工業(yè)機械臂控制技術(shù)研究_優(yōu)秀論文

1、 工業(yè)機械臂控制技術(shù)研究摘要：工業(yè)機械臂因為優(yōu)勢眾多, 所以應用范圍十分廣泛, 如穩(wěn)定性好、效率高、惡劣環(huán)境適應性強等。但由于傳統(tǒng)工業(yè)機械臂存在兼容性、自主性差等缺陷, 即使工作對象或流程出現(xiàn)輕微改變也需要重新設定機械臂運動參數(shù)和作業(yè)系統(tǒng), 所以工業(yè)機械臂的智能化研究成為當前的熱點問題。而基于視覺和力覺的工業(yè)機械臂是提高機械臂作業(yè)靈活性與可靠性的關(guān)鍵手段, 同時也是當前機械臂研究的熱點之一。本課題主要研究融合視覺引導和力覺反饋的工業(yè)機械臂控制技術(shù), 利用視覺算法檢測并定位目標, 利用力覺控制工業(yè)機械臂與目標物的接觸。關(guān)鍵詞：工業(yè)機械臂；中國制造；視覺引導基于機器學習的方法對機械臂末端與不同特性

2、物體接觸過程中的力信息進行分析, 同時將機械臂末端在拾取不同物體過程中產(chǎn)生的力信息樣本進行采集, 基于信息樣本訓練LSTM網(wǎng)絡, 而通過這一方式能夠獲得力特征檢測模型。利用模型來判斷機械臂與物體接觸時的力特征, 并控制機械臂與目標進行接觸, 通過視覺引導、力反饋的機械臂應用系統(tǒng), 并搭建相應的實驗平臺, 控制機械臂實現(xiàn)物體移動作業(yè)。而利用該系統(tǒng)可以通過軟件來控制機械臂, 這意味著該系統(tǒng)在完成物體拾取、擺放等方面的有效性。另外, 將視覺引導和力反饋相融合, 應用在工業(yè)機械臂具有更高的靈活性和智能化程度1。1發(fā)展現(xiàn)狀1.1相關(guān)政策。工業(yè)機械臂在我國起步于70年代初, 其發(fā)展過程可以大致分為70年代

3、的萌芽期、80年代的生長期、90年代的實用化期以及至今四個階段。而經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。目前我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展正處于從數(shù)量向高質(zhì)量擴展的攻堅階段。在機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20162020年）文件中提出, 我國的機器人產(chǎn)業(yè)在“十三五”時期需要實現(xiàn)“兩突破”“三提升”, 也就是說實現(xiàn)機器人關(guān)鍵零部件、高端產(chǎn)品等方面的突破, 使機器人實現(xiàn)質(zhì)量可靠性, 提升國際上的競爭力, 使我國擁有完善的機器人產(chǎn)業(yè)體系。1.2國內(nèi)外同類產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)狀。國外對于機械臂上應用視覺的研究較早, 并且涉及到廣泛的領(lǐng)域, 我國的研究時間相對較晚。在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi), 當前的機械臂在裝卸機器人、搬運機器人、焊接機器人等的技術(shù)已

4、成熟, 并且應用非常廣泛。在當前的機器人技術(shù)領(lǐng)域內(nèi), 應用最廣泛的自動化機械裝置當屬機械臂, 除了在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi), 在其他諸如娛樂服務、醫(yī)療醫(yī)學、軍事等領(lǐng)域都能用到機械臂2。2014年我國機械臂銷量為3.60萬臺, 其中國產(chǎn)品牌銷量為0.36萬臺, 國產(chǎn)品牌占比為10%；到2018年我國工業(yè)機械臂銷量增長至9.72萬臺。1.3生產(chǎn)工藝技術(shù)路線。大部分的工業(yè)機械臂是采用形狀記憶聚合物材質(zhì)和輕型合金材質(zhì)組合形成的機械臂零部件, 減輕機械臂的整體重量, 且通過輕型合金材料和形狀記憶聚合物材質(zhì)保證機械臂的密度小、強度大而且轉(zhuǎn)動慣量小的特性。通過在形狀記憶聚合物材質(zhì)中加入增強材料, 利用增強材料增加形狀記

