工业机器人可靠性分析

工业机器人可靠性分析（共8篇）

工业机器人可靠性分析 篇1

0引言

工业机器人具有自由度多、结构复杂和独立性较强等特点,能够代替人从事重复、危险、繁重的工作。工业机器人的应用正越来越广泛[1,2],其在冶金、汽车、物流码垛等众多行业中代替人类从事着精确、复杂的作业。六关节工业机器人由于工作范围广,可变换姿态丰富,基本可实现空间的任意工作要求,在工业领域运用非常广,如焊接、喷涂、机床上下料等领域。工业机器人是一个包含机械、电子、电气、液压气动及控制系统等的复杂系统,一旦失效或发生故障,将造成难以预测的后果。因此,工业机器人具有潜在的危险性,有必要对其进行可靠性设计。对工业机器人这种非标结构件而言,没有具体的结构计算表达式,也没有可靠性评判的显示模型,无法利用传统的基于显示计算的方法如解析法和数值法计算其可靠度。Monte Carlo法能直接通过对极限状态函数抽样计算出可靠度,从而解决无显示表达式的零部件结构可靠性分析问题,所以不用考虑功能函数的复杂性,而且其收敛速度与随机变量的维数无关[3]。Monte Carlo数值模拟还能解决可靠性干涉模型数据缺乏问题[4,5,6]。

1 Monte Carlo概率有限元的基本理论

Monte Carlo随机有限元法是将Monte Carlo模拟方法运用在随机有限元过程中的一种方法,包括随机抽样和随机模拟计算两个部分。

首先把随机场离散成K维随机向量,X={X1,X2,…,Xk}T,同时确定每一个随机向量分布类型及概率密度函数(fX)i。再利用一定的随机模拟法(混合同余法、乘同余法等)在[0,1]之间生成符合均匀分布的一系列随机数RNi。令模拟出的随机数作为该随机向量的分布函数值,即:

为了得到每一个随机变量的大量样本值,接下来应对每一个随机变量分布概率值进行抽样。相对于可能会造成聚集现象的直接抽样法,采用具有记忆抽样功能,通过强制分层后均匀等可能抽样来避免抽样的重复性和聚集性的拉丁超立方抽样法。抽样原理如图1所示。

拉丁超立方抽样的具体步骤如下:

(1)确定计算模拟的抽样次数为N。

(2)对于每一个输入的随机变量Xi取值均匀地分成N个范围,具体表示为xi0<xi1<xi2<…<xin<…<xiN,并且Xi在每个区间概率取值一样,即P(xin<x<xin+1)=1/N。

(3)分别对划分的每一区间进行抽样得到一个样本值,每一区间抽取一次后将不再抽取,因为每个区间的值只有唯一代表。这体现了拉丁超立方抽样的记忆性功能,提高了抽样效率。

2小臂确定性有限元分析

JR608型六关节工业机器人主要用于搬运和焊接领域,最大负载为8 kg,以机器人小臂作为可靠性分析对象,对于不影响结构强度的部分进行简化处理(如小螺纹孔),利用ANSYS的APDL语言建立简化的模型,如图2所示。

小臂材料选择的是ZL201,具体性能参数如表1所示。

根据表1的参数对小臂进行相关参数设置,这里ANSYS单位制统一为T-mm-s制。

考虑到小臂的结构不规则和后续进行可靠性循环时的计算效率原因,选择网格单元类型为SOLID92的四面体单元进行网格划分,如图3所示。

小臂受载荷可分为两部分:第一部分是小臂本体直接承载的载荷,包括小臂自重7.436 kg、安装在小臂上驱动手腕运动的多摩川驱动电机0.9 kg及谐波减速器0.56 kg;第二部分是末端负载及手腕体组件,通过小臂末端间接连接方式的载荷,包括手腕自重1.263 kg、末端负载8 kg、末端多摩川驱动电机0.9 kg及谐波减速器0.68 kg。位移边界条件约束,以小臂同电机座装配螺纹孔全约束,接触面轴向约束。

设置完小臂载荷和位移边界条件后,求解模型,得到确定性有限元分析结果,小臂的最大应力出现在筋连接处和手腕体驱动电机座处,最大应力值为21.436 2 MPa,如图4所示。

由应力云图可知,小臂的最大应力值21.436 2 MPa远远小于小臂材料ZL201A的屈服强度200 MPa,小臂结构满足强度设计要求。

3小臂Monte Carlo概率有限元可靠性分析

基于ANSYS进行概率有限元可靠性模拟,其数据流向如图5所示。

3.1建立可靠性分析文件

可靠性分析文件是在确定性有限元分析命令后面加上最大应力提取命令,同时定义可靠性分析的极限状态函数,得到JR608小臂可靠性分析文件基本结构。

3.2可靠性分析计算

定义好可靠性分析文件后,进入ANSYS的PDS模块分别定义JR608小臂可靠性分析的各种参数。

由于小臂几何尺寸较多,在此只考虑材料和载荷相关的变量作为随机变量,其中泊松比由于数值较小可考虑为定值。根据经验可以将其他随机变量随机特性全部考虑为正态分布,材料的变异系数均取值在0.01~0.1之间[7],密度Density和弹性模量E的变异系数可取为0.03,屈服强度S变异系数取0.1。与载荷相关参数包括等效到刚性节点的主矢集中力F和等效转矩M,变异系数均取0.3。可靠性随机变量参数具体如表2所示。

进行Monte Carlo模拟时,选择的抽样方法为拉丁超立方抽样。总共进行1 000次循环模拟抽样,可得到1 000个离散样本点。最后对5个输入变量和2个输出变量的1 000次模拟样本进行统计分析。

3.3可靠性分析后处理

计算分析完成后进入后处理阶段。查看所有输入、输出变量的模拟过程,包括抽样点曲线和抽样点的均值样本曲线,状态函数Z抽样结果如图6所示。

从图6可以看出,经过1 000次的抽样,抽样结果趋于收敛,说明经过1 000次的抽样已达到Monte Carlo可靠性分析较为准确的精度。

对样本点进行统计分析,可以得到可靠性状态函数Z的累积分布函数并列表显示,结果如图7所示。

累积分布函数的某一点数值即出现在该点以下的概率值,Z<0的概率值即小臂结构失效的概率值。从图7中可看出,Z<0的概率值为0,即JR608小臂失效概率为0。从图7(b)中可以看出可靠性状态函数Z的最大值为2.635 486 0×102MPa,最小值为1.264 771 8×102MPa。列表中Z<0的概率值为0也可得到小臂结构失效概率为0,即可靠度为R=1。

4结语

本文以JR608机器人小臂作为可靠性分析实例,详细说明了零部件从有限元分析到PDS模块可靠性模拟的全部过程。完整地结合理论、平台和分析对象三部分为一体,阐述了Monte Carlo随机有限元进行零部件可靠性分析的详细方法步骤,同时证明了Monte Carlo概率有限元法能够解决无显示表达式的零部件结构可靠性分析问题。

摘要：工业机器人工作繁重、危险,对可靠性要求很高。由于可靠性实验条件有限,现采取仿真分析方法,基于ANSYS建立工业机器人小臂的概率有限元可靠性分析文件并进行确定性有限元分析。考虑载荷、材料的随机性,利用ANSYS的PDS模块进行Monte Carlo概率有限元可靠性分析,并得到相应的可靠度,为可靠性数据缺乏时进行机械零部件可靠性设计提供了一定的思路。

关键词：概率有限元,工业机器人小臂,Monte Carlo,可靠性

参考文献

[1]Coman M,Stan S D,Manic M,et al.Design,Simulation and Control in Virtual Reality of a RV-2AJ robot[C]//IECON 2009 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society,2009:2026-2031.

