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七轴柔性多关节机器人

文章来源:中国先进制造技术论坛       发布时间:2017-01-11
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众所周知,目前较先进的传统机器人一般最多具有六个自由度,其中,前三个自由度引导夹手装置至所需的位置,而后三个自由度用来决定末端执行装置的方向。在三维空间内,刚体需要六个独立参数确定其位姿,因此,机器人的任务空间最多需要六个自由度就足够了,一般不要求机器人具有六个以上的独立自由度,而过多的自由度就会产生冗余自由度。


冗余度机器人,是指含有主动关节数多于完成某一作业任务所需的最少自由度数的一类机器人。其实,如上文所说,六个自由度是具有完成空间定位能力的最小自由度数,而增加的自由度便可改善机器人相关的运动学和动力学特性。


虽说真正产品化的七自由度工业机器人与传统的六自由度,甚至更少自由度的工业机器人相比,无论是从产品种类,还是销售占比差距都十分明显。但正是由于其拥有有别于非冗余自由度机器人的冗余特性,使得七自由度的机器人优于六自由度机器人,而成为人们关注的焦点,也使得对冗余度机器人的研究变得日趋重要。


我国对于七轴机器人的科研工作始于20世纪90年代初,而当时项目的领军人物正是我国已故的著名机器人技术专家、中国工程院院士张启先,而张启先院士的主要贡献之一便是完成了七自由度冗余机器人样机的研制。

张启先院士的主要贡献之一便是完成了七自由度冗余机器人样机的研制

上世纪80年代末,由于研制难度及其之大,国际上研制出七自由度冗余机器人样机的国家寥寥无几。而张启先院士率领课题组经过几年的艰苦拼搏,在1993年年底完成了首台七自由度冗余机器人样机的研制,并一次通过“863”课题验收和部级鉴定。

并一次通过“863”课题验收和部级鉴定

尽管我国在冗余自由度机器人方面取得一定成果,但主要停留在学术论文、科研报告和实验样机的阶段,并没有实现真正的产品化发展,这无疑制约了我国机器人产品向高端产业化迈进的步伐。


到底七轴机器人比六轴机器人强在哪儿?从技术角度看,主要有以下几个层面。


(1)改善运动学特性

在机器人的运动学问题中,三个问题使得机器人的运动受到非常大的限制。


第一是奇异构型。当机器人处于奇异构型时,它的末端执行器不能绕某个方向进行运动,或者施加力矩,因而奇异构型极大的影响了运动规划。

第一是奇异构型。当机器人处于奇异构型时,它的末端执行器不能绕某个方向进行运动,或者施加力矩,因而奇异构型极大的影响了运动规划。

第二是关节位移超限。在真实工作情况下,机器人每个关节的运动的角度范围是受到限制的,最理想的状态是正负180度,但是很多关节是做不到的。另外,七轴机器人可以避免角速度运动过快,让角速度分配得比较均匀。

另外,七轴机器人可以避免角速度运动过快,让角速度分配得比较均匀。

第三是工作环境中存在障碍。在工业环境下,很多场合存在各种环境障碍,传统的六轴机器人无法只改变末端机构的姿态,而不改变末端机构的位置。


(2)改善动力学特性

对于七轴机器人而言,利用其冗余自由度不仅可以通过运动轨迹规划达到良好的运动学特性,并且我们可以利用其结构实现最佳的动力学性能。


七轴机器人可实现关节力矩的再分配,这里涉及到机器人的静力平衡的问题,也就是说,作用在末端的力,通过一定的算法算出每个关节承受的力有多大。对于传统的六轴机器人来说,其每个关节的力是一定的,它的分配可能很不合理。但是对于七轴机器人来说,我们可以通过控制算法调整各个关节的力矩,让薄弱的环节承受的力矩尽量小,是整个机器人的力矩分配比较均匀,更加合理。


(3)容错性

机器人在发生故障时,如果有一关节失效,传统六轴机器人便无法继续完成工作,而七轴机器人可以通过重新调整故障关节速度(运动学容错)和故障关节力矩(动力学容错)的再分配实现继续正常工作。


国际厂商竞相跟进


目前,无论从产品角度,还是从应用角度,国际上七轴工业机器人,都仅仅处于初步发展阶段,但各大厂商纷纷在各大展览会力推相关七轴机器人产品,可以想见对其未来的发展潜力还是十分看好的。

 国际上七轴工业机器人,都仅仅处于初步发展阶段,但各大厂商纷纷在各大展览会力推相关七轴机器人产品,可以想见对其未来的发展潜力还是十分看好的。

2014年11月,“四大家族”之一德国著名工业机器人制造商KUKA在2014中国国际工业博览会机器人展上,首次发布KUKA第一款七自由度轻型灵敏机器人LBRiiwa。


