机器人自动装配方法及技术分析

谭红军 陈昌中 张斌 吕林林

摘要：随着我国经济实力与科学技术的不断发展，工业制造行业作为重要的经济发展领域也得到了长足的进步。目前，自动化生产线已成为世界工业发展的趋势，而机器人装配技术作为柔性自动化装配系统的核心技术更是愈加受到制造行业的青睐。本文即针对目前常见的机器人自动装配方法及技术进行简要的分析与探讨，希望能对制造业的相关工作带来些许帮助。

关键词：机器人;自动装配;方法;技术

1装配机器人概述

装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。机器人操作机的结构类型主要包括水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等几类;控制器通常选用多CPU或多级计算机系统，以实现运动控制和运动编程;末端执行器一般是为了适应不同的装配对象设计而成的各类手爪、手腕等机械设备;传感系统主要用来采集装配机器人与工作环境和装配对象之间相互作用的信息。

2 机器人自动装配的常见运动规划方法

2.1 反向规划法

反向规划法是指初始阶段要遵循目标的状态，着重关注装配的操作过程，并将操作方法中的不确定性加以考虑，在体现初始状态时要应用逆向推导的方式，最终返回初始状态。在完成任务回溯过程后，初始状态则进行重新规划，以此形成一套顺畅的装配操作序列。这种规划方法的实际操作中涉及的摩擦与运动速度都具有一定的不确定性，而通过对反向投影区域的相關计算累积起来的经验与数据再为反向投影提供参考，如此就可以使前台的构造与实际操作逐渐靠近。简而言之，反向规划法就是在理想状态下对运动实施规划，再针对不确定性进行动态规划，而对于动态实施的规划过程即是柔顺映射的过程。

2.2 正向规划法

正向规划法是指从初始阶段开始就使用正向递推的方式对机器人自动装配的相关操作采取深入的规划。这种规划法通过离散时间，使位移的空间处于离散的状态下，并于相异的接触模式下形成集合，最后在接触状态中寻求最为合理的转移路径，并对其执行规划，已达到实现最终目标的目的。另外，正向规划法也具有一定的不确定性，并且对于运动的规划可能会造成极大影响。因此在执行主规划时应该采取两阶段分开执行的模式，先选择相对理想的运动状态，再针对名义运动路径进行展开性的有效规划，最后再实施动态深入规划，整个的规划同样属于柔顺映射过程。

2.3 战略控制级综合规划法

这种方法属于比较先进的机器人装配任务运动规划方法。战略控制级综合规划法不需要配套高成本、复杂度高的计算机系统，并且能保持良好的工作性能，是一中可执行性很强的运动规划方法。该方法主要由以下三个阶段组成。①准备一个专家级的系统，在这一系统下针对机器人实际操作的装配任务执行识别操作，以此来掌握与之相匹配的计算时间与运动规划相关问题的解决方案。然后以所明确的计算时间为根据，应用专家级系统进行计算并确认机器人模型种类与操作环境的类型，并明确相关问题的处理算法。②在确定了操作系统的模型种类与相关算法的基础上，开始进行装配机器人的运动规划工作，并将运动规划信息向装配机器人的低级别控制系统进行传输。③对装配机器人的实际操作性能进行信息采集，以此为依据针对机器人的相关技术参数以及操作环境采取进一步的识别操作，再经由传感器采集装配机器人的相关数据信息。通过得到的数据即可以判断机器人的运动规划与环境模型的调整方向，有助于优化运动规划的相关算法。

3 机器人自动装配的常用技术

3.1装配机器人结构与材料优化技术

该技术主要体现在针对装配机器人采用强度高、质量轻的设计材料所进行的研究，目的是提高装配机器人的负荷与自重比，以可重复构筑的模块化方向为目标进行发展。

3.2装配机器人的直接驱动技术

直接驱动是指新型的电机直接与运动的执行部分相结合，即电机直接驱动设备运转，取消了中间的机械传动环节。常见的对于直接驱动技术的应用包括，以直线电机为核心驱动元件的直线运动部件和以力矩电机为核心驱动元件的回转运动元件。这项技术通过具有高扭矩的低速电机对装配机器人进行直接驱动，旨在有效的降低装配机器人的关节运动惯性，最终达到减少误差、降低损耗以及提高装配机器人运作系统可靠性的目的。

3.3 装配机器人程序控制技术

随着电子信息技术的不断发展，装配机器人的标准化与网络化控制已经占据了相关研究的主要地位，针对传统的编程控制技术，新技术不但能够提供更为优秀的在线编程实操效果，还能够使离线编程的实操性得到优化与提高。另外新的程序控制技术还将带来更为人性化的人机交互、语言支持以及图形编程的相关界面。

3.4 装配机器人的多传感器信息融合技术

多传感器数据融合技术可以概括为把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据信息进行整合，通过计算机技术对其进行深入分析，从而消除多传感器信息之间可能存在的冗余与矛盾，并进行互补操作，降低其不确定性。另外根据得到的被测对象一致性解释与描述，能够有效提高系统决策、规划以及反应的速度和准确率，使系统获得更为完整、可靠的反馈信息。多传感器数据融合技术相较单一传感器信息处理技术具有容错率高、互补性强、信息反馈及时、性价比高等优点，在装配机器人领域已得到广泛的推广与应用。

3.5 装配机器人的柔顺控制技术

柔顺控制技术是指从力学传感器接收控制信号，并应用此信号来控制机器人，从而使机器人对信号的变化产生响应完成相关动作。装配机器人的柔顺性可分为主动柔顺性和被动柔顺性两类，装配机器人通过辅助的柔顺装置，使其在与操作环境接触时可以对外界的作用力产生相对自然的顺从，称为被动柔顺性;装配机器人根据力的反馈信息应用相应的控制方案主动控制作用力，则称为主动柔顺性。主动柔顺性与被动柔顺性通过有机的结合，能够有效避免机器人与操作环境从非接触到接触完成自然转换时产生的碰撞冲击，是装配机器人柔顺控制的必然发展趋势。

3.6 装配机器人与图形仿真技术的结合

目前，我国制造业的装配工作愈加复杂，传统的装配机器人编程模式就显得效率偏低如果将CAD系统的图形仿真技术与装配机器人的控制系统直接关联，就可以提高装配机器人编程的灵活性，使装配机器人的离线编程效率得到极大地优化与提高，并且在对装配程序的准确性与可行性进行验证时提供一定的帮助。

3.7 并联机器人技术

并联机器人是指动平台与定平台之间通过至少两个独立的运动链相连接，整个机构含有两个及以上的自由度，同时采用并联方式驱动的一种闭环机构。并联机器人的特点包括没有累积误差，精确度较高;驱动装置可以设置在定平台上或者接近定平台的位置，这就可以使装配机器人的运动部分重量更轻，速度更快，从而具有更好的动态响应。

结语

综上所述，在“中国制造”的指导思想下，随着我国制造业的不断发展，装配工作自动化已成为必然的发展趋势，并且已经走在高速发展的道路上。机器人自动装配的规划方法与相关技术作为装配自动化的重要组成部分更应受到工业自动化研究人员的充分重视。相信在不久的将来，我们一定可以实现全面的制造业腾飞，完成工业现代化的建设，实现全面“中国制造”的伟大目标。

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