Priemyselný robot je súbor strojov, elektroniky, riadenia, počítačov, senzorov, umelej inteligencie a ďalších multidisciplinárnych pokročilých technológií v jednom z moderných výrobných odvetví v dôležitých automatizačných zariadeniach. Robotika, CNC technológia a PLC technológia sú známe ako tri hlavné podporné technológie pre priemyselnú automatizáciu. Robotická technológia a jej produkty sa veľmi rýchlo rozvíjajú a stali sa automatizačnými nástrojmi pre flexibilný výrobný systém (FMS), automatizáciu výroby (FA), počítačovo integrovaný výrobný systém (CIMS), ako aj dôležitou súčasťou inteligentnej továrne Industry 4.0.
1. Zloženie systému priemyselných robotov a ukazovatele výkonnosti
1) Zloženie priemyselného robotického systému
Priemyselný robot je viac{0}}kĺbový manipulátor alebo strojové zariadenie s viacerými{1}}úrovňami{2}}-voľnosti orientované na priemyselnú oblasť, ktoré môže vykonávať prácu automaticky a je to druh stroja, ktorý sa pri realizácii rôznych funkcií spolieha na svoju vlastnú silu a schopnosť ovládania. Môžu prijímať ľudské príkazy alebo bežať podľa pred-naprogramovaného programu. Moderné priemyselné roboty môžu byť tiež založené na technológii umelej inteligencie, aby vyvinuli princíp činnosti programu. Typický priemyselný robot je znázornený na obrázku 1. Priemyselné roboty možno rozdeliť do troch generácií podľa úrovne technologického rozvoja: prvá generácia robotov s demonštratívnou reprodukciou, druhá generácia percepčných robotov a tretia generácia inteligentných robotov.
Prvá generácia priemyselných robotov pozostáva z troch hlavných častí z hľadiska vonkajšej štruktúry: operátora (alebo tela robota), ovládača a demonštrátora. Druhá a tretia generácia priemyselných robotov zahŕňa aj systém vnímania a systém analýzy a rozhodovania,{1}}ktoré sú realizované pomocou senzorov a softvéru.
(1) Prevádzkovateľ:Hlavné telo stroja, ktoré sa používa na vykonávanie rôznych prevádzkových úloh, ktoré obsahuje najmä robotické rameno, pohonnú jednotku, prevodovú jednotku a interné senzory.
(2) Ovládač:Je to zariadenie na ovládanie tela robota na vykonanie určitých akcií podľa pokynov a informácií zo senzorov, čo je kľúčová časť na určenie funkcie a výkonu robota a tiež najrýchlejšia aktualizácia a vývoj časti priemyselného robota.
(3) Učiteľ:Ide o interakčné rozhranie robota medzi človekom{0}}strojom, prostredníctvom ktorého môže operátor naprogramovať robota alebo ručne manipulovať s robotom, aby sa pohyboval.
Priemyselné roboty sa funkčne skladajú z 3 hlavných častí a 6 podsystémov. 3 hlavnými časťami sú mechanická časť, riadiaca časť a snímacia časť. 6 podsystémy sú systém pohonu, systém mechanickej konštrukcie, systém interakcie človeka-stroja, riadiaci systém, snímací systém a systém interakcie robota- s prostredím.
2) Index výkonnosti priemyselných robotov
Výkonnostný index priemyselných robotov sú technické údaje poskytnuté výrobcom robota v čase dodania produktu, ktoré odrážajú rozsah použitia a pracovný výkon robota, čo je potrebné zvážiť pri výbere robota. Technické údaje poskytnuté výrobcom robota síce nie sú úplne rovnaké, štruktúra priemyselných robotov, aplikácie a potreby používateľov nie sú rovnaké, ale jeho hlavné ukazovatele výkonnosti sú vo všeobecnosti: stupne voľnosti, presnosť práce, pracovný rozsah, menovité zaťaženie, maximálna pracovná rýchlosť.
Je dôležité poznamenať, že robot môže mať vo svojom prevádzkovom rozsahu singularity. Singularity sú body, v ktorých spoje strácajú stupeň voľnosti v určitých smeroch v dôsledku obmedzení v štruktúre robota. Singularity sa zvyčajne nachádzajú na okrajoch pracovného priestoru a keď sú singularity zoskupené, označujú sa ako „prázdne miesta“. Keď sa robot pohybuje blízko singularity, poloha kĺbov sa drasticky mení v dôsledku postupnej straty stupňov voľnosti, čo má za následok veľké zaťaženie hnacieho systému a preťaženie. Preto si pri robotoch so singularitami ich prevádzkový rozsah vyžaduje aj odstránenie singularít a dutín.
