外文翻译中英文-双臂机器人的开发
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用于汽车零件组装的工业双臂机器人的开发摘要 一般的工业机器人由于只有单只手臂在工作运用中有一定的局限性。尽管某些特殊工业机器人有双臂,但它们是单独工作的。也就是说,每只手臂在控制下按照其基准弹道工作,对工作中的合作性不多以考虑,因此,它们在只能完成简单的合作工作。近来,一些日本汽车生产商对双臂机器人的使用产生了浓厚的兴趣,因为它们能组装汽车零件,而这需要机器人拥有双臂,并且通过位置控制和力控制下能协调合作。我们正致力于开发能组装汽车零件的双臂机器人,其手臂的自由度达 6DOF,整体自由度达 3DOF,手臂负荷达 10kg,可触范围达 1.5m。此参数是为实现 WIA 有限公司和机器人谷有限公司的汽车组装而设计的,并且融合了设计概念。关键词 :双臂机器人 组装 实时操作系统 运动控制器1.简介自面世以来,工业机器人在各工业领域发挥着重要作用。机器人的应用在汽车行业更为显著,如果汽车行业和生产商没有机器人,那后果是无法想象的。但是,目前在很多领域仍没有工业机器人能代替人完成需要双臂操作的工作。一般的工业机器人由于只有单只手臂在工作运用中有一定的局限性。尽管某些特殊工业机器人有双臂,但它们是单独工作的。也就是说,每只手臂在控制下按照其基准弹道工作,对工作中的合作性不多以考虑,因此,它们在只能完成简单的合作工作。近来,一些日本汽车生产商对双臂机器人的使用产生了浓厚的兴趣,因为它们能组装汽车零件,而这需要机器人拥有双臂,并且通过位置控制和力控制下能协调合作5。我们正致力于开发能组装汽车零件的双臂机器人,其手臂的自由度达6DOF,整体自由度达 3DOF,手臂负荷达 10kg,可触范围达 1.5m。此参数是为实现 WIA 有限公司和机器人谷有限公司的汽车组装而设计的,并且融合了设计原理。就一般工业机器人而言,用一个示教箱足以指导机器人定位操作,因为利用位置基准一个控制器只控制一只手臂。对于双臂机器人,由于双臂需合作完成零件组装,控制器必须考虑两只手臂以及组装零件产生的相互作用力,光用定位指导是远远不够。可以利用离线编程技术,但是我们需要更敏感的指示方法,因此采用了主从式技术。我们采用两个商业主设备,每个设备都能达到6DOF 的定位输入和 6DOF 的力量输出。因此,控制器需及时在 0.05-0.01s 内为从机器人和主机器人分别提供 15DOF 和 12DOF 反向/ 正向动力。这也正是为什么我们采用基于电脑的控制器的原因。我们将采用运动工程有限公司和实时扩展软件产品有限公司的 windows XP 专业版奔腾处理器,引用控制器的原理和结构。2、双臂机器人的工件定义我们对汽车公司利用双臂机器人系统实现械零件组装的自动化非常感兴趣。而齿轮传动和等速万向接头的组装过程是我们的研究目标。毫无疑问,这两个过程均需要双臂合作才能完成,也就是所谓的“合作性工作” ,所以,单臂机器人无法应用于这些过程。这也是大多数汽车公司在这些过程中未实现自动化的原因之一。在此,对于这两个过程我们不会详述,仅展示一些图片。图 1 显示的是装配输送线,它由很多齿轮和轴组成。图 2 显示的是等速万向接头生产线,它由两个万向接头和轴组成。在 WIA 有限公司,这些都是政府资助的。很多不包含着两个过程的汽车零件的生产线已经实现了自动化。双臂机器人是为实现这两个生产过程自动化而设计的。双臂机器人的高度需达 1.5m 以承受 10kgf,克服转矩 10N.m,使转动速度达 150deg/s,这就要求可重复性达 0.1mm。表 1 列举了双臂机器人要完成目标程序的参数要求。图 1 图 2表 13、机器人设计双臂机器人多种多样,有不同的运动结构,但大多数人形机器人的躯干自由度达 3DOF,手臂自由度达 6DOF。