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基于工业机器人人机协作技术的企业应用范例

2018年05月15日 10:30:10 中国传动网

在工业机器人大量参与的自动化生产中,难免因各种情况而需停机调整机器人点位,这一过程往往将进行数小时,这段停机时间造成的产能损失往往让客户难以接受。“快速部署、易于调试”几乎是每个工业机器人集成销售商都会遇到的最大挑战之一。

3C制造行业中,工业机器人正在越来越多地进入3C零部件加工,搬运,组装等工段中,因产能需求大,因而3C制造业区别于传统设备制造业的最显著特征就是各工段排布紧凑、工时短,如此短而快的节奏势必难以离开工人的配合——甚至是由人监督和主导劳作内容,而机器人辅助完成其中繁复的体力工作。

以上论述为广大机器人集成商指明了未来机器人技术的发展趋势,即“以人为本”的产业技术发展思想,要求工业机器人这种无感情无思想的冰冷金属工具必须变得“柔软”、能够在一定程度上完成和人的密切交流,方能真正的适应未来智慧工厂、无人化工厂的发展要求。目前越来越多的机器人厂家已经注意到这一点,并致力于直接示教与人机协作技术的攻关。

技术概述

为实现深入人机协作技术,可以通俗的理解为通过各种技术手段使机器人从原本的刚性体变得“柔软”,能够对工作中相对微小的额外外部力进行感知辨识,并产生特定的反应。如在工作模式中发生预期以外的碰撞则应该停止、示教模式中可以轻松拉动机器人工作面达到指定位置(直接示教)等。该技术的技术基础是零力控制技术。

目前已知的零力控制技术有两种实现方式:基于位置控制的零力控制技术和基于直接转矩控制的零力控制技术。前者需要搭配各种力检测器、或者使用估计法以获得确定的外力方向并实施相应补偿直至外力消失。后者以计算各关节对应的重力及摩擦力,伺服控制器工作在转矩控制模式下,通过控制各关节伺服驱动器输出对应大小的力矩,则机器人在外力的作用下克服惯性力而即可运动。

技术现状

较早的ISO10218中,按照协作程度从低到高,提出了四种人机协作方式:

1.Safety-ratedmonitoredstop(安全级监控停止)

2.Handguiding(手动引导)

3.Speedandseparationmonitoring(速度和距离监控)

4.Powerandforcelimiting(功率和力限制)

通过对工业机器人及工业设备市场的分析我们可以看到:一、目前国外在这一方面处于遥遥领先的地位,具有代表性的KUKA与UR机器人均推出了人机协作专用机种;而我国目前尚处于理论与实验室阶段,少有成熟产品出现。二、纵观国内外直接控制手段,均不能离开力传感器的协助,即必须在末端或者机器人本体中额外增加力传感单元,势必会大大增加机器人的制造成本。

综合以上两点所述,尽快开发出成熟的零力控制与碰撞检测技术,并使其应用到工业机器人控制中,降低机器人的制造、维护与部署成本的技术攻关势在必行。

技术应用范例

秉承着以人为本的理念,深圳市精匠机器人科技有限公司(以下简称“精匠”)自成立起就一直致力于人机友好与人机协作技术的开发,将人机协作的概念不断应用在该公司研发生产制造的工业自动化装备中。为了最终达成人机协作、智能制造的理念,“精匠”采用了三步走的技术发展策略:

1.安全级监控停止——安全门、安全光栅的全面覆盖

目前“精匠”已经在其生产的所有工业设备中实现了安全级监控停止的功能,即通过安全护栏进行彻底的人机分隔,借助安全门或安全光栅,当操作员的肢体进入机械工作空间时将会立刻触发感应装置,设备立刻停止。在操作员退出该空间且确认后,设备恢复工作。最大程度上杜绝生产安全事故。

精匠生产的某产品防水检测设备

精匠生产的某3C产品的扫码设备

精匠测试车间的安全护栏与安全门

2.“速度和距离监控“功能的试导入

经过两年的努力,“精匠”在现阶段需要人机密切配合的场合尝试导入了“速度和距离监控“这一功能,具体实现方式为搭配安全光栅、工业相机和距离传感器感知工人距离,并将工作区间做分级处理,工人到达机器人工作区间后机器人及整个相关设备降至低速并由正常工作模式切换至”安全模式“,以便使用者在不停机的情况下进行简单的调整,如果不慎发生预期以外的碰撞,则机器人会立刻停止;

3.以直接示教、碰撞检测为最终目标的人机协作

目前精匠正在加大人力投入进行对零力控制模式的研究,并在直接转矩控制技术中取得了一定的成果,不远的将来“精匠”将在其研发制造的的所有的小型六轴机器人中植入以“转矩模式控制的零力控制“模块,并尝试在中型规格的特定机型中加入单轴扭矩检测模块,以期在不远的将来能够确实地实现调试状态中的“直接示教“功能和工作状态中的”人机协作“功能。

人机协作概念(图片来源于网络)

结论与展望

需意识到,我们在人机协作技术中距离世界水平仍具有较大差距,功能不完备并且因为数量原因难以在短时间内积累海量的经验。同时我们公司在对文中技术的研发中也依然面对着重重困难:在基于位置模式的零力控制中必须使用各种形式的力传感器,这势必造成了极大的成本增加,而在直接转矩控制模式中会伴随着系统的不稳定,需要重新优化安全功能的设计。

面对以上的问题,一方面我们需要投入更多的研发力量进行技术攻关,一方面我们期望可以和更多的研究院与企业进行学术交流与合作,共同突破。同时,我们也希望自动化工装设备中能够出现更多的先进零配件,如性价比更加优越的力传感器、电子皮肤等,真正使需要与人密切交互的工业机器人等设备产生“触觉“,使更加安全可靠的人机友好型设备能够更多地投入到工业生产中。

供稿:深圳市精匠机器人科技有限公司 孙培原

本文链接:http://www.chuandong.com/tech/detail.aspx?id=32212

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