快速发展的工业机器人

专家：宋华振 领域：人机界面 行业：包装 日期：12-09-28 10:01 点击数：1453

                            

                            贝加莱工业自动化(上海)有限公司 宋华振

  1 机器人市场的快速成长

   在过去的几年里，工业机器人市场一直保持着较快的增长，主要分为两个方面。

   （1） 工业机器人的应用市场在扩大GGGG传统的机器人的主要应用市场是汽车工业和电子工业，但2011年电子半导体工业对于机器人的需求已经超过了汽车工业，同时，塑料机械、包装机械、金属加工领域的机器人用量也更快的成长，尤其是在包装领域迅猛增长。如图1所示，中国是全球机器人市场增速最快的市场。
 
                 
                                  图1 IFR 2011年机器人市场成长性分析

   （2） 机器人的市场需求量在快速增长2011年，中国工业机器人市场的总体产量达19500台，与2010年相比增长率达51%，这是中国产业升级的集中体现，市场需求正在被释放。

   2 机器人为工业生产所做的贡献

   由于机器人采用更高精度的伺服系统进行定位加工，它能够给生产带来品质的高度一致，即所生产产品更好的质量稳定性，而人工进行的生产则无法保证质量的稳定性，尤其是在大批量生产时。

   （2）成本更低

   过去，由于中国的人工成本较低，因此机器人未得到大的发展。然而，随着人工成本的不断上升，如今一台10年为生命周期的机器人在其10年的工作时间里所消耗的成本仅为一个技师的23%，工业机器人的成本相较于人工成本明显降低，使得市场对于机器人的需求日益迫切。

   （3）提供最大的生产灵活性

   除了能够提升生产的速度和精度，机器人为生产系统带来的最大的贡献则在于其提升了生产系统的柔性，将不同的独立生产单元进行衔接，并且根据订单和工艺的不同而任意调节。

   3 机器人控制技术

   3.1 系统架构设计3.1.1 传统机器人控制系统架构

   传统意义上，机器人不同于定位控制。由于机器人是一个建立在齐次变换库基础上的模型，而此模型又建立在欧拉-拉格朗日方程解析的数学基础上，因此，其算法设计较为复杂，非传统PLC可以实现，通常的系统架构均采用PC+RTOS系统。传统机器人系统均采用RTOS来开发，通常采用工控机加PCI总线的嵌入式系统，即VxWorks运动控制部分可以运行在嵌入式控制卡上，采用RTOS来处理运动任务，而PC则处理显示、监控、操作等任务。

   由于传统的架构在PLC上无法实现机器人的控制而采用了这种解决方案，KUKA、ABB、Staubli均采用专用的系统，总线普遍采用CAN、Profi bus、DeviceNet等现场总线技术。

   3.1.2 开放式架构设计随着PC-Based控制技术的发展，在通用的平台上即可实现对机器人和CNC的算法运行，因此，未来机器人制造商将不依赖于专用的开发系统进行机器人的开发，开放系统包括：开放的通信技术，如Ethernet；开放的设备与交互互联架构OPC UA和XML；开放的硬件平台（Windows+Runtime）；开放的软件开发PLCopen &IEC61131-3；OOP开发平台.Net。

   因此，借助于开放的架构设计，机器人制造商在系统开发时无需专门开发硬件或软件模块，利用已有的功能和技术，可大大降低开发成本。另一方面，机器人开发者将开发重点集中在与客户应用的融合功能上。

   3.2 惯量前馈技术

   惯量前馈技术是应用于高精度和重载型机器人的必然需求，由于重载型机器人在运动过程中产生的惯量变化而产生了机器人的运行抖动，造成机器人运行精度降低，通过惯量前馈技术，机器人可以实现对抖动的消除。

   来自B&R的开放架构设计通过基于建模的方式开发了惯量前馈的算法设计，通过MATLAB/Simulink，机器人的整个运行过程被建模，通过伺服驱动器的电流环前馈来实现快速的定位调节。

   3.3 实时以太网技术

   由于传统的总线如CAN、Profibus、DeviceNet只能实现较低的传输速度和实时性，随着应用对于需求的提升，对数据传输的实时性提出了更高的要求，各种实时以太网技术的发展为此提供了技术实现的基础，其中POWERLINK技术以其高实时性、开源技术获得了诸如Staubli、Comau等知名厂商的应用，SERCOSIII也以其卓越的特性获得了厂商的认可。

