高性能工業(yè)機器人控制系統(tǒng)
針對點焊(弧焊)機器人和重載搬運機器人的應用,開展機器人控制器核心技術相關研究,研究開發(fā)自主知識產(chǎn)權的高性能低成本的工業(yè)機器人控制器,實現(xiàn)工程應用。研究工業(yè)機器人控制器核心技術,完成控制器的研究與開發(fā)并實現(xiàn)工程化,實現(xiàn)示范應用及產(chǎn)業(yè)化目標??蛇_技術指標序號名稱規(guī)格1插補周期4ms2重復定位精度20um3直線度40um4聯(lián)動軸數(shù)六軸5伺服驅動接口脈沖6插補方式關節(jié),直線,圓弧,曲線7上位機(示教器)LINUX+QT8下位機(控制器)UCOSII9加減速功能直線型和S型10語言標準安川 inform II指令系統(tǒng)11PLC功能內部軟PLC,標準支持32輸入/32輸出點,可擴展128輸入/128輸出。128個定時器,128個計數(shù)器12現(xiàn)場總線接口RS485,RS232,CAN 一、系統(tǒng)關鍵技術 1.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的軟硬件體系結構: (1) 基于領域建模的開發(fā)方法 研究面向機器人控制器開發(fā)的領域建模方法, 通過對機器人控制系統(tǒng)共性的提取和功能及非功能屬性的抽象, 借助形式化描述及工具集成實現(xiàn)機器人控制系統(tǒng)在模型層的仿真和驗證, 并研究可重用實時組件設計方法,使得開發(fā)的重點從底層代碼轉向機器人領域應用。 (2) 基于組件的開放式控制器的軟件結構 根據(jù)機器人控制的特點和開放性的要求,研究機器人組件模型,組件劃分方法,組件間的通信機制,連接配置方法以及系統(tǒng)的調度模型,并研究開放式機器人控制器的一般開發(fā)流程,開放式平臺下多傳感器機器人的控制方法。 (3) 開放式控制器模塊化硬件結構 根據(jù)開放性的要求,研究硬件模塊的劃分方法,便于系統(tǒng)添加或更換各種接口、傳感器等;采用基于標準總線的結構;研究多CPU系統(tǒng)的設計方法;研究基于FPGA的接口設計方法。 (4) 機器人操作系統(tǒng) 根據(jù)機器人應用需求,在開源操作系統(tǒng)的基礎上增加機器人應用層接口、機器人算法,中間件,增強實時性能的任務調度算法。 2.高速、高精度工業(yè)機器人輪廓控制技術和柔性加減速技術: (1) 速度前瞻控制和拐角控制技術 前瞻處理的主要任務是獲取路徑信息,并根據(jù)速度、加速度和加加速度等機器人運動約束條件和選定的加減速規(guī)律進行速度規(guī)劃。 (2) 柔性加減速技術 加減速控制算法可以避免機器人的沖擊、振動,并在不增加系統(tǒng)運算量的情況下使得插補過程能夠平滑快速的執(zhí)行研究直線型加減速、S 型加減速、平滑 S 型加減速、力矩加減速提高系統(tǒng)的精度和速度。 (3) 最優(yōu)軌跡規(guī)劃算法 軌跡規(guī)劃的任務是根據(jù)給定的路徑點規(guī)劃處通過這些點并滿足邊界約束條件的光滑的最優(yōu)運動軌跡,研究時間最小的軌跡規(guī)劃算法、能耗最小的軌跡規(guī)劃算法、加速度最小的優(yōu)化算法,使機器人的作業(yè)效率、能耗達到最優(yōu),同時確保運動的平穩(wěn)性。 3.工業(yè)機器人編程語言規(guī)范: (1)編程語言規(guī)范 根據(jù)機器人不同應用領域的特點及具體要求,研究通用的機器人編程語言結構,定義詞法及語法規(guī)則;充分考慮機器人控制系統(tǒng)的運動控制、運算-決策、通訊、工具指令以及傳感器數(shù)據(jù)處理等基本功能,規(guī)劃完善的指令集和內部函數(shù)集;定義機器人物理環(huán)境模型,確定編程語言指令與目標指令內在的邏輯關系。 (2) 編程環(huán)境設計 機器人編程環(huán)境具有以下特征:面向應用的數(shù)據(jù)結構、擴展的通用算法和數(shù)據(jù)結構。研究機器人語言程序的詞法、語法和語義的分析,以及語法錯誤檢查和系統(tǒng)邏輯錯誤檢查技術;設計機器人語言程序解釋器,實現(xiàn)機器人語言到系統(tǒng)內部指令的轉化,并根據(jù)應用需求優(yōu)化系統(tǒng)內部指令序列。 4.故障診斷、測試與可靠性技術: (1) 智能故障診斷系統(tǒng) 研究基于規(guī)則的專家系統(tǒng),基于實例的專家系統(tǒng),規(guī)則和實例混合的專家系統(tǒng),基于規(guī)則控制的實例診斷系統(tǒng)。 (2) 可靠性技術 a.可靠性分析:對控制系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)、故障模式、影響及危害度分析,以便發(fā)現(xiàn)設計、生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié),為提高控制系統(tǒng)可靠性提供依據(jù)。 b.可靠性設計技術:采用簡化設計、降額設計、冗余設計、EMC 設計、熱設計、環(huán)境防護設計提高系統(tǒng)的可靠性。 c.可靠性試驗技術:在研制階段采用可靠性增長試驗提高系統(tǒng)可靠性,通過可靠性鑒定試驗確定系統(tǒng)定型,通過可靠性驗收試驗確定系統(tǒng)的可靠性是否達到要求,采用應力篩選試驗提高產(chǎn)品的使用可靠性。通過加速壽命試驗評估MTBF值是否達到。 d.軟件可靠性試驗技術:采用軟件可靠性設計、可靠性增長測試、軟件可靠性測試和軟件可靠性驗證測試提高軟件可靠性、通過建立控制系統(tǒng)軟件可靠性仿真測試平臺提高軟件可靠性測試水平。 5.面向重載機器人的先進控制算法: (1) 基于系統(tǒng)動力學模型的控制 針對重載機器人慣量變化大,固有頻率低,高度非線性耦合的特點。研究基于機器人真實參數(shù)的動力學模型及實時求解。根據(jù)動力學模型,研究運動規(guī)劃、柔性加減速以及模態(tài)控制等方面的技術,減少由于軌跡規(guī)劃引起的機器人振動。 (2) 負載自動識別 針對機器人不同應用及負載變化,研究機器人在線自動識別負載的方法。 (3) 機器人空腔計算及處理 實現(xiàn)了機器人所能到達的所有位置范圍計算,能提前提示用戶示教的位置是否合法, 是否在機器人能到的位置。 (4) 立方干涉處理 實現(xiàn)了最多六個干涉區(qū)的設置,在多機器人相互配合運行工作時,通過干涉區(qū)避免了碰撞的危險性。二、對國家產(chǎn)業(yè)結構影響 我國汽車工業(yè)的工業(yè)機器人市場遠未飽和。僅我國汽車工業(yè)就存在一個龐大的工業(yè)機器人市場,如果考慮到我國整個制造業(yè)的需要,工業(yè)機器人市場則更加龐大。 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和勞動力成本的不斷提高,發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè),提高制造業(yè)生產(chǎn)自動化水平,由勞動密集型向技術密集型轉變已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)展模式和制造產(chǎn)業(yè)結構調整的必由之路。隨著計算機科學技術的不斷發(fā)展,工業(yè)機器人應用領域也隨之不斷擴展和深化。工業(yè)機器人技術的發(fā)展,可以看做工業(yè)自動化的一場革命,南通作為科技重鎮(zhèn)、制造重鎮(zhèn),把握機遇,迎接挑戰(zhàn),大力發(fā)展工業(yè)機器人制造業(yè),應是一個戰(zhàn)略性的決策。 應用范圍: 伴隨我國經(jīng)濟的高速增長,以汽車等行業(yè)需求為牽引,我國對工業(yè)機器人需求量急劇增加,國際工業(yè)機器人知名企業(yè)如ABB、FANUC 等紛紛在中國建廠,目前,我國工業(yè)機器人新裝機量近90% 仍依賴進口。因此,對于工業(yè)機器人制造業(yè),擺脫依賴關系,拒絕跟隨式發(fā)展,成為目前國內基礎制造業(yè)的重中之重。 工業(yè)機器人制造是一個嶄新而又創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè),由于工業(yè)機器人應用極為廣泛,其前景非常看好。本項目對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)有其獨到之處加之雄厚的制造業(yè)基礎,兩者相結合將為國內制造業(yè)開創(chuàng)一個新的主流產(chǎn)業(yè)。該產(chǎn)業(yè)的逐步形成既符合國家新興高端制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,又為國家的經(jīng)濟騰飛打下堅實的基礎。
北京交通大學
2021-04-13