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工業(yè)機(jī)器人示教的分類(lèi)及特點(diǎn)

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隨著機(jī)器人技術(shù)的日益成熟以及應(yīng)用的不斷普及,機(jī)器人正逐漸融入社會(huì)生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面,并發(fā)揮越來(lái)越不可替代的作用。在“工業(yè)4.0”和 “中國(guó)制造 2025”的背景下,為了適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)快速多變的特點(diǎn)以及滿足日益增長(zhǎng)的復(fù)雜性要求,機(jī)器人不僅要能長(zhǎng)期穩(wěn)定地完成重復(fù)工作,還要具備智能化、網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放性、人機(jī)友好性的特點(diǎn)。作為工業(yè)機(jī)器人繼續(xù)發(fā)展與創(chuàng)新的一個(gè)重要方面,示教技術(shù)正在向利于快速示教編程和增強(qiáng)人機(jī)協(xié)作能力的方向發(fā)展。 工業(yè)機(jī)器人示教就是編程者采用各種示教方法事先“告知”機(jī)器人所要進(jìn)行的動(dòng)作信息和作業(yè)信息等。這些信息大致分為三類(lèi):機(jī)器人位置和姿態(tài)信息,軌跡和路徑點(diǎn)等的信息;機(jī)器人任務(wù)動(dòng)作順序信等的息;機(jī)器人動(dòng)作、作業(yè)時(shí)的附加條件等的信息,機(jī)器人動(dòng)作的速度和加速度等信息和作業(yè)內(nèi)容信息等。圖1所示為機(jī)器人示教方法的分類(lèi)。 圖1. 機(jī)器人示教方法分類(lèi) 實(shí)際應(yīng)用最多的傳統(tǒng)的示教盒示教要求操作者具有一定的機(jī)器人技術(shù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),示教效率較低。與示教盒示教相比,直接示教法可以無(wú)需操作者掌握任何機(jī)器人知識(shí)及經(jīng)驗(yàn),操作簡(jiǎn)單且快速,極大地提高了示教的友好性、高效性。圖2為啟帆設(shè)計(jì)的機(jī)器人示教盒以及對(duì)應(yīng)的三維實(shí)時(shí)控制軟件。 圖2. 機(jī)器人示教方法分類(lèi) 直接示教控制方法 當(dāng)前主流的機(jī)器人直接示教控制方法可以分為兩類(lèi):第一類(lèi)是基于位置控制或者阻抗控制的直接示教方法。第二類(lèi)是基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教(有動(dòng)力學(xué)模型)。 以下內(nèi)容為學(xué)術(shù)干貨,請(qǐng)劃重點(diǎn) 基于位置控制的直接示教 傳統(tǒng)的拖動(dòng)示教依賴于外置于機(jī)器人的多維操作傳感器,利用該傳感器獲取的信息,牽引機(jī)器人末端在笛卡爾空間下做線性或者旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。圖3為基于多維傳感器的位置控制的直接示教 圖3. 基于多維傳感器的位置控制的直接示教 圖4. 基于多維傳感器的位置控制的直接示教的控制方法 此類(lèi)基于位置控制的拖動(dòng)示教方法都無(wú)法回避兩個(gè)問(wèn)題。一個(gè)是由于額外的多維傳感器的配置,增加了機(jī)器人的生產(chǎn)成本。另一個(gè)是由于多維傳感器只能控制機(jī)器人末端的笛卡爾空間,所以無(wú)法很好地控制單軸的運(yùn)動(dòng),使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)顯得十分僵硬,不利于真正的拖動(dòng)示教變成,尤其是要微調(diào)到特定的點(diǎn)的時(shí)候,可能還需要傳統(tǒng)的遙控示教盒的輔助。 基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教 這是一種更為直接的機(jī)器人拖動(dòng)示教方法,借助機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型,控制器可以實(shí)時(shí)的算出機(jī)器人被拖動(dòng)時(shí)所需要的力矩,然后把提供該力矩給電機(jī)使得機(jī)器人能夠很好地輔助操作人員進(jìn)行拖動(dòng)。力矩的計(jì)算如下列公式所示: 其中 公式中的是通過(guò)逆動(dòng)力學(xué)算得的電機(jī)所需要的力矩,其計(jì)算公式包括慣性力項(xiàng)、科里奧利力和離心力項(xiàng)、重力項(xiàng) 以及摩擦力項(xiàng)。而當(dāng)中的根據(jù)選擇的摩擦力模型可以分解為粘性摩擦力項(xiàng)、庫(kù)侖摩擦力項(xiàng)以及補(bǔ)償。 不同于傳統(tǒng)的基于位置或者阻抗的拖動(dòng)示教方法,零力控制方法對(duì)操作者更加的友好。在精確的動(dòng)力學(xué)模型的幫助下,拖動(dòng)機(jī)器人時(shí)要克服的機(jī)器人自身重力,摩擦力以及慣性力都的到了相應(yīng)的電機(jī)力矩的抵消,使得機(jī)器人能夠輕松的拖動(dòng)。 同時(shí),算法也保證了當(dāng)外力被撤銷(xiāo)時(shí),機(jī)器人能夠迅速的靜止在當(dāng)前位置,保證設(shè)備和操作人員的安全。 另一個(gè)基于零力控制拖動(dòng)示教帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是,在動(dòng)力學(xué)模型中,各關(guān)節(jié)的力矩是可以單獨(dú)控制的,所以機(jī)器人的拖動(dòng)點(diǎn)不再被固定在機(jī)器人末端或者多維傳感器上,操作者可以在機(jī)器人任意位置去拖動(dòng)機(jī)器人,使操作更加靈活多變。 啟帆工業(yè)機(jī)器人的拖動(dòng)示教技術(shù) 針對(duì)當(dāng)前的主流應(yīng)用需要,啟帆已開(kāi)發(fā)出能夠應(yīng)用于不同型號(hào)機(jī)器人上的拖動(dòng)示教技術(shù)。該技術(shù)以基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了無(wú)傳感器(sensorless)的基于力矩控制的零力平衡拖動(dòng)示教。 這種拖動(dòng)示教方法,除了具備上述的基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教外,還有著一個(gè)最主要的優(yōu)勢(shì),就是無(wú)需外加關(guān)節(jié)力矩傳感器,降低了實(shí)現(xiàn)的成本,同時(shí)也保證了算法的通用性。

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