LBRiiwa七轴机器人基于人类手臂进行设计,其结合集成的传感器系统,使该轻型机器人具有可编程的灵敏性,并使其具备了非常高的精确度。而七轴的LBRiiwa所有的轴内均配备高性能碰撞检测功能、集成的关节力矩传感器,以实现人机协作。


七轴的设计,使得KUKA的该款产品有较高的灵活度,可轻松地越过障碍物。LBRiiwa机器人的结构采用铝制材料设计,其自身重量只有23.9千克。其负荷有两种,分别为7千克和14千克,使其成为首款负荷超过10千克的轻型机器人的产品。

其负荷有两种,分别为7千克和14千克,使其成为首款负荷超过10千克的轻型机器人的产品。

日本知名机器人制造商,“四大家族”之一的安川电机也发布了多款七轴机器人产品。其中SIA系列机器人是轻型敏捷型七轴机器人,该系列机器人能够提供类人的灵活性,并且能够快速加速。该系列机器人采用轻量化和流线型设计,使其非常适合安装在狭小的空间内。SIA系列可提供较高的有效载荷(5千克至50千克)以及较大的工作范围(559毫米至1630毫米),很适合从事装配、注塑、检验等操作。

SIA系列可提供较高的有效载荷(5千克至50千克)以及较大的工作范围(559毫米至1630毫米),很适合从事装配、注塑、检验等操作。

除了轻型七轴机器人产品外,安川还发布了七轴机器人焊接系统,其高自由度能够尽最大可能保持最适合的姿态以实现高品质的焊接效果,特别适合内面的焊接,达到最佳的接近位置。并且该产品能够高密度布局,容易回避其与轴和工件之间的干扰,显示出其优良的避障功能。

并且该产品能够高密度布局,容易回避其与轴和工件之间的干扰,显示出其优良的避障功能。

2014年11月,ABB在中国推出最新机器人产品YuMi,它是第一款双臂轻型人机协作型机器人,而其每个单臂均为七个自由度,机身重量为38千克。其每条手臂的负载为0.5千克,重复定位精度可达到0.02毫米,因此特别适合小件装配、消费品、玩具等领域。从机械手表的精密部件,到手机、平板电脑,以及台式电脑零件的处理,对于YuMi来说都不在话下,而这正体现出该款冗余度机器人表现出的扩大可达工作空间、灵活敏捷、精确等种种优良特性。

从机械手表的精密部件,到手机、平板电脑,以及台式电脑零件的处理,对于YuMi来说都不在话下,而这正体现出该款冗余度机器人表现出的扩大可达工作空间、灵活敏捷、精确等种种优良特性。

日本著名机械制造企业那智不二越已开发出多款七轴机器人产品。早在2007年底,那智不二越便开发出七自由度的机器人“PrestoMR20”。通过采用七轴设计,使得机器人能够像模仿人类手臂那样执行更加复杂的工作流程,在狭窄的工作区域运动。另外,机器人前端部分(手腕)的扭矩增加到了原来传统六轴机器人的约两倍左右,标准配置的扭矩为20千克,通过设定动作范围,最大可搬运30千克的物品,工作范围达到1260毫米,重复定位精度为0.1毫米。通过采用七轴结构,MR20在机床上取放工件时可从机床侧面进行作业。这样一来,就提高了事前准备和维护等作业效率。机床间的空间能够缩小至传统六轴机器人的一半以下。

机床间的空间能够缩小至传统六轴机器人的一半以下。

除此之外,那智不二越还发布了MR35(负载为35千克)、MR50(负载为50千克)两款可在狭小空间和有障碍物场所的应用场合使用的工业机器人。

除此之外,那智不二越还发布了MR35(负载为35千克)、MR50(负载为50千克)两款可在狭小空间和有障碍物场所的应用场合使用的工业机器人。

日本DAIHEN集团欧地希推出了最新的七轴机器人(FD-B4S、FD-B4LS、FD-V6S、FD-V6LS、FD-V20S)。由于有第七轴的回转,它们可以实现像人的手腕一样的扭转动作,能够实现一周以上的焊接;另外,七轴机器人(FD-B4S、FD-B4LS)将焊接电缆内藏于机器人本体,因此在示教作业时无需在意机器人与焊接夹具及工件间的干涉,动作非常顺畅,焊接姿态自由度也得到了提高,能够弥补传统机器人因与工件或焊接夹具的干涉而造成无法进入焊接的缺憾。


RethinkRobotics是一家由著名的MIT教授罗德尼布鲁克斯(RodneyBrook)创办的机器人公司,因创造了工业机器人的价格神话而闻名。最近推出的新产品瞄准了中国的制造业市场。其双臂工业机器人Baxter,售价仅约2万美元。

 其双臂工业机器人Baxter,售价仅约2万美元。

Baxter机器人自重74千克,拥有两个七自由度机器臂,单臂最大工作范围为1210毫米。Baxter可同时处理不同的两项任务以增加适用性,或者实时处理同一任务以实现输出最大化。