[2]Walker I D,Cavallaro J R.Failure mode analysis for a hazardous waste clean-up manipulator[J].Reliability Engineering&System Safety,1996,53(3):277-290.

[3]张厚忠,李劲松.ABS的综合性能评价体系及道路试验研究[J].汽车科技,2005(1):24-25.

[4]张文博.可靠性数值模拟方法及其应用的研究[D].西安:西北工业大学,2002.

[5]李永东,张男,张丙喜,等.某型坦克齿轮接触疲劳强度可靠性的Monte Carlo数值模拟[J].机械强度,2006,28(1):46-50.

[6]周鹏飞,董金善,杨益清,等.基于ANSYS的异形封头可靠性分析及优化设计[J].机械设计与制造,2012(1):28-30.

[7]秦大同,谢里阳.疲劳强度与可靠性设计[M].北京:化学工业出版社,2013:190-249.

工业机器人可靠性分析 篇2

今年5月，我国出台了《中国制造2025》纲领性文件，这份文件主动适应了制造业潮流发展，推动中国制造向智能制造转型，这为工业机器人的发展奠定了良好的基础。近日，工业机器人大省广东也出台了《广东省智能制造发展规(2015~2025)》该文件明确提出了要大力推广机器人产业，促进机器人应用。在中央与地方政策不断利好下，我国工业机器人发展前景可期。

工业机器人指的是能在人的控制下智能工作，并能完美替代人力在生产线上工作的多关节机械手或多自由度的机器装置。与人力相比，工业机器人具备低成本、高效率以及24小时工作的特点。近年，随着国内经济不断发展，劳动力成本随之上涨，我国制造业人力优势不再，在制造业升级的大背景下，“机器换人”提高制造业智能化程度成为新的潮流。

我国现已是全球最大的工业机器人消费市场，工业机器人已在汽车制造、电子、橡胶塑料、军工、航空制造、食品工业、医药设备与金属制品等领域得到应用，其中汽车工业的应用最多，比例达38%。广东、江苏、上海、北京等地是我国工业机器人产业主要集中的地区，拥有的工业机器人数量占据全国工业机器人市场的半壁江山。

不过，工业机器人在国内不断得到应用的同时，工业机器人产业发展尴尬现状不容忽视。目前由于核心技术缺乏，我国工业机器人消费严重依赖国外企业，尤其在减速机、伺服电机、控制器等核心零部件上，我国机器人企业受制于人，只能购买高昂的国外设备，这需要引起1 产业重视，也亟待国产工业机器人厂商不断提高技术，加大研发水平，早日摆脱国外企业。

前瞻产业研究院提供的《2015-2020年中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》数据显示，2013年是我国工业机器人发展元年，这一年国内工业机器人销量为3.69万台，同比增长36.52%，购买量占全球工业机器人销量的五分之一。2014年工业机器人销量超过57000台，同比增长54%以上，继续保持高速发展态势。

鉴于全球制造业工业机器人密度为55，而中国工业机器人密度仅为21，远低于日韩德美等发达国家，中国工业机器人市场未来空间巨大。在中国制造业转型升级以及扶持政策不断出台的大背景下，汇川技术、智云股份、科远股份、秦川机床、智慧松德、沈阳机床、天通股份、博实股份、南京熊猫等公司预计将获得利好发展。

本文来源前瞻产业研究院，未经前瞻产业研究院书面授权，禁止转载，违者将被追究法律责任！

原文网址：http://bg.qianzhan.com/report/detail/300/150807-5e79636d.html

工业机器人可靠性分析 篇3

【摘 要】FANUC机器人具备能抵抗压铸、可蒸汽清洗、耐高温、抗腐蚀等能够承担铸造作业高温考验。文章介绍了FANUC机器人的安全操作以及日常保养。

【关键词】FANUC；机器人；保养

伺服电机驱动的机械机构构成了机器人，机器人可以运行预先编排的程序，同时可接受人类指挥，是自动执行工作的机器装置，该装置的行动是以人工智能技术为原则，机器人能够取代或者协助人类工作，以防止有害工种对人类的造成的伤害，降低危险性。例如：建筑业、生产业等等。在使用FANUC的过程中，应对每个换件的安全因素进行考虑，无论是从作业人员还是设备系统方面。机器人本身的执行机构一般采用空间开链连杆机构，其中的移动负责为关节，而机器人的自由度数通常是指关节个数。机器人执行机构一般分为关键坐标式、极坐标式、圆柱坐标式、直角坐标式等等，类型较为丰富。而且，为了使机器更具拟人化，我们将机器人的有关部位称之为行走部、手部、腕部、臀部、腰部、基座等等。机器人的控制系统为集中式控制，其实就是一台微型计算机。对机器人能力进行评价的标准有寿命、联用性、可靠性、速度、指力、物理能、空间占有性、通用性、指变通性、机能、逻辑推理、学习、决策、判断、鉴别、比较、运算、记忆等等。可以说机器人可以代替人类完成一些难以进行或者危险的任务、劳作等，它是具有着生物功能的实际空间运行工具。而机器人通常由复杂机械、控制系统、检测装置、驱动装置、执行机构等共同构成的。

1.FANUC机器人安全操作

在使用FANUC机器人进行作业之前，必须对相关工作人员进行培训，未经过培训的人员不得随意更改设置、不能随意进行操作。而在对设备进行操作的过程中，须注意作业中的机器人机械臂，注意安全，以免意外的发生。对设备系统进行操作、维护时，应注意确保如示教器、控制柜、机械手等各个部件的安全，在运行前，应设定调整注塑机、检查程序设置、检查电气路、点检机械机等。

