I. Contexte du développement des robots industriels
Le terme ROBOT a été utilisé pour la première fois en 1920 par le dramaturge tchèque Karilo Chibek dans sa pièce de science-fiction Rossum's Universal Robots et est depuis devenu synonyme de robotique.
En mars 1938, le magazine Meccano a fait état d'un modèle de robot de manutention, l'un des premiers rapports sur un modèle de robot destiné à des applications industrielles. Conçu par Griffith P. Taylor en 1935, il était capable de se déplacer sur cinq axes au moyen d'un seul moteur électrique. En 1954, le premier robot industriel programmable électroniquement était conçu par GC Devol aux États-Unis. Et en 1960, la société américaine AMF a produit le robot Versatran à coordonnées en colonne avec contrôle de point et de trajectoire, qui fut le premier robot au monde utilisé dans la production industrielle.
En 1974, Cincinnati Milacron a développé avec succès un robot multi-articulé. En 1979, Unimation a lancé le robot PUMA, qui est un contrôle secondaire multi-à articulations, entièrement-moteur, multi-CPU du robot, l'utilisation du langage spécial VAL, peut être équipé de capteurs de force visuels, tactiles, à cette époque, c'est le robot industriel le plus avancé technologiquement. Les robots industriels d’aujourd’hui reposent en grande partie sur cette structure. Cette période du robot appartient aux robots de type « Teach-in/Playback » (Teach-in/Playback), uniquement avec de la mémoire, une capacité de stockage, selon le programme correspondant pour répéter l'opération, l'environnement environnant n'a fondamentalement aucune capacité de perception et de contrôle de rétroaction.
Dans les années 80, avec le développement de la technologie de détection, notamment les capteurs visuels, les capteurs non visuels - et la technologie de traitement de l'information, la deuxième génération de robots - robots sensoriels. Il est capable d'obtenir une partie des informations pertinentes sur l'environnement d'exploitation et l'objet d'exploitation, d'effectuer certains traitements en temps réel-et de guider le robot pour effectuer des opérations. La deuxième génération de robots a été largement utilisée dans la production industrielle.
Les pays recherchent actuellement le "robot intelligent", qui non seulement possède plus que la deuxième génération de robots avec une meilleure conscience environnementale, mais possède également une capacité de pensée logique, de jugement et de prise de décision-en fonction des exigences opérationnelles et des informations environnementales pour travailler de manière autonome.
II. Scénarios d'application des robots industriels
Depuis le début des années 1960, l'humanité a créé les premiers robots industriels, les robots montrent sa grande vitalité, en un peu plus de 50 ans, la technologie robotique s'est développée rapidement, dans de nombreux domaines manufacturiers, les robots industriels sont plus largement utilisés dans le domaine de l'industrie de fabrication de pièces et composants automobiles et automobiles, et s'étendent constamment à d'autres domaines, tels que l'industrie de l'usinage, l'électronique, l'industrie électrique, l'industrie du caoutchouc et du plastique, l'automobile et les pièces automobiles et industrie de fabrication de composants. Industrie électrique, industrie du caoutchouc et du plastique, industrie alimentaire, fabrication du bois et des meubles et autres domaines. Dans la production industrielle, des robots de soudage, des robots de traitement de meulage et de polissage, des robots de soudage, des robots de traitement laser, des robots de pulvérisation, des robots de manipulation, des robots sous vide et d'autres robots industriels ont été adoptés en grand nombre. Ce qui suit est une introduction à certains scénarios d’application et caractéristiques techniques des robots industriels.
III. La situation actuelle des robots industriels
Parallèlement à l’essor croissant des robots industriels, la « machine pour l’homme » deviendra la tendance. Foxconn a déjà annoncé qu'elle achèterait un million de robots en trois ans et qu'elle devrait construire en 2016 à Shanxi Jincheng, « la plus grande base de production de robots intelligents au monde ».
L'automobile, l'électronique, l'alimentation, les produits chimiques, les plastiques et le caoutchouc, les produits métalliques, six industries manufacturières, sont considérées comme les applications actuelles des robots industriels dans les principaux domaines, l'agence a prédit qu'il y aura 1 à 2 millions d'unités de demande annuelle, ce qui représente une demande d'environ 70 % sur le marché chinois des robots industriels.
En septembre de cette année, le nombre total d'entreprises robotiques chinoises atteignait près de 420. En outre, plus de 30 parcs industriels robotiques sont actuellement en construction dans toute la Chine.
La raison pour laquelle les robots industriels se multiplient sur le marché chinois est, premièrement, parce qu'en termes de coût, les robots ne représentent généralement qu'un-quart du coût de la main-d'œuvre ; Deuxièmement, les robots peuvent également apporter de nombreuses nouvelles valeurs ajoutées en termes de qualité, d’efficacité et de gestion. Par conséquent, dans le cadre de l'amélioration rapide de la technologie robotique, de la chute spectaculaire des prix, de la pénurie de main-d'œuvre, de la hausse des coûts de main-d'œuvre et d'autres facteurs, l'industrie chinoise de la robotique industrielle est dans une ère d'explosion.
IV. Technologies clés des robots industriels
1. Composition du système de base du robot
Le robot industriel se compose de 3 parties principales et de 6 sous-systèmes, qui sont une partie mécanique, une partie de détection et une partie de contrôle, et les 6 sous-systèmes peuvent être divisés en système de structure mécanique, système d'entraînement, système de détection, système d'interaction avec l'environnement du robot, système d'interaction homme-machine - et système de contrôle.
Composition du système de robot industriel
(1) Le système de structure mécanique des robots industriels se compose de trois parties principales : la base, le bras et le manipulateur d'extrémité, et chacune de ces parties principales comporte un certain nombre de systèmes mécaniques avec plusieurs degrés de liberté. Si la base dispose d'un mécanisme de marche, elle constitue un robot marcheur ; si la base ne dispose pas de mécanisme de marche et de flexion, elle constitue un seul bras robotique. Le bras se compose généralement d’un haut du bras, d’un avant-bras et d’un poignet. Le manipulateur d'extrémité est une pièce importante directement montée sur le poignet, il peut s'agir d'une poignée à deux doigts ou à plusieurs doigts, peut également être un pistolet à peinture, des outils de soudage et d'autres outils d'exploitation.
