中科新松有限公司在第一代協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計和研發(fā)中整合了Elmo的終極多軸運動控制解決方案

中國的機(jī)器人公司“新松”全面采用Elmo終極的運動控制解決方案作為第一代協(xié)作機(jī)器人的最新設(shè)計，該設(shè)計解決了新一代產(chǎn)品研發(fā)中遇到的諸多挑戰(zhàn)。

想象一下一個機(jī)器人完美地模擬一位太極拳大師的動作，動作精準(zhǔn)、平滑、充滿力感。

考慮一下在真實的工廠里面一個集成協(xié)作機(jī)器人與人類員工合作的重要意義，這種協(xié)作還要滿足嚴(yán)苛和強(qiáng)制的安全約束條件。

采用了Elmo獨一無二的、高級的伺服驅(qū)動技術(shù)，這家在中國機(jī)器人和自動化領(lǐng)域領(lǐng)先的公司剛剛完成第一代人機(jī)協(xié)作的工廠自動化機(jī)器人的自主研發(fā)。

Elmo提供了超小型、功能強(qiáng)大的基于網(wǎng)絡(luò)型的伺服驅(qū)動器，這些驅(qū)動器直接安裝在關(guān)節(jié)上。

這一應(yīng)用體現(xiàn)了Elmo驅(qū)動器在諸多方面的獨有優(yōu)勢，如效率、堅固程度、省空間、最少電纜用量、低EMI指數(shù)和整個系統(tǒng)可靠性的提升。在設(shè)計制造復(fù)雜的7軸協(xié)作機(jī)器人的時候，使用雙閉環(huán)控制和采用高分辨率絕對值編碼器獲得最優(yōu)伺服性能只是眾多挑戰(zhàn)中的一部分。Elmo在高端機(jī)器人領(lǐng)域里的應(yīng)用實例可以作為客戶在研發(fā)過程中追求最高多軸運動控制性能時的指導(dǎo)性參考。

摘要

協(xié)作機(jī)器人被設(shè)計用來與人在工廠生產(chǎn)線上緊密協(xié)同工作，這一趨勢正變得越來越普遍。

在人機(jī)協(xié)作的環(huán)境中，這些機(jī)器人被用來去完成高速、高精度的任務(wù)。使用相機(jī)、力傳感器和其他感知元件，這些機(jī)器人可以感知人的存在并做出相應(yīng)動作避免對人的傷害，有的時候機(jī)器人的動作會完全停下來。

設(shè)計協(xié)作機(jī)器人通常是用來靈活地處理小的零件，進(jìn)行一些輔助性工作如安裝消費類電子器件，而不是用來完成重載任務(wù)如搬運重物，焊接或者噴漆等。

典型的協(xié)作機(jī)器人的結(jié)構(gòu)都相對小巧和輕便，盡管如此它還是有能力提升相對重的負(fù)載,提升重量可達(dá)100kg.

除了具有動作靈巧的特點，協(xié)作機(jī)器人還需要具備感知零件是否準(zhǔn)確安裝的能力，這一特點在前幾代重型工業(yè)機(jī)器人身上是不可想象的。

老一代傳統(tǒng)6關(guān)節(jié)機(jī)器人在移動它們的關(guān)節(jié)時扭矩比較大，容易對接近的人員造成傷害。

新一代機(jī)器人具備一個附加關(guān)節(jié)或自由度。

與傳統(tǒng)的6關(guān)節(jié)機(jī)器人相比，7關(guān)節(jié)機(jī)器人可以以多角度伸展機(jī)械臂接近一個特定的原件，因而可以避免觸碰人員，繼續(xù)執(zhí)行工作任務(wù)。

此外，運動學(xué)冗余對于在一個特定的空間內(nèi)操作幾個機(jī)器人也是很有用處的，因為運動干涉很容易處理。

協(xié)作機(jī)器人另一個額外特點是可以力矩感知、控制和限制。機(jī)器人感知外部極小的力矩變化并做出反應(yīng)避免碰撞。

在有些情況下，力矩傳感器被放置在電機(jī)減速箱的后面來直接檢測外部力矩的任何快速增加的變化， 而其他時候，機(jī)器人需要輸出一定扭矩去提升負(fù)載和把負(fù)載從一個位置移動到另一個位置。

當(dāng)機(jī)器人識別出運動過程中一個異常扭矩增加值，如碰撞，會自動停下來。

碰撞檢測和規(guī)避機(jī)制的另外一個特點是當(dāng)接觸到物體或人員時進(jìn)行工作模式轉(zhuǎn)換，從非柔性全速模式(循環(huán)同步位置模式或循環(huán)同步速度模式)轉(zhuǎn)換到力矩模式(循環(huán)同步力矩模式)。