2. Riadenie priemyselných robotov
1) Charakteristika a požiadavky riadenia priemyselných robotov
Pohyby kĺbov väčšiny priemyselných robotov sú od seba nezávislé a na dosiahnutie presnosti polohy koncového-efektora robota je potrebná koordinácia viacerých kĺbov. Preto je riadiaci systém priemyselného robota zložitejší ako bežný riadiaci systém a má nasledujúce vlastnosti:
(1) Je to v podstate nelineárny systém.
(2) Je to multivariabilný riadiaci systém zložený z viacerých kĺbov a medzi kĺbmi je spojenie.
(3) Ide o časovo-premenlivý systém, ktorého dynamické parametre sa menia so zmenou polohy pohybu kĺbu.
(4) Je potrebné merať a analyzovať podmienky prostredia a kontrolné pokyny a automaticky vybrať najlepší kontrolný zákon.
(5) Má vysokú opakovateľnú presnosť polohovania a dobrú tuhosť systému.
(6) Prekročenie polohy nie je povolené, inak môže dôjsť ku kolízii a dynamická odozva by mala byť rýchla.
Vzhľadom na to, že riadenie priemyselného robota má vyššie uvedené vlastnosti, musia byť pri návrhu riadiaceho systému priemyselného robota splnené tieto základné požiadavky:
(1) Koordinované riadenie pohybu vo viacerých osiach- na vytvorenie požadovanej pracovnej trajektórie.
(2) Vysoká presnosť polohy, veľký rozsah rýchlosti.
(3) Rýchlosť statického diferenciálu systému by mala byť malá, tj od systému sa vyžaduje dobrá tuhosť.
(4) Poloha bez prestrelenia, rýchla dynamická odozva.
(5) Vyžaduje sa ovládanie zrýchlenia a spomalenia.
(6) Koeficient chyby rýchlosti každého spoja by mal byť čo najkonzistentnejší.
(7) Z prevádzkového hľadiska sa vyžaduje, aby riadiaci systém mal dobré rozhranie človek{1}}stroj, čo minimalizuje požiadavky operátora.
(8) Z hľadiska nákladov na systém je potrebné čo najviac znížiť náklady na hardvér systému a viac využívať softvérové servometódy na zlepšenie výkonu riadiaceho systému.
2) režim riadenia priemyselného robota
Z riadiacich charakteristík a požiadaviek na riadenie priemyselných robotov sa na realizácii riadenia priemyselných robotov podieľa množstvo prvkov, ktoré sa delia najmä na riadenie spodnej vrstvy robota a riadenie hornej vrstvy. Medzi nimi riadenie spodnej vrstvy zahŕňa telo robota (tj mechanickú časť), časť obvodu pohonu, časť snímača a stratégiu riadenia (napr. riadenie PID). Riadenie hornej vrstvy zahŕňa analýzu pohybu robota, plánovanie dráhy a softvérovú časť robota [4]. Podľa rôznych metód kategorizácie možno riadenie robotov klasifikovať rôznymi spôsobmi. Podľa riadeného objektu možno rozdeliť na riadenie polohy, riadenie rýchlosti, riadenie sily, riadenie krútiaceho momentu, riadenie hybridu sily / polohy atď. Ide hlavne o riadenie spodnej vrstvy a teraz sú vysvetlené hlavné spôsoby riadenia.
(1) riadenie polohy priemyselného robota:cieľom je prinútiť kĺby robota realizovať vopred{0}}plánovaný pohyb a v konečnom dôsledku zabezpečiť, aby sa koncový{1}efektor priemyselného robota pohyboval po vopred stanovenej trajektórii, pričom na dosiahnutie zvyčajne používa striedavý servosystém alebo jednosmerný servosystém.
(2) Riadenie pracovnej sily (momentu) priemyselného stroja:potrebu analyzovať koncový-efektor robota a prostredie stavu obmedzení a podľa obmedzení vyvinúť stratégie riadenia. Okrem toho je potrebné na koniec robota nainštalovať snímač sily, aby sa zistila kontaktná sila medzi robotom a prostredím. Riadiaci systém spracuje tieto informácie o sile podľa vopred-stanovenej stratégie riadenia a potom riadi robota, aby vykonával operácie v neistom prostredí, ktoré sú kompatibilné s týmto prostredím, aby robot mohol dokončiť komplexné prevádzkové úlohy.