(2) le système d'entraînement, afin de faire fonctionner le robot, doit être placé dans les articulations, c'est-à-dire chaque degré de liberté de mouvement sur le dispositif de transmission, qui est le système d'entraînement. Le système d'entraînement peut être hydraulique, pneumatique, électrique, ou une combinaison de ceux-ci pour appliquer le système intégré, peut être un entraînement direct ou un entraînement indirect via la courroie synchrone, la chaîne, le système de roues, les engrenages harmoniques et tout autre mécanisme de transmission mécanique.
(3) Le système de détection se compose d'un module de capteur interne et d'un module de capteur externe pour obtenir des informations significatives sur l'état de l'environnement interne et externe. L'utilisation de capteurs intelligents améliore le niveau de mobilité, d'adaptabilité et d'intelligence du robot. Le système sensoriel humain est extrêmement adroit pour détecter des informations sur le monde extérieur. Cependant, les capteurs sont plus efficaces que le système sensoriel humain pour certaines informations spécifiques.
(4) Le système d'échange d'environnement de robot est un robot industriel moderne et l'environnement externe du système de contact et de coordination interchangeable de l'équipement. Robots industriels et équipements externes regroupés dans une unité fonctionnelle, telle qu'une unité de traitement, une unité de soudage, une unité d'assemblage, etc. Bien entendu, il peut également s'agir de plusieurs robots, de plusieurs machines-outils ou équipements, de plusieurs dispositifs de stockage de pièces, etc. dans une unité fonctionnelle pour effectuer des tâches complexes.
(5) le système d'échange homme -machine est l'opérateur et le contrôle du robot et le contact avec le dispositif robot, par exemple, le terminal standard de l'ordinateur, la console de commande, le tableau d'affichage d'informations, l'alarme de signal de danger, etc. Le système est résumé en deux catégories principales : les dispositifs de commande-et les dispositifs d'affichage d'informations.
6) Le système de contrôle du robot est le cerveau du robot et constitue le principal facteur déterminant le fonctionnement et les performances du robot.
La tâche du système de contrôle est de contrôler l'actionneur du robot pour qu'il exécute le mouvement et la fonction prescrits conformément au programme d'instructions de fonctionnement du robot et au signal renvoyé par le capteur. Si le robot industriel n'a pas de caractéristiques de retour d'informations, il s'agit d'un système de contrôle-en boucle ouverte ; s'il a des caractéristiques de retour d'informations, il s'agit d'un système de contrôle en boucle fermée-. Selon le principe de contrôle, le système de contrôle peut être divisé en système de contrôle de programme, système de contrôle adaptatif et système de contrôle d'intelligence artificielle. Selon la forme d'opération de contrôle, le système de contrôle peut être divisé en contrôle ponctuel et contrôle de trajectoire. Le type à position ponctuelle contrôle uniquement le positionnement précis de l'actionneur d'un point à un autre et convient aux opérations telles que le chargement et le déchargement de machines-outils, le soudage par points et la manutention générale, le chargement et le déchargement, etc. Le type à trajectoire continue contrôle le mouvement de l'actionneur selon une trajectoire donnée et convient aux opérations telles que le soudage et la peinture en continu.
La tâche du système de contrôle est de contrôler l'actionneur du robot pour qu'il exécute le mouvement et la fonction prescrits conformément au programme d'instructions de fonctionnement du robot et au signal renvoyé par le capteur. Si le robot industriel n'a pas de caractéristiques de retour d'informations, il s'agit d'un système de contrôle-en boucle ouverte ; s'il a des caractéristiques de retour d'informations, il s'agit d'un système de contrôle en boucle fermée-. Selon le principe de contrôle, le système de contrôle peut être divisé en système de contrôle de programme, système de contrôle adaptatif et système de contrôle d'intelligence artificielle. Selon la forme d'opération de contrôle, le système de contrôle peut être divisé en contrôle ponctuel et contrôle de trajectoire. Un ensemble complet de robots industriels comprend le corps du robot, le logiciel système, l'armoire de commande, l'équipement mécanique périphérique, la vision CCD, le dispositif de fixation/préhension, l'armoire de commande PLC pour l'équipement périphérique et le boîtier de démonstration/démonstration.
La section suivante se concentre sur le système d'entraînement et le système de détection du robot.
2. Système d'entraînement du robot
Le système d'entraînement des robots industriels est divisé en trois grandes catégories, à savoir hydraulique, pneumatique et électrique, selon la source d'alimentation. Selon les besoins, ces trois types de base peuvent également être combinés en un système d'entraînement composite. Ces trois types de systèmes d'entraînement de base ont leurs propres caractéristiques.
Système d’entraînement hydraulique : La technologie hydraulique étant une technologie plus mature. Il a une grande puissance, force (ou moment) et rapport d'inertie, une réponse rapide, facile à réaliser les caractéristiques de l'entraînement direct. Convient pour une utilisation dans ces robots avec une grande capacité de charge, une grande inertie et travaillant dans un environnement résistant au soudage-. Cependant, le système hydraulique nécessite une conversion d'énergie (énergie électrique en énergie hydraulique), un contrôle de la vitesse dans la plupart des cas par régulation de vitesse par étranglement, le rendement est inférieur à celui du système d'entraînement électrique. L'évacuation des boues liquides du système hydraulique peut polluer l'environnement et le bruit de fonctionnement est également plus élevé. En raison de ces faiblesses, ces dernières années, ils ont souvent été remplacés par des systèmes électriques dans des robots pesant 100 kg ou moins.
Robots lourds- entièrement hydrauliques
L'entraînement pneumatique présente les avantages d'une vitesse rapide, d'une structure de système simple, d'un entretien facile et d'un prix bas. Cependant, en raison de la faible pression de fonctionnement du dispositif pneumatique, il n'est pas facile à positionner avec précision, généralement utilisé uniquement pour l'entraînement des effecteurs terminaux de robots industriels. La préhension pneumatique manuelle, le cylindre rotatif et la ventouse pneumatique comme effecteur final peuvent être utilisés pour la préhension et l'assemblage de pièces à charge moyenne et petite. Des ventouses pneumatiques et des pinces pneumatiques pour robots sont illustrées sur la figure.