操作流程如下：步骤一：开机，①启动操作系统，将位于控制箱下侧的电源开关开启，这时，POWER电源指示灯点亮。②开启机器人，将位于机器人控制箱下侧电源开关开启，示教器启动，当示教器钥匙位于“关”的位置时，警报可用RESET键进行清除。步骤二：机器人的启动，①对注塑机开模位置进行调整，在生产烫印格栅及其格栅面框或者MODELLX皮纹时，应将开模的距离控制在695±3毫米的有效范围内，而其它步骤的生产需要根据具体程序进行设定。②使用机器人，按F10与F2，使用机器人。③切换到全自动后，将门关起，同时合模。④登陆触摸屏控制界面，在登陆页面，将登陆密码输入，以手动的方式调节自动模式，之后可进入自动画面，在启动键被按下后，将门关闭、合模。步骤三：处理异常问题，机器人若发生异常情况，触摸屏会随将错误类型显示为红色，并进入错误警报画面。对此，可按照如下方法进行处理：①按下急停按钮，对急停按钮检查、并进行复位。②机器人出现异常时，可对示教器报警查看，并进行复位。③机器人未能正常抓取工件，可对光电和夹具查看，并进行复位。当排除异常后，机器人可返回原位，并对机箱FAULT灯状况进行检查，灯若正常，科将机器人重新开启。步骤四：复位，①ON位置可指示为示教器钥匙，而T1位置可指示为系统控制箱钥匙。②示教器的操作，将FWD键与SHIFT键同时按下，控制程序的最后一道运动指令即可运行，机器人复原。再一次对各个钥匙、按钮进行调节，注塑机进行全自动运行。

2.FANUC机器人的日常保养

2.1保养项目

FANUC机器人的日常维护可分为周保养和日保养。

周保养：（1）听声音，对各个气压管路泄露有无泄露进行确认；（2）看外观，观察各线缆有无损坏现象，并对其进行确认；（3）用手触摸、用眼观察，对外部螺栓有无松动现象进行观察、确认；（4）操作，对真空建立信号有无异常状态进行确认；（5）对防护栏开关急停信号功能有无异常状态进行检查、确认；（6）全面清洁机器人；（7）对电控柜内进行整体除尘。

日保养：（1）机台整体外观应干净，清洁外观设备；（2）保持控制箱以及控制面板干净，并对其进行清洁；（3）对电控柜过滤网进行清洁；（4）用眼观察，并进行操作，调整压力在0.5Mpa左右，空气源压力则应超过0.6Mpa；（5）用眼观察、同时用耳听声音，对机器人运转时是否存在振动或异响等状况进行确认；（6）用眼观察，对控制面板信号等或者各电气柜、机器部件等是否存在异常情况进行确认。

2.2润滑油的添加与电池的更换

机器人工作茧自缚一万小时，或者工作三年时，应及时更换J4轴齿轮盒润滑油，以及J1、J2、J3、J4、J5、J6轴减速器润滑油。更滑润滑油的详细工序：①以加油时的姿态为准，调整机器人手动示教。②关掉机器人电源。③将出油口塞子拔出。④润滑油从加油嘴位置加入，当出油口有油渗出时视为加满。⑤反复转动机器人被加油的轴。⑥重新装好出油口的塞子。

示教器屏幕中出现警报时，主板电池的电量即将耗尽，此时，若不及时进行电池的更换，则会丢失记录数据。因此，应及时对主板电池进行更换。新电池的使用正常寿命在2年，在此推荐使用FANUC厂家原装的3V电池。该电池为主板锂电池。

3.结束语

机器人通常由复杂机械、控制系统、检测装置、驱动装置、执行机构等共同构成的，可以运行预先编排的程序，同时可接受人类指挥，是自动执行工作的机器装置，该装置的行动是以人工智能技术为原则，机器人能够取代或者协助人类工作，以防止有害工种对人类的造成的伤害，降低危险性。文章介绍了FANUC机器人安全操作以及日常保养与维护，望为使用FANUC机器人的生产者提供一点帮助。 [科]

【参考文献】

[1]李楠，王明辉，马书根，李斌，王越超.基于多目标遗传算法的水陆两栖可变形机器人结构参数设计方法[J].机械工程学报，2012（17）.

[2]王耀南，魏书宁，印峰，杨易旻，谭磊，曹文明.输电线路除冰机器人关键技术综述[J].机械工程学报，2011（23）.

[3]刘涛，佃松宜，龚永铭，彭聿松，吴璋.种用于电缆管道排管作业与巡检的遥操作机器人[J].现代制造工程，2013（4）.

工业机器人可靠性设计与测试研究 篇4

由于工业机器人是元部件众多, 是一复杂系统, 它以多自由度方式运动, 因而发生的故障可能造成难以预计的后果, 具有潜在的人机风险。为此对机器人必须严格按照可靠性测试标准进行测试, 目的在于: (1) 在机器人的设计和整个寿命周期中进行有效的可靠性运行, 特别在样机测试阶段, 必须将潜在的风险暴露出来加以改进; (2) 出现故障后的及时修复性, 减少客户的停机损失; (3) 工业机器人的安全性, 避免出现人机事故, 确保人员安装调试、编程示教、操作、维护过程的安全。我们以EFORT的工业机器人可靠性指标:MTBF不低于6000H。我们需要从设计、采购、加工制造、装配、测试等环节降低产品失效的因素。

1 元器件可靠性设计要求

1.1 电子元器件可靠性设计

电子器件的选取, 必须经过100%环境筛选测试, 测试合格的产品才允许采用, 按照可靠性分配原则, 筛选与元器件失效分析相结合, 一旦发现失效, 必须对同一类产品进行原因分析, 按照5W1H方法进行纠正预防措施分析与整改。

电子元器件的选取按照以下规则:

a.电子元器件决不允许超核运行, 应按照降额设计, 一般达到85%;

b.线路设计尽量进行动力、信号隔离处理, 防止电磁干扰, 进行干扰试验;

c.功能部件进行热分析, 高温拷机测试;

d.振动测试, 一般按照5-200HZ, 振幅2mm的扫频振动测试。

1.2 机电产品的可靠性设计

机电产品的设计与验证, 必须100%验证, 在断路器、线缆、继电器、接插件等必须进行电流、温度、频次等验证分析, 主要为:

a.线路的选取考虑电流、温度等其它要求;

b.电气元器件的参数除符合国家标准外, 机器人的额外要求不许满足, 比如继电器的动作次数要求等;

c.接插件的接触电阻、电流、耐热等, 同时考虑其防错、易维修性等。

1.3 机加部件的可靠性设计

机械加工部件的设计, 考虑其材质、加工难度、安全系数等, 装配前必须100%检查, 全部合格后才能安装, 主要包括:

a.设计时用机械专用软件进行应力分析, 确保安全系数在2以上;

b.设计时考虑加工工艺, 确保机加的尺寸、行位公差以及粗糙度等;

c.对部分特殊要求的, 要控制其材质与工艺, 比如:发黑、耐腐蚀等特殊处理。

2 关键部件可靠性验证

机器人的关键部件测试必须严格按照测试大纲进行测试, 详细记录测试数据并进行分析。

2.1 运动控制器与伺服驱动器

运动控制器与伺服驱动器为机器人主要运动控制部件, 除电子元器件的可靠性测试外, 额外需要进行功能测试, 包括:加减速测试、响应测试、正反向运转电流冲击测试、CPU负载率测试等。