(3) Regulácia rýchlosti priemyselného robota:zvyčajne realizované súčasne s riadením polohy. Napríklad v prípade režimu nepretržitého riadenia trajektórie musia priemyselné roboty riadiť rýchlosť pohybujúcich sa častí a implementovať zrýchlenie a spomalenie podľa vopred stanovených pokynov, aby splnili požiadavky na hladký pohyb a presné polohovanie. Pretože priemyselný robot je akýmsi premenlivým pracovným stavom (alebo cestovným zaťažením), zotrvačné zaťaženie veľkých pohybových strojov, aby sa vyrovnali s rozporom medzi rýchlym a plynulým, musia ovládať štartovacie zrýchlenie a spomalenie pred zastavením dvoch prechodových pohybových sekcií. A v celom pohybovom procese je zvyčajne potrebná kontrola rýchlosti.
3) Inteligentné riadenie priemyselných robotov
Inteligentný spôsob riadenia priemyselných robotov sa týka najmä prevádzky v neistých alebo neznámych podmienkach, robot potrebuje získavať informácie o okolitom prostredí prostredníctvom senzorov, rozhodovať sa podľa vlastnej internej znalostnej bázy a následne ovládať rôzne aktuátory, aby autonómne dokončil danú úlohu, ktorá patrí do vyššej úrovne riadenia robota. Ak sa použije inteligentná technológia riadenia, robot bude mať silnú adaptabilitu na životné prostredie a schopnosť samoučenia sa. Inteligentné metódy riadenia úzko súvisia s vývojom umelej inteligencie, ako sú umelé neurónové siete, fuzzy algoritmy, genetické algoritmy, expertné systémy a pod. Aplikácia algoritmov neurónových sietí v mobilných robotoch je použitá ako príklad na ilustráciu kombinácie inteligentného riadenia a priemyselných robotov.
Ak si vezmeme ako príklad mobilného robota znázorneného na obrázku, kamera je nainštalovaná na vrchu mobilného robota, aby sa získal trojrozmerný{0}}obrázok prekážky. Sada ultrazvukových senzorov je namontovaná pred mobilným robotom (priamo pod kamerou) na získanie informácií o vzdialenosti medzi prekážkou a mobilným robotom.
Fúzia informácií z vizuálnych a ultrazvukových senzorov sa uskutočňuje pomocou metód neurónovej siete a výstupom na ďalšiu úroveň je rozpoznanie typu prekážky, čo umožňuje mobilnému robotovi vyhnúť sa prekážkam pri chôdzi v neistom prostredí a zlepšuje jeho navigačné schopnosti. Hlavné kroky priemyselných robotov pri využívaní inteligentných informácií na integrované rozhodovanie s cieľom vyhnúť sa prekážkam sú nasledovné:
(1) Keď sa robot pohybuje, systém merania vykonáva detekciu prostredia v krátkych intervaloch, aby určil, či mobilný robot potrebuje spomaliť a či potrebuje odobrať vzorky z CCD kamery na základe informácií o vzdialenosti o prekážke získaných ultrazvukovým senzorom.
(2) Keď je vzdialenosť prekážky od mobilného robota stredná, ako to zistí systém merania, rýchlosť robota sa zníži; keď je vzdialenosť prekážky od mobilného robota blízka, z CCD kamery sa získa dvojrozmerný obraz predmetnej prekážky a získajú sa súradnice jej ľavého a pravého okraja.
(3) Informácie o prekážke získané z ultrazvukového snímača a CCD kamery sú zoskupené a vopred spracované a odoslané do riadiacej jednotky neurónovej siete BP na fúziu.
(4) Riadiaca jednotka neurónovej siete BP, ktorá bola vopred{1}}naučená so znalosťou vyhýbania sa prekážkam, prijíma príslušné rozhodnutie o vyhýbaní sa prekážkam podľa informácií zhromaždených externými multi-senzormi a vyhýba sa prekážkam.
Referencie
[1] Zhu Hongqian. Technológia priemyselných robotov [M]. Peking: Machinery Industry Press, 2019. [2] Chen Wanmi. Technológia riadenia robota [M]. Peking: Machinery Industry Press, 2017. [3] Guo Tongying, An Dong. Robotika a jej inteligentné riadenie [M]. Peking: People's Posts and Telecommunications Press, 2014. [4] Zhang Xianmin. Robotika a jej aplikácia [M]. Peking: Machinery Industry Press, 2017. [5] Zhang Xinxing. Základy aplikácie priemyselných robotov [M]. Peking: Beijing Institute of Technology Press, 2017.