Ventouses pneumatiques et pinces pneumatiques pour robots
L'entraînement par moteur est un mode d'entraînement courant des robots industriels modernes, divisé en quatre catégories de moteurs : les servomoteurs à courant continu, les servomoteurs à courant alternatif, les moteurs pas à pas et les moteurs linéaires. Servomoteurs à courant continu et servomoteurs à courant alternatif avec contrôle en boucle fermée{{1}, généralement utilisés pour l'entraînement de robots de haute-précision et à grande vitesse- ; les moteurs pas à pas pour les exigences de précision et de vitesse ne sont pas des occasions élevées, l'utilisation du contrôle en boucle ouverte - ; les moteurs linéaires et leurs systèmes de contrôle d'entraînement sont devenus techniquement matures, un dispositif de transmission traditionnel ne peut être comparé aux performances supérieures, telles que l'adaptation aux applications à très haute -vitesse et très basse -vitesse, une accélération élevée, une haute précision, aucun retour à vide, une faible usure, la structure et la structure de la pince du robot. Pas de dos vide, faible usure, structure simple, pas de réducteur ni d'accouplement à vis. Compte tenu du grand nombre d'exigences en matière d'entraînement linéaire dans les robots parallèles, les moteurs linéaires ont été largement utilisés dans le domaine des robots parallèles.
3. Système de détection de robot
Le système de perception du robot transforme diverses informations sur l'état interne et les informations environnementales du robot à partir de signaux en données et informations qui peuvent être comprises et appliquées par le robot lui-même ou entre robots. Outre la nécessité de percevoir des grandeurs mécaniques liées à son propre état de fonctionnement, telles que le déplacement, la vitesse, l'accélération, la force et le couple, la technologie de perception visuelle constitue un aspect important de la perception des robots industriels.
Les systèmes d'asservissement visuel utilisent des informations visuelles comme signaux de retour pour contrôler la position et l'attitude du robot. Les applications dans ce domaine concernent principalement les industries des semi-conducteurs et de l’électronique. Les systèmes de vision industrielle sont également largement utilisés dans divers aspects de l’inspection qualité, de l’identification des pièces, du tri des aliments et de l’emballage.
Habituellement, l'asservissement visuel du robot est un asservissement visuel basé sur la position-ou un asservissement visuel basé sur une image-, également appelés asservissement visuel 3D et asservissement visuel 2D, respectivement, et chacune de ces deux méthodes a ses propres avantages et applicabilité, ainsi que certaines lacunes, c'est pourquoi des méthodes d'asservissement visuel en 2,5 dimensions ont été proposées.
Le système d'asservissement visuel basé sur la position-utilise les paramètres de la caméra pour établir la relation de mappage entre les informations d'image et les informations de position/attitude de l'effecteur-terminal du robot afin de réaliser le contrôle-en boucle fermée de la position de l'effecteur-terminal du robot. Les erreurs de position et d'attitude de l'effecteur final-sont estimées à partir des informations de position de l'effecteur final-extraites des images capturées-en temps réel et du modèle géométrique de la cible localisée, puis, sur la base des erreurs de position et d'attitude, les nouveaux paramètres de position et d'attitude de chaque articulation sont obtenus. L'asservissement visuel basé sur la position-exige que l'effecteur final- soit toujours observable dans la scène visuelle et que ses informations d'attitude de position 3D soient calculées. L'élimination des perturbations et du bruit dans l'image est la clé pour garantir un calcul précis des erreurs de position et d'attitude.
Le servo de vision 2D dérive le signal d'erreur en comparant les caractéristiques de l'image capturée par la caméra avec une image donnée (et non les informations géométriques 3D). Le robot est ensuite corrigé par le contrôleur conjoint et le contrôleur de vision ainsi que l'état de fonctionnement actuel du robot, permettant au robot d'effectuer un asservissement complet. Comparé à l'asservissement visuel 3D, l'asservissement visuel 2D est plus robuste aux erreurs d'étalonnage de la caméra et du robot, mais des problèmes tels que la singularité de la matrice de Jacobi de l'image et les minima locaux sont inévitablement rencontrés dans la conception du servocontrôleur visuel.
Pour répondre aux limites des méthodes d'asservissement visuel 3D et 2D, F. Chaumette et al. a proposé une méthode d'asservissement visuel en 2,5-dimensions. Il découple le contrôle en boucle fermée du déplacement et de la rotation de la caméra, et reconstruit l'orientation et le rapport de profondeur d'imagerie de l'objet dans l'espace 3D en fonction des points caractéristiques de l'image, la partie de translation étant représentée par les coordonnées des points caractéristiques sur le plan de l'image. Cette méthode peut combiner avec succès les signaux d'image et les signaux de position extraits de manière organique sur la base de l'image, et synthétiser les signaux d'erreur générés par ceux-ci pour un retour, ce qui résout en grande partie les problèmes de robustesse, de singularité et de minima locaux. Cependant, il reste encore quelques problèmes à résoudre dans cette méthode, comme par exemple comment garantir que l'objet de référence est toujours situé dans le champ de vision de la caméra pendant le processus d'asservissement, et l'existence de solutions non uniques lors de la décomposition de la matrice de singularité.
Lors de la modélisation du contrôleur de vision, un modèle approprié doit être trouvé pour décrire la relation de cartographie entre l'effecteur final-du robot et la caméra. La méthode des matrices d'images Jacobi est une classe de méthodes largement utilisée dans le domaine de la recherche sur l'asservissement de la vision des robots. La matrice de Jacobi d'une image varie dans le temps-, elle doit donc être calculée ou estimée en ligne.
4. Composants de base clés du robot
Il y a 4 composants majeurs d'un robot, 22% du coût du corps, 24% du système d'asservissement, 36% du réducteur et 12% du contrôleur. Les composants de base clés du robot font référence à la composition du système d'entraînement du robot, du système de contrôle et du système d'interaction homme-machine, jouent un rôle clé dans l'influence des performances du robot et ont la généralité et la modularité de l'unité de composants. Les composants clés du robot sont principalement divisés en trois parties suivantes : un réducteur de robot de haute -précision, des servomoteurs et entraînements CA et CC hautes-performances, un contrôleur de robot haute-performances.