2.2伺服电机

机器人伺服电机除一般的电机要求外, 还要求电机具备高过载能力, 同时由于其特殊的安装与应用环境, 需要对其电机油封、制动器都提出很高要求, 表现为:

a.电机的油封本身动密封要求很高, 尽量采用高质量的双唇油封, 一般测试3000H后进行拆解, 分析密封情况;

b.制动器对于机器人为安全部件, 其可靠次数必须达到万级以上, 测试为制动器扭力确认, 不能出现跌失。

2.3 减速器

在选取减速器的时, 考虑电机转速、设计指标等来选取减速器的减速比、额定扭矩, 并降额选取, 同时考虑减速器的输入齿轮配合、油路润滑等, 在重要关节考虑设计走线方式与装配方便性。

2.4 管线包

工业机器人本体管线包包括电机驱动线缆, 外围IO线缆, 总线线缆等组成, 由于机器人的现场应用需求, 线缆必须满足耐扭拉、高揉要求, 最少满足:1000万次以上的耐弯曲指标。

3 整机可靠性分析与验证

3.1 整机可靠性测试

各部件测试完成后, 需要对样机进行整机测试, 按照国家与企业标准对机器人的功能测试外, 必须要进行可靠性测试, 其中包括控制柜的振动测试、温控测试、本体振动监视等。

图1与图2是我们用加速度传感器检测的各轴电机在机器人高速运行时的XYZ三方向的振动情况。

由图1的测试结果, 可以分析原因, 进行运动参数调整, 减小机器人的本体振动, 从图2中可以看出振动从修改前的5G降到修改后的2G。

3.1.1 整机120H功能测试

机器人的120H测试, 包括机器人功能测试与拷机测试。功能测试包括:机器人3大坐标系的运动测试、零点复位、IO功能测试、各轴运动范围与运动空间测试、各轴最大速度、重复精度测试, 特殊要求的轨迹精度与D-H参数补偿测试等。如图3所示。

3.1.2 整机1000H可靠性测试

在120H测试结束正常后, 进入1000H满载100%速度各空间可达程序运行测试, 在测试过程中会监视各轴的运行情况, 包括各轴电流、速度等曲线, 测试结束后需要再次测试机器人的重复定位精度, 分析机械本体与控制系统的精度偏移。同时对电柜整体的温度、各电机部件温度, 机械传动部件温度以及本体噪声均监控, 规定噪声不大于75分贝。

图4与图5表示测试过程中出现的异常与正常电流、速度曲线对比, 从图3中明显可以看出机器人处于异常状态, 这时需要排查机械本体传动与电机等原因。

3.1.3 整机500H超载加速测试

在完成1000H测试后, 还需要对机器人进行130%负载, 100%速度下运行, 主要进行加速超额检测, 测试过程中, 同样监视各轴的运行情况, 包括各轴电流、速度等曲线, 测试结束后需要再次测试机器人的重复定位精度, 分析机械本体与控制系统的精度偏移。

4 结论

从可靠性工程角度分析, 在工业机器人的设计、采购、生产制造、测试等阶段都应进行相应的可靠性工作, 在设计阶段进行可靠性预计与设计;采购、加工阶段对质量的薄弱环节进行过程控制与试验;在样机阶段必须进行可靠性测试与加速, 甚至破坏性测试;在应用现场进行故障记录与搜集, 这样才能提高我们自主机器人的可靠性。

摘要：工业机器人作为一种工业现场应用设备, 其可靠性往往在与人类交互过程中显得尤为重要, 其可靠性受到设计、加工、装配以及调试等多方面因素的影响, 对其研究比较复杂。本文主要介绍工业机器人的元器件选型、分析以及可靠性测试方面的保障, 进一步提升产品的可靠性。

关键词：工业机器人,可靠性,测试

参考文献

[1]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社, 2009.

[2]霍伟.机器人动力学与控制[M].高等教育出版社, 2004..

[3]R.P.Paul.“Robot manipulators:mathem atics, programming, and control”The MIT press 1981:160-168..

[4]陆佑方.柔性多体系统动力学[M].高等教育出版社, 1996..

[5]陈胜军.机器人系统的可靠性理论研究[J].机器人robot第25卷, 2003 (07) .

[6] (美) 克来格 (Craig J.J) .机器人学导论[M].机械工业出版社, 2006.

工业机器人可靠性分析 篇5

关键词：工业机器人,发展战略,差距,规划

前言

经济的发展离不开技术的进步, 工业机器人是国家工业实力的重要表现, 相较于国外, 我国在工业机器人的应用范围及应用规模上都较小, 同时在工业机器人的研究方面投入不足。今年以来, 党和国家对我国的工业机器人发展情况进行了摸底排查, 对我国的工业机器人发展情况予以了肯定, 并提出了我国工业机器人发展的重要规划, 下大力气促进我国的工业机器人产业的发展, 以此来带动我国的制造业实现转型发展。

1 工业机器人发展概述

工业机器人是面向工业制造领域的多关节机械手或是多自由度的机械装置, 其依照指令制动进行工业活动, 能够实现精确化、速度化的动作, 极大的提升工业制造的效率与精确度。工业机器人起源于欧洲并在上世纪70年代发展迅速, 在当时, ABB公司开发了一种IRB6型工业机器人并将其应用于研磨和抛光作业。在这之后, 工业机器人进入了高速发展期, 随着计算机以及伺服电机的快速发展, 带动了工业机器人的进一步发展, 现今的工业机器人已经成为了柔性制造系统、工厂自动化、计算机集成制造系统等多种自动化装备, 对于提高制造生产线的柔性具有十分重要的意义。现今, 工业机器人及其自动化的配套设备已经成为衡量一个国家制造水平的重要标志。工业机器人在国外起步较早且发展迅速, 根据工业机器人发展的情况可分为日系和欧系两个工业机器人发展体系, 其中最具代表性的公司有日本的安川机电、松下机电以及FANUC公司等, 欧系的工业机器人公司主要有KUKA、CLOOS公司等。据不完全统计, 截止到2013年, 全世界已经安装有近400万台的工业机器人, 工业机器人在汽车制造、电子工业制造等高精尖行业发挥着重要的作用, 从上世纪90年代开始, 工业机器人就保持着高速增长的发展势头, 通过对工业机器人的发展进行统计后发现, 工业机器人的发展总体是呈现波浪式的发展趋势。

