自主机器人研究报告

自主机器人研究总结报告

一、课题研究背景和意义

工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。在国际上，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、著名的工业机器人公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性企业。在众多制造业领域中，应用工业机器人最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。

工业机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化。在汽车领域，应用最广泛的是中载和重载机器人，因此开发具有较高负载能力的机器人意义更大。

二、课题研究的总体目标及完成情况

2.1 课题研究的总体目标、考核指标

2.1.1总体目标

开发出具有自主创新的点焊机器人及周边应用成套设备样机，解决机器人产业化过程中的机器人本体优化设计、基于网络的新型控制器技术、系统集成技术等关键技术问题，进行小批量生产，解决机器人产业制造中的加工工艺问题、制造精度问题和机器人整体制造成本降低问题，在此基础上进行产业化，并首先在奇瑞汽车生产线上进行示范应用，逐步形成中国的工业机器人品牌，促进我国新型工业机器人技术的应用和产业发展。同时制订和完善适合我国国情的安全规范和技术规范，在技术上创新，争取获得多项专利。

2.1.2 主要技术指标

其技术指标如下：

（1）本体参数要求

在满足机械本体刚度、强度、转动惯量及一些其它技术参数的基础上选择结构简单、机身紧凑的机身设计，以满足轻量化、低成本及可维护性要求。具体参数范围要求如下：

由第三方检测机构出具检测报告。

（2）主控柜技术要求

➢编程单元：便携式示教盒；

➢具备常用功能的操作单元；

➢具备紧急停止单元；

➢具备编程接口，方便传输程序；

➢控制柜应具有良好的防滴漏、防灰尘及散热装置；➢外观美观。

（3）系统功能指标：

➢控制系统可同时控制六轴或六轴以上运动；

➢具有负载调整功能；

➢具有零点复位功能；

➢具有系统启动自检功能；

➢工作时具有故障判断及提示功能；

➢具有自动/示教模式切换功能，便于机器人在各种工作模式下的工作；

➢具有不同的操作权限（工程师、维修工、操作工）。（4）系统安全性指标：

➢具备限位保护：保护机器人因运动范围超限引起碰撞和干涉；

➢具备防过载检测：防止因速度过快引起的超转矩而导致电机烧毁或轴断；

➢具备紧急停止功能，有效的保护人生及设备的安全。（5）软件应用指标：

➢定义多种坐标，方便使用与操作；

➢系统适用于点焊，且在相关软件包修改后，机器人主体可用于搬运、装配等工作环境；

➢系统在虚拟环境下可进行仿真操作，程序检测，组线设计等。

（6）机器人适用的工作环境

➢厂房温度：（屋架下弦处）-5℃---45℃

➢环境湿度：普通：75RH；短时间：95%（一个月之内）

➢振动：＜0.5G（4.9M/S2）；

➢厂房结构：轻钢结构，屋架为非承载型式；

➢公用动力要求：380V(+15%，-15%)，50Hz；

➢压缩空气：0.4～0.6MPA；

➢循环水：温度≤32℃；进口压力<0.4Mpa，工艺设备承压不

低于0.6Mpa；

➢地面载荷：地面最大承载能力为5000kg/m2。

2.1.3 知识产权

➢申报国家发明专利2～3项；

➢在核心刊物上发表文章5～8篇。

➢机器人应用说明书1套。

2.1.4 人才培养

➢培养博士生1～2名，硕士3～5名；

➢培养一支15～20人的机器人骨干技术开发队伍。

2.2 完成情况

在机器人核心技术研发方面，本课题主要围绕机器人本体设计和制造，控制器开发和焊接机器人应用技术三方面展开。

(1)在机器人本体设计和制造方面，目标是要设计出高精度，高刚度，高可靠性，低负载自重比，且造价低的机械本体结构，力争达到国际先进同类机器人的技术水平。为此，在165kg和200kg机器人的分析及优化设计中，综合采用了基于虚功原理的机器人静力平衡分析，关键部件的有限元分析，基于运动学指标和整体模态特性的结构和尺寸优化分析的方法。通过对以上方法的理论研究、仿真计算分析以及试验等阶段的实施，摸索了一套具体的实现方法。该方法已经在165kg和200kg机器人的分析及优化设计中得到了应用，取得了比较理想的效果，例如：

通过采用优化设计方法和几年多现场应用，改进设计和再制造，大部分性能指标已达到国际同类产品的水平，例如：

◆机器人的重复定位精度（小于±0.15mm，合同指标为±0.25mm）；

◆机器人本体的最小固有震动频率为5Hz，与意大利Comau机器人

相当；

◆系统的稳定和可靠性：故障率统计显示与意大利Comau机器人相

当；

◆机械噪音小于80dB。

(2) 在机器人控制器开发方面，目标是要研发出能控制机器人实现高速平稳运动，稳定性和可靠性与国外先进机器人控制器相当，且成相对较低的机器人控制器。为此，在控制器软件设计中，通过理论建模，搭建了包含摩擦、间隙和非线性刚度的动态关节模型。然后引入机械臂模型和电机模型，组成整个机器人模型。在理论建模的基础上，搭建了整个机器人的动态matlab仿真模型。在硬件选型和控制方法的设计方面，充分考虑可靠性和先进性，采用嵌入式总线类型的控制模式，确保设计出的控制器不仅性能高，低成本而且稳定可靠。

从应用结果可以看出，新研发出的控制器在抑制高速运动的振动，稳定性和可靠性方面与意大利Comau机器人及日本的Funac机器人相当。

（3）在焊接机器人应用技术方面，已经开发出机器人运动仿真软件。机器人虚拟仿真技术应用于机器人设计，应用规划，离线编程和操作培训，是机器人关键技术之一。进口的一套仿真软件价格高达一两百万元人民币。目前，在自主开发机器人仿真软件方面已经取得了重要进展。自行开发的仿真软件已经能够实现对导入的机器人，焊钳