1) Réducteur
Le réducteur est un élément clé du robot et, à l'heure actuelle, deux types de réducteurs sont principalement utilisés : le réducteur à engrenages harmoniques et le réducteur RV.
La méthode de transmission harmonique a été inventée par l'inventeur américain C. WaltMusser au milieu des années 1950. Le réducteur à engrenages harmoniques est principalement composé d'un générateur d'ondes, d'un engrenage flexible et d'un engrenage rigide 3 composants de base, s'appuyant sur le générateur d'ondes pour fabriquer un engrenage flexible afin de produire une déformation élastique contrôlée, et avec un maillage d'engrenage rigide pour transférer le mouvement et la puissance, un rapport de vitesse de transmission à un étage - jusqu'à 70 ~ 1000, à l'aide d'une déformation de roue flexible peut être effectué en marche arrière sans maillage de jeu. Par rapport au réducteur général, lorsque le couple de sortie est le même, le volume du réducteur harmonique peut être réduit de 2/3, le poids peut être réduit de 1/2. roue flexible pour résister à une charge alternée importante, et donc ses exigences en matière de résistance à la fatigue, de traitement et de traitement thermique sont élevées, le processus de fabrication est complexe, les performances de la roue flexible sont la clé d'un réducteur à engrenages harmoniques de haute qualité.
L'allemand LorenzBaraen a proposé le principe de la transmission à engrenages planétaires cycloïdaux en 1926, et le japonais TEIJINSEIKICo., Ltd. a pris la tête du développement du réducteur RV dans les années 1980. Le réducteur RV se compose de l'étage avant d'un réducteur planétaire et de l'étage arrière d'un réducteur cycloïde. Par rapport aux réducteurs harmoniques, les réducteurs RV offrent une meilleure précision de rotation et une meilleure rétention de la précision.
Chen Shixian a inventé la technologie de transmission à engrenages sous tension. La quatrième génération de transmission à rouleaux oscillatoires (ORT) a été appliquée avec succès à de nombreux produits industriels. La transmission à rouleaux oscillatoires composés (CORT) proposée sur la base de l'ORT présente non seulement les avantages similaires de la transmission RV, mais surmonte également les inconvénients de la force de roulement du vilebrequin de la transmission RV, de sa faible durée de vie et améliore encore la durée de vie et la capacité de charge ; La structure de CORT le permet de la même manière. La structure de CORT rend la différence de retour plus petite sous le même indice de précision, et la précision et la rigidité du mouvement plus élevées, ce qui atténue les défauts de la transmission RV nécessitant une haute précision de fabrication et peut réduire relativement les exigences de traitement et les coûts de fabrication. CORT est développé indépendamment en Chine et possède des droits de propriété intellectuelle indépendants. L'Institut de recherche sur les alliages résistants à l'usure d'Anshan et Zhejiang Hengfengtai Réducteur Manufacturing Co., Ltd. ont tous deux développé avec succès des réducteurs CORT pour les robots.
Réducteur ORT Réducteur CORT
À l'heure actuelle, en termes de réducteurs robotisés de haute-précision, 75 % des parts de marché sont monopolisées par deux sociétés japonaises de réducteurs, respectivement, pour fournir le réducteur cycloïde RV Japan Nabtesco et le réducteur d'harmoniques hautes-performances Japan Harmonic Drive. y compris ABB, FANUC, KUKA, MOTOMAN, y compris les principaux fabricants internationaux de robots, le réducteur des deux sociétés ci-dessus pour fournir, aux fabricants de robots nationaux et internationaux, le réducteur des deux sociétés ci-dessus. Les boîtes de vitesses des principaux fabricants internationaux de robots, notamment ABB, FANUC, KUKA et MOTOMAN, sont toutes fournies par les deux sociétés ci-dessus. Ce qui diffère des modèles généraux choisis par les sociétés de robotique nationales, c'est que les grands fabricants internationaux de robots ont signé une relation de coopération stratégique avec les deux sociétés ci-dessus, et la plupart des produits fournis sont des modèles spécialisés améliorés selon les exigences particulières des fabricants sur la base des modèles généraux. La recherche nationale sur les réducteurs cycloïdes de haute -précision a commencé tardivement, seulement dans certains collèges et universités, les instituts de recherche ont mené des recherches pertinentes. À l’heure actuelle, aucun produit mature n’est utilisé dans les robots industriels. Ces dernières années, certains fabricants et institutions nationaux ont commencé à se consacrer à la localisation et à l'industrialisation de la recherche sur les réducteurs cycloïdes de haute précision, tels que Zhejiang Hengfengtai, le laboratoire clé d'État de transmission mécanique de l'université de Chongqing, l'usine de réducteurs de Tianjin, l'usine de machines-outils de Qinchuan, l'institut ferroviaire de Dalian, etc. En termes de réducteur d'harmoniques, il existe des produits alternatifs en Chine, tels que Beijing Sinotech Kemi, Beijing Harmonic Drive, mais il existe encore un petit écart entre les produits correspondants en termes de vitesse d'entrée, de hauteur de torsion, de précision de transmission et d'efficacité avec les produits japonais, et l'application mature des robots industriels vient de commencer.
2) servomoteurs
Dans le servomoteur et l'entraînement, la partie européenne actuelle de l'entraînement du robot est principalement fournie par Lenze, Lust, Bosch Rexroth et d'autres sociétés, ces moteurs et composants d'entraînement européens surchargent la capacité, la réponse dynamique est bonne, l'ouverture de l'entraînement est forte et dispose d'une interface de bus, mais le prix est cher. Les composants clés des robots industriels de marque japonaise sont principalement fournis par Yaskawa, Panasonic, Mitsubishi et d'autres sociétés, leur prix est relativement bas, mais la réponse dynamique est mauvaise, l'ouverture est mauvaise et la plupart d'entre eux n'ont qu'un mode de contrôle analogique et par impulsion. Ces dernières années, la Chine a également mené des recherches fondamentales et industrialisé des moteurs synchrones et des pièces d'entraînement à aimant permanent CA de haute puissance, tels que l'Institut de technologie de Harbin, Pékin et Lisi, la CNC de Guangzhou et d'autres unités, et dispose d'une petite capacité de production, mais ses performances dynamiques, son ouverture et sa fiabilité doivent être vérifiées par des applications de projets robotiques plus pratiques.
