Промисловий робот — це набір машин, електроніки, засобів керування, комп’ютерів, датчиків, штучного інтелекту та інших мультидисциплінарних передових технологій в одній із сучасної обробної промисловості у важливому обладнанні для автоматизації. Робототехніка, технології ЧПУ та технології ПЛК відомі як три основні допоміжні технології для промислової автоматизації. Технологія робототехніки та її продукти розвиваються дуже швидко та стали інструментами автоматизації для гнучкої виробничої системи (FMS), фабричної автоматизації (FA), комп’ютерної інтегрованої виробничої системи (CIMS), а також важливою частиною інтелектуальної фабрики індустрії 4.0.
1. Склад промислової робототехнічної системи та показники продуктивності
1) Композиція системи промислового робота
Промисловий робот — це багато-шарнірний маніпулятор або пристрій із кількома-ступенями--свободи, орієнтований на промислову сферу, який може виконувати роботу автоматично, і є різновидом машини, яка покладається на власну потужність і здатність керувати для реалізації різних функцій. Він може приймати команди людини або працювати відповідно до-запрограмованої програми, сучасні промислові роботи також можуть базуватися на технології штучного інтелекту для розробки принципу програмної дії. Типовий промисловий робот показаний на малюнку 1. Промислових роботів можна розділити на три покоління відповідно до рівня технологічного розвитку: перше покоління демонстраційних відтворювальних роботів, друге покоління перцептивних роботів і третє покоління інтелектуальних роботів.
Перше покоління промислових роботів складається з трьох основних частин з точки зору зовнішньої структури: оператора (або тіла робота), контролера та демонстратора. Друге та третє покоління промислових роботів також включає систему сприйняття та систему аналізу та-прийняття рішень, які реалізуються датчиками та програмним забезпеченням відповідно.
(1) Оператор:Основний корпус машини, який використовується для виконання різних операційних завдань, який в основному містить роботизовану руку, привід, трансмісію та внутрішні датчики.
(2) Контролер:Це пристрій для керування тілом робота для виконання певних дій відповідно до інструкцій і інформації датчиків, який є ключовою частиною для визначення функцій і продуктивності робота, а також частиною промислового робота, яка найшвидше оновлюється та розвивається.
(3) Вчитель:Це інтерфейс взаємодії робота з людиною-, за допомогою якого оператор може запрограмувати робота або вручну управляти роботом, щоб він рухався.
Промислові роботи функціонально складаються з 3 основних частин і 6 підсистем. 3 основні частини — це механічна частина, частина керування та сенсорна частина. 6 підсистеми — система приводу, система механічної конструкції, система взаємодії людини-з машиною, система керування, система чутливості та система-взаємодії робота з навколишнім середовищем.
2) Індекс продуктивності промислового робота
Індекс продуктивності промислових роботів - це технічні дані, надані виробником робота під час поставки продукту, що відображають сферу застосування та продуктивність роботи робота, що необхідно враховувати при виборі робота. Хоча технічні дані, надані виробником роботів, не зовсім однакові, структура промислових роботів, програми та потреби користувачів не однакові, але його основні показники продуктивності загалом такі: ступені свободи, точність роботи, робочий діапазон, номінальне навантаження, максимальна робоча швидкість.
Важливо зазначити, що робот може мати особливості в межах свого робочого діапазону. Сингулярності – це точки, де суглоби втрачають ступінь свободи в певних напрямках через обмеження в структурі робота. Сингулярності зазвичай знаходяться на краях робочого простору, і коли сингулярності згруповані разом, вони називаються «порожнечами». Коли робот рухається поблизу сингулярності, положення суглобів різко змінюється через поступову втрату ступенів свободи, що призводить до великого навантаження на систему приводу та перевантаження. Тому для роботів із сингулярностями їх робочий діапазон також вимагає видалення сингулярностей і порожнин.
