時間:2018-11-08 15:02:24來源:運控小王子
近年來,跨國機器人巨頭們紛紛推出七軸工業(yè)機器人,以搶占高端新市場,這引發(fā)了我們對于七軸工業(yè)機器人的深入思考,它具有哪些獨特的技術(shù)優(yōu)勢,存在哪些研發(fā)難點,近年來國際上發(fā)布了哪些工業(yè)七軸機器人產(chǎn)品,我國七軸工業(yè)機器人的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化又進(jìn)入了哪一階段?
工業(yè)機器人到底應(yīng)該有幾個軸?
目前,工業(yè)機器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),但我們也發(fā)現(xiàn),工業(yè)機器人不僅形狀各異,其軸數(shù)也各不相同。所謂工業(yè)機器人的軸,可以用專業(yè)的名詞自由度來解釋,如果機器人具有三個自由度,那么它可以沿x,y,z軸自由的運動,但是它卻不能傾斜或者轉(zhuǎn)動。當(dāng)機器人的軸數(shù)增加,對機器人而言,就是更高的靈活性。那么工業(yè)機器人應(yīng)該有幾個軸才合理呢?
三軸機器人也被稱為直角坐標(biāo)或者笛卡爾機器人,它的三個軸可以允許機器人沿三個軸的方向進(jìn)行運動,這種機器人一般被用于簡單的搬運工作之中。
四軸機器人,可以沿著x,y,z軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動,與三軸機器人不同的是,它具有一個獨立運動的第四軸,一般來說SCARA機器人就可以被認(rèn)為是四軸機器人。
五軸是許多工業(yè)機器人的配置,這些機器人可以通過x,y,z三個空間周進(jìn)行轉(zhuǎn)動,同時可以依靠基座上的軸實現(xiàn)轉(zhuǎn)身的動作,以及手部可以靈活轉(zhuǎn)動的軸,增加了其靈活性。
六軸機器人可以穿過x,y,z軸,同時每個軸可以獨立轉(zhuǎn)動,與五軸機器人的最大區(qū)別就是,多了一個可以自由轉(zhuǎn)動的軸。六軸機器人的代表就是優(yōu)傲機器人,通過機器人身上的藍(lán)色蓋子,你可以很清楚的計算出機器人的軸數(shù)。
七軸機器人,又稱為冗余機器人,相比六軸機器人額外的軸允許機器人躲避某些特定的目標(biāo),便于末端執(zhí)行器到達(dá)特定的位置,可以更加靈活的適應(yīng)某些特殊工作環(huán)境。
隨著軸數(shù)的增加,機器人的靈活性也隨之增長。但是,在目前的工業(yè)應(yīng)用中,用得最多的是三軸、四軸和六軸的工業(yè)機器人,這是因為,在某些應(yīng)用中,并不需要很高的靈活性,而三軸和四軸機器人具有更高的成本效益,并且三軸和四軸機器人在速度上也具有很大的優(yōu)勢。
未來,在需要高靈活性的3C產(chǎn)業(yè),七軸工業(yè)機器人將擁有用武之地,隨著其精度不斷增加,在不遠(yuǎn)的將來,它將取代人工進(jìn)行裝配手機等精密電子產(chǎn)品。
七軸工業(yè)機器人比六軸工業(yè)機器人強在哪?
從技術(shù)上來看,六軸工業(yè)機器人存在什么問題,七軸工業(yè)機器人又強在哪?