3) Contrôleur
En termes de contrôleurs de robots, les principaux fabricants de robots étrangers actuels se situent dans la plate-forme générale de contrôleurs de mouvement multi--axiaux basée sur une recherche et un développement indépendants. À l'heure actuelle, la plate-forme générale de contrôleur multi-axes est principalement divisée en processeurs intégrés (DSP, POWER PC) comme cœur de la carte de contrôle de mouvement et de l'ordinateur industriel, ainsi que d'un système en temps réel-comme cœur du système PLC, qui sont représentés par la carte PMAC de Delta Tau et le système TwinCAT de Beckhoff. Dans le domaine de la carte de contrôle de mouvement, une entreprise solide et de haut niveau a développé les produits matures correspondants, mais dans l'application du robot, elle est relativement petite.
5. Système d'exploitation du robot
Le système d'exploitation commun des robots (système d'exploitation du robot, ROS) est une plate-forme de construction standardisée conçue pour les robots, qui permet à chaque concepteur de robots d'utiliser le même système d'exploitation pour le développement de logiciels de robots. ROS favorisera le développement de l'industrie robotique dans le sens de l'indépendance matérielle et logicielle. Le modèle de développement indépendant du matériel-logiciel a grandement contribué au développement et à l'avancement rapide des technologies des PC, des ordinateurs portables et des smartphones.
ROS est plus difficile à développer qu’un système d’exploitation informatique. Les ordinateurs doivent uniquement gérer certaines opérations mathématiques bien-définies, tandis que les robots doivent faire face à des opérations de mouvement réelles plus complexes.
ROS fournit des services de système d'exploitation standard, notamment l'abstraction matérielle, le contrôle des appareils sous-jacents, la mise en œuvre de fonctions communes, les messages inter-processus et la gestion des paquets.
ROS est divisé en deux couches, la couche inférieure est la couche du système d'exploitation et la couche supérieure est constituée des différents progiciels fournis par la communauté des utilisateurs pour réaliser différentes fonctions du robot.
Les principales architectures de système d'exploitation de robot existantes sont le système d'exploitation open source Ubuntu-basé sur Linux. En outre, divers types de systèmes ROS ont été développés à l’Université de Stanford, au Massachusetts Institute of Technology et à l’Université de Munich en Allemagne. L'équipe de développement robotique de Microsoft a également publié une « version robotique Windows » en 2007.
6. Planification des mouvements du robot
Afin d'améliorer l'efficacité du travail et pour que le robot puisse accomplir une tâche spécifique dans les plus brefs délais, il doit y avoir une planification raisonnable des mouvements. La planification de mouvement hors ligne est divisée en planification de chemin et planification de trajectoire.
Le but de la planification du chemin est de rendre la distance entre le chemin et l'obstacle aussi grande que possible tandis que la longueur du chemin est aussi courte que possible ; le but de la planification de trajectoire est principalement de faire en sorte que les articulations du robot dans le mouvement spatial du temps de course du robot soient aussi courtes que possible, ou que l'énergie soit aussi petite que possible. Planification de trajectoire dans la planification de chemin basée sur l'ajout d'informations de séries chronologiques, le robot pour effectuer la tâche de planification de vitesse et d'accélération, afin de répondre aux exigences de douceur et de contrôlabilité de la vitesse.
La reproduction de démonstration est l'une des méthodes permettant de réaliser la planification du chemin, à travers l'espace opérationnel de démonstration et d'enregistrement des résultats de la démonstration, et reproduite dans le processus de travail, la démonstration sur site- correspond directement aux besoins du robot pour terminer l'action, le chemin est intuitif et clair. L'inconvénient est que cela nécessite des opérateurs expérimentés et prend beaucoup de temps, et le chemin peut ne pas être optimisé. Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, un modèle virtuel du robot peut être construit et la planification du chemin de la tâche opérationnelle peut être réalisée grâce à la visualisation virtuelle.
La planification du chemin peut être effectuée dans l'espace articulaire. Gasparetto utilise cinq fois B-splines comme fonction d'interpolation pour les trajectoires articulaires, et l'intégrale du carré de l'accélération ajoutée par rapport au temps de mouvement est utilisée comme fonction objectif d'optimisation afin de garantir que le mouvement de chaque articulation est suffisamment fluide. Songguo Liu calcule l'interpolation des trajectoires articulaires du robot en utilisant cinq fois la spline B, et les valeurs finales de vitesse et d'accélération des articulations individuelles du robot peuvent être configurées arbitrairement en fonction des exigences de douceur. De plus, la planification de trajectoire dans l'espace commun peut éviter le problème de singularité dans l'espace opérationnel.Huo et al. a conçu un algorithme d'optimisation de trajectoire commune pour éviter la singularité dans l'espace articulaire en utilisant la redondance dans la fonctionnalité d'une certaine articulation d'un robot de soudage à l'arc à 6-degrés-de liberté pendant une tâche, et en prenant la singularité et les limitations articulaires du robot comme contraintes pour optimiser le calcul en utilisant la méthode TWA.
La planification conjointe du chemin spatial présente les avantages suivants par rapport à la planification opérationnelle du chemin spatial :
① Éviter le problème de singularité du robot dans l'espace opérationnel ;
② Étant donné que le mouvement du robot est contrôlé en contrôlant le mouvement des moteurs articulaires, un grand nombre de calculs cinématiques avant et arrière sont évités dans l'espace articulaire ;
③Les trajectoires articulaires individuelles dans l'espace articulaire facilitent l'optimisation du contrôle.
V. Classification des robots industriels
1. Du point de vue de la structure mécanique, il est divisé en robots série et parallèle.
(1) le robot en série est caractérisé par le mouvement d'un axe qui changera l'origine des coordonnées de l'autre axe, dans la solution de position, le robot en série est facile à résoudre la solution positive, mais la solution inverse est très difficile ;
(2) Le robot parallèle utilise un mécanisme parallèle et le mouvement d'un axe ne modifie pas l'origine des coordonnées de l'autre axe. Le robot parallèle présente les avantages d'une grande rigidité, d'une structure stable, d'une grande capacité de charge, d'une haute précision du micro-mouvement et d'une faible charge de mouvement. Sa solution positive est difficile, sa solution inverse est très facile. Les robots série et parallèle sont représentés sur la figure.
