guān)節(jié)力矩，這涉及到機(jī)器人的靜平衡問題，即作用在末端的力可以通過算法來計(jì)算。對(duì)于傳統(tǒng)的六軸機(jī)器人，各關(guān)節(jié)的受力是確定的，其分布可能不合理。而7 自由度機(jī)器人可以通過控制算法來調(diào)整各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩，使薄弱環(huán)節(jié)的力矩盡可能小，從而使整個(gè)機(jī)器人的力矩分布更加均勻合理。

2.3 容錯(cuò)

當(dāng)機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)，如果一個(gè)關(guān)節(jié)發(fā)生故障，傳統(tǒng)的6 自由度機(jī)器人將無法繼續(xù)工作，而7 自由度機(jī)器人則可以通過重新調(diào)整故障關(guān)節(jié)的速度(運(yùn)動(dòng)容錯(cuò))和重新分配故障關(guān)節(jié)的扭矩(動(dòng)態(tài)容錯(cuò))來繼續(xù)工作。

3 基于關(guān)節(jié)模塊自由組裝式7 自由度工業(yè)機(jī)器人功能

3.1 不封蓋RV 減速器，國內(nèi)首創(chuàng)

7 軸工業(yè)機(jī)器人是最接近人類手臂結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，本工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品以7 自由度的高起點(diǎn)出發(fā)兼顧3 至7 自由度研發(fā)設(shè)計(jì)，既可以應(yīng)用于智能工廠代替人工，也可應(yīng)用于高校機(jī)器人教學(xué)。有以下6 大特色：(1)關(guān)節(jié)模塊可實(shí)現(xiàn)3-7 軸的靈活拼裝運(yùn)行；(2)創(chuàng)新開發(fā)了核心傳動(dòng)部件-RV 減速器；(3)為適用不同場合，設(shè)計(jì)專利底座結(jié)構(gòu)；(4)無線控制，平板電腦示教編程；(5)開發(fā)了虛擬仿真互動(dòng)訓(xùn)練平臺(tái)；(6)與同類產(chǎn)品相比，一機(jī)多能，性價(jià)比高。

可不封蓋運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人系列RV 減速器，能清晰看見內(nèi)部機(jī)構(gòu)，方便演示工作原理，且能應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)軸中，用于組建多關(guān)節(jié)軸機(jī)器人，其內(nèi)部至少三處鏤空，可穿過導(dǎo)線、氣管，不影響減速機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)教學(xué)提供強(qiáng)力支撐，填補(bǔ)了此項(xiàng)產(chǎn)品國內(nèi)空白，見圖1。

圖1 關(guān)節(jié)模塊減速器拆解狀態(tài)

3.2 自由組裝式多軸機(jī)器人，面向不同應(yīng)用

市面上的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都是固定自由度，功能單一，利用自研不封蓋運(yùn)行的RV 減速器、核心傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及機(jī)械結(jié)構(gòu)，以關(guān)節(jié)為單元，可自由拼裝成3 自由度、4 自由度、5自由度、6 自由度、7 自由度機(jī)器人。相比較市面上的單一功能的實(shí)訓(xùn)臺(tái)，集成了工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中幾乎全部的實(shí)訓(xùn)操作項(xiàng)目，一臺(tái)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)的功能，見圖2。

圖2 自由組裝3-7 自由度工業(yè)機(jī)器人形態(tài)

3.3 產(chǎn)品采用專利底座設(shè)計(jì)，方便換裝移動(dòng)平臺(tái)

現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人安裝底座通常是固化的，無法進(jìn)行位置調(diào)整，無法適應(yīng)各種安裝情況，同時(shí)缺乏在減震和加固方面的安全性，工作發(fā)生碰撞時(shí)易傾倒造成設(shè)備損壞和人員危險(xiǎn)。本機(jī)器人底座采用卡槽和門形銷可拆卸結(jié)構(gòu)專利設(shè)計(jì)，可安裝在移動(dòng)AGV 小車等多平臺(tái)中使用，安裝穩(wěn)固、可快速切換，方便安裝于不同平臺(tái)。

3.4 創(chuàng)新平板電腦示教編程，無線連接、離線仿真編程

機(jī)器人除傳統(tǒng)示教器外，創(chuàng)新開發(fā)了在平板電腦(或手機(jī))上示教，既實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)控制器的功能又可離線仿真編程，無線連接，擺脫線纜束縛，使用方便。

3.5 配套虛擬仿真互動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)，直觀生動(dòng)