5、憶聚合物材質(zhì)的剛度, 且增強材料中采用短纖維和顆粒增強材料按64比例混合, 利用短纖維增強強度和剛度的同時增加材料的可恢復力應變率, 且顆粒增強材料便于改善增強材料與基體聚合物之間的連結(jié), 使得連接更緊密, 相互影響更直接。1.4發(fā)展趨勢。國內(nèi)的工業(yè)機械臂技術(shù)起步較晚, 但隨著國內(nèi)人工成本的不斷上升, 工業(yè)機械臂對制造業(yè)顯得越來越重要, 并且國內(nèi)正處于企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期, 作為無法取代的重要設備, 工業(yè)機械臂的應用和普及勢必會成為企業(yè)的優(yōu)先選擇。國內(nèi)工業(yè)機械臂的發(fā)展十分迅速, 政府頒布的支持政策也起到了很大的助推作用。政府相繼頒布了中國制造2020、“十三五”規(guī)劃和機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20

6、162020年）等政策扶持機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。有了政策的支持, 再加上機械臂的產(chǎn)品優(yōu)勢和廣闊的市場需求, 工業(yè)機械臂在國內(nèi)的發(fā)展前景不可估量3。根據(jù)中國制造2025的發(fā)展規(guī)劃, 未來制造業(yè)將形成新一代信息技術(shù)和制造業(yè)相融合的新模式, 力求實現(xiàn)中國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變。而智能制造是中國制造2025的核心, 工業(yè)機械臂的應用更是其關(guān)鍵, 以工業(yè)機械臂為核心的智能制造已經(jīng)成為推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段。未來, 隨著工業(yè)機械臂應用的不斷擴展和智能制造的轉(zhuǎn)型, 我國工業(yè)機械臂發(fā)展?jié)摿薮蟆?應用水平和現(xiàn)存問題視覺與力覺相融合應用在機械臂中, 主要用于工業(yè)領(lǐng)域, 并且已經(jīng)具有開門、裝配、磨削等功能

7、。但是, 其問題在于應用視覺融合力覺的工業(yè)機械臂控制技術(shù)還存在一定難度, 視覺算法的實現(xiàn)比較困難, 而針對目標拾取作業(yè), 僅可以保證拾取的位置, 關(guān)于合適接觸狀態(tài)、拾取力度等方面, 機械臂末端拾取目標物還無法保證。2.1需解決的關(guān)鍵技術(shù)、工藝問題。工業(yè)機械臂是一種機器人, 在工業(yè)機械臂中應用視覺與力覺的研究非常多, 如通過視覺、力覺等提高工業(yè)機械臂在各個方面作業(yè)的智能化程度。基于抓取來說, 傳統(tǒng)工業(yè)機械臂的靈活性不夠高, 并且適應環(huán)境的水平較低, 所以要使工業(yè)機械臂獲得環(huán)境感知能力。通過視覺定位的方式對物體具體位置進行定位, 以此來實現(xiàn)抓取, 而在獲取物體的位置信息時, 視覺算法存在一定難度,

8、 因為其主要是針對目標拾取方面, 因此在保障拾取位置的前提下, 機械臂末端拾取力度、拾取目標物的接觸狀態(tài)等方面無法保障。在抓取物體時, 目標物體深度信息具有較高的測量精度才能夠?qū)崿F(xiàn)精準抓取。而線結(jié)構(gòu)光的輔助測量、超聲波深度探測的精度等測量方式均十分理想, 但同時也會加大系統(tǒng)復雜程度。2.2解決方法。基于需解決的問題, 考慮結(jié)合工業(yè)機械臂與多種傳感器, 例如, 采用視覺傳感器和力覺傳感器, 能夠使工業(yè)機械臂具有視覺感知和力的感知, 提高機械臂的靈活程度, 同時也可以將任務分為力覺部分、視覺部分, 通過力感測控制操縱器, 最大程度上保證接觸操作穩(wěn)定。另外還能夠結(jié)合視覺和力覺, 獲得機器人伺服控制方

9、法, 在估計平面的法線防線中應用視覺傳感器, 并控制末端執(zhí)行器平行于平面運動, 而在獲取末端執(zhí)行器上應用力覺, 這一方式能夠有效降低目標定位難度, 并提高智能化程度和作業(yè)能力。但是結(jié)合視覺和力覺在工業(yè)機械臂上的應用, 仍舊需要研究。2.3主要技術(shù)經(jīng)濟指標。近年來, 隨著自動化工業(yè)的不斷發(fā)展, 機械手也將隨之壯大起來, 而在許多制造大國, 其人力成本的上升導致機器人已然成為維持制造力的關(guān)鍵所在。基于國際機器人協(xié)會的統(tǒng)計, 全球工業(yè)機器人銷量正處于不斷增加的情況下, 在20052015年這十年的時間內(nèi), 新裝工業(yè)機器人年均成長速度高達14%, 同時在2015年全球范圍內(nèi)的工業(yè)機器人銷量突破24萬臺