Robot tandem, robot parallèle
2. Les robots industriels sont répartis dans les catégories suivantes selon la forme des coordonnées de l'opérateur : (La forme des coordonnées fait référence à la forme du système de coordonnées de référence pris par le bras de l'opérateur en mouvement.)
(1) Robots industriels de type coordonnées cartésiennes
Sa partie mouvement se compose de trois mouvements linéaires mutuellement perpendiculaires (c'est-à-dire PPP) et sa figure d'espace de travail est rectangulaire. Sa distance de déplacement dans chaque direction axiale peut être lue directement sur chaque axe de coordonnées, ce qui est intuitif, facile à programmer et à calculer la position et l'attitude, haute précision de positionnement, couplage-contrôle libre, structure simple, mais l'espace occupé par le corps est grand en volume, petite plage d'action, mauvaise flexibilité et difficile à travailler en coordination avec d'autres robots industriels.
(2) Robot industriel de type à coordonnées cylindriques
La forme de mouvement est réalisée par un système de rotation et deux mouvements mobiles, le graphique de l'espace de travail pour le cylindre, comparé au robot industriel à coordonnées cartésiennes, dans les mêmes conditions de l'espace de travail, le corps occupe un petit volume, mais l'amplitude de mouvement est grande, sa précision de position est juste derrière le robot à coordonnées cartésiennes, difficile à coordonner avec d'autres robots industriels.
(3) Robot industriel à coordonnées sphériques
Robot industriel à coordonnées sphériques-, également connu sous le nom de robot industriel à coordonnées polaires-, son mouvement de bras par deux mouvements rotatifs et un mouvement linéaire (c'est-à-dire, RRP, un mouvement rotatif, un pas et un mouvement rétractable) composé d'une sphère dans l'espace de travail, il peut être une action de tangage de haut en bas et peut saisir le sol ou enseigner la coordination de la position basse de la pièce, sa position la précision est élevée, l'erreur de position et la longueur du bras sont proportionnelles à la longueur du bras.
4)Robots industriels multi-articulés
Également connu sous le nom de robots industriels à coordonnées rotatives, ce bras de robot industriel et ce membre supérieur humain similaires aux trois premières articulations sont des étaux rotatifs (c'est-à-dire RRR), le robot industriel est généralement composé de colonnes et de grands et petits bras, les colonnes et le gros bras voient la formation des articulations de l'épaule, le gros bras et les articulations du coude entre le petit bras, de sorte que le gros bras pour effectuer le mouvement de rotation et le tangage, le petit bras pour faire le tangage. Sa structure est la plus compacte, la flexibilité, le plus petit encombrement, peut fonctionner en coordination avec d'autres robots industriels, mais la précision de position est faible, il y a un problème d'équilibre, de couplage de contrôle, ce robot industriel est de plus en plus largement utilisé.
(5) Robot industriel de type joint plan
Il utilise une articulation mobile et deux articulations rotatives (c'est-à-dire PRR), articulations mobiles pour réaliser un mouvement de haut en bas, tandis que les deux articulations rotatives contrôlent les mouvements avant et arrière, gauche et droite. Cette forme de robot industriel est également connue sous le nom de robot d'assemblage (SCARA (Seletive Compliance Assembly Robot Arm). Dans le sens horizontal, il a une flexibilité, tandis que dans le sens vertical, il a enseigné une grande rigidité. Il s'agit d'une structure simple, à action flexible, principalement utilisée dans les opérations d'assemblage, particulièrement adaptée à l'assemblage par insertion de pièces de petite taille, comme dans l'industrie électronique, à l'insertion, à l'assemblage dans une large gamme de candidatures.
3. Robots industriels selon la méthode de saisie du programme pour distinguer deux types de type de saisie de programmation et de type de saisie d'enseignement :
(1) Le type d'entrée de programmation correspond à l'ordinateur qui a été programmé sur le fichier du programme d'exploitation, via le port série RS232 ou Ethernet et d'autres méthodes de communication avec l'armoire de commande du robot.
(2) Il existe deux types de méthodes d'enseignement pour le type Teach- : l'enseignement du boîtier d'enseignement et l'enseignement de l'actionneur direct-dirigé par l'opérateur.
Boîte d'enseignement enseignant par l'opérateur avec un contrôleur manuel (boîte d'apprentissage), le signal de commande au système d'entraînement, de sorte que l'actionneur soit conforme à la séquence d'action requise et à la trajectoire de l'exercice une fois. L'utilisation d'une boîte d'enseignement pour l'enseignement des robots industriels est relativement courante, les robots industriels généraux sont équipés d'une fonction d'enseignement de la boîte d'enseignement, mais pour la trajectoire complexe de la situation, l'enseignement de la boîte d'enseignement ne peut pas atteindre les résultats souhaités, comme pour les surfaces complexes du travail de pulvérisation de peinture du robot de peinture.
Boîte d'enseignement des robots
Lorsque l'opérateur dirige directement l'actionneur, le robot apprend à effectuer la séquence de mouvements et la trajectoire requises. Dans le processus d'enseignement en même temps, les informations du programme de travail sont automatiquement stockées dans la mémoire du programme dans le robot, le système de contrôle de la mémoire du programme pour détecter les informations correspondantes, le signal de commande au mécanisme d'entraînement, de sorte que l'actionneur reproduise l'enseignement d'une variété d'actions.
Ⅵ. indice d'évaluation des performances des robots industriels
Les paramètres de base et indicateurs de performance des caractéristiques du robot comprennent principalement l'espace de travail, les degrés de liberté, la charge utile, la précision du mouvement, les caractéristiques de mouvement et les caractéristiques dynamiques.
