工業(yè)機(jī)器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

引言

　　工業(yè)機(jī)器人自20世紀(jì)60年代問世以來，其研究和開發(fā)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中一直備受青睞。盡管各國(guó)對(duì)機(jī)器人的定義不盡相同，但都有可編程、擬人化、通用性等特點(diǎn)，是一種融機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多學(xué)科為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。隨著相關(guān)支撐學(xué)科的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的研究和開發(fā)正突飛猛進(jìn)，其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。

　　我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的研究工作起步較晚，雖已取得較大進(jìn)展，但較之發(fā)達(dá)國(guó)家的水平仍有較大距離，應(yīng)積極探索適合我國(guó)國(guó)情的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用思路，開發(fā)低成本、高性價(jià)的實(shí)用型工業(yè)機(jī)器人。

1組合式工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)思路

　　目前機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究工作從智能化程度來區(qū)分，主要分2個(gè)方向：一是全功能通用機(jī)器人的研究，追求高智能化，即在計(jì)算機(jī)控制下的視、觸、聽、嗅覺與肢體動(dòng)作協(xié)調(diào)一致、高度擬人化的機(jī)器人；二是不過于強(qiáng)調(diào)機(jī)器人的智能化，提供價(jià)格和性能都能令人滿意的簡(jiǎn)易型機(jī)器人。

　　根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，我們認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)開發(fā)的思路應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：
　　(1)實(shí)用性。應(yīng)能開發(fā)出市場(chǎng)急需的、功能實(shí)用的、滿足用戶要求的機(jī)器人。為此，應(yīng)強(qiáng)調(diào)功能實(shí)用性，不片面追求所謂的高科技和全面先進(jìn)性，先進(jìn)并不等于實(shí)用。
　　(2)快速性。能夠在盡可能短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人產(chǎn)品的快速制造，快速投放市場(chǎng)和發(fā)往用戶。
　　(3)高質(zhì)量。能夠生產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良的機(jī)器人產(chǎn)品，機(jī)器人配置中關(guān)鍵部件必要時(shí)可采用進(jìn)口產(chǎn)品，只有質(zhì)量好的機(jī)器人產(chǎn)品才能贏得用戶。
　　(4)低價(jià)格。價(jià)格往往是用戶購(gòu)置機(jī)器人時(shí)考慮的首要因素。機(jī)器人開發(fā)應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件，減少自制件，控制成本，能夠向市場(chǎng)提供價(jià)格低廉的機(jī)器人產(chǎn)品。
　　(5)模塊化。采用模塊化的設(shè)計(jì)理念和配置組合、系統(tǒng)集成的制造思路。

　　綜上所述，工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)總體技術(shù)原理是：在成組技術(shù)指導(dǎo)下，針對(duì)多品種小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，面對(duì)生產(chǎn)線上的機(jī)臺(tái)和單元間的物品移置的工藝要求或是裝配、噴涂等作業(yè)的工藝要求，利用模塊化設(shè)計(jì)手段，選擇品質(zhì)優(yōu)良的控制模塊以及執(zhí)行模塊，按一定的坐標(biāo)體系進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的快速制造。

　　其明顯的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，兼顧了使用上的專用性和設(shè)計(jì)上的通用性。便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和組織專業(yè)生產(chǎn)。(2)縮短了研制周期。能適應(yīng)工廠用戶的急需，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，快速制造出功能實(shí)用的滿足用戶要求的機(jī)器人產(chǎn)品。(3)提高了性能價(jià)格比。采用優(yōu)質(zhì)功能部件集成的方式，有利于保證機(jī)器人的質(zhì)量和降低成本。(4)具備了充分的柔性。以具備高可靠性的工控機(jī)為核心，控制模塊和伺服模塊可根據(jù)機(jī)器人及相應(yīng)周邊設(shè)備的工作要求，綜合運(yùn)用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、交流伺服控制技術(shù)、微機(jī)氣動(dòng)控制技術(shù)及變頻技術(shù)等，為機(jī)器人提供了充分的柔性。

2工業(yè)機(jī)器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)配置方式及分析

　　圖l列出了幾種常規(guī)的工業(yè)機(jī)器人配置方式，按不同的坐標(biāo)進(jìn)行配置可歸納為以下幾種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型(scARA型)‘11等。無疑，這些配置方式都是經(jīng)過實(shí)踐證明為經(jīng)濟(jì)可行的方式，也是組合式模塊化工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)配置方式設(shè)計(jì)時(shí)所要借鑒和參照的方式。

