自主机器人研究报告Word格式文档下载.docx
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200Kg
最大臂展半径
2.66m
重复定位精度
±
0.3mm
手腕部允许最大扭矩
J4轴
951Nm
1274Nm
J5轴
J6轴
490Nm
686Nm
手腕部允许最大惯量
88.9kg㎡
117kg㎡
44.1kg㎡
66kg㎡
最大动作速度
J1轴
100°
/sec
J2轴
90°
J3轴
95°
130°
120°
180°
170°
最大动作范围
+180°
/-180°
+80°
/-60°
+210°
/-80°
360°
720°
由第三方检测机构出具检测报告。
（2）主控柜技术要求
Ø
编程单元：
便携式示教盒；
具备常用功能的操作单元；
具备紧急停止单元；
具备编程接口，方便传输程序；
控制柜应具有良好的防滴漏、防灰尘及散热装置；
外观美观。
（3）系统功能指标：
控制系统可同时控制六轴或六轴以上运动；
具有负载调整功能；
具有零点复位功能；
具有系统启动自检功能；
工作时具有故障判断及提示功能；
具有自动/示教模式切换功能，便于机器人在各种工作模式下的工作；
具有不同的操作权限（工程师、维修工、操作工）。
（4）系统安全性指标：
具备限位保护：
保护机器人因运动范围超限引起碰撞和干涉；
具备防过载检测：
防止因速度过快引起的超转矩而导致电机烧毁或轴断；
具备紧急停止功能，有效的保护人生及设备的安全。
（5）软件应用指标：
定义多种坐标，方便使用与操作；
系统适用于点焊，且在相关软件包修改后，机器人主体可用于搬运、装配等工作环境；
系统在虚拟环境下可进行仿真操作，程序检测，组线设计等。
（6）机器人适用的工作环境
厂房温度：
（屋架下弦处）-5℃---45℃
环境湿度：
普通：
75RH；
短时间：
95%（一个月之内）
振动：
＜0.5G（4.9M/S2）；
厂房结构：
轻钢结构，屋架为非承载型式；
公用动力要求：
380V（+15%，-15%），50Hz；
压缩空气：
0.4～0.6MPA；
循环水：
温度≤32℃；
进口压力<
0.4Mpa，工艺设备承压不低于0.6Mpa；
地面载荷：
地面最大承载能力为5000kg/m2。
2.1.3知识产权
申报国家发明专利2～3项；
在核心刊物上发表文章5～8篇。
机器人应用说明书1套。
2.1.4人才培养
培养博士生1～2名，硕士3～5名；
培养一支15～20人的机器人骨干技术开发队伍。
2.2完成情况
在机器人核心技术研发方面，本课题主要围绕机器人本体设计和制造，控制器开发和焊接机器人应用技术三方面展开。
（1）在机器人本体设计和制造方面，目标是要设计出高精度，高刚度，高可靠性，低负载自重比，且造价低的机械本体结构，力争达到国际先进同类机器人的技术水平。
为此，在165kg和200kg机器人的分析及优化设计中，综合采用了基于虚功原理的机器人静力平衡分析，关键部件的有限元分析，基于运动学指标和整体模态特性的结构和尺寸优化分析的方法。
通过对以上方法的理论研究、仿真计算分析以及试验等阶段的实施，摸索了一套具体的实现方法。
该方法已经在165kg和200kg机器人的分析及优化设计中得到了应用，取得了比较理想的效果，例如：
通过采用优化设计方法和几年多现场应用，改进设计和再制造，大部分性能指标已达到国际同类产品的水平，例如：
◆机器人的重复定位精度（小于±
0.15mm，合同指标为±
0.25mm）；
◆机器人本体的最小固有震动频率为5Hz，与意大利Comau机器人相当；
◆系统的稳定和可靠性：
故障率统计显示与意大利Comau机器人相当；
◆机械噪音小于80dB。
（2）在机器人控制器开发方面，目标是要研发出能控制机器人实现高速平稳运动，稳定性和可靠性与国外先进机器人控制器相当，且成相对较低的机器人控制器。
为此，在控制器软件设计中，通过理论建模，搭建了包含摩擦、间隙和非线性刚度的动态关节模型。