   3.4 视觉系统在机器人中的应用
 
                      
                                      图2 高速运行下的机器人借助视觉系统实现快速定位
 
   （1）需求

   机器视觉是提升机器人智能性的一个关键技术，目前，来自Cognex等视觉系统厂商的高速采样技术和处理能力，使得高速运行下的机器人可以借助视觉系统实现快速的定位。

   （2）实现

   图2 高速运行下的机器人借助视觉系统实现快速定位如图2所示，该实现中，由视觉系统提供被加工工件的中心位置、轮廓形状等信息反馈给机器人系统，也可以不断反馈目标位置的信息，例如抓取食品后按照一定的位置编排摆放，就需要对物品本身的定位和对目标位置的物品状态进行排列定位，这使得机器人得到更为智能的应用。

   3.5 机器人的开发平台

   3.5.1 需求的产生

   未来，机器人市场将会得到细分，在控制系统方案提供商、机器人制造商、终端用户之间必然会产生一个衔接环节，即机器人系统实施服务商。在不同行业，对机器人的需求会有所不同，加工过程的工艺也会千差万别。因此，在机器人和应用之间需要一个实施商（SI）来进行各项的衔接，如图3所示。图3 机器人市场细分示意图
 
                       
                                          图3 机器人市场细分示意图 

   3.5.2 模块化的功能设计

   为了响应不同行业加工工艺对于机器人应用需求的差异化，控制系统必须为不同的应用功能提供灵活的软件组态和配置功能，这依赖于模块化的软件设计技术。对于不同的机器人应用，它包含以下几方面：前馈控制功能；变位机；视觉与智能识别；路径优化；防碰撞；安全技术；智能编程；轴测试；… …

   为此，很多厂商提供模块化的机器人设计平台，例如B&R提出了新的MAP it!设计架构，将不同的应用功能进行封装，包括参数设置、语言、诊断等，用户可以根据实际需求进行自我定义，而无需复杂的编程。

   3.5.3 集成开发平台

   由于机器人的应用涉及到OEM厂商的应用开发、系统集成商的二次应用开发和终端客户的现场设备维护与集成等，因此，一个能够涵盖整个机器人应用的完整平台架构是必须的，否则它会给系统开发带来以下困难：

   必须为不同的系统建立软件的接口，这些开发往往会缺乏稳定性；

   工程师必须学习不同的开发工具，因为它增加了系统开发的难度；

   平台的不同，可能意味着一些功能将丧失，例如A公司的硬件支持惯量前馈，而B公司的软件却无法提供算法设计能力。

   目前，在自动化领域里来自B&R的Automation Studio是唯一一个具备这样全局设计能力的开发平台，它具有两个维度的能力：
 
   （1） 满足一个平台，面向所有对象和任务

   CNC & Robotics库（支持SCARA、Tripod、全关节等多种机器人齐次变换库）；定位控制（机器人外的外围工程应用，输送带、裁切等）；液压控制；视觉系统（产品识别、智能路径优化）；安全技术（Safety@Robotics）；仿真分析；IT-Based维护技术（程序远程下载、状态监控）；OPC UA架构（与CIMS、MES、ERP的连接与数据共享）。

   （2） 满足全流程的应用开发需求项目管理(版本管理、配置、EPLAN图纸)；仿真测试（MATLAB/Simulink）；功能封装(C++、OOP开发)；编程(C、C++高级语言开发、IEC61131-3、PLCopen)；系统调试；远程诊断与维护（基于VNC、Web、FTP Server）。

   对于机器人系统而言，Automation Studio是一个非常好的集成开发平台，能够为OEM厂商、SI和End User提供完整的系统开发、应用和维护的服务能力。

   4 中国本土机器人技术开发前瞻

   必须承认，目前国内机器人技术与国际相比尚有较大的差距，KUKA、ABB、Comau、Staubli、Yaskawa等机器人厂商仍然占据着超过80%的市场份额，新松、奇瑞、广州数控等国内制造商走在市场前列，未来，若要赶上国际厂商的脚步，我们必须着眼于以下几方面。

   (1） 构建面向未来的软件开发平台注重机器人的软件开发平台，使得在该平台上能够满足长远的产品开发要求，确保选择合适的开发平台，以便能够支持不同的机器人类型，不同的机器人功能设计需求，以及对安全技术、视觉技术的支持能力持续地提升。选择一个好的开发平台将为未来发展带来诸多好处：无需反复的人员培训与学习；提升代码的重用性，降低开发成本；降低不必要的平台与工具切换成本；长久的技术支持。

   （2） 加强机器人行业应用集成的开发

   未来的市场竞争将变得更加细化，由于各个领域应用的大面积拓展，不同厂商可以选择不同的细分市场进行精心耕耘，其开发必须能够结合行业的实际应用。例如塑料加工可能需要支持EUROMAP的机械手接口，而对于包装工业则需要视觉识别，这些应用的需求可以更多的以软件模块的形式集成在系统中，为客户的实际应用提供方便。过分的贪大求全并不利于深度的积累，加大行业应用的集成开发有助于企业获得更广阔的市场。