本课题研究的双臂机器人与大多数人形机器人在运动结构上有所不同,虽然它们的自由度相同。图 3 显示了它们之间的区别。大多数人形机器人和人有类似的运动结构,但是我们所研究的双臂机器人的运动结构不同,它的双臂的运动结构和美洲狮的及其相像。我们期望它的动作和人类也不一样。人形机器人 本研究设计的机器人图 3我们设计的双臂机器人要运用于传送组装线和等速万向接头组装线,这要求手臂的末端功能器能 360 度不停旋转。如果双臂机器人的运动结构如图 3 左边所示,那么每只手臂需有一个额外的旋转夹。这样,将会降低其负荷或者需要更强劲的马达系统。因此,选择了图 3 右边所示的运动结构,最后一个接头能使末端功能器实现螺旋运动,是组装线 360 度旋转。另外,这个运动结构还要一个优点,那就是所谓的“解耦” ,反向运动在闭合形式方案下也得以简单表达。这都是我们选择这种运动结构的原因。图 4图 5 双臂机器人设计工具图 4 显示的是机器人右臂的简单草图以及符合表 1 所示参数的设计。为实现工作分析,预备了运动解决方案,并开发了目光鉴定仪和简单的双臂分析工具,以便在制造过程中能够进行运动评估和检查控制计算等。图 5 显示的是双臂机器人的设计工具。4、控制器设计图 6 显示的是控制器的总体构造,它由中心主机,可是控制器,遥控控制器和机器人控制器组成。所有这些控制器均基于电脑系统,并且每个控制器都通过CAN 总线相互连接,控制器间可以实时交流信息。离线编程,视觉系统和遥控控制器不在本研究范围内,在此只介绍机器人控制器。图 6 控制器构造一般的机器人控制器在机器人开发系统中非常实用,它对机器人运动参数和控制参数都起到借鉴作用。相对简单的机器人而言,大多数普通机器人的控制器是可以利用的。但是要开发特殊的机器人,这些控制器则不可用,因为它们没有所谓的“开放式体系结构” 。用户不能存取运动方程式的源编码,所以特殊机器人不能用普通机器人的控制器。目前市场上还没有转为双臂机器人设计的商业机器人控制器,因此,必须先开发双臂机器人的专用机器人控制器。开发双臂机器人的专用机器人控制器有两种方法:开发特殊的控制器板或使用商业运动板。本研究选用了运动工程有限公司的带有 ZMP 网络同步并基于电脑的机器人控制器,此外工业电脑也正在开发中。另外还选用了实时控制器。ZMP 网络同步的运动板是普通的运动板,它采用的是集成计算技术,当多根轴同时工作时,其控制频率就降低了。它一次可控制 4 根 48khz 的轴,32 根 2khz的轴。它有明显的特征那就是将用数位传输运用于马达驱动器上,另外运动工程支持实时操作系统、RTX、RTLinux 的软件驱动。普通运动板没用支持实时操作系统的驱动,所以不能用来组成基于电脑的机器人控制器。RTX 是 windows XP 的一种实时扩展,它的中断等待时间很短(10us) 。RTLinux 是最好的实时操作系统之一,但是对普通用户而言在 Linux 系统中很难开发软件,因此没有选择 RTLinux 系统。大多数电脑用户使用 windows XP,并且已经开发出了很多软件开发包。考虑到市场情况,windows XP 是最好的操作系统,但是,windows XP 不支持实时计算也不是非常稳定的系统,所以,选择了 RTX。RTX 在 windows XP 的基础上增加了实时计算功能。图 7 显示了RTX 的功能4 。图 7 RTX 和 windows产品有限公司说 RTX 在单个 CUP 系统下中断等待时间克达 10us,但是我们的实验结果和他们说的有所出入,因此选择了双核奔腾处理器。如果 CPU 大于两核或是两个 CPU,那么 RTX 能不受 windowsXP 的影响而充分利用单核或者单个 CPU。所以,即使电脑由于蓝屏关机 RTX 也能在测试时保证中断等待时间不少于 2us。