然后引入机械臂模型和电机模型，组成整个机器人模型。
在理论建模的基础上，搭建了整个机器人的动态matlab仿真模型。
在硬件选型和控制方法的设计方面，充分考虑可靠性和先进性，采用嵌入式总线类型的控制模式，确保设计出的控制器不仅性能高，低成本而且稳定可靠。
从应用结果可以看出，新研发出的控制器在抑制高速运动的振动，稳定性和可靠性方面与意大利Comau机器人及日本的Funac机器人相当。
（3）在焊接机器人应用技术方面，已经开发出机器人运动仿真软件。
机器人虚拟仿真技术应用于机器人设计，应用规划，离线编程和操作培训，是机器人关键技术之一。
进口的一套仿真软件价格高达一两百万元人民币。
目前，在自主开发机器人仿真软件方面已经取得了重要进展。
自行开发的仿真软件已经能够实现对导入的机器人，焊钳和工装夹具的三维模型进行动态仿真和离线编程，能实现多机器人，多工位的三维仿真和离线编程。
此外，通过从单工位，工作站到多机器人自动化生产线应用技术的开发，已经掌握了机器人集成应用的基本技术，培养了一批机器人系统集成应用队伍。
三、课题研究的主要技术内容、技术路线、实施方案和方法
3.1研究的技术内容:
本课题研制的点焊机器人系统包括：
机器人本体、控制器、焊接系统（专用焊接电源、焊枪或焊钳等）、控制计算机和相应的安全设备等。
机器人本体结构采用6自由度全关节型机器人。
对于165kg点焊机器人将采用具有一定开放性的数字运动控制器实现运动控制，对于200kg点焊机器人将采用工业以太网形式的分布式控制器实现运动控制。
以IPC作为整个系统的控制单元，协调和处理各种I/O和用户操作。
研制专门用来读取各个单元状态信息、处理错误和故障的安全电路来保证系统安全可靠运行，通过自行研制图形化界面的示教盒、开发三维虚拟焊接仿真系统和操作控制相关的配套软件把各个部分有机整合，从而实现功能完善的点焊机器人系统。
3.2技术路线和方法:
（1）在机械本体设计方面以国外成熟的外形设计为参考对象，结合我国制造工艺现状，综合考虑精度，强度，刚度，成本和机器人设计对整体性能的影响等几方面因素，研究和开发出最优化的机器人设计和制造方法和技术；
（2）在机器人控制器方面瞄准国外先进机器人控制器的构架，兼顾我国目前实际情况，采用基于运动控制卡和基于高性能工业PC的两种控制形式，开发出满足生产需求的、性能稳定可靠的机器人控制器。
（3）在机器人集成应用方面，以汽车机器人自动化生产线集成应用为目标，开发具有完全自主知识产权的机器人仿真和离线编程软件，机器人网络协调控制技术和机器人自动化生产线工艺设计和组态技术。
四、课题研究取得的主要技术成果、创新点及未来前景
4.1课题研究取得的主要技术成果:
课题申请发明专利4项。
具体明细如下表所示：
序号
名称
专利申请号
类别
1
一种焊接机器人的平衡器及其构成方法
2.6
发明
2
一种机器人平衡器联接结构及装配方法
0.3
3
重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器
0.5
4
一种重载工业机器人操作空间内运动轨迹规划方法
6.7
累计论文发表论文8篇，具体明细如下：
论文名称
第一作者
发表刊名或会议名称
发表时间
机器人自动焊接系统的设计与应用
赵彦斌
机器人技术与应用
2010年，已录用
工业机器人离线编程软件的国产化开发及应用
曹金学
Optimaldesignfora2-DOFhighdynamicmanipulatorbasedonparallelogrammechanism
孔民秀
IEEE/ASME
2010.7
已录用
Controlsystemdesignforhighpayloadindustrialrobotviahighspeedcommunicationbusandreal-timesystem
游玮
KeyEngineeringMaterials
2010.8
5
ModelingandSimulatingtheNonlinearCharactersofRobotJoints.