2 我国工业机器人的发展现状

我国的工业机器人最早起始于上世纪80年代, 当时, 国家意识到工业机器人发展的重要性, 在国家的863计划中对工业机器人进行了初步的研究并为以后的工业机器人的发展奠定了重要的基础, 从以往的单纯发展机器人向着机器人与自动化技术相结合的方向发展, 提高我国的自动化制造技术及工业发展水平。通过对工业机器人的研究初步掌握了工业机器人的控制、驱动以及设计制造技术, 并在此基础上解决了相应的工业机器人控制软件和编程, 并初步将工业机器人应用于工业实践, 使其应用于工业制造中的喷漆、弧焊、点焊以及搬运等环节, 使我国初步建立起了工业机器人生产线, 为后续的工业机器人开发应用打下了良好的基础。而后经过多年的发展与应用, 我国的工业机器人发展总体呈现出以机器人技术为主导向基础装备和成套装备研发方向的转移这一发展趋势。由于我国的工业机器人起步较晚且在基础工业配套领域的薄弱, 使得我国的工业机器人相较于国外的同类型产品还有着一定的差距, 其主要表现在:工业机器人的质量和可靠性要低于国外产品, 发展模式较为单一、生产线系统技术与国外还具有一定的差距, 在工业机器人的应用上远远比不上国外公司。相较于国外的工业机器人应用, 我国的工业机器人发展并未形成系统的体系, 其中在工业机器人的应用上主要是根据客户的需求进行小批量的设计, 从而造成工业机器人产品的规格较多、零部件通用化程度不高、成本与供货周期较高较长等缺点, 从而对我国的工业机器人产业发展造成了严重的影响。

3 工业机器人发展的核心关键技术

经过我国多年的发展, 在工业机器人技术上虽然有所突破但在核心技术上还有所欠缺, 尤其是在工业机器人的制造工艺以及整套装备制造方面, 缺乏工业机器人所必须的高精度减速机、伺服电机、控制器等核心部件, 需要加大在基础方面的投入, 做好对于工业机器人整体配套设备的制造与供应。

4 如何促进我国工业机器人产业的发展

工业机器人产业是一个国家工业发展的重要体现, 其价值主要体现在高端制造业上, 必须要形成一定的规模才能体现出其特点, 我国是一个制造业大国, 但是长期处于低端且以人力为主要环节, 整体的自动化程度不高。工业机器人产业在我国具有广阔的前景, 但是前期需要进行一定的培养, 培养的内容包括有:系统的集成、工业机器人整机的制造商、相应的零部件配套商等。工业机器人产业的发展不但需要一个广阔的市场还需要良好的零配件商的支持才能形成一个良性的发展体系。

4.1 建立并培养一个规模化的应用是工业机器人产业发展的关键

工业机器人是一种高度智能化的制造装备, 其对于应用对象、应用环境以及应用工艺等有着十分重要的要求, 同时在工业机器人应用的过程中还需要相应的周边工作站相互配合, 单台工业机器人的价值仅仅占到机器人自动化应用工程的2-3成, 需要建立起一整套的配套才能使得工业机器人应用形成体系, 工业机器人应当坚持工程应用工艺占据首位, 实行规模化生产、集成化应用, 并积极开发工业机器人应用的行业领域方向, 大力发展相关行业的应用集成商, 市场是促进工业机器人产业发展的直接动力, 工业机器人长期应用于高精度、高效率以及高危险的行业, 且是当今招工、用工难问题的重要解决途径, 各工业机器人企业应当根据市场进行适时调整, 努力开拓新的市场。

4.2 提高工业机器人的可靠性并降低其成本

工业机器人产业发展需要具有较强的可靠性和较低的成本。我国的工业机器人相较于国外产品在可靠性方面有所不足, 因此。需要在提高工业机器人自动化、智能化的基础上提高其连续作业情况下的可靠性, 这不但需要光大工业机器人提高其设计制造能力, 还需要广大的工业机器人上、下游成品配套商提高其产品质量和降低其成本, 从而使得工业机器人应用迎来一个新的拐点, 促进工业机器人产业的进一步发展。

4.3 提高工业机器人关键零部件的制造能力及质量

我国工业机器人中的一些关键零部件还无法实现国产, 从而严重限制了我国工业机器人产业的成熟及发展。现今在我国工业机器人的发展上还处于仿制阶段, 需要对创新领域及核心技术中加以突破, 完善整个工业机器人制造的产业链。

4.4 做好技术与商务创新促进工业机器人产业发展

工业机器人属于高技术产业, 其发展需要大规模的资金以及长时间的投入。经过多年的发展, 我国的工业机器人产业已经初具规模, 且具有广阔的市场, 仍需要在工业机器人核心技术及商务创新上下工夫, 建立起不同领域、不同用途的工业机器人, 实现国家产业和工业机器人产业的协同发展。同时推动工业机器人的标准化建设, 发展工业机器人产业集群, 实现工业机器人产业基地和技术群组的协同发展, 从而使我国的工业机器人产业进入良性的产业化发展。

5 结束语

工业机器人是我国新时期发展的重要方向, 文章在分析我国工业机器人发展现状的基础上对所存在的问题提出了几点建议。

参考文献

[1]徐扬生, 等.机器人技术的新进展[J].集成技术, 2012, 1.

[2]赵杰.我国工业机器人发展面临的挑战[J].航空制造技术, 2012, 12.

工业机器人可靠性分析 篇6

近年来, 我国工业机器人及智能制造领域得到了前所未有的关注, 这是由于三个方面原因:其一是由于我国劳动者对于劳动环境要求的提高而造成的用工荒;其二是由于我国科学技术的发展和制造业的发展, 具备了实施工业机器人及智能制造产业化的条件;其三是由于工业机器人和智能制造体现了一个地方、一个国家的综合技术水平和实力。

广东省地处我国的南方, 是我国改革开放的前沿阵地, 尤其是广东省制造业为我国的经济增长做出了很大的贡献。改革开放以后, 广东省的制造业主要依靠的是劳动力密集型制造行业的贡献, 但是近年来, 企业技术创新不足、技术性贸易壁垒和价格竞争优势丧失等问题严重制约着行业的持续发展。因此近几年, 从事制造业生产的企业家说得最多的一句话就是“人工越来越高, 利润越来越少”, 也就是付出越来越多, 得到越来越少, 有理由相信今后的人力资源将更加缺乏, 成本更加贵。面对日益严重的缺工情况, 珠三角越来越多的企业计划淘汰原有使用人工的机器设备, 以高技术自动化设备取代人工, 以减少成本压力。