用有独自控制运算法则和轴插值的运动板组装基于电脑的机器人控制器,主从控制器的同步性至关重要。RTX 要有自己的计时器,运动板也使用单独的计时器,所以选择了 ZMP 网络同步简单机械雾化油枪3 。ZMP 运动控制器能够以特定频率中断主机,且频率是控制器样品频率的几倍。该主从式中断被称为同步中断。对于需要使控制器和样品所需的计算数据同步的系统,ZMP 固件都有一个主程序标志。这个标志用于显示主机软件正在工作,并将所需的数据传输给 ZMP,它是在主机工作后数据传输前由同步器同步开启的。当所有程序完成后未进入休眠和等待下一个同步前主程序标志会被主机清除。ZMP 软件能在每个周期开始工作前检查主程序标志,如果主程序标志在开始工作时是一个静止的点,那么软件便会在控制对象内设置一个状态位以表示主机未及时完成工作任务。图 9 显示了电脑主机和运动板(ZMP)在是如何同步使用的3。5、总结双臂机器人应用于汽车零件足证过程,它的控制器采用了工业电脑、ZMP运动板、微软 windows XP 和 RTX 技术。介绍了双臂机器人设计理念和运动结构,主机和 ZMP 运动板实现同步的方法以及 RTX 达到最短中断等待时间的方法。图 9 运动板和主机的同步性谢辞感谢 MOCIE 和庆尚南道政府对本研究的大力支持。参考文献1 Mark W. Spong, M. Vidyasagar, Robot dynamicsand control. John wiley & Sons, 19892 John J. Craig, Introduction to Robotics, AddisonWesley, 19893 http:/support.motioneng.com/Software-MPI/Topics/sync_interrupt.htm4 RTX Datasheet, Ardence (www.ardence.com)5 www.yaskawa.com用于汽车零件组装的工业双臂机器人的开发摘要 一般的工业机器人由于只有单只手臂在工作运用中有一定的局限性。尽管某些特殊工业机器人有双臂,但它们是单独工作的。也就是说,每只手臂在控制下按照其基准弹道工作,对工作中的合作性不多以考虑,因此,它们在只能完成简单的合作工作。近来,一些日本汽车生产商对双臂机器人的使用产生了浓厚的兴趣,因为它们能组装汽车零件,而这需要机器人拥有双臂,并且通过位置控制和力控制下能协调合作。我们正致力于开发能组装汽车零件的双臂机器人,其手臂的自由度达 6DOF,整体自由度达 3DOF,手臂负荷达 10kg,可触范围达 1.5m。此参数是为实现 WIA 有限公司和机器人谷有限公司的汽车组装而设计的,并且融合了设计概念。关键词 :双臂机器人 组装 实时操作系统 运动控制器1.简介自面世以来,工业机器人在各工业领域发挥着重要作用。机器人的应用在汽车行业更为显著,如果汽车行业和生产商没有机器人,那后果是无法想象的。但是,目前在很多领域仍没有工业机器人能代替人完成需要双臂操作的工作。一般的工业机器人由于只有单只手臂在工作运用中有一定的局限性。尽管某些特殊工业机器人有双臂,但它们是单独工作的。也就是说,每只手臂在控制下按照其基准弹道工作,对工作中的合作性不多以考虑,因此,它们在只能完成简单的合作工作。近来,一些日本汽车生产商对双臂机器人的使用产生了浓厚的兴趣,因为它们能组装汽车零件,而这需要机器人拥有双臂,并且通过位置控制和力控制下能协调合作5。我们正致力于开发能组装汽车零件的双臂机器人,其手臂的自由度达6DOF,整体自由度达 3DOF,手臂负荷达 10kg,可触范围达 1.5m。此参数是为实现 WIA 有限公司和机器人谷有限公司的汽车组装而设计的,并且融合了设计原理。就一般工业机器人而言,用一个示教箱足以指导机器人定位操作,因为利用位置基准一个控制器只控制一只手臂。