机器人末端执行器

机 器 人 末 端 执 行 器 2.机 器 人 末 端 执 行 器 机 器 人 末 端 执 行 器 装 在 操 作 机 手 腕 的 前 端 (称 机 械 接 口 )， 用 以 直 接 执 行工 作 任 务 。 根 据 作 业 任 务 的 不 同 ， 它 可 以 是 夹 持 器 或 专 用 工 具 等 。 夹 持 器 是 具 有 夹 持 功 能 的 装 置 ， 如 吸 盘 、 机 械 手 爪 、 托 持 器 等 ； 专 用 工 具 是 用 以 完 成 某 项 作 业 所 需 要 的 装 置 ， 如 用 于 完 成 焊 接 作 业 的 气焊 枪 、 点 焊 钳 等 。 并 由 此 ， 将 焊 接 机 器 人 又 可 细 分 为 ： C02焊 机 器 人 、 TIG焊 机 器 人 、 MAG/MIG焊 机 器 人 、 气 焊 机 器 人 、 钎 焊 机 器人 、 点 焊 机 器 人 、 激 光 焊 机 器 人 等 。 3 传 感 器 系 统 机 器 人 所 用 传 感 器 又 分 为 内 部 传 感 器 和 外 部 传 感 器 二 类 。 前 者 用 来 检 测 自 身 状 态 的 信 息 ， 主 要 是 位 置 、 速 度 、 加 速 度 等 传 感 器 ，并 且 作 为 反 馈 信 号 构 成 伺 服 控 制 ； 后 者 是 用 来 检 测 机 器 人 作 业 对 象 和 作 业 环 境 信 息 的 传 感 器 ， 如 测 量 夹 持器 夹 紧 力 的 压 力 传 感 器 ， 对 外 界 进 行 识 别 的 视 觉 、 触 觉 、 听 觉 等 传 感 器 。 机 器 人 常 用 传 感 器 及 其 功 能 见 表 7 5。 4 控 制 器 控 制 器 是 个 专 用 计 算 机 ， 相 当 于 机 器 人 的 大 脑 ， 它 以 计 算 机 程 序 方 式 来完 成 给 定 任 务 。 目 前 ， 大 部 分 工 业 机 器 人 都 采 用 二 级 计 算 机 控 制 ： 第 一 级 为 主 CPU， 完 成 系 统 的 监 控 、 作 业 管 理 、 自 诊 断 等 ； 第 二 级 为 子 CPU， 完 成 各 关 节 伺 服 系 统 的 控 制 等 。 图 7.5中主CPU为 总控制器，主要进行系统控制和坐标 计算与变 换，包括坐标 变 换、插补 计算、自动加减速计算、加速度验算、横摆 计算、自诊断等。 子CPU主要作动作控制，包括脉冲分配 、 机 器 人 零 点 复 位 、 零 点 减 速 和 开关 位 置 检 测 等 。 主 CPU对子CPU的控制是以命令的形式通过 FIFO栈 来 传 递 的 ； 而 子 CPU的 状 态 与 请 求 是 通 过 并 行 I 0接 口 来 进 行 的 。 机 器 人 控 制 器 的 控 制 功 能 大 致 有 三 类 ： 第 一 类 是 点 位 控 制 ， 简 称 为 PTP控 制 ， 它 只 要 求 机 器 人 手 臂 末 端 能 快 速 准 确 地 从一 点 到 相 邻 点 运 动 ， 而 对 其 运 动 路 径 不 作 具 体 规 定 。 这 种 控 制 功 能 用 于 搬 运 、 点焊 、 装 配 等 作 业 中 。 第 二 类 是 连 续 路 径 控 制 ， 又 称 连 续 轨 迹 控 制 ， 简 称 CP控 制 。 它 不 但 要 求 机 器 人 手臂 末 端 从 一 点 到 相 邻 点 运 动 ， 而 且 要 求 所 走 过 的 路 径 是 连 续 平 滑 的 ， 这 就 需 要 插补 运 算 ， 所 以 这 种 控 制 功 能 多 用 于 喷 涂 、 弧 焊 、 去 飞 边 等 作 业 中 。 第 三 类 是 移 动 控 制 ， 它 包 括 对 移 动 的 路 径 、 速 度 、 目 标 跟 踪 、 机 器 人 操 作 机 的 稳定 平 衡 、 越 过 障 碍 物 及 回 避 障 碍 物 等 的 控 制 ， 这 种 控 制 功 能 多 用 于 作 业 距 离 较 长或 野 外 作 业 等 需 要 机 器 人 移 动 甚 至 行 走 的 场 合 。 