Indicateurs de jugement de performance des robots industriels
1. L'espace de travail (espace de travail) fait référence à la partie spécifique du bras du robot qui, dans certaines conditions, peut atteindre la collection de positions spatiales. Les caractéristiques et la taille de l'espace de travail reflètent la taille de la capacité de travail du robot. Lors de la compréhension de l’espace de travail d’un robot, les points suivants doivent être pris en compte :
(1) Habituellement, l'espace de travail indiqué dans le manuel des robots industriels fait référence à la plage que l'origine du système de coordonnées de l'interface mécanique sur le poignet peut atteindre dans l'espace, c'est-à-dire à la plage que le point central de la bride à l'extrémité du poignet peut atteindre dans l'espace, plutôt qu'à la plage qui peut être atteinte par le point final de l'effecteur -terminal. Par conséquent, lors de la conception et de la sélection du robot, il est important de prêter attention à l'espace de travail que le robot peut réellement atteindre après avoir installé l'effecteur final.
(2) L'espace de travail prévu dans le manuel du robot est souvent plus petit que l'espace maximum au sens cinématique. En effet, dans l'espace accessible, la position du bras est différente tandis que la charge utile, la vitesse maximale et l'accélération maximale ne sont pas les mêmes. Dans la position maximale du bras, la valeur limite est généralement plus petite que les autres positions. De plus, il peut y avoir une dégradation des degrés de liberté à la limite de l'espace maximum accessible du robot, appelé motif binaire singulier, et l'évolution des degrés de liberté se produit dans une plage considérable autour du motif binaire singulier, et cette partie de l'espace de travail ne peut pas être utilisée lorsque le robot travaille.
(3) Outre le bord de l'espace de travail, les robots industriels dans les applications pratiques peuvent également être limités par la structure mécanique de l'espace de travail. Il existe également une zone à l'intérieur de l'espace de travail qui ne peut pas être atteinte par l'extrémité du bras, souvent appelée creux ou cavité. La cavité est un espace complètement fermé dans l'espace de travail qui ne peut pas être atteint par l'extrémité du bras. Et la cavité se trouve le long de l'arbre sur toute la longueur du bras et ne peut pas atteindre l'espace.
2.Les degrés de liberté de mouvement font référence au nombre de variables nécessaires au déplacement de l'opérateur du robot dans l'espace, utilisés pour indiquer le degré de flexibilité du paramètre d'action du robot, généralement pour se déplacer le long de l'axe et tourner autour de l'axe du nombre de mouvements indépendants à indiquer.
Un objet libre possède six degrés de liberté dans l’espace (trois degrés de liberté pour la rotation et trois degrés de liberté pour le mouvement). Les robots industriels sont souvent des systèmes de liaison ouverts avec un seul degré de liberté par cinématique d'articulation, de sorte que le nombre de degrés de liberté d'un robot est généralement égal à son nombre d'articulations. Plus un robot possède de degrés de liberté, plus il est puissant. Il y a quelques jours, les robots industriels disposaient généralement de 4-6 degrés de liberté. Des degrés de liberté redondants se produisent lorsque le nombre d'articulations (degrés de liberté) d'un robot augmente au point où il n'est plus utile pour l'orientation et la localisation des effecteurs terminaux. La présence de degrés de liberté redondants augmente la flexibilité du travail du robot, mais rend également le contrôle plus complexe.
Les robots industriels peuvent toujours être divisés en deux types de mouvement linéaire (en abrégé P) et de mouvement rotatif (en abrégé R) en termes de mouvement, et l'application des symboles abrégés P et R peut indiquer les caractéristiques des degrés de liberté de mouvement du manipulateur. Par exemple, RPRR indique que le robot manipulateur a quatre degrés de liberté et que les articulations se déplacent dans l'ordre de rotatif-linéaire-rotatif-rotatif, en partant de la base jusqu'à l'extrémité du bras. De plus, les degrés de liberté de mouvement des robots industriels ont des limites en termes d'amplitude de mouvement.
3. Charge utile
La charge utile fait référence au poids de l'objet que l'opérateur du robot peut transporter au bout du bras ou à la force ou au moment qu'il peut supporter pendant le fonctionnement, et est utilisée pour indiquer la capacité de charge de l'opérateur.
Robot dans différentes positions, la masse maximale autorisée est différente, de sorte que la masse nominale du robot est que le bras dans n'importe quelle position dans l'espace de travail de l'extrémité de l'articulation du poignet peut gérer la masse maximale.
4. Précision du mouvement
La précision du système mécanique du robot implique principalement la précision de la position, la précision de la position répétée, la précision de la trajectoire, la précision de la trajectoire répétée, etc.
La précision de la position fait référence à l'écart entre la position commandée et le centre de la position réelle lors de l'approche de la position commandée dans la même direction. La précision de la position répétée fait référence au degré d'incohérence de la position réelle après avoir répondu à la même position de commande dans la même direction n fois.
La précision de la trajectoire est le degré de proximité de l’interface mécanique du robot avec la trajectoire commandée n fois dans la même direction. La répétabilité de la trajectoire fait référence au degré d'incohérence entre une trajectoire donnée et la trajectoire réelle après l'avoir suivie n fois dans la même direction.
5. Caractéristiques de mouvement (Sped)
La vitesse et l'accélération sont les principaux indicateurs des caractéristiques de mouvement du robot. Dans le manuel du robot, la vitesse stabilisée maximale est généralement indiquée pour les principaux degrés de liberté de mouvement, mais dans la pratique, il suffit de considérer que la vitesse stabilisée maximale ne suffit pas, il faut également faire attention à son accélération maximale autorisée.
6. Les caractéristiques dynamiques des paramètres dynamiques de la structure comprennent principalement la masse, le moment d'inertie, la rigidité, le coefficient d'amortissement, la fréquence intrinsèque et les modes de vibration.
La conception doit minimiser la masse et l'inertie. Pour la rigidité du robot, si la rigidité est mauvaise, la précision de position du robot et la fréquence intrinsèque du système seront diminuées, ce qui entraînera une instabilité dynamique du système ; cependant, pour certaines opérations (par exemple, les opérations d'assemblage), il est avantageux d'augmenter de manière appropriée la flexibilité, et idéalement, il est souhaité que la rigidité de la barre de bras du robot soit réglable. L'augmentation de l'amortissement du système est avantageuse pour réduire le temps de décroissance des oscillations et améliorer la stabilité dynamique du système. Augmenter la fréquence intrinsèque du système pour éviter la plage de fréquences de fonctionnement est également bénéfique pour améliorer la stabilité du système.