对于双臂机器人,由于双臂需合作完成零件组装,控制器必须考虑两只手臂以及组装零件产生的相互作用力,光用定位指导是远远不够。可以利用离线编程技术,但是我们需要更敏感的指示方法,因此采用了主从式技术。我们采用两个商业主设备,每个设备都能达到6DOF 的定位输入和 6DOF 的力量输出。因此,控制器需及时在 0.05-0.01s 内为从机器人和主机器人分别提供 15DOF 和 12DOF 反向/ 正向动力。这也正是为什么我们采用基于电脑的控制器的原因。我们将采用运动工程有限公司和实时扩展软件产品有限公司的 windows XP 专业版奔腾处理器,引用控制器的原理和结构。2、双臂机器人的工件定义我们对汽车公司利用双臂机器人系统实现械零件组装的自动化非常感兴趣。而齿轮传动和等速万向接头的组装过程是我们的研究目标。毫无疑问,这两个过程均需要双臂合作才能完成,也就是所谓的“合作性工作” ,所以,单臂机器人无法应用于这些过程。这也是大多数汽车公司在这些过程中未实现自动化的原因之一。在此,对于这两个过程我们不会详述,仅展示一些图片。图 1 显示的是装配输送线,它由很多齿轮和轴组成。图 2 显示的是等速万向接头生产线,它由两个万向接头和轴组成。在 WIA 有限公司,这些都是政府资助的。很多不包含着两个过程的汽车零件的生产线已经实现了自动化。双臂机器人是为实现这两个生产过程自动化而设计的。双臂机器人的高度需达 1.5m 以承受 10kgf,克服转矩 10N.m,使转动速度达 150deg/s,这就要求可重复性达 0.1mm。表 1 列举了双臂机器人要完成目标程序的参数要求。图 1 图 2表 13、机器人设计双臂机器人多种多样,有不同的运动结构,但大多数人形机器人的躯干自由度达 3DOF,手臂自由度达 6DOF。本课题研究的双臂机器人与大多数人形机器人在运动结构上有所不同,虽然它们的自由度相同。图 3 显示了它们之间的区别。大多数人形机器人和人有类似的运动结构,但是我们所研究的双臂机器人的运动结构不同,它的双臂的运动结构和美洲狮的及其相像。我们期望它的动作和人类也不一样。人形机器人 本研究设计的机器人图 3我们设计的双臂机器人要运用于传送组装线和等速万向接头组装线,这要求手臂的末端功能器能 360 度不停旋转。如果双臂机器人的运动结构如图 3 左边所示,那么每只手臂需有一个额外的旋转夹。这样,将会降低其负荷或者需要更强劲的马达系统。因此,选择了图 3 右边所示的运动结构,最后一个接头能使末端功能器实现螺旋运动,是组装线 360 度旋转。另外,这个运动结构还要一个优点,那就是所谓的“解耦” ,反向运动在闭合形式方案下也得以简单表达。这都是我们选择这种运动结构的原因。图 4图 5 双臂机器人设计工具图 4 显示的是机器人右臂的简单草图以及符合表 1 所示参数的设计。为实现工作分析,预备了运动解决方案,并开发了目光鉴定仪和简单的双臂分析工具,以便在制造过程中能够进行运动评估和检查控制计算等。图 5 显示的是双臂机器人的设计工具。4、控制器设计图 6 显示的是控制器的总体构造,它由中心主机,可是控制器,遥控控制器和机器人控制器组成。所有这些控制器均基于电脑系统,并且每个控制器都通过CAN 总线相互连接,控制器间可以实时交流信息。离线编程,视觉系统和遥控控制器不在本研究范围内,在此只介绍机器人控制器。图 6 控制器构造一般的机器人控制器在机器人开发系统中非常实用,它对机器人运动参数和控制参数都起到借鉴作用。相对简单的机器人而言,大多数普通机器人的控制器是可以利用的。但是要开发特殊的机器人,这些控制器则不可用,因为它们没有所谓的“开放式体系结构” 。用户不能存取运动方程式的源编码,所以特殊机器人不能用普通机器人的控制器。目前市场上还没有转为双臂机器人设计的商业机器人控制器,因此,必须先开发双臂机器人的专用机器人控制器。