此 外 ， 机 器 人 还 有 一 类 附 加 装 置 ， 如 手 动 操 作 器 、 编 程 器 、 示 教 器 等 。 用 这 些附 加 装 置 可 以 进 行 手 动 调 整 机 器 人 状 态 、 编 制 机 器 人 作 业 程 序 、 示 教 作 业 参 数 或输 入 修 改 系 统 参 数 等 工 作 。 三 、 机 器 人 的 示 教 、 编 程 及 语 言 1 示 教 再 现 为 使 机 器 人 完 成 规 定 的 任 务 ， 在 工 作 前 由 操 作 者 把 作 业 要 求 的 内 容 (如 机 器 人 的 运 行 轨 迹 、 作 业 顺 序 、 工 艺 条 件 等 )预 先 教 给 机 器 人 ， 进 行 这 种 操 作 称 为 示 教 。 把 示 教 的 内 容 保 存 下 来 称 为 记 忆 。 使 机 器 人 按 示 教 的 内 容 动 作 称 为 再 现 。 例 如 ， 由 操 作 者 对 焊 接 机 器 人 按 实 际 焊 接 操 作 一 步 步 的 进 行 示 教 ， 机 器 人 即 将 其每 一 步 示 教 的 空 间 位 置 、 焊 枪 姿 态 以 及 焊 接 参 数 等 ， 顺 序 的 、 精 确 地 存 人 控 制 器计 算 机 系 统 的 相 应 存 储 区 。 示 教 结 束 的 同 时 ， 就 会 自 动 生 成 一 个 执 行 上 述 示 教 参 数 的 程 序 。 当 实 际 待 焊 件 到 位 时 ， 只 要给 机 器 人 一 个 起 焊 命 令 ， 机 器 人 就 会 精 确 的 、 无 需 人 介 入 的 一 步 步 重 现 示 教 的 全 部 动 作 ， 自动 完 成 该 项 焊 接 任 务 。 如 果 需 要 机 器 人 去 完 成 一 项 新 的 焊 接 任 务 (如 汽 车 车 型 改 变 )， 无 需 对 机 器 人 作 任 何 改 装 ， 只需 要 按 新 任 务 操 作 重 新 对 机 器 人 示 教 就 可 以 实 现 。 如 果 在 机 器 人 控 制 器 计 算 机 内 存 中 同 时 存 储 多 种 焊 件 的 示 教 程 序 ， 在 同 一 条 生 产 线 上 就 可 以很 容 易 地 实 现 多 种 焊 件 同 时 生 产 ； 而 仅 需 在 一 种 焊 件 到 来 时 ， 给 机 器 人 一 个 这 种 焊 件 的 识 别编 码 即 可 ， 这 就 是 所 谓 柔 性 。 示 教 是 目 前 工 业 机 器 人 所 采 用 的 主 要 编 程 方 法 ， 它 是 真 实 作 业 环 境 中 的 在 线 编 程 ， 可 用 手 把手 和 示 教 盒 两 种 方 法 。 图 7.6给 出 一 个 用 于 点 焊 、 弧 焊 的 6自 由 度 工 业 机 器 人 的 示 教 盒 例 子 。 示 教 时 可 利 用 按 键 9、 10、11和 12的 6套 键 ， 使 机 器人 按 关 节 坐 标 、 机 座 坐标 或 工 具 坐 标 运 动 。 键 12中 的 10个 键 ， 还 可 作 数 字 键 输 入 功 能 数 据 。用 关 节 坐 标 键 18和 笛 卡尔 坐 标 键 19设 定 各 点 位置 的 坐 标 形 式 。 利 用 键 16和 17选 择 定 位精 度 ， 其 中 键 16为 精 确定 位 ， 键 17为 不 精 确 定位 ， 即 所 谓 路 径 点 。 为 了 再 现 和 验 证 程序 ， 还 有 向 前 一 步键 8、 向 后 一 步 键 7以 ， 及 连 续 键 6。 此 外 ， 还 可 利 用 键24、 26、 27、 28和3输 入 速 度 、 子 程序 、 I 0输 入 和 输出 以 及 工 具 开 闭 功能 和 功 能 数 据 。 最 后 利 用 记 录 键 21记 录 各 步 的 位 置 和功 能 数 据 信 息 。 如 果 必 要 ， 可 利 用修 改 键 20修 改 某 步 的 信 息 。 