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并联机器人数字化设计平台关键技术研究

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  • 发布时间:2014-09-25
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并联机器人也常被称为并联运动机床(ParalelKinematic Machines),由于其具有比刚度大等特点,因此近三十年来,面向不同应用诚的各种并联机器人的创新设计与理论研究-直是机器人学领域研究的热点,并在工业领域里得到了广泛的应用n 。然而并联机器人是-类拓扑结构多样性强、铰链类型众多及部件几何形状复杂的机电系统,其设计过程涉及的数学模型 (运动学、刚体动力学、弹性动力学、柔体与控制耦合等)、设计变量 (尺度、结构、材料、驱动器与控制参数等)以及工艺要求和性能指标等因素众多,实现完整的真实机器设计是-项较复杂的系统工程。

虽然近年来国内外的高校和科研院所围绕并联机构的基础理论研究均取得了较显著的成果,并出现了-些面向并联机器人的数字化设计软件平台,但是仍存在众多问题,例如:1)设计理论与企业设计流程结合不紧密;2)机构学理论设计与真实机器设计之间容易脱节;3)大部分设计软件缺乏通用CAD平台支持,而且缺少设计及不同服役环境需求的插件或拈。

本文以天津大学正在开发的并联机器人数字化设计平台为例,第l节探讨机器人数字化设计方法与流程,第2结探讨数字化设计软件平台构架,3节探讨机器人虚拟数控系统,同时围绕上述关键技术问题和-些机器人企业对数字化设计的实际需求提出若干解决方案,最后进行总结与展望,以期为我国企业提升工业机器人设计能力提供重要借鉴。

1 设计方法与流程的研究现状与探讨虽然关于并联机器人设计的专著和案例分析日渐丰富 ,但是大部分面向并联机构设计的理论方法和流程存在理论与流程之间脱节或结合不紧密的问题。-方面是工程人员通常跳过尺度综合与结构参数设计阶段,根据个人经验直接进行结构设计,在没有合理先验知识时难以获得优化解,未能体现机构学理论在前期设计阶段的价值;另-方面是-些机器人研究学者在机构分析与综合理论方面取得了研究成果但缺少软件平台的支持,难以融入实际设计流程。具体来说,近二十年以来,国内外研究者对并联机器人的速度、加速度、刚度和精度等性能的建模及分析提出了众多理论和方法。例如,基于变分原理和增广螺旋理论的-体化建模理论,完善了许动/受限/驱动/约束线性子空间基底和广义雅可比矩阵的计算流程与算法,可有效地分离影响机器人末端的可补偿/不可补偿位姿误差的来源,并自动获得无量纲雅可比矩阵以构造合理的性能评价指标,可系统化地用于并联机器人的构型综合、尺度综合和参数设计 。然而,这些成果的主要表现形式仍然是学术论文和私有软件,广大机器人科研人员难以获韧快速应用。有鉴于此,我们根据机收稿日期:2013-04-17基金项目:863计划项 目 (2013AA040501)作者简介:李博 (1990-),男,硕士研究生,研究方向为数字化设计技术。

[301 第35卷 第6期 2013-06(上)参l 匐 化器人的典型特征和应用进行分类,提出高速轻载和中速重载两大类并联机器人的数字化设计流程,并考虑以设计流程导航拈的形式固化在以CAD为中心的集成设计平台中。例如,高速轻载机器人设计导航主要涉及刚体动力学建模、动力尺度综合、动态设计、轨迹规划、驱动器/减速器参数选型、控制-多柔体系统仿真、精度分析与综合等拈;中速重载机器人的设计导航主要涉及静刚度建模、静刚度优化设计、刚体动力学建模、动特性校验、驱动器/减速器参数选型、控制.多柔体系统仿真、精度分析与综合等拈。更多细节可参见文献8]和[9]等,限于篇幅,在此不进行展开。

2 平台构架的研究现状与方案研究目前,基于机器人基础理论的研究成果主要集中在概念设计阶段,而采用CAx软件进行机器人设计则主要集中在详细设计阶段,由于从事机器人基础理论与详细设计的研究者之间缺乏共同支撑工具,导致概念设计与详细设计脱节 。此外,在获得机器人基本设计之后,如果缺乏后续的高真实度仿真分析流程和知识库管理工具的支撑,仍难以快速验证真实机构的性能。由于缺乏高度集成的机器人设计平台,机器人典型设计流程中通常需要采用多种软件,致使广大科研人员难以掌握机器人设计技术。