现在广东省各级政府和企业家都意识到要延续中国制造高速发展的优势, 必须走智能制造的道路[1], 各地都在掀起“机器换人”计划。本文将主要讨论广东省工业机器人及智能制造的情况。

1 广东省工业机器人及智能制造的政策优势

高端装备制造业是国家“十二五”规划提出的战略性新兴产业七大领域之一, 其中工业机器人、智能制造是高端装备制造业的重点方向之一。改造提升制造业、加快培育战略新兴产业是国家“十二五”规划中明确的重要任务。实现由主要依靠规模增长的传统工业化道路向主要依靠技术进步和可持续发展的新型工业化道路转变, 调整优化技术结构、组织结构、布局结构和行业结构, 成为转变工业发展方式的核心工作。

根据《广东省先进制造业重点产业发展“十二五”规划》[2], “十二五”期间全省先进制造业产业规模发展目标为增加值年均递增12%, 到2015年, 先进制造业增加值超过19 000亿元, 占规模以上工业增加值比重50%以上, 其中装备制造业、汽车工业、石化工业占规模以上工业增加值比重分别达29%、7.5%、13%。在产业水平方面, 到2015年, 主要行业技术创新能力达到国内先进水平, 重点制造企业技术装备水平达到国际先进水平。研究与实验发展经费 (R&D) 支出占先进制造业增加值比重达到2.5%以上。企业信息化总体水平达到全国先进水平。

规划指出, 智能制造装备重点在中高档数控机床、工业机器人、工业自动化控制系统及智能仪器仪表、智能专用设备等领域实现突破, 培育一批细分领域行业龙头企业。打造中高档数控机床及系统产业链, 加快发展中高档数控机床产业, 提高机床功能部件研发和配套能力, 重点开发数控镗铣床、精密压力机、数字化工具系统及量仪等产品。推进机器人及成套系统产业化, 重点发展焊接、搬运、装配等工业机器人及其成套系统, 加大相关基础元部件研发力度, 加快产品产业化进程。大力发展精密和智能仪器仪表、智能专用设备、工业自动化控制系统装置、智能化仪器仪表和试验机、专用检测仪器设备、智能化空港设备等产品。到2015年, 形成2~3家具有国际竞争力的骨干企业。

2 我国机器人及智能制造产业分析

2.1 我国机器人产业的布局分析

我国工业机器人产业主要分布在东北地区、长三角、珠三角。东北是我国老工业基地, 主要企业有沈阳新松机器人有限公司、哈尔滨博实自动化股份有限公司等。长三角也是重要的机器人自动化公司集聚地。近年来国际机器人公司纷纷落户长三角, 如ABB、FANUC、YASKAWA, KU-KA等机器人公司[3], 本土机器人企业有上海沃迪机器人有限公司、安徽埃夫特智能装备有限公司、安徽江淮自动化设备公司等。近年来重庆在机器人产业和智能制造领域同样异军突起, 重庆市规划了机器人产业基地, 大力引进机器人生产厂商, 推进工业机器人的生产和应用。

2.2 机器人产业市场分析

根据国际机器人联盟 (IFR) 资料, 2012年, 我国工业机器人年安装量排名世界第三, 累计安装量超过6万台, 2013年估计达到新安装超过8~10万台。我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已经突破60亿元。是日本的1/15、北美的1/7、德国的1/6, 韩国的1/3, 随着我国产业升级的不断推进, 我国工业机器人发展空间巨大。目前, 国内市场年需求量在12 000台左右, 年销售额在90亿元以上。统计数据显示, 中国工业机器人市场上完全国产工业机器人不到20%, 其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。

2.3 智能制造产业市场分析

目前, 我国装备制造业规模已超过2万亿美元, 位居世界第一。美国和日本分别为1.5万亿美元和1.2万亿美元。虽然我国装备制造业的规模已经越过2万亿美元大关, 位居世界第一, 但产业“大”而不“强”的问题却十分突出。如在高端装备领域, 80%的集成电路芯片制造装备、70%的汽车制造关键设备、40%的大型石化装备等关键技术与设备仍需依靠进口, 所生产的产品缺乏核心竞争力。

3 广东省工业机器人及智能制造产业分析

3.1 工业机器人

众所周知, 工业机器人关键零部件包括伺服电机、减速器、控制器、传感器和机械本体, 广东省在伺服电机、控制器和传感器领域处于领先地位, 但是和国外发达国家的相关领域比较仍有很大的差距。从产品成本构成分析, 伺服电机产品占成本的20%左右, 减速器占产品成本的25%左右, 控制器占产品成本的27%, 因此工业机器人产业化的关键问题是掌握这些关键部件的产业化。

3.2 智能制造

智能制造实际是工业机器人产品的延伸, 不能将工业机器人产业当作一个独立的产业, 而应将工业机器人作为现代机械装备制造业的一个核心单元之一。实际上智能制造就是在现代生产中, 集成各种高技术产品, 包括机器人、物流系统、智能传感系统、控制系统、计算机控制软件等高技术, 实现在现代制造中将劳动者从简单重复的劳动中解放出来的目的, 实施智能制造将使得集成生产厂商和用户双方获益。

3.3 广东省机器人现状及制造业企业实施智能制造的分析

广东在我国的制造业具有领先地位, 同时珠三角地区也是改革开放的前沿和窗口, 是我国市场经济的核心地带, 毗邻香港国际市场, 又是国内多层次资本市场建设的重心, 发展机器人产业从技术引进、产品销售、企业融资、产业链整合都具有特殊的便利环境。广东省机器人产业主要集中在珠江三角洲, 其中深圳和东莞等地市由于在电子业、制造业具有良好的基础, 因此在机器人控制器、伺服驱动、运动控制等具有领先地位;广州在金融、人才、制造业也具有较强的竞争力, 广州市的机器人整机、系统集成等方面具有良好的基础;佛山、中山、珠海等集中了大量的中小型制造业企业, 在智能制造及机器人集成示范应用方面有很广阔的前景。

当前广东具有一定知名度的有广州数控设备有限公司、广州诺信数控设备有限公司、深圳新松机器人公司、深圳众为兴科技有限公司、深圳固高科技有限公司、深圳富士康、深圳福士自动化有限公司、东莞松庆自动化设备有限公司、佛山利迅达机器人系统有限公司、佛山市嘉腾电子有限公司等。

3.4 在广东加快推动机器人及智能制造产业发展的紧迫性

当前, 国际国内在经过了金融危机洗礼后, 广东省制造业企业面临的现状是:面临贴牌生产向自主知识产权产品的转变;传统的劳动力密集型企业向资金密集型企业转变。向资金密集型企业转变, 需要大量的资金投入, 而珠三角企业大多是中小型企业, 难以筹集大量的资金, 且中小企业没有试错机会。但是由于广东省制造业企业存在产业结构不合理、企业规模小和产品利润空间越来越小的问题, 在广东企业加快推动机器人及智能制造产业发展是十分迫切的。