2 离 线 编 程 示 教 编 程 的 缺 点 在 于 它 是 在 线 ， 示 教 过 程 中 必 须 停 工 。 离 线 编 程 则 可 克服 这 一 缺 点 。 所 谓 离 线 编 程 ， 即 是 在 与 机 器 人 分 离 的 装 置 上 编 制 任 务 程 序 (为 定 义 机 器人 系 统 特 定 的 任 务 所 编 制 的 运 动 和 辅 助 功 能 的 指 令 集 ， 称 任 务 程 序 )后 ，再 输 入 到 机 器 人 中 的 一 种 编 程 方 法 。 离 线 编 程 的 优 点 ： 可 减 少 机 器 人 停 机 时 间 ； 让 程 序 员 脱 离 潜 在 的 危 险 环 境 ； 一 套 编 程 系 统 可 以 给 多 台 机 器 人 编 程 。 若 机 器 人 程 序 格 式 不 同 ， 只 要 采 用 不 同 的 后 置 处 理 即 可 。 另 外 ， 该 编 程能 完 成 示 教 难 以 完 成 的 复 杂 、 精 确 的 编 程 任 务 ； 通 过 图 形 编 程 系 统 的 动 画 仿 真 可 验 证 和 优 化 程 序 等 。 因 此 ， 离 线 编 程 系 统 已 成 为 机 器 人 编 程 的 发 展 趋 向 。 该 系 统 目 前 已 有 多种 供 应 市 场 ， 例 如 OSMAP公 司 的 ROBCAD等 。 3 编 程 语 言 机 器 人 语 言 是 供 用 户 编 写 机 器 人 程 序 的 专 用 计 算 机 语 言 。 编 程 语 言 的 功 能 决 定 了 机 器 人 的 适 应 性 和 给 用 户 的 方 便 性 ， 但 至 今 还 没 有 完 全 公认 的 通 用 机 器 人 编 程 语 言 ， 而 每 个 机 器 人 制 造 厂 都 有 自 己 的 语 言 。 机 器 人 编 程 语 言 主 要 有 两 类 ： 面 向 机 器 人 的 编 程 语 言 与 面 向 任 务 的 编 程 语 言 。 (1)面 向 机 器 人 的 编 程 语 言 其 主 要 特 点 是 描 述 机 器 人 的 动 作 序 列 ， 每 一 条 语 句 大约 相 当 于 机 器 人 的 一 个 动 作 ， 整 个 程 序 控 制 机 器 人 完 成 全 部 作 业 。 该 语 言 有 如 下三 种 ： 专 用 的 机 器 人 语 言 ， 例 如 用 于 PUMA机 器 人 上 的 V+语 言 ， 它 具 有 集 成 化 、 多 任 务 、多 处 理 器 、 良 好 的 开 发 环 境 、 较 完 备 的 语 言 功 能 ， 编 程 水 平 还 可 以 进 一 步 提 高 ，有 高 精 度 定 位 系 统 (选 件 )等 特 点 ； 在 现 有 计 算 机 语 言 的 基 础 上 加 机 器 人 子 程 序 库 ， 例 如 美 国 机 器 人 公 司 开 发 的AR Basic语 言 ； 开 发 一 种 新 的 通 用 语 言 加 上 机 器 人 子 程 序 库 ， 例 如 IBM公 司 开 发 的 AML机 器 人 语 言 。 (2)面 向 任 务 的 机 器 人 编 程 语 言 其 特 点 是 允 许 用 户 发 出 直 接 命 令 ， 以 控 制 机 器人 去 完 成 一 个 具 体 的 任 务 ， 而 不 需 要 说 明 机 器 人 需 要 采 取 的 每 一 个 动 作 的 细 节 。如 美 国 的 RCCL， 机 器 人 编 程 语 言 ， 就 是 用 C语 言 和 一 组 C函 数 来 控 制 机 器 人 运 动 的任 务 级 机 器 人 语 言 。 焊 接 机 器 人 的 编 程 语言， 目 前 都 属 于 面 向 机 器 人 的 语 言 ； 面 向 任 务 的 机 器 人 语 言尚 属 开 发 阶 段 。 1 机 器 人 操 作 状 态 图 如 图 7-7中 的 描 述 ， 机 器 人 系 统 由 一 个 有 限 状 态 自 动 化 装 置 来 建 模 。 