配套開發(fā)了虛擬仿真互動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠在仿真環(huán)境下學(xué)習(xí)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、組成原理，直觀生動(dòng)，為高校工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)教學(xué)提供支撐。

3.6 一機(jī)多能，高性價(jià)比

1 臺(tái)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)多方面實(shí)訓(xùn)應(yīng)用，既可實(shí)現(xiàn)多場合工業(yè)實(shí)際應(yīng)用，又可完成本體認(rèn)知、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)認(rèn)知、示教編程、虛擬拆裝、面向不同應(yīng)用等5 方面以上實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用，一機(jī)多能。量產(chǎn)價(jià)格僅為3 萬元，相比市場上功能單一，價(jià)格動(dòng)輒三五十萬元的7 自由度工業(yè)機(jī)器實(shí)訓(xùn)設(shè)備，性價(jià)比優(yōu)勢明顯。

4 基于關(guān)節(jié)模塊自由組裝式工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)

七軸機(jī)器人包括三個(gè)主要部件，機(jī)器人本體、控制柜、示教器，所有的編輯工作都在示教器上完成，當(dāng)作業(yè)編輯完成后，點(diǎn)擊下載按鈕，將命令下載到控制柜中的主控板中，切換至運(yùn)行模式，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕開始執(zhí)行下載命令。當(dāng)遇到不可預(yù)知的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)或危險(xiǎn)時(shí)，按下急停按鈕，機(jī)器人立即停止。

4.1 控制柜

硬件采用48v、24v、5v 電源供電，7 路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，16 路繼電器，wifi 模塊，儲(chǔ)存模塊、控制按鈕、主控板(stm32f103zet6)組成。

控制柜按鈕布局，見圖3。

圖3 控制柜按鈕布局

4.2 示教器

軟硬件配置：移動(dòng)端，安卓5.0 以上版本，分辨率2560*1600，具備wifi 網(wǎng)絡(luò)。pc 端，win7、win10 系統(tǒng)，具備wifi網(wǎng)絡(luò)。

4.3 開機(jī)

連接電源線，確定復(fù)位按鈕彈起，撥動(dòng)電源開關(guān)，電源指示燈亮起，待工作指示燈間隔閃爍時(shí)，開機(jī)完成。

示教器軟件安裝：在安卓平板電腦或安卓手機(jī)上安裝7自由度工業(yè)機(jī)器人示教器控制軟件。pc 機(jī)上拷貝七7 自由度示教器軟件到硬盤上。

示教器連接：當(dāng)7 自由度工業(yè)機(jī)器人正常開機(jī)后，確保模塊開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)到編輯模式，查看wifi，選擇HY-001 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，輸入密碼“12345678”，網(wǎng)絡(luò)連接成功后，啟動(dòng)示教器軟件。當(dāng)看到菜單頭信息反饋欄中出現(xiàn)主控板的反饋信息時(shí)，示教器鏈接成功。

4.4 編輯模式

控制模式選擇開關(guān)，擰動(dòng)到編輯模式，急停開關(guān)彈起。

在編輯模式下，示教器可控制機(jī)器人姿態(tài)、編輯作業(yè)等操作。

4.5 示教器功能布局(圖4)

圖4 示教器功能布局

使能：示教器最左測，黃底黑字，寫著使能。當(dāng)示教操作時(shí)，要用一根手指按著使能按鈕，當(dāng)機(jī)器人發(fā)生不正常的運(yùn)動(dòng)時(shí)，松開使能按鈕，機(jī)器人立即停止。

關(guān)閉示教器：點(diǎn)擊后關(guān)閉示教軟件。

示教、校準(zhǔn)切換：切換示教模式和校準(zhǔn)模式。示教模式下，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教操作，記錄、保存、命令下載等操作。校準(zhǔn)模式下，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行原始狀態(tài)校準(zhǔn)，使機(jī)器人可以在示教模式下正確運(yùn)行。

狀態(tài)提示：提示機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)和狀態(tài)信息。

命令作業(yè)提示區(qū)：記錄和提示作業(yè)內(nèi)容，點(diǎn)擊作業(yè)可進(jìn)行編輯。

文字書寫：機(jī)器人寫字功能的文字輸入和編輯執(zhí)行。

IO 口狀態(tài)控制：控制機(jī)器人的外部IO 口的狀態(tài)。示教器可控制8 個(gè)外部IO 端口狀態(tài)。

坐標(biāo)控制：控制機(jī)器人的姿態(tài)。最上面三組控制按鈕，可控制末端執(zhí)行器的位置坐標(biāo)，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)軸控制按鈕，可控制對(duì)應(yīng)軸，沿著軸方向移動(dòng)。中間三組控制按鈕，控制末端執(zhí)行器的角度，同樣點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)控制按鈕，可控制對(duì)應(yīng)軸，沿著軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)。最下面一組按鈕，可控制機(jī)器人擺臂姿態(tài)。最下面的滑動(dòng)條控制軸的調(diào)節(jié)速度，默認(rèn)是中速，向右滑動(dòng)加速，向左滑動(dòng)減速。