　　通過對(duì)常用配置方式(常規(guī)坐標(biāo)型)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析可看到以下兩點(diǎn)：(1)基本動(dòng)作可分解為體升降、臂伸縮、體旋轉(zhuǎn)、臂旋轉(zhuǎn)、腕旋轉(zhuǎn)等；(2)基本運(yùn)動(dòng)形式可分為直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩類。這啟發(fā)我們?cè)谠O(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，可充分利用能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的通用部件(氣、液、電等)來進(jìn)行功能組合，也就是說可以將經(jīng)過合適選擇的通用部件作為模塊來進(jìn)行集成。這些部件可以作為一個(gè)獨(dú)立的基本模塊，也可以將幾個(gè)部件組合為一個(gè)復(fù)合模塊。顯然，配置方式應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品最終實(shí)現(xiàn)的功能要求來確定，同樣，模塊的分解也是基于產(chǎn)品應(yīng)滿足的功能要求下的模塊分解。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　   　 (a)直角坐標(biāo)型 (b)圓柱坐標(biāo)型 (c)球坐標(biāo)型 (d)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型 (e)平面關(guān)節(jié)型 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　                                                                          　　　　　圖1工業(yè)機(jī)器人常規(guī)配置方式

2．2工業(yè)機(jī)器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　對(duì)所要設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行功能分析，劃分并設(shè)計(jì)出一系列通用的功能模塊，并對(duì)這些模塊進(jìn)行選擇和組合配置，就可以構(gòu)成不同功能，或功能相近但性能不同、價(jià)格不同的機(jī)器人產(chǎn)品。可見，在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中，采用組合式、模塊化設(shè)計(jì)思路可以很好地解決產(chǎn)品品種、規(guī)格與設(shè)計(jì)制造周期和生產(chǎn)成本之間的矛盾。工業(yè)機(jī)器人的組合式模塊化設(shè)計(jì)也為機(jī)器人產(chǎn)品快速更新?lián)Q代、提高產(chǎn)品質(zhì)量、方便維修、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力提供了條件。隨著敏捷制造時(shí)代的到來，模塊化設(shè)計(jì)會(huì)越來越顯示出其獨(dú)到的優(yōu)越性。工業(yè)機(jī)器人的組合式模塊化設(shè)計(jì)過程見圖2所示，圖3列出了初步設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人模塊編碼結(jié)構(gòu)示意。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖2 工業(yè)機(jī)器人組合式模塊化設(shè)計(jì)過程

2．3功能模塊的整體集成

2．3．1以功能模塊有機(jī)集成為前提的模塊組合

　　在對(duì)各功能模塊分解的基礎(chǔ)上，再將各功能模塊有機(jī)集成到一個(gè)系統(tǒng)中去，完成功能模塊的整體集成，最終形成組合式工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。從系統(tǒng)工程角度研究其集成，可見集成的組合式工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)具有以下屬性：
　　(1)集合性。組合式工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)是由兩個(gè)以上具有獨(dú)立特性的模塊所構(gòu)成。
　　(2)相關(guān)性。構(gòu)成系統(tǒng)的模塊之間具有相互聯(lián)系，這意味著其中的一個(gè)模塊發(fā)生變化，都會(huì)對(duì)其他模塊產(chǎn)生影響，因此，要研究各模塊的影響范圍、影響方式和影響程度。
　　(3)整體性。組合式工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)有機(jī)的整體，對(duì)內(nèi)呈現(xiàn)各模塊間的最優(yōu)組合，使信息流暢、反饋敏捷，對(duì)外則呈現(xiàn)出整體特性，要研究系統(tǒng)內(nèi)各模塊發(fā)生變化時(shí)對(duì)整體特性的影響。
　　(4)目的性。組合式工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)特定的目的而存在，具有一定的功能。集成并不是簡(jiǎn)單地將各組成模塊聯(lián)接起來，而是模塊間的有機(jī)組合。
　　(5)環(huán)境適應(yīng)性。一般情況下，系統(tǒng)與外部環(huán)境之間總有能量交換、物質(zhì)交換和信息交換。環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的作用為輸入，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的作用為輸出。作為移置機(jī)臺(tái)或物品的組合式工業(yè)機(jī)器人，物品對(duì)系統(tǒng)的作用為輸入，系統(tǒng)對(duì)物品的作用為輸出。這樣的機(jī)器人其工作特性不應(yīng)受環(huán)境的影響，能在環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，始終使系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相似機(jī)臺(tái)或物品的移置。