肖永强
IEEEInternationalConferenceonRoboticsandBiomimetics
录用
6
Optimaldesignofdynamicandcontrolperformanceforplanarmanipulator
中南大学学报
7
含有摩擦间隙迟滞的机械臂关节建模方法
杜志江
机器人
8
Optimalmotiongenerationforheavydutyindustrialrobots—controlschemeandalgorithm
ICM2011
4.2课题研究的技术创新点:
（1）动态设计是从传统的单纯机械本体性能设计转变为考虑机械人控制动态性能，从机构优化设计到结构优化设计，从运动学性能分析向动力学性能分析转变，从纯刚体动力学分析向刚柔耦合动力学分析转变，整个设计流程如下图所示。
首先从机构学的层面，进行运动学建模，提出运动学指标，如工作空间，灵巧度等；
对机构惯量分布进行简化，完成刚体动力学分析，提出刚体动力学指标，如各轴惯量，耦合惯量等。
基于运动学指标和刚体动力学指标完成机构尺寸综合。
在完成机构主要参数确定后，进行关键部件结构设计，在此过程中，对关键部件进行柔性体分析，获得部件在典型工况下的应力分布情况，进行强度校核以及变形分析，综合各种指标完成关键部件的结构优化。
在完成部件结构设计后，进行整机刚柔耦合分析，提出整机刚柔耦合动力学指标，如自振模态频率等动态性能。
如不满足则返回机构设计环节从新进行动态迭代,如性能满足要求，则至此完成所有的机构设计和结构设计，进行样机制造，最后完成动态测试。
图1
在165kg点焊机器人及200kg点焊机器人的分析及优化设计中，综合采用了基于虚功原理的机器人静力平衡分析，关键部件的有限元分析，基于运动学指标和整体模态特性的结构和尺寸优化分析的方法。
通过对以上方法的理论研究、仿真计算分析以及试验等阶段的实施，取得了在机械分析及优化设计技术上的突破。
综合考虑机械和驱动方面因素，建立了机电耦合模型。
由于电机转矩间耦合、摩擦、间隙、滞后及柔性等因素的存在，使得建模非常复杂。
首先，由于机械臂的关节在整个系统的运动过程中非常复杂且对系统性能影响最大，所以本课题在已有模型的基础上，首先通过理论建模，搭建了包含摩擦、间隙和非线性刚度的动态关节模型，模型结构如图a所示。
然后引入机械臂模型、控制器模型和电机模型，组成整个机器人模型。
模型结构如图b所示。
在理论建模的基础上，搭建了整个机器人的动态matlab仿真模型，模型结构如图c所示。
该模型已应用于对机器人的主动抑振及虚拟仿真中。
图2.动态关节模型结构图3.机电耦合机器人模型结构
图4.机器人matlab仿真模型
（2）目前对机器人的性能要求越来越高，不仅要具有快速的响应特性，较高的跟踪精度，而且应该有良好的通用性和扩展性。
采用传统控制结构固有的缺点逐渐暴露出来，例如：
由于配线过多，对系统进行调试及维修比较困难；
系统的可靠性较差。
当需要控制的节点不断增加，需要反馈的传感器信号不断增多时（例如应用于仿人型机器人），如果处理信息和产生控制信号都由上位机的中央处理器来完成，那么对它来说是不堪重负的。
一旦中央处理器出现故障，将对整个系统带来严重的影响。
采用基于模拟信号的数据传输方式，系统的抗干扰能力很差；
由于控制器的模块繁多,模块之间的连接复杂，而且相互制约，难以实现十几个轴以上的同步协调运动控制。
基于“PC+实时操作系统+高速总线接口”的机器人控制器能够将许多以前只能用硬件实现的控制功能采用软件实现的方式，它是一种开放体系结构的运动控制系统，主体是PC机。
例如，充分利用PC机不断提高的计算速度、不断扩大的存储量和具有硬实时性能的操作系统，实现运动轨迹控制和开关量的逻辑控制。
