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行业动态

全自动桁架机械手的原理与应用
2015-08-12 14:47:54
 

工业用机器人(即全自动桁架机械手,下称桁架机械手)主要的用途是完成搬运物体、焊接工件、拧扳手、操纵杆件或旋钮、装配零部件或高空擦玻璃、喷漆等高危、对人体健康有害的作业等各种操作任务,是一种高智能龙门自动上下料。在对这些操作任务进行作业时,机械手末端执行器的工件有的不与外界环境相接触,有的则与外界环境发生接触。对于第一种情况,桁架机械手可以在其工作空间中不受任何约束的自由运动,如喷漆、点焊、搬运等工作。相反,对于后一种情况,桁架机械手末端执行器工件与外界发生接触,这时全自动桁架机械手在执行作业任务,其末端执行器就不能任意的自由运动,而只能在与外界接触环境保持一定大小接触力的一个或几个方向上做受限运动。所谓受限运动,即全自动桁架机械手在受限空间的运动,如桁架机械手精密装配、擦玻璃、打毛刺、上螺钉等就是受限运动的例子。这两种不同情况下,对应桁架机械手的控制要求也不一样。对于自由运动空间,控制的目标是完成全自动桁架机械手对给定期望轨迹的跟踪或点对点的定位运动,这类作业可用位置控制去完成;在受限运动空间,控制的目的不仅使全自动桁架机械手完成轨迹的跟踪,还必须考虑机械手与外界环境间的机械作用力。这是因为对于全自动桁架机械手从事与环境有接触的作业时,会与环境表面产生接触力,而接触力的大小是不确定的,如果接触力过大则会破坏接触表面甚至破坏机械手本身。此时仅采用位置控制则不能达到控制目标。为此,人们设想在位置控制的前提下增加力控制环节,这就出现了力/位置控制。

利用机械手动力学模型非线性项参数化的特性得出保证系统全局渐进稳定的自适应控制方法。采用线性近似化方法,假设全自动桁架机械手系统参数是慢时变的,通过对机械手动力学的线性化,结合传统模型参考自适应控制方法设计控制器。但如果考虑关节摩擦和外界随机干扰,这种方法就不能达到机械手精确跟踪的目的。基于模型的鲁棒自适应轨迹跟踪控制方法,它不要求系统参数缓慢变化,只需知道机械手模型结构,不需要己知是何种未知参数,可以应用与高速运动的轨迹跟踪,给控制器实现提供了很大方便。但该控制方案同多数控制方案一样需要测量关节加速度,考虑到实际应用中大多数工业全自动桁架机械手并没有配置加速度传感器。

机械手力控制技术的发展可追溯到主从遥控制的研究时代,当时由于无法得到机械手执行器末端与外界环境的接触力信息,人们在机械手上开始安装传感器。随着工业技术的不断发展,人们己不再满足于仅让桁架机械手从事点焊、喷漆和搬运等自由运动的工作任务,而是试图用机械手完成更复杂的像去毛刺、装配、边缘跟踪等与环境接触的任务。如果仅对桁架机械手进行纯位置的控制,则不可避免的会产生一些不希望的接触力,如果接触力过大,会损坏工件甚至会破坏机械手本身。这就要求桁架机械手对环境能够产生顺从的能力,桁架机械手的柔顺性。国内外专家对机械手柔顺控制进行大量研究。机械手可以从两种途径获得柔顺性:一种是借助辅助的柔顺机构,使机械手手端在与外界接触时能够对产生的作用力产生自然的顺从;另一种是利用获得的力反馈信息,采用控制方法去主动的控制作用力。前者称被动柔顺,后者称为主动柔顺。

实践表明利用被动柔顺装置让全自动桁架机械手作业,存在以下的问题:

(1)被动柔顺装置使用范围受到限制,因为其专用型较强,适用能力差;

(2)机械手的刚性与柔顺性之间的矛盾无法根除;

(3)在对机械手施加被动柔顺装置后,机器自身无法产生对力的反应的动作,当在需要同时控制定位和控制作用力的场合,给机器控制带来极大困难。主动柔顺控制也就是力控制,即在位置控制基础上引入力反馈,经过一些数据处理和控制策略,由力控制器产生控制指令去驱动机械手操作装置运动,以达到相应控制目标。

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