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双臂机器人的一体化智能关节关键技术研发

发布时间:2020-06-11

随着《中国制造2025》的全面推进与实施,我国不断地在提高制造业创新力、调整制造业结构、推动信息化与工业化融合等领域寻求突破,其中工业机器人技术正是我国制造业改革的重大契机。在我国劳动力成本日益增加,传统制造业优势渐微,工业机器人将成为我国制造业转型升级的重要武器。


由于人民生活水平不断地提高,个性化、小批量、多品种的制造需求已经成为制造业发展的不可逆趋势。这种趋势要求制造生产线更具柔性,工业机器人也必须更具智能化以满足复杂多变的加工任务。然而,当前工业机器人的最广泛的应用是为单个机器人独立工作准备的,只适用于特定的产品和工作环境,并且依赖于特定的辅助设备和工装夹具。对于复杂的工作任务及多变的工作环境,单个机器人的能力明显不足。为解决此类问题,多机器人协同作业系统随之走入了国内外学者的视野。相对于单机器人而言,多机器人系统拥有时间、空间、信息、功能和资源上的分布特性,在工业生产、军事国防、社会服务等领域具有良好的应用前景。随着分布式人工智能、机器人学、计算机科学和复杂系统研究的发展,多机器人协同作业已经成为机器人研究领域的热点之一。


与单个机器人相比,多机械臂协同系统在应用领域中有着巨大的优势:

(1) 多机器人系统可以完成需要协作的任务,例如导弹发射任务,必须由两个机器人协作完成;

(2) 多机器人系统由于其内在的并行性,多个机器人可执行时间重叠的任务,完成任务可能具有更高的效率;

(3) 多机器人系统在功能上有所重叠,从而提高了系统的鲁棒性和容错性;

(4) 设计和制造多个相对简单的机器人比单个复杂机器人更容易、更经济;

(5) 功能不同的机器人或具有不同任务机器人可以进行协调工作,建立机器人之间的传感信息互通,减少了额外的传感设备费用。


随着多机器人应用研究的不断深入,国内外的机器人公司出现了利用机器人代替夹具的加工模式,该模式利用一个或多个机械臂替代工装夹具对工件进行定位固持,同时由末端装有执行器的操作臂完成对工件的加工。但双臂模式的无夹具制造系统并未在机械加工领域得到大量的推广和普及,其主要原因就在于双臂模式时只有单个机械臂夹持工件,其系统精度和动态稳定性满足不了加工要求。


机器人刚度是影响系统动态性能和定位精度的主要因素,由于机械臂为悬臂梁结构,结构稳定性差,机构的整体刚度要明显弱于传统制造工具。既然单个机器人的能力不足,增大结构尺寸提升刚度又会增大机器人控制难度,研究者们从人类合作行为得到启发,通过多个机械臂协同夹持解决机械臂系统刚度不足的问题。通过多个机械臂协同夹持工件,利用多个机械臂的合作来分解系统受到的加工力,使得加工变形得到了有效控制,系统的整体刚度性能得到了提升,机械臂系统整体定位精度和运动稳定性得到了保证。另外单个机械臂夹持工件在受力时会产生很大的附加力矩,而多臂协同系统可以通过机械臂的位形协调抵消系统产生的附加力矩,减少了加工过程中的不稳定因素,为机器人加工系统刚度不足提供了很好地解决方案。


多机械臂可以有效地提升机器人加工系统的刚性,但是如何判别某个机械臂对系统的整体刚度贡献则需要对多臂协同系统的刚度模型作系统的描述。同时,系统对于各机械臂的配置未必是最合理的,系统的刚度性能还存在很大的提升空间。因此,通过对多机械臂协同系统刚度模型与性能的研究,利用多机械臂的冗余特性对其协同姿态进行优化对提升多机械臂系统的整体刚性有着重要意义。

备注:本文出自上海大学机电工程与自动化学院 汪博文 硕士学位论文《多机械臂协同加工系统静刚度建模与优化研究》如有侵权,请联系我们删除。

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