开发双臂机器人的专用机器人控制器有两种方法:开发特殊的控制器板或使用商业运动板。本研究选用了运动工程有限公司的带有 ZMP 网络同步并基于电脑的机器人控制器,此外工业电脑也正在开发中。另外还选用了实时控制器。ZMP 网络同步的运动板是普通的运动板,它采用的是集成计算技术,当多根轴同时工作时,其控制频率就降低了。它一次可控制 4 根 48khz 的轴,32 根 2khz的轴。它有明显的特征那就是将用数位传输运用于马达驱动器上,另外运动工程支持实时操作系统、RTX、RTLinux 的软件驱动。普通运动板没用支持实时操作系统的驱动,所以不能用来组成基于电脑的机器人控制器。RTX 是 windows XP 的一种实时扩展,它的中断等待时间很短(10us) 。RTLinux 是最好的实时操作系统之一,但是对普通用户而言在 Linux 系统中很难开发软件,因此没有选择 RTLinux 系统。大多数电脑用户使用 windows XP,并且已经开发出了很多软件开发包。考虑到市场情况,windows XP 是最好的操作系统,但是,windows XP 不支持实时计算也不是非常稳定的系统,所以,选择了 RTX。RTX 在 windows XP 的基础上增加了实时计算功能。图 7 显示了RTX 的功能4 。图 7 RTX 和 windows产品有限公司说 RTX 在单个 CUP 系统下中断等待时间克达 10us,但是我们的实验结果和他们说的有所出入,因此选择了双核奔腾处理器。如果 CPU 大于两核或是两个 CPU,那么 RTX 能不受 windowsXP 的影响而充分利用单核或者单个 CPU。所以,即使电脑由于蓝屏关机 RTX 也能在测试时保证中断等待时间不少于 2us。用有独自控制运算法则和轴插值的运动板组装基于电脑的机器人控制器,主从控制器的同步性至关重要。RTX 要有自己的计时器,运动板也使用单独的计时器,所以选择了 ZMP 网络同步简单机械雾化油枪3 。ZMP 运动控制器能够以特定频率中断主机,且频率是控制器样品频率的几倍。该主从式中断被称为同步中断。对于需要使控制器和样品所需的计算数据同步的系统,ZMP 固件都有一个主程序标志。这个标志用于显示主机软件正在工作,并将所需的数据传输给 ZMP,它是在主机工作后数据传输前由同步器同步开启的。当所有程序完成后未进入休眠和等待下一个同步前主程序标志会被主机清除。ZMP 软件能在每个周期开始工作前检查主程序标志,如果主程序标志在开始工作时是一个静止的点,那么软件便会在控制对象内设置一个状态位以表示主机未及时完成工作任务。图 9 显示了电脑主机和运动板(ZMP)在是如何同步使用的3。5、总结双臂机器人应用于汽车零件足证过程,它的控制器采用了工业电脑、ZMP运动板、微软 windows XP 和 RTX 技术。介绍了双臂机器人设计理念和运动结构,主机和 ZMP 运动板实现同步的方法以及 RTX 达到最短中断等待时间的方法。图 9 运动板和主机的同步性谢辞感谢 MOCIE 和庆尚南道政府对本研究的大力支持。参考文献1 Mark W. Spong, M. Vidyasagar, Robot dynamicsand control. John wiley & Sons, 19892 John J. Craig, Introduction to Robotics, AddisonWesley, 19893 http:/support.motioneng.com/Software-MPI/Topics/sync_interrupt.htm4 RTX Datasheet, Ardence (www.ardence.com)5 www.yaskawa.com
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