柔順的循環(huán)力矩模式使得人員可以用手很輕易地推開機(jī)械手臂。機(jī)器人可以在觸碰物體時自動進(jìn)入柔順模式，或者在全速模式下運行。

另一個重要模式是示教模式，在這個模式下，操作人員移動機(jī)械手臂到預(yù)定位置，Elmo控制器記錄下這些位置點以便在正常操作模式下復(fù)現(xiàn)設(shè)定軌跡。

值得一提的是，在示教過程中，Elmo的方案提供了令人難以置信的敏感性和分辨率。示教過程簡單，系統(tǒng)操作人員無需具備超強(qiáng)的編程能力，真正實現(xiàn)無編程運動控制的實現(xiàn)。

Elmo的解決方案

伺服驅(qū)動器：

Elmo的超小體積、性能強(qiáng)大的伺服驅(qū)動器被用來完成這項挑戰(zhàn)任務(wù)。

伺服驅(qū)動器直接安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上，保證了機(jī)器人尺寸小巧結(jié)構(gòu)緊湊。

兩個大功率的超小體積驅(qū)動器Gold SOLO GUITAR用來驅(qū)動兩個基礎(chǔ)關(guān)節(jié)電機(jī)，以支撐整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的運轉(zhuǎn)。

這款驅(qū)動器的持續(xù)50Amp和峰值100Amp的電流輸出能力足以驅(qū)動電機(jī)在高速、高加速度和高減速度的狀況下運行。

此外，五個迷你型Gold SOLO WHISTLE驅(qū)動器可以輸出持續(xù)20Amp和峰值40Amp電流，用以驅(qū)動另外五個關(guān)節(jié)。

系統(tǒng)里的每個驅(qū)動器既可以在高速、高加減速情況下運行，又可以在低速情況下運行，并且都能保證極高的精度和準(zhǔn)確性。用同一款驅(qū)動器實現(xiàn)反差如此巨大的高低速操作是得益于驅(qū)動器1:2000的動態(tài)電流范圍和非常寬的帶寬響應(yīng)。

一個驅(qū)動器物理尺寸足夠小到能直接安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上，幾乎是這種復(fù)雜機(jī)器人項目的唯一選擇。

把驅(qū)動器放置在離編碼器反饋足夠近的地方可以節(jié)省電纜，減少干擾影響，獲得比較低的EMI和RFI指標(biāo)，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提升。

另一個讓驅(qū)動器更易集成進(jìn)關(guān)節(jié)的特性是驅(qū)動器固有的堅固性，可以承受關(guān)節(jié)內(nèi)極高的機(jī)械加減速度。

Elmo應(yīng)用工具

Elmo高級且易用的配置工具，EASII軟件，可以幫助客戶調(diào)試網(wǎng)絡(luò)中的每個軸，達(dá)到最優(yōu)的伺服性能。

系統(tǒng)辨識、合適的控制器設(shè)計、使用高階濾波器克服機(jī)械系統(tǒng)缺陷等可以提升系統(tǒng)獲得最優(yōu)伺服性能，這僅僅是這個工具的一部分功能。

此外，使用帶特殊位置分組增益的簡單、高級的系統(tǒng)辨識方法進(jìn)行多軸系統(tǒng)辨識可以消除不同軸之間的交叉影響。在這個應(yīng)用中還用到了更多其他具有特色的功能，最終目標(biāo)是獲得最高帶寬、最快的響應(yīng)時間，同時保證機(jī)器人運行穩(wěn)定、平滑，并且具有很高的裕度。

系統(tǒng)里的每個軸采用雙閉環(huán)控制算法來提高減速機(jī)后端關(guān)節(jié)末端位置的定位精度。

增量式編碼器和Hall元件作為速度環(huán)反饋置于減速箱前端，19位高分辨率絕對值編碼器作為負(fù)載末端位置反饋，這樣的用法只是Elmo金線系列驅(qū)動器的一個標(biāo)準(zhǔn)用法。

雙閉環(huán)控制算法可以提升伺服電機(jī)性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

Elmo提供PCB插針安裝式驅(qū)動器，也可以同時配套提供接口轉(zhuǎn)接板，這允許客戶通過轉(zhuǎn)接板連接EtherCAT總線、IO和編碼器反饋。

白金版Maestro,終極多軸運動控制器

控制整個系統(tǒng)的是Elmo高級的多軸運動控制器P-MAS,通過實時串行EtherCAT總線在250us內(nèi)同步16個軸(最短可現(xiàn)實100us內(nèi)同步8個軸)。