2. Управління промисловими роботами
1) Характеристики та вимоги до керування промисловими роботами
Рухи суглобів більшості промислових роботів не залежать один від одного, і для досягнення точності позиціонування кінцевого -ефектора робота потрібна координація кількох суглобів. Таким чином, система управління промисловим роботом є більш складною, ніж звичайна система управління, і має такі характеристики:
(1) Це по суті нелінійна система.
(2) Це багатопараметрична система керування, що складається з кількох з’єднань, і між з’єднаннями існує зв’язок.
(3) Це система-, що змінюється в часі, динамічні параметри якої змінюються зі зміною положення руху суглоба.
(4) Необхідно виміряти та проаналізувати умови навколишнього середовища та інструкції з контролю, а також автоматично вибрати найкращий закон керування.
(5) Він має високу повторювану точність позиціонування та хорошу жорсткість системи.
(6) Перевищення позиції не допускається, інакше може статися зіткнення, і динамічна відповідь має бути швидкою.
З огляду на те, що керування промисловим роботом має вищевказані характеристики, при проектуванні системи керування промисловим роботом повинні бути виконані такі основні вимоги:
(1) Скоординоване керування багато-рухом по осі для створення необхідної робочої траєкторії.
(2) Висока точність позиціонування, великий діапазон швидкості.
(3) Статична диференціальна швидкість системи повинна бути невеликою, тобто система повинна мати хорошу жорсткість.
(4) Позиція без перевищення, швидка динамічна відповідь.
(5) Потрібен контроль прискорення та уповільнення.
(6) Коефіцієнт похибки швидкості кожного шарніра має бути якомога постійнішим.
(7) З точки зору роботи, система керування повинна мати хороший інтерфейс людини-машини, мінімізуючи вимоги оператора.
(8) З точки зору вартості системи, потрібно якомога більше зменшити вартість апаратного забезпечення системи та більше використовувати методи програмного забезпечення для покращення продуктивності системи керування.
2) режим керування промисловим роботом
З огляду на характеристики керування та вимоги до керування промисловими роботами, реалізація керування промисловими роботами включає низку елементів, які в основному поділяються на керування нижнім рівнем робота та керування верхнім рівнем. Серед них контроль нижнього рівня включає корпус робота (тобто механічну частину), частину схеми приводу, частину датчика та стратегію керування (наприклад, ПІД-регулювання). Управління верхнього рівня включає аналіз руху робота, планування шляху та програмну частину робота [4]. Відповідно до різних методів класифікації керування роботами можна класифікувати по-різному. Відповідно до керованого об’єкта можна розділити на керування положенням, керування швидкістю, керування силою, керування крутним моментом, гібридне керування силою/положенням тощо. Це переважно керування нижнім рівнем, і тепер пояснюються основні методи керування.
(1) керування положенням промислового робота:Мета полягає в тому, щоб змусити з’єднання робота здійснювати заздалегідь-запланований рух і, зрештою, переконатися, що кінцевий{1}}ефектор промислового робота рухається вздовж попередньо визначеної траєкторії, зазвичай для цього використовується сервосистема змінного струму або сервосистема постійного струму.
(2) Контроль робочої сили (крутного моменту) промислової машини:необхідність аналізувати кінцевий -ефектор робота та середовище стану обмежень, а також відповідно до обмежень розробляти стратегії керування. Крім того, на кінці робота потрібно встановити датчик сили, щоб визначати силу контакту між роботом і навколишнім середовищем. Система керування обробляє цю інформацію про силу відповідно до-встановленої стратегії керування, а потім керує роботом для виконання операцій у невизначеному середовищі, які сумісні з цим середовищем, щоб робот міг виконувати складні операційні завдання.