图 中 转移 编 号 的 说 明 ： 1 装 载 ， 某 些 任 务 程 序 被 装 入 机 器 人 系统 控 制 器 中 。 2 清 除 ， 由 机 器 人 系 统 控 制 器 中 移 去 任务 程 序 。 3 赋 值 ， 已 准 备 好 一 个 已 装 载 的 任 务 程序 以 供 执 行 。 4 去 值 ， 赋 值 的 反 面 。 5 程 序 开 始 ， 机 器 人 进 入 ROBOT-EXECUTING状 态 。 6 执 行 结 束 ， 机 器 人 运 动 被 停 止 ， 且 机器 人 被 返 回 到 ROBOT LOADED状 态 。 7程序复位，一个已暂停的机器人被返回到ROBOT-READY状态。 8 暂停，机器人已临 时停止运动。 9 继 续，暂停的机器人返回到ROBOT-EXECUTING状态。 10清除(异常终止)，除任务程序未执行完成外，其它与清除同。 11清除(舍弃)，除任务程序未开始外，其它与清除同。 12 应 急 动 作 ， 将 机 器 人 置 入 要 求 手 动 介入 状 态 。 2 机 器 人 操 作 状 态 说 明 (1)ROBOT-IDEI。 (机 器 人 空 闲 ) 该 状 态 对 应 在 系 统 内 机 器 人 没 有 任 务 程序 可 用 时 的 机 器 人 状 态 。 当 机 器 人 刚 开 始 供 电 时 ， 或 当 其 完 成 一 个 任 务 程序 执 行 和 任 务 程 序 由 系 统 内 移 去 时 ， 将 发 生 此 状 态 。 (2)ROBOT-LOADED(机 器 人 已 装 载 ) 该 状 态 对 应 在 系 统 内 有 一 个 或 多 个 可用 的 任 务 程 序 时 的 机 器 人 状 态 。 (3)ROBOT-READY(机 器 人 准 备 完 毕 ) 该 状 态 表 示 一 个 可 供 机 器 人 执 行 的 任务 程 序 已 被 赋 值 。 (4)ROBOT-EXECUTING(机 器 人 执 行 ) 该 状 态 中 ， 机 器 人 在 操 作 ， 其 运 动 是使 能 运 动 。 (5)ROBOT-MOTION-PAUSED(机 器 人 运 动 暂 停 ) 该 状 态 中 运 动 不 是 使 能 运 动 。机 器 人 的 任 务 程 序 可 能 在 运 行 ， 也 可 能 已 停 止 。 (6)MANUAL-INTERVENTION-REQUIRED(要 求 手 动 介 入 ) 在 此 状 态 中 ， 全 部 运动 已 经 停 止 。 此 时 ， 为 了 完 成 某 些 其 它 的 必 要 活 动 ， 需 要 靠 机 器 人的 操 作 者 执 行 某 些 局 部 动 作 。 在 此 局 部 动 作 后 ， 机 器 人 才 可 进 入 某 一 其 它状 态 。 除 机 器 人 操 作 状 态 外 ， 机 器 人 能 够 被 描 述 为 处 于 “ 正 在 本 地 控 制 中 ” 或“ 不 在 本 地 控 制 中 ” 。 前 者 意 味 着 某 些 本 地 作 用 因 素 ， 如 操 作 员 正 在 控 制 仪 表 板 、 示 教 盒 或 其等 同 物 上 正 在 进 行 控 制 操 作 ， 以 确 定 机 器 人 可 作 哪 些 运 动 或 机 器 人 可 运行 哪 些 任 务 程 序 ； 若 机 器 人 “ 不 在 本 地 控 制 中 ” ， 则 机 器 人 可 照 常 运 行 任 务 程 序 ， 此 时 ，任 何 本 地 作 用 因 素 都 没 有 能 力 停 止 或 修 改 在 运 行 的 任 务 程 序 。 带 远 程 控 制 器 的 机 器 人 ， 可 由 这 种 远 程 控 制 器 取 得 对 该 机 器 人 的 控 制 权 。 除 正 常 操 作 外 ， 大 多 数 机 器 人 都 具 有 校 准 机 器 人 轴 的 辅 助 功 能 。 此 功 能按 类 似 于 正 常 任 务 程 序 的 方 式 操 作 ， 除 由 于 校 准 功 能 的 存 在 使 机 器 人 不处 于 LOADED状 态 外 ， 服 从 图 7-7的 状 态 图 。