(1) 产业结构不合理

广东省制造业支柱产业多为劳动密集型产业。产品的加工深度低, 技术含量低, 附加值低。同时, 出口产品以低利润率的产品为主, 产品结构单一, 对市场影响比较敏感。此外, 行业门槛较低, 常以价格竞争为主, 损害企业市场拓展、科研开发积极性。

(2) 企业规模较小

广东省制造业企业多为中小民营企业, 企业规模偏小, 未能形成一批占有较大市场份额、代表行业水平、具有国际竞争力的大型企业和企业集团, 未能形成一大批产品有特色并按规模经济组织声场的专业化协作配套厂。同时, 由于缺乏统一的产业和专业市场规划, 市场秩序不规范, 产品质量参差不齐, 产业化程度低。

(3) 利润空间越来越小

受原材料成本上涨、招工难、劳动力成本上涨、土地资源稀缺等因素影响, 广东制造业成本不断上升。

面对产业结构不合理、产品质量参差不齐、产业化程度低、利润空间减少等问题, 广东省制造业实施智能制造升级转型刻不容缓。

4 总结

机器人及智能制造是广东省装备制造业转型升级的关键, 智能制造能大大提高广东省传统制造业水平, 如通过推动机器人减速器的产业化可以促进精密制造技术, 促进机器人控制系统系统和传感器产业化、加强智能制造系统的应用, 将有利于广东省高技术发展, 同时也能缓解工人短缺的问题, 将劳动者从恶劣工作环境中解脱出来。

参考文献

[1]广东省人民政府.广东省国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要[EB/OL].http://zwgk.gd.gov.cn/006939748/201105/t20110513_86534.html.

[2]广东省人民政府.广东省先进制造业重点产业发展“十二五”规划[EB/OL].http://zwgk.gd.gov.cn/006939748/201211/t20121108_353036.html.

工业机器人可靠性分析 篇7

机器人运动学主要是把机器人相对于固定参考坐标系的运动作为时间的函数进行分析研究, 而不考虑引起这些运动的力和力矩。也就是要把机器人的空间位移解析地表示为时间的函数, 特别是要研究关节变量空间和机器人末端执行器位置和姿态之间的关系[1,2,3]。在机器人控制中运动学分析占有非常重要的地位, 直接涉及到离线编程、轨迹规划等问题[4]。本文以M_6i B机器人为研究对象, 利用D-H法对该机器人的运动学方程进行推导, 并应用ADAMS对机器人进行运动仿真, 验证理论计算的同时, 为后续机器人的轨迹规划及动、静态特性分析提供可靠的模型。

1.基座2.腰转部件3.大臂4.小臂5.腕部

2 机器人运动学数学模型的建立

机器人运动学分析常用的方法是D-H参数法, 是由Denavit和Hartenberg于1955年提出的一种为关节链中每一杆件建立附加坐标系的矩阵方法, 是用齐次坐标来描述机器人各连杆相对于参考坐标系的空间几何关系, 用4×4的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆i和i-1的空间几何关系, 从而推导出机器人手爪坐标系相对于参考坐标系的空间位姿关系[5]。本文分析的六自由度工业机器人由基座、腰转部件、大臂、小臂和腕部组成, 具有6个转动自由度, 建立的实体模型如图1所示。

根据D-H坐标系的规则和各杆件参数的求取规则, 建立了机器人处于零点位置时的连杆坐标系, 如图2所示。表1列出了机器人机构的D-H参数。

表1中ai-1代表连杆i-1的长度;ai-1为连杆转角;di是沿关节i轴线两个公垂线的距离, 称为偏距;θi是垂直于关节i轴线的平面内两个公垂线的夹角, 称为扭角。机器人各连杆间齐次变换矩阵i-1iT为

式中, Ci=cosθi, Si=sinθi, Cai-1=cosai-1, Sai-1=sinai-1, i=1, 2, …, 6。

根据公式 (1) 及表1的关节参数, 即可得相邻连杆的变换矩阵。将各连杆变换矩阵相乘, 便得到该六自由度机器人末端执行器到基础坐标的转换矩阵60T:

式中

其中, ci=cosθi, si=sinθi, cij=cos (θi+θj) , sij=sin (θi+θj) 。

60T描述了末端连杆坐标系邀6妖相对于基坐标系邀0妖的位姿, 是机器人运动分析和综合的基础。该矩阵的n、o、a表示了末端执行器相对基坐标的姿态, 而p则代表了末端执行器相对基坐标的位置。

3 ADAMS环境下的运动仿真

ADAMS软件有强大的动力学解算器, 但实体建模功能相对薄弱[6,7]。本文采用三维造型软件UG对机器人进行适当简化, 建立了M_6i B机器人的三维模型 (如图1) , 并以Parasolid格式导入ADAMS/View中进行运动学仿真。

建模及简化要遵循以下原则[8]:

1) 根据运动副对模型进行简化, 各个零件之间的运动副要表示清楚;

2) 在不影响视觉效果的前提下, 模型外形应尽量简化;

3) 多个零件固结时, 可以只用一个零件表示, 以节省运动副数量 (因为运动链越长, 计算误差越大) 。

几何模型建好后, 便可对模型施加运动副和运动约束。M_6i B机器人具有6个转动自由度, 在相应的转动关节处施加revolute副约束, 基座和大地间采用Fixed副来固定。

在进行运动学仿真时, 给出机器人的初始位置即零点位置, 此时各关节变量分别为θ1=-90°, θ2=-90°, θ3=0°, θ4=0°, θ5=180°, θ6=0°;期望位置θ1=θ2=-30°, 其余为零;时间t=3s, 步长time=0.03s。按照三次多项式轨迹规划的方法, 将θ1、θ2对应关节的运动分成多段的微运动, 进行运动学仿真。仿真结果如图3、图4所示。图3中实线为x坐标变化曲线, 虚线为y坐标变化曲线, 点划线为z坐标变化曲线。

4 结论

由图3、图4可以看出, 当关节变量θ1、θ2连续变化时, 机器人末端执行器的位置坐标曲线平滑且连续, 这表明M_6i B工业机器人在运动的过程中是平稳的。若将θ1=θ2=-30°, 其余变量为零, 代入前面的公式 (2) , 可以得出此时末端执行器的坐标为 (428.42, -247.35, 880.29) , 与ADAMS仿真得到结果完全一致, 从而验证了理论推导及仿真模型的正确性, 为后续机器人的轨迹规划及动、静态特性分析提供了可靠的模型。

参考文献

[1]熊有伦.机器人技术基础[M].武汉:华中理工大学出版社, 1996.