延時(shí)設(shè)置：設(shè)置當(dāng)前作業(yè)的延時(shí)等待時(shí)間，機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行停止等待的時(shí)間，主要用途是，外部電路元件(例如：電磁換向閥)運(yùn)行時(shí)需要時(shí)間來執(zhí)行功能，延時(shí)功能就是配合外部電路元件的功能執(zhí)行。

控制區(qū)：播放作業(yè)、執(zhí)行示教命令、下載命令、存檔的保存和讀取。

4.6 校準(zhǔn)功能布局(圖5)

圖5 校準(zhǔn)功能布局

校準(zhǔn)模式下，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行原點(diǎn)設(shè)置。

軸號(hào)：提示各軸編號(hào)。

當(dāng)前軸角度：提示和手動(dòng)設(shè)置機(jī)器人的軸角度。

軸角度加減：按鈕方式設(shè)置機(jī)器人的軸角度。

變換速度：調(diào)整按鈕角度設(shè)置的速度。

快捷功能：所軸轉(zhuǎn)動(dòng)回0 點(diǎn)，機(jī)器人各軸，轉(zhuǎn)動(dòng)回0 點(diǎn)。設(shè)置所有軸為0 點(diǎn)，設(shè)置機(jī)器人當(dāng)前位置為0 點(diǎn)。

4.7 運(yùn)行模式

運(yùn)行模式選擇開關(guān)，擰動(dòng)到編輯模式，急停開關(guān)彈起。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，機(jī)器人將執(zhí)行由示教器下載到控制柜中主控板的程序。

4.8 串口命令

通過串口命令，可控制七軸機(jī)器人的的所有功能，包括但不限于是示教器的指令控制，方便用戶二次開發(fā)，功能擴(kuò)展。

4.9 軸角度控制：用于調(diào)整機(jī)器人軸角度

“軸號(hào)”=“角度”，“軸號(hào)”=“角度”；

例如：0 號(hào)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到10.5 度。 命令：0=10.5；

當(dāng)需要多個(gè)角度聯(lián)動(dòng)時(shí)，需要多個(gè)角度命令組合發(fā)送，多條命令用“，”隔開；

例如：1 號(hào)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到11.3 度，3 號(hào)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到-10 度。命令：1=11.3，3=-10；

4.10 IO 控制

用于控制外部IO 口狀態(tài)，開和關(guān)，此命令可以和軸角控制命令一同使用，串口命令，最多可控制16 個(gè)IO 口狀態(tài)。

“IO 編號(hào)”=“設(shè)置狀態(tài)”，“IO 編號(hào)”=“設(shè)置狀態(tài)”；

例如：p1IO 端口狀態(tài)設(shè)置為開；

命令：p1=1;

4.11 軸角度設(shè)置：修改當(dāng)前軸角度

set:“軸號(hào)”=“角度”，“軸號(hào)”=“角度”；

例如：設(shè)置0，1 軸角度為0；

命令：set:0=0,1=0;

4.12 停止、急停：stop

4.13 急停復(fù)位：stop_over

4.14 暫停：pause

4.15 播放、繼續(xù)：play

4.16 存儲(chǔ)命令：main：“多行或單行命令”；

命 令 ：main：0=10，1=10，p1=1；0=-10，1=-10，p1=0

4.17 讀取存檔數(shù)據(jù)：get_all

4.18 清空存檔：clear

4.19 設(shè)置主控板wifi 設(shè)備名和密碼

例如：設(shè)置wifi 設(shè)備名“HY-001”，密碼“12345678”

命令：ssid:ap_ssid=HY-001,ap_pw=12345678

7 自由度工業(yè)機(jī)器人是對(duì)人手臂的真實(shí)還原，隨著工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟，近年來，跨國機(jī)器人巨頭們紛紛推出7 軸工業(yè)機(jī)器人，這種協(xié)作機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一類，是能夠與人在生產(chǎn)線上協(xié)同作戰(zhàn)，充分發(fā)揮本體效率及人類智能的新型機(jī)器人。成為了工業(yè)機(jī)器人高端新市場和眾多企業(yè)的突破目標(biāo)，也被視為高端工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)志。