Ⅶ. les robots industriels font face à des défis techniques
1, le marché des robots représentait quatre-vingt-dix pour cent des capitaux étrangers
Le marché de la robotique est florissant, mais l'industrie robotique chinoise n'est pas optimiste. Selon les statistiques du marché, le marché de la robotique industrielle de la Chine continentale est monopolisé par les fabricants étrangers, les fabricants de marques japonaises représentaient 52 %, les fabricants européens 30 %, les 10 % restants étant des fabricants de Chine continentale.
Le seuil d'entrée dans l'industrie de la robotique étant assez élevé, les quatre principaux fournisseurs du marché mondial de la robotique étaient Japan Fanuc, Yaskawa Electric, ABB et KUKA, soit un total de 50 % de part de marché.
D'un autre côté, au cours des 30 prochaines années, le marché de la robotique industrielle en Chine continentale maintiendra au moins 30 % de sa croissance rapide. À cette fin, les fabricants de robotique de marque mondiale élargissent activement l'échelle des ventes de robots sur le marché chinois du continent, notamment FANUC, YASKAWA Electric, ABB et KUKA, etc., sont activement présents sur le continent chinois et créent des usines.
À l'heure actuelle, les robots industriels de la Chine continentale, bien que l'industrialisation ait connu certains progrès initiaux, mais en raison de la précision, de la rapidité et d'autres aspects des fabricants étrangers par rapport aux produits similaires, ce qui entraîne l'industrialisation de ces produits à un faible degré d'application, la part de marché est très faible ; le niveau technologique de certains produits des pays étrangers n'est équivalent qu'à celui du milieu des années 90 du siècle dernier.
Li Xiaojia, directeur du China Robot Industry Alliance Data Statistics Center, a déclaré qu'en 2013, la Chine a acheté et assemblé près de 37 000 robots industriels, parmi lesquels les robots financés par l'étranger sont généralement des robots industriels haut de gamme à 6 axes ou plus {{6}, monopolisant presque la fabrication automobile, le soudage et d'autres industries haut de gamme. secteurs, représentant 96%. La principale application des robots domestiques reste encore principalement les robots de manutention, de chargement et de déchargement, dans les domaines bas de gamme de l'industrie.
Il convient de noter que le développement actuel de l'industrie robotique chinoise avec les pays étrangers, l'écart entre les deux risque de se creuser davantage. À l'heure actuelle, l'industrie robotique chinoise en général en est encore à ses balbutiements, le manque de reconnaissance de la marque des robots industriels, les plus grandes entreprises de robotique produisent chaque année des robots seulement quelques milliers d'unités. Étant donné que les entreprises étrangères de robotique ont la Chine comme base de production, le développement de marques indépendantes de robots industriels sera encore plus limité.
Dans le même temps, du fait que les composants essentiels sont soumis aux autres, le risque d’effondrement industriel s’est accru. Les trois composants clés des robots industriels (moteurs et serveurs, boîtes de vitesses, systèmes de contrôle) proviennent principalement de l'étranger, et les fabricants de Chine continentale manquent relativement de capacités compétitives de R&D et de fabrication et dépendent depuis longtemps des importations. L’amont de la chaîne industrielle n’étant pas pris en charge par les principaux fabricants de composants, il sera soumis à des contraintes à long terme.
2, les robots industriels font face à des défis techniques
Nous devons considérer avec sobriété les énormes défis auxquels est confronté le développement de l’industrie chinoise de la robotique industrielle.
Tout d'abord, la conception architecturale-de haut niveau et la technologie de base du robot sont contrôlées par les pays développés. Dans la structure des coûts du robot, une plus grande proportion de réducteurs, de servomoteurs, de contrôleurs et de systèmes CNC dépendent fortement des importations, les robots domestiques n'ont pas d'avantage significatif en termes de coûts.
Deuxièmement, il existe un risque de verrouillage-bas de gamme. D'une part, les pays développés ne pourront pas facilement transférer ou autoriser la Chine à transférer ou à autoriser la technologie robotique de base, les brevets, les entreprises robotiques chinoises en participant à l'élaboration de normes internationales, à la coopération technologique et à la recherche et au développement pour accéder aux obstacles du marché moyen et haut de gamme ; d'un autre côté, l'investissement aveugle du gouvernement local dans l'industrie peut former un excédent de capacité de production, entraînant une duplication de la construction et une concurrence à bas prix.
Là encore, il existe un manque de connexion efficace entre la R&D, la fabrication et l’application des robots. La recherche et le développement de technologies liées aux robots dans les principales universités et instituts n'ont pas la capacité de développer le marché, et les investissements des entreprises dans la R&D de base sont encore très faibles, la combinaison nationale de l'industrie, du monde universitaire et de la recherche et l'existence d'un certain nombre d'obstacles institutionnels, entraînant une déconnexion des liens entre la R&D et la fabrication.
Monopole étranger du marché intérieur pour le statu quo, les experts suggèrent de rechercher une « percée » et de rattraper leur retard par diverses manières : tout d'abord, nous devons renforcer le suivi de la recherche internationale en robotique, le développement et l'introduction du développement actuel de la « feuille de route de la robotique » de la Chine, des étapes claires pour le développement technologique, l'accent mis sur les percées et l'élaboration de la feuille de route de la robotique, le développement de la feuille de route de la robotique. Clairement, les étapes du développement technologique, les avancées clés dans les technologies de base, les processus et les composants clés, ainsi que le chemin de l'industrialisation.
Deuxièmement, nous devons établir un modèle de développement de robots conforme au développement actuel de la Chine. Renforcer l'application intégrée des segments industriels, renforcer la combinaison de l'industrie, du monde universitaire, de la recherche et de l'utilisation de la recherche collective, en se concentrant sur les percées dans les composants clés, dès que possible pour former un corps de robot, des composants clés, des intégrateurs de systèmes et d'autres chaînes industrielles de la robotique pour promouvoir l'ensemble.
En outre, il est nécessaire d’accélérer le développement des principales entreprises et marques de robots industriels. La Chine devrait cultiver et développer sa propre marque de robots industriels, ce qui constitue une tâche importante pour créer une version améliorée de l'économie chinoise. L'introduction d'un annuaire de l'industrie des robots industriels, promotion collaborative pour réaliser la localisation des robots industriels.