[2]孙增圻.机器人系统仿真及应用[J].系统仿真学报, 1995, 7 (3) :23-29.

[3]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社, 2000.

[4]孙迪生, 王炎.机器人控制技术[M].北京:机械工业出版社, 1997.

[5]Denavit J, Hartenberg R S.A Kinematic Notation for Lower-pair Mechanisms Based on Matrices[J].Journal of Applied Mechnics, 1995, 21 (5) :215-221.

[6]郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[7]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社, 2006.

工业机器人可靠性分析 篇8

随着现代工业的快速发展,工业机器人在各领域的应用越来越广泛。为提高生产效率和产品质量,各行业对工业机器人的要求越来越高,因此高速度、高精度、 智能化已成为当前工业机器人的发展趋势[1,2]。然而工业机器人具有非线性、强耦合、多输入、多输出等特点, 尤其在高速运动的场合,机器人运动学和动力学非线性特征将变得十分明显[3,4]。另外由于各种不确定性因素, 工业机器人的控制性能必定大大降低[5]。

本文针对工业机器人运动学和动力学的不确定性, 设计一种模糊滑模控制器,将滑模变结构控制和模糊逻辑控制相结合,补偿运动不确定性造成的位置偏差,以实现工业机器人末端执行器的高精度位置跟踪控制。

1机器人运动学和动力学模型

理想情况下,机器人末端执行器在笛卡尔空间的轨迹方程[6]可表示为:

式(1)中x ∈Rn为笛卡尔空间内机器人末端执行器的位置向 量 ;q ∈Rn表示机器 人关节位 置向量 ;表示笛卡尔空间与机器人关节空间的非线性关系。

设笛卡尔空间机器人的速度为x,关节空间机器人关节角速度为二者之间的关系可表示为:

式(2)中为雅克比矩阵。

对于具有n自由度的机器人,其动力学模型[7]可表示为:

式(3)中q表示关节位置向量;表示关节速度向量;表示关节加表示惯性矩阵;表示向心力和哥氏力表示重力力矩;τ∈Rn×n表示关节驱动力矩;τd∈Rn表示等效干扰力矩。

为计算方便,可令:

则式(3)可表示为:

2滑模变结构控制器设计

假设机器人几何参数已知,那么对式(2)求导可得:

如果,表示机器人处于奇异位置,此时关节角速度无穷大,将导致速度突变、机械振动等问题。为便于分析,本文假定为非奇异矩阵,那么式 (6)可修改为:

将式(7)代入式(4)可得机器人的动力学模型:

用期望值代替式(8)中的则机器人动力学等效模型[8]为:

由于工业机器人运动学和动力学模型的不精确性, 容易导致比较大的跟踪误差,因此可采用工业机器人估计模型,则机器人动力学估计模型[9]为:

其中为估计值,为非奇异估计雅克比矩阵。

基于滑模控制基本原理,为保证系统的稳定性,同时补偿由不确定性造成的位置偏差,因此控制律可设计为:

其中τsm为滑模控制项,通过选择合适的滑模面和控制规律可以提高系统的鲁棒性。可选择滑模面[10]:

其中s表示n×1维向量,Λ代表正定对角矩阵。假设参数q , q , x , x 已知,那么滑模控制项τsm可设计为:

式中k1、k2为n ×n阶正定对角矩阵。式(13)中的第二项可提高系统的稳定性和瞬态性能,以补偿由不确定性造成的跟踪误差;式(13)中第三项可保证滑模面的存在,以提高系统的鲁棒性。

由式(10)、式(11)和式(13)可得工业机器人的控制规律为:

考虑到工业机器人运动的不确定性,由式(5)和式 (14)可得:

3模糊逻辑控制方案设计

3.1模糊滑模控制器设计

由于滑模变结构控制的不连续性以及不确定性扰动,系统容易产生 “抖振”,进而引发高频振动[11]。 而模糊逻辑是一种基于规则集合的智能控制方法,其主要特点是将人类的知识和经验引入到控制系统中,以提高系统控制性能,而且不需要具体的数学模型,故模糊逻辑控制在解决非线性问题时具有比较明显的优势[12]。 因此,本文采用模糊逻辑控制策略消除“抖振”,以提高系统的鲁棒性。

如上述可将滑模控制项τsm修正为模糊逻辑控制项:

式(16)中Kfs为模糊逻辑输出量,用于补偿不确定项f,以消除“抖振”的影响。由于工业机器人末端执行器的加速度 x 不便于检测,而且输出量Kfs只与滑模面s有关。因此,模糊逻辑规则可定义为输入变量s到输出量Kfs的非线性映射:

其中为模糊语言决策集的函数,其模糊规则可定义为:

为模糊逻辑输入量,为模糊逻辑输出量,s和Kfs可划分为9个子集: NB (负大),NM(负中),NS(负小),NE(负较小), ZE(零),PE(正较小),PS(正小),PM(正中) 和PB(正大)。

综上所述,模糊滑模变结构控制器[13]可设计为:

基于自适应规律,式(18)中的模糊控制项Kfs控制律可设计为:

式(19)中模糊逻辑控制系统可设计为:

其中θk*iTΨki(si)为不确定性fi最优补偿。基于模糊滑模控制器可保证机器人闭环控制系统则是逐渐稳定的,可以解决机器人运动学和动力学不确定性问题,模糊滑模控制器结构如图1所示。

3.2稳定性分析

假设Lyapunov函数[14]为:

对上式求导可得:

由式(19)、式(21)和式(22)可得:

由式(25)可以证明机器人闭环控制系统是逐渐稳定的,即机器人末端位置误差逐渐收敛于零。

4仿真分析

为便于仿真分析,本文仅考虑二自由度工业机器人,且忽略重力的影响,二自由度工业机器人结构如图2所示。

由图2可知,二自由度工业机器人雅克比矩阵为:

其中l1为杆1长度;l2为杆2长度;为机器人关节位置向量。

二自由度工业机器人动力学模型为:

其中:

为力矩输入向量。二自由度工业机器人的参数如表1所示。

给定机器人的工作空间轨迹为:

机器人关节初始状态可设定为机器人末端初始位置可设定为设外界力矩扰动为控制参数 可设定为 =Λdiag( 40,40) ,k1=diag(8 0,80)。图3为机器人末端x , y方向的轨迹跟踪;图4为机器人末端x,y方向的位置跟踪误差,由图3、图4可知:在存在时变干扰的情况下,机器人末端跟踪误差很小,并不影响运动精度。图5为控制力矩,提高了响应速度且不存在“抖振”现象。图6为模糊控制项Kfs,当时变干扰出现时,Kfs变化较大,可在很大程度上抵消外界干扰。上述仿真结果表明:模糊滑模控制器具有较好地跟踪性能、快速响应特性及抗干扰性能。

5结束语