(3) Контроль швидкості промислового робота:зазвичай реалізується одночасно з контролем положення. Наприклад, у разі безперервного режиму керування траєкторією промислові роботи повинні контролювати швидкість рухомих частин і здійснювати прискорення та уповільнення відповідно до заздалегідь визначених інструкцій, щоб відповідати вимогам плавного руху та точного позиціонування. Оскільки промисловий робот є різновидом робочого стану (або навантаження на ходу) змінної, інерційне навантаження великого рухового механізму, щоб мати справу з протиріччям між швидким і плавним, має контролювати початкове прискорення та уповільнення перед зупинкою двох перехідних рухів. І в усьому процесі руху зазвичай необхідний контроль швидкості.
3) Інтелектуальне керування промисловими роботами
Інтелектуальний метод управління промисловими роботами в основному стосується роботи в невизначених або невідомих умовах, робот повинен отримувати інформацію про навколишнє середовище за допомогою датчиків, приймати рішення відповідно до власної внутрішньої бази знань, а потім керувати різними виконавчими механізмами для автономного виконання поставленого завдання, яке належить до верхнього рівня керування роботом. Якщо використовується інтелектуальна технологія керування, робот матиме сильну адаптивність до навколишнього середовища та здатність-самонавчатися. Інтелектуальні методи управління тісно пов’язані з розвитком штучного інтелекту, такого як штучні нейронні мережі, нечіткі алгоритми, генетичні алгоритми, експертні системи тощо. Застосування нейромережевих алгоритмів у мобільних роботах використовується як приклад для ілюстрації поєднання інтелектуального керування та промислових роботів.
На прикладі мобільного робота, зображеного на малюнку, камеру встановлюють у верхній частині мобільного робота, щоб отримати три{0}}вимірне зображення перешкоди. Набір ультразвукових датчиків встановлено перед мобільним роботом (безпосередньо під камерою) для отримання інформації про відстань між перешкодою та мобільним роботом.
Злиття візуальної та ультразвукової інформації датчиків здійснюється за допомогою методів нейронної мережі та виведення на наступний рівень для розпізнавання типу перешкоди, що дозволяє мобільному роботу уникати перешкод під час ходьби в невизначеному середовищі та покращує його здатність орієнтуватися. Основні кроки промислових роботів для використання інтелектуальної інформації для комплексного прийняття рішень, щоб уникнути перешкод, такі:
(1) Під час руху робота система визначення дальності здійснює виявлення навколишнього середовища через короткі проміжки часу, щоб визначити, чи потрібно мобільному роботу уповільнити швидкість і чи потрібно йому взяти зразки з камери CCD на основі інформації про відстань до перешкоди, отриманої ультразвуковим датчиком.
(2) Якщо відстань до перешкоди від мобільного робота середня, як виявлено системою визначення дальності, швидкість робота зменшується; коли відстань від перешкоди до мобільного робота є близькою, двовимірне зображення перешкоди отримується з ПЗЗ-камери, а також витягуються координати її лівого та правого країв.
(3) Інформація про перешкоду, отримана від ультразвукового датчика та ПЗЗ-камери, групується та попередньо обробляється та надсилається до контролера нейронної мережі BP для об’єднання.
(4) Контролер нейронної мережі BP, попередньо-навчений уникненню перешкод, приймає відповідне рішення щодо уникнення перешкод відповідно до інформації, зібраної зовнішніми мульти-сенсорами, і уникає перешкод.
Список літератури
[1] Чжу Хунцянь. Промислова робототехніка [М]. Пекін: Machinery Industry Press, 2019. [2] Чень Ванмі. Технологія керування роботами [М]. Пекін: Machinery Industry Press, 2017. [3] Guo Tongying, An Dong. Робототехніка та її інтелектуальне управління [М]. Beijing: People's Posts and Telecommunications Press, 2014. [4] Чжан Сяньмінь. Робототехніка та її застосування [М]. Пекін: Machinery Industry Press, 2017. [5] Чжан Сіньсін. Основи застосування промислових роботів [М]. Пекін: Видавництво Пекінського технологічного інституту, 2017.