这种结构的机器人控制器除了支持上层软件（程序编辑、人机界面等）的用户定制外，其更深入的开放性还体现在支持运动控制策略（算法）的用户定制。
用户可以在任何运行于PC的操作系统平台上，利用开放的系统内核，开发各种功能，构成各种类型的高性能运动控制系统。
在本项目中建立了基于实时系统的和高速通讯总线的高性能机器人控制体系结构，采用基于PC机的分布式控制系统，如图d所示。
其控制结构的主要特色为总线式模块化结构，所有的模块（如驱动、输入输出以及其它接口模块）都可以通过支持EtherCAT总线的接口直接接入到系统中，扩展和维护极为便利。
在软件方面采用了基于windowsXP系统的开发环境，并内嵌了TwinCAT的实时内核，直接编写PLC和C++语言的程序。
图5：
基于EtherCAT总线和TwinCAT内核的机器人控制结构
（3）在点焊机器人轨迹规划中，规划轨迹重点考虑时间最优问题和消抖问题。
也即运动的快速性和平衡性问题。
首先在运动学方面进行了平滑无冲击运动规划算法研究，给出了直线、圆弧和修正样条规划算法。
以空间圆弧轨迹规划为例说明：
设空间三点坐标：
，
设这三点组成的平面方程为
由以下方程可解得
（1）
求出两条线段的中点
，设圆心坐标为
，圆心则满足下列方程
（2）
整理得线性方程组如下
（3）
求解可得圆心坐标，下面推导空间圆的参数方程
以圆心为球心的，R为半径的球的参数方程为：
（4）
将上式代入平面方程
（5）
因为
在平面上，所以有
（6）
所以有
（7）
所以空间圆的参数方程如下
（8）
独立参数为
。
平滑在圆所在平面内的规划，进行全局坐标系和局部坐标系的坐标变换，从固定坐标
变换到新的坐标
，其坐标原点
为
，矢量
轴，法向量为Z1轴，如下图所示，
图7
可以得到该坐标系的姿态变换矩阵
和平动矩阵
（9）
其中
则有
（10）
在该坐标系下进行如下的轨迹规划有
（11）
得到
后，通过坐标变换即可得到
通过上述方法可以获得加加速度、加速度、速度都连续的运动轨迹，从而获得了比较平滑的运动。
另外在理论方面，开展基于动力学模型的轨迹规划研究，考虑了关节空间的速度及力矩限制约束、加速度频率限制约束以及迪卡尔空间的加速度和加加速度平滑约束条件，通过在迪卡尔空间中规划轨迹向关节空间中的映射，求得关节空间中的轨迹指令。
然后在关节空间中添加约束条件，并对映射的轨迹作约束限制且通过FSC（FeasibleSolutionConversion）方法转化为有效轨迹，从而实现轨迹的时间最优控制和速度平稳性。
（4）工业点焊机器人仿真软件
传统的点焊机器人路径规划多采用在线示教方法，为了完成工作任务、避免碰撞，需要用实际的机器人反复调试，导致路径规划工作量大、效率低，且不便于优化、无法并行工作。
因为点焊机器人对轨迹的精度要求不高，可以通过在空间指定一些点来完成大致和路径规划。
因此通过仿真进行现场环境的场景的模拟和运动模拟具有实际意义。
为此开发出了工业点焊机器人仿真软件。
整个软件按按4个的功能类型进行设计：
程序——进入程序选择界面，实现程序（进入程序选择界面，实现程序选择、新建、重新命名、复制、删除、修改和程序内容编辑等功能）；
数据——寄存器显示界面，在此界面下进行数据的修改、复制、删除、添加和示教等功能；
I/O——输入输出设置界面，进行板卡设置、变量设置、端口功能和变量操作等；
设置——此界面进行密码设置、坐标系设置、关节角度限制、语言切换、用户设置、报警设置）、手动（在此界面对机器人进行手动操作）。
融合上述4个功能模块，组成机器人软件系统，实现点焊机器人的示教、编程和编辑等功能。
整体界面如下图所示：
图8
其在轨迹生成方面，具有直线、圆弧、样条曲线生成功能，还具备过指定点轨迹生成、平滑轨迹生成和平滑姿态生成功能，采用定时插补方式。
可直接进行模拟指令的运动和将运动转化成运动指令的能力。
图9
主要包含模块为：
三维及坐标数据模型处理模块