Baxter可同时处理不同的两项任务以增加适用性,或者实时处理同一任务以实现输出最大化。

Sawyer在很多方面与Baxter类似。其柔性关节采用了相同的串联弹性驱动器,但其关节所采用的驱动器被重新设计,使其更小巧。由于采用了七轴的设计,并且工作范围扩展至100毫米,因此能完成负载更大的工作任务,载荷可达到4千克,比Baxter机器人2.2千克的有效载荷大了不少。


目前,我国绝大多数工业机器人企业还尚未发布七轴工业机器人产品,其中有一部分表示正在研发相关产品,会在年内有相关产品问世,而另有一些企业则表示对七轴工业机器人产品有关注,但尚未计划设计研发相关产品。


作为我国机器人产业龙头企业的新松,于近期发布了首台轻型七轴人机协作型机器人,其自身重量为29千克,负载为5千克,重复定位精度可达到0.02毫米,工作半径可达800毫米。它具备快速配置、牵引示教、视觉引导、碰撞检测等功能,特别适用于布局紧凑、精准度高的柔性化生产线,满足精密装配、产品包装、打磨、检测、机床上下料等工业操作需要。


我国的机器人产业在七轴工业机器人的理论研究有了很大进步,而商业化产品方面仍与国外有较大差距。究其原因,主要有以下两个方面:


一是自主创新能力弱。缺乏核心及关键技术的原创性成果和创新理念,我国工业机器人总体技术与国外先进水平相比,差距在十年以上。


二是企业盈利能力较低,研发资金短缺。核心零部件技术的缺失导致企业生产成本高企,加之外资厂商纷纷降价,2015年70%以上企业的本体业务处于亏损状态。


如何解决


针对以上问题,我们提出三项建议:


一是推进创新环境建设。加强政产学研用合作与对接;建设各种先进机器人技术的实验环境;加大资金扶持力度,支持公用技术平台建设。


二是重视下一代技术和标准。除了当前着手攻克伺服电机、精密减速器等关键零部件技术之外,也要重视人工智能、感知、识别、驱动和控制等下一代技术的研发。


三是壮大机器人产业人才队伍。将机器人技术进一步纳入相关学科建设体系;着力培养和引进高水平科研带头人;运用职业培训并通过实际项目锻炼来培育高技能人才。

着力培养和引进高水平科研带头人;运用职业培训并通过实际项目锻炼来培育高技能人才。

看到这里,金粉们会问,7轴机器人这么厉害,那这个几轴是怎么区分的?下面小编给您简单介绍一下!


论七轴机器人和一轴机器人的差别到底有多大


现如今,工业机器人被广泛应用于各行各业,但是我们也发现,工业机器人的轴数并不相同,那么它们到底应该有几个轴呢?


所谓工业机器人的轴可以用专业的名词自由度来解释,如果机器人具有三个自由度,那么它可以沿x,y,z轴自由的运动,但是它却不能倾斜或者转动。当机器人的轴数增加,对机器人而言,就是更高的灵活性。那么现在工业机器人都有多少个轴呢?


三轴机器人也被称为直角坐标或者笛卡尔机器人,它的三个轴可以允许机器人沿三个轴的方向进行运动,这种机器人一般被用于简单的搬运工作之中。

三轴机器人也被称为直角坐标或者笛卡尔机器人,它的三个轴可以允许机器人沿三个轴的方向进行运动,这种机器人一般被用于简单的搬运工作之中。

四轴机器人,可以沿着x,y,z轴进行转动,与三轴机器人不同的是,它具有一个独立运动的第四轴,一般来说SCARA机器人就可以被认为是四轴机器人。

它具有一个独立运动的第四轴,一般来说SCARA机器人就可以被认为是四轴机器人。

五轴是许多工业机器人的配置,这些机器人可以通过x,y,z三个空间周进行转动,同时可以依靠基座上的轴实现转身的动作,以及手部可以灵活转动的轴,增加了其灵活性。

同时可以依靠基座上的轴实现转身的动作,以及手部可以灵活转动的轴,增加了其灵活性。

六轴机器人可以穿过x,y,z轴,同时每个轴可以独立转动,与五轴机器人的最大区别就是,多了一个可以自由转动的轴。六轴机器人的代表就是优傲机器人,通过机器人身上的蓝色盖子,你可以很清楚的计算出机器人的轴数。

六轴机器人的代表就是优傲机器人,通过机器人身上的蓝色盖子,你可以很清楚的计算出机器人的轴数。

七轴机器人,又称为冗余机器人,相比六轴机器人额外的轴允许机器人躲避某些特定的目标,便于末端执行器到达特定的位置,可以更加灵活的适应某些特殊工作环境。

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