2．3．2執(zhí)行模塊的概念

　　一個(gè)用作實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)或是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件，要成其為“執(zhí)行模塊”，一般情況下必須具備以下基本功能：(1)在伺服模塊傳送的“物質(zhì)流”驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。(2)以“信息流”方式反映部件自身的位置(速度、壓力)狀態(tài)。具備以上功能，部件才能作為“執(zhí)行模塊”直接參與集成。

2．3．3控制模塊和伺服模塊的研究

　　工業(yè)機(jī)器入組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)是由控制模塊、伺服模塊、執(zhí)行模塊和傳感器有機(jī)地結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)整體功能的集成。這里的集成，并不是簡(jiǎn)單地將各組成部分疊加，而是在控制模塊控制下，采用數(shù)據(jù)接口的方式，以實(shí)現(xiàn)各獨(dú)立模塊間的數(shù)據(jù)交換下的有機(jī)組合。其集成不僅是機(jī)械結(jié)構(gòu)按一定坐標(biāo)體系集成，更是控制模塊、伺服模塊與執(zhí)行模塊間的有機(jī)集成。只有這樣，形成的整體才稱其為組合式模塊化工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。圖4所示為工業(yè)機(jī)器人組合式模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成框圖。
 　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 工業(yè)機(jī)器人組合式模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成框圖

3工業(yè)機(jī)器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)樣機(jī)

　　根據(jù)上述思路，將功能模塊進(jìn)行分解。參照機(jī)器人常用坐標(biāo)配置方式，研制的電子氣動(dòng)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)如圖5所示，它是綜合了圖1中圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型配置方式的一種新的配置方式，稱為機(jī)座坐標(biāo)下的混合坐標(biāo)型配置方式。能實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度，分別為體旋轉(zhuǎn)、體升降、臂旋轉(zhuǎn)、臂伸縮、腕旋轉(zhuǎn)，其中體旋轉(zhuǎn)、臂旋轉(zhuǎn)自由度由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，體升降、臂伸縮、腕旋轉(zhuǎn)自由度由氣動(dòng)執(zhí)行件驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人的末端執(zhí)行器手爪采用氣動(dòng)夾持氣缸實(shí)現(xiàn)。所完成的電子氣動(dòng)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC，并通過人機(jī)界面(觸摸屏)進(jìn)行操作，具有可編程、易操作等特點(diǎn)。

　　所設(shè)計(jì)的電子氣動(dòng)工業(yè)機(jī)器人在成組技術(shù)理論指導(dǎo)下，面對(duì)單元內(nèi)相似件可適當(dāng)調(diào)整參數(shù)或快速更換樣機(jī)中某些可換件，實(shí)現(xiàn)對(duì)單元內(nèi)各相似物品的移置。與專用機(jī)器人相比具有柔性強(qiáng)、適應(yīng)面寬等特點(diǎn)；與全功能通用機(jī)器人相比，具有成本低、性價(jià)比高、設(shè)計(jì)制造周期短等優(yōu)點(diǎn)。

4結(jié)論及展望

　　綜合以上分析可知：將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行分解(或解“耦”)，拆分成若干個(gè)獨(dú)立的模塊，即將各種互相耦合在一起的因素分開，將多因素控制降階為單元素控制，是一種分解過程，也是一種創(chuàng)造過程，這是工業(yè)機(jī)器人采用組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵步驟。而將分解的模塊再經(jīng)過優(yōu)化組合(或“耦合”)，特別是通過控制模塊、伺服模塊和執(zhí)行模塊的耦合，最終有機(jī)集成為一個(gè)系統(tǒng)，這又是一個(gè)關(guān)鍵步驟。顯然，集成也是一種創(chuàng)造過程。工業(yè)機(jī)器人的組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究正是基于模塊基礎(chǔ)上的有機(jī)集成(耦合)和集成基礎(chǔ)上的模塊分解(解耦)。

　　在此研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了用于轎車中立柱噴膠的氣動(dòng)機(jī)器人，與國(guó)外引進(jìn)可用于噴膠的機(jī)器人相比，具有優(yōu)越的性價(jià)比。投入生產(chǎn)后，在穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面取得了明顯的效益。