数据模型格式支持dxf、.obj、.3DS、.STL等。
环境中的坐标系统共分成两层，一个是世界坐标系，一个是设备坐标系，环境中各机器人在自身的机器人基础坐标系下计算运动，同时含有自身在世界坐标系下的坐标位置，同样各夹具，其他设备也都有自身的坐标系，各设备之间的位置关系通过在世界坐标系和自身坐标系的累积计算进行位置信息的计算。
机器人运动及算法模块
机器人六个关节的仿真运动是软件的核心和关键部分，如何能使虚拟机器人样机更加准确的反应实际的机器人运动成为仿真运动的主要目标。
点焊机器人具有在直角、关节、工具三个坐标系的运动功能，同样在仿真软件中相应的通过操作虚拟软件示教盒可以在软件环境中根据机器人位置姿态，在三种坐标系下计算出机器人各关节的转角，使模型按照计算的结果进行运动，从而达到与现场机器人运动的统一。
利用机器人运动学分析中的正解、逆解完成了机器人关节位置及姿态角的计算。
用齐次坐标变换矩阵来表示机器人的正解运算如下：
通过正、逆解求解。
经过从直角、工具坐标系的求逆可以快速计算出各轴关节角度，从而实现了在空间中的沿直线、曲线等其他形状轨迹的运动。
下面是软件环境中机器人模型运动仿真流程图。
图10
软件文件模块
本系统的文件模块包括：
机器人程序文件：
（运动指令、逻辑命令、焊接指令，以及位置信息（点坐标、姿态角度），工艺参数（速度，焊接参数）等，这部分文件（焊接程序，参数等）保持了和实际机器人文件系统的一致，从而可使在离线仿真软件中生成的程序可以直角拷贝了机器人控制机上进行实际机器人的操作。
环境数据文件：
包含了各设备的模型文件地址，机器人、夹具，修模器，电控柜等的位置信息，各相关任务的信息。
这些文件数据在打开每个项目文件时用于摆放个设备的位置。
数据模型文件：
本系统中在OBJECT文件夹内保存了所有设备的数据模型文件，用于在绘制模型时的读取。
仿真数据文件：
用于保存在工位仿真中生成的数据，便于对工位的执行进行分析。
任务准备和执行模块
通过在三维空间机器人和其他设备模型的相互位置关系，可以用来对工位的布局进行设计调整。
通过该模块每个机器人和夹具等需要得到使能信号来触发动作，从而达到机器人工位仿真按照实际的工艺顺序进行。
任务模块保存了所有的任务信息，以及各任务的执行顺序和逻辑关系，实现了机器人与夹具的动作协调功能。
图11
4.3未来前景:
项目所研制的两类工业机器人是汽车行业应用较广的产品，在机器人开发上使用了一些最新技术：
包括动态设计方法、基于总线的控制结构、路径规划方法等，在机器人焊接应用中，采用了系统建模技术、系统集成技术、工业现场总线技术、基于Profibus总线的工业机器人系统设计。
该项目通过产学研合作，立足自主创新，通过采用自主品牌工业机器人进行系统集成，并在主机厂进行示范应用，进而进行产业化推广，提升民族工业机器人系统自主创新能力，解决我国汽车白车身生产线领域成套与集成能力弱等共性问题，彻底摆脱我国汽车行业白车身焊接装备长期依赖国外的局面，对民族汽车工业的发展与振兴具有重大的意义。
项目针对汽车白车身焊接自动化成套设备展开，形成系统的自主机器人成套装备设计、开发、生产与工程能力，满足汽车企业的装备需求，将带来显著的直接经济效益，同时通过提升汽车企业的装备水平和生产能力，也将产生明显的间接经济效益。
随着该项目的运作与实施，可以改善工作环境、提升产品质量和生产效率、降低劳动强度和材料消耗，从而提高国产自主品牌的竞争力，为国内汽车厂现有产品的换代提供了保证，为生产出高品质、富有竞争力的产品提供了保障；
随着该项目的成功应用，国产机器人将逐步扩展到国内汽车厂的焊装线；
最终将满足我国民族汽车工业日益增长的发展需求。
五、研究中的主要问题、经验和建议
无。
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