(1)改善運動學(xué)特性
在機器人的運動學(xué)問題中,三個問題使得機器人的運動受到非常大的限制。
第一是奇異構(gòu)型。當(dāng)機器人處于奇異構(gòu)型時,它的末端執(zhí)行器不能繞某個方向進(jìn)行運動,或者施加力矩,因而奇異構(gòu)型極大的影響了運動規(guī)劃。
▲六軸機器人第六軸和第四軸共線發(fā)生奇異
第二是關(guān)節(jié)位移超限。在真實工作情況下,機器人每個關(guān)節(jié)的運動的角度范圍是受到限制的,最理想的狀態(tài)是正負(fù)180度,但是很多關(guān)節(jié)是做不到的。另外,七軸機器人可以避免角速度運動過快,讓角速度分配得比較均勻。
新松七軸機器▲人各軸運動范圍及最大角速度
第三是工作環(huán)境中存在障礙。在工業(yè)環(huán)境下,很多場合存在各種環(huán)境障礙,傳統(tǒng)的六軸機器人無法只改變末端機構(gòu)的姿態(tài),而不改變末端機構(gòu)的位置。
(2)改善動力學(xué)特性
對于七軸機器人而言,利用其冗余自由度不僅可以通過運動軌跡規(guī)劃達(dá)到良好的運動學(xué)特性,并且我們可以利用其結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最佳的動力學(xué)性能。
七軸機器人可實現(xiàn)關(guān)節(jié)力矩的再分配,這里涉及到機器人的靜力平衡的問題,也就是說,作用在末端的力,通過一定的算法算出每個關(guān)節(jié)承受的力有多大。對于傳統(tǒng)的六軸機器人來說,其每個關(guān)節(jié)的力是一定的,它的分配可能很不合理。但是對于七軸機器人來說,我們可以通過控制算法調(diào)整各個關(guān)節(jié)的力矩,讓薄弱的環(huán)節(jié)承受的力矩盡量小,是整個機器人的力矩分配比較均勻,更加合理。
(3)容錯性
機器人在發(fā)生故障時,如果有一關(guān)節(jié)失效,傳統(tǒng)六軸機器人便無法繼續(xù)完成工作,而七軸機器人可以通過重新調(diào)整故障關(guān)節(jié)速度(運動學(xué)容錯)和故障關(guān)節(jié)力矩(動力學(xué)容錯)的再分配實現(xiàn)繼續(xù)正常工作。
國際巨頭們的七軸工業(yè)機器人產(chǎn)品
無論從產(chǎn)品角度,還是從應(yīng)用角度,七軸工業(yè)機器人目前都還處于初步發(fā)展階段,但各大廠商紛紛在各大展覽會力推相關(guān)產(chǎn)品,可以想見對其未來的發(fā)展?jié)摿€是十分看好的。
庫卡LBRiiwa
2014年11月,庫卡在中國國際工業(yè)博覽會機器人展上首次發(fā)布KUKA第一款七自由度輕型靈敏機器人LBRiiwa。
LBRiiwa七軸機器人基于人類手臂進(jìn)行設(shè)計,其結(jié)合集成的傳感器系統(tǒng),使該輕型機器人具有可編程的靈敏性,并使其具備了非常高的精確度。而七軸的LBRiiwa所有的軸內(nèi)均配備高性能碰撞檢測功能、集成的關(guān)節(jié)力矩傳感器,以實現(xiàn)人機協(xié)作。
七軸的設(shè)計,使得KUKA的該款產(chǎn)品有較高的靈活度,可輕松地越過障礙物。LBRiiwa機器人的結(jié)構(gòu)采用鋁制材料設(shè)計,其自身重量只有23.9千克。其負(fù)荷有兩種,分別為7千克和14千克,使其成為首款負(fù)荷超過10千克的輕型機器人的產(chǎn)品。
ABBYuMi
2015年4月13日,ABB在德國漢諾威工業(yè)博覽會上正式向市場推出全球首款真正實現(xiàn)人機協(xié)作的雙臂工業(yè)機器人YuMi。