10、, 中國、韓國、日本、美國、德國這五個國家是全球前五大機器人市場排名, 總銷量占全世界的70%, 到2020年時可達700億美元。調(diào)研機構(gòu)Freedonia同時預測在2021年, 全球范圍內(nèi)的工業(yè)機器人將會比2011年增長82%。3采用的技術(shù)標準以及預期規(guī)模和水平3.1采用的技術(shù)標準。工業(yè)相機能夠組成工業(yè)機械臂的圖像獲取設備, 從而實現(xiàn)電信號和光學信號之間的轉(zhuǎn)換, 而相機還能夠接收上位機的控制命令, 因此采集圖像需要將數(shù)據(jù)及時傳送給上位機。力檢測設備能夠組成傳輸轉(zhuǎn)換單元以及力傳感器, 將力傳感器安裝在工業(yè)機械臂末端, 使機械臂在和目標對象接觸時, 產(chǎn)生接觸力的模擬信號, 然后將信號發(fā)送給工控機

11、, 方便工控機進行檢測。末端工裝基于試驗設計要求來對剛件結(jié)構(gòu)進行設計, 通過力傳感器的前提條件在于必須要制定適合在工業(yè)機械臂末端安裝的工裝, 將吸盤、夾具等設備安裝在傳感器末端, 可以使機械臂實現(xiàn)抓取作業(yè), 而機械臂在抓取過程中末端設備與目標物接觸產(chǎn)生的力也可以由力傳感器獲取4。3.2預期規(guī)模與水平。1）工業(yè)機械臂向著高速度、高精度、高可靠性不斷發(fā)展, 并且操作和維修更加簡單。2）機械結(jié)構(gòu)向著可重構(gòu)化、模塊化方向發(fā)展。如工業(yè)機械臂中的關(guān)節(jié)模塊內(nèi)的減速機、伺服電機、檢測系統(tǒng)三位一體化：由連桿模塊、關(guān)節(jié)模塊通過重組方式構(gòu)造機械手整機。3）工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向著開放型控制器方向發(fā)展, 從而實現(xiàn)網(wǎng)絡化

12、和標準化；提高器件集成度, 并采用模塊化結(jié)構(gòu), 以此來提高系統(tǒng)可靠性、可維修性以及易操作性。4）傳感器在工業(yè)機械臂中具有重要作用, 不僅可以安裝速度、位置等傳感器, 同時還可以在裝配、焊接機械手上安裝視覺、力覺傳感器, 通過融合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境建模及決策控制。4結(jié)束語基于視覺和力覺融合的工業(yè)機械臂控制技術(shù)不僅可以為社會各個行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)環(huán)保的工業(yè)機械臂, 也為工業(yè)機械臂的應用擴大了新的應用領(lǐng)域, 促進了工業(yè)產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代, 符合建設節(jié)約型社會的產(chǎn)業(yè)政策。同時, 工業(yè)機械臂能夠有效降低產(chǎn)品成本和廢品率, 減少工人誤操作產(chǎn)生的殘次零件風險等, 因此其產(chǎn)生的一系列效益非常明顯, 如減少人工、降低機床損耗、促進技術(shù)創(chuàng)新, 從而提高企業(yè)在市場上的競爭力。工業(yè)機械臂在執(zhí)行各種任務時, 平均故障間隔期高達6000小時以上, 要遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的自動化工藝。根據(jù)中國制造2025的發(fā)展規(guī)劃, 未來制造業(yè)將形成新一代信息技術(shù)和制造業(yè)相融合的新模式, 力求實現(xiàn)中國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變。而智能制造是中國制造2025的核心, 工業(yè)機械臂的應用更是其關(guān)鍵, 以工業(yè)機械臂為核心的智能制造已經(jīng)成為推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段。隨著工業(yè)機械臂應用的不斷擴展和智能制造的轉(zhuǎn)型, 我國工業(yè)機械臂發(fā)展?jié)摿薮?。參考文獻：1夏群峰, 彭勇剛