Elmo的高級多軸運動控制器P-MAS可以提供內(nèi)容豐富的機(jī)器人運動學(xué)功能，例如Cartesian, SCARA,3-Link,Delta等等，使用這些功能就可以很容易應(yīng)對機(jī)器人應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

內(nèi)置的運動學(xué)功能支持MCS(機(jī)器坐標(biāo)系)和PCS(產(chǎn)品坐標(biāo)系)，在翻轉(zhuǎn)、傳送和其他外部裝置中可以實現(xiàn)完全同步。

此外，P-MAS為客戶應(yīng)用預(yù)留了一個實時內(nèi)核。這部分內(nèi)核允許機(jī)器人開發(fā)用戶編寫自己特殊的運動學(xué)轉(zhuǎn)換方程，這一功能使得P-MAS支持任何高端的機(jī)器人，幾乎不受類型限制，因為客戶可以針對應(yīng)用編寫自己的運動學(xué)功能。

對于這種在250us總線循環(huán)時間內(nèi)完成機(jī)器人運動學(xué)正逆解計算的應(yīng)用必須使用基于四核強(qiáng)大處理器的多軸運動控制器P-MAS。

運動學(xué)方程解算是在用戶實時應(yīng)用程中進(jìn)行的，計算系統(tǒng)中所有軸的目標(biāo)位置、目標(biāo)速度或扭矩并在每個EtherCAT總線周期輸出。

DS-402協(xié)議中的循環(huán)同步模式是Elmo的EtherCAT版本驅(qū)動器的內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)操作模式。

在P-MAS和上位主機(jī)、PLC或HMI之間多種標(biāo)準(zhǔn)和專門的通訊協(xié)議使得P-MAS與第三方設(shè)備通訊變得十分容易，如觸摸屏、手操板、PLC和PC機(jī)等。

與上位主機(jī)的通訊能力如Ethernet, TCP/IP和UDP協(xié)議，快速的二進(jìn)制協(xié)議如MODBUS和Ethernet/IP, 使得與上位主機(jī)之間的通訊變得快速而有效。

機(jī)器人工作在兩種模式，第一種是示教模式，第二種是工作模式。

在示教模式下，操作人員可以沿著需要的工作路徑移動機(jī)器人手臂到一些關(guān)鍵位置點上，在移動過程中多軸運動控制器記錄下相關(guān)的位置點以便在工作模式下復(fù)現(xiàn)工作路徑。

在示教模式下伺服驅(qū)動器是運行在同步循環(huán)力矩模式。除了目標(biāo)力矩命令外，多軸運動控制器還會輸出額外的補(bǔ)償力矩去克服重力、機(jī)器人動力學(xué)等阻抗因素，維持拖拽過程平滑。

這種復(fù)雜機(jī)器人解決方案的亮點之一就是整個示教過程對一個不會編程的操作人員來說十分簡單，大部分工作不需要具有編程經(jīng)驗或技巧就可以完成。

第二種操作模式就是正常工作模式，在這種模式下多軸控制器根據(jù)機(jī)器人的運動學(xué)模型來計算七個軸的目標(biāo)位置和速度(DH矩陣逆解)，如果必要的話，基于機(jī)器人動力學(xué)模型的補(bǔ)償力矩會被加到總的輸出力矩中。伺服驅(qū)動器是工作在循環(huán)同步位置模式或者循環(huán)同步速度模式，接收目標(biāo)位置/速度命令和力矩偏置命令。

方案亮點

?無可匹敵的伺服驅(qū)動器性能

?可以做到250us內(nèi)16個軸完全同步和坐標(biāo)運動

?小體積、高功率的伺服驅(qū)動器直接安裝在關(guān)節(jié)上

?超大動態(tài)電流范圍適于高速和高精度

?雙閉環(huán)控制性能

?支持多種反饋(增量式編碼器和絕對值編碼器)

?使用性能強(qiáng)大的多軸控制器實現(xiàn)同步和機(jī)器人運動學(xué)計算

?快速、實時的EtherCAT總線網(wǎng)絡(luò)

?最優(yōu)的伺服驅(qū)動器性能—高帶寬帶來的就是快速的響應(yīng)時間

?功能強(qiáng)大的EASII軟件使機(jī)器人的配置和實施變得很容易

?最高效率和極致的穩(wěn)定性

?堅固耐用，驅(qū)動器可以安裝在任何位置

?RFI很低的EMI和RFI指數(shù)

總結(jié)

對于中科新松有限公司最新一代科技產(chǎn)品協(xié)作機(jī)器人來說，Elmo的智能、小體積和簡單易用的伺服和運動控制解決方案大大提升了其產(chǎn)品的性能，并且增強(qiáng)了產(chǎn)品的功能性。