YuMi每個單臂均為七個自由度,機身重量為38千克。其每條手臂的負(fù)載為0.5千克,重復(fù)定位精度可達(dá)到0.02毫米,因此特別適合小件裝配、消費品、玩具等領(lǐng)域。從機械手表的精密部件,到手機、平板電腦,以及臺式電腦零件的處理,對于YuMi來說都不在話下,而這正體現(xiàn)出該款冗余度機器人表現(xiàn)出的擴(kuò)大可達(dá)工作空間、靈活敏捷、精確等種種優(yōu)良特性。
安川莫托曼SIA
日本知名機器人制造商,“四大家族”之一的安川電機也發(fā)布了多款七軸機器人產(chǎn)品。其中SIA系列機器人是輕型敏捷型七軸機器人,該系列機器人能夠提供類人的靈活性,并且能夠快速加速。該系列機器人采用輕量化和流線型設(shè)計,使其非常適合安裝在狹小的空間內(nèi)。SIA系列可提供較高的有效載荷(5千克至50千克)以及較大的工作范圍(559毫米至1630毫米),很適合從事裝配、注塑、檢驗等操作。
除了輕型七軸機器人產(chǎn)品外,安川還發(fā)布了七軸機器人焊接系統(tǒng),其高自由度能夠盡最大可能保持最適合的姿態(tài)以實現(xiàn)高品質(zhì)的焊接效果,特別適合內(nèi)面的焊接,達(dá)到最佳的接近位置。并且該產(chǎn)品能夠高密度布局,容易回避其與軸和工件之間的干擾,顯示出其優(yōu)良的避障功能。
那智不二越PrestoMR20
早在2007年底,那智不二越便開發(fā)出七自由度的機器人“PrestoMR20”。通過采用七軸設(shè)計,使得機器人能夠像模仿人類手臂那樣執(zhí)行更加復(fù)雜的工作流程,在狹窄的工作區(qū)域運動。另外,機器人前端部分(手腕)的扭矩增加到了原來傳統(tǒng)六軸機器人的約兩倍左右,標(biāo)準(zhǔn)配置的扭矩為20千克,通過設(shè)定動作范圍,最大可搬運30千克的物品,工作范圍達(dá)到1260毫米,重復(fù)定位精度為0.1毫米。通過采用七軸結(jié)構(gòu),MR20在機床上取放工件時可從機床側(cè)面進(jìn)行作業(yè)。這樣一來,就提高了事前準(zhǔn)備和維護(hù)等作業(yè)效率。機床間的空間能夠縮小至傳統(tǒng)六軸機器人的一半以下。
除此之外,那智不二越還發(fā)布了MR35(負(fù)載為35千克)、MR50(負(fù)載為50千克)兩款可在狹小空間和有障礙物場所的應(yīng)用場合使用的工業(yè)機器人。
OTC七軸工業(yè)機器人
日本DAIHEN集團(tuán)歐地希推出了最新的七軸機器人(FD-B4S、FD-B4LS、FD-V6S、FD-V6LS、FD-V20S)。由于有第七軸的回轉(zhuǎn),它們可以實現(xiàn)像人的手腕一樣的扭轉(zhuǎn)動作,能夠?qū)崿F(xiàn)一周以上的焊接;另外,七軸機器人(FD-B4S、FD-B4LS)將焊接電纜內(nèi)藏于機器人本體,因此在示教作業(yè)時無需在意機器人與焊接夾具及工件間的干涉,動作非常順暢,焊接姿態(tài)自由度也得到了提高,能夠彌補傳統(tǒng)機器人因與工件或焊接夾具的干涉而造成無法進(jìn)入焊接的缺憾。
RethinkRobotics的Baxter和Sawyer
RethinkRobotics是協(xié)作機器人的先驅(qū),其中,最先開發(fā)的Baxter雙臂機器人,兩個手臂均擁有七個自由度,單臂最大工作范圍為1210毫米,Baxter可同時處理不同的兩項任務(wù)以增加適用性,或者實時處理同一任務(wù)以實現(xiàn)輸出最大化。
去年推出的Sawyer則是單臂七軸機器人,其柔性關(guān)節(jié)采用了相同的串聯(lián)彈性驅(qū)動器,但其關(guān)節(jié)所采用的驅(qū)動器被重新設(shè)計,使其更小巧。由于采用了七軸的設(shè)計,并且工作范圍擴(kuò)展至100毫米,因此能完成負(fù)載更大的工作任務(wù),載荷可達(dá)到4千克,比Baxter機器人2.2千克的有效載荷大了不少。
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