国内外研 究者针对上述问题开展了若干探索。意大利国科院工业技术与 自动化研究所的Bianchi等 在欧盟的资助下从1996年开始开发并联设备虚拟设计平台VPE-PKMAD,并应用于欧盟发展规划框架Manufuture项目中的多种并联设备研制,此后又在MECOMAT项 目中用于机床及重载机器人数字化设计。该平台较好的融合了机器人设计基础理论和CAx软件,利用Matlab/Maple自编代码实现工作空间和机构学指标计算,同时基于ADAMS软件的状态矩阵和静力平衡计算功能,实现刚度预估、工作空间评估、误差分析、灵敏度分析和弹性力学分析,进-步借助有限元软件进行验证和模态分析。但该平台的误差分类与分析功能尚不完整,此外存在刚度预估准确性不高和功能扩展不便等问题。德国不伦瑞克理工大学的Stechert等u、卡尔斯鲁厄理工学院的Munzinger等u副分别针对拈化并联机器人提出了通用模型描述方法和设计框架,利用UG、Matlab、Simpack等软件分阶段实现不同真实度模型的分析,该设计平台特别适合已具有通用拈的并联设备快速设计,但开放性和通用性略有不足。德国杜伊斯堡-埃森大学的Pot和Kecskemethy " 基于Lie群理论和运动静力学传递单元理论建立了位置、-阶运动学、误差分析等分析任务的与坐标系选择无关化流程,并开发了可面向对象编程的MOBILE多体系统分析包,但对工程人员的要求过高,而且 由于分析包为源代码形式,只适合对少数企业开放。此外,德国开姆尼斯大学的Neugebauer等 基于Octave和ANSYS等软件开发了-个切削加工并联机器人的设计平台,但考虑的分析流程较为简化 。加拿大安大略理工大学的Zhang等 5J采用Java语言开发了基于机构运动学和静力学理论的机器人设计平台,但缺少标准化开放接口,不利于扩展。最近,土耳其多库兹爱吕尔大学的Akdag等 叫提出基:Solidworks、CosmosMotion和CosmosWorks应用编程接口二次开发的机器人设计及仿真分析平台,并提供控制代码的快速生成与测试。该平台较好地满足了企业对机器人初步设计的- 般需求,但与机器人真实工作性能分析还有-定距离。清华大学等研究单位在国家863项目等资助下从2002年开始进行了并联类装备虚拟设计系统的开发,主要研究涉及概念设计、运动学设计、整机组合设计、动力学设计、作业仿真和切削性能分析等,并结合产品数据管理(PDM)进行管理,为并联设备的研制流程提供了重要参考 。天津大学的韩海生 利用商业化CAx软件及其接口实现并联机构的较完整分析流程,但未形成独立平台。

另-方面,-些面向-般机电产品建模仿真的通用软件在近年来获得了较大发展,这为机器人设计提供了便利。例如,基于现代多体动力学理论的Recurdyn软件和Samcef件等提供了较丰富的机电建模分析和有限元分析功能 :基于Modelica建模语言的仿真软件 (如Dymola,SimulationX等)则提供了丰富的多领域统-能力,在可重用性和持续性研发方面提供重要支持;更进-步,CATIA和Creo等主流CAx软件也开始集成了Modelica建模分析能力。

鉴于机器人设计平台在高真实度设计和拈化设计方面有着长远需求,建立-套支持机构学、CAD、多体运动学、有限元分析、多领域耦合等领域专家共同参与的设计框架有着重要的价值。我们认为理想的数字化设计平台应提供从概第35卷 第6期 2013-06(上) 31 l 訇 化数控加工仿真系统等皿 删。

2)基于数字化工厂仿真软件及标准接口的虚拟数控系统,例如KUKA、ABB、FANUC等企业都先后开发了符合RRS(Realistic Robot Simulation)接口标准和VRC(Virtual Roobot Controler)接口标准的虚拟控制器,可以集成在Delmia、eMPower等数字化工厂仿真软件中口7I船。其中RRS侧重运动控制功能,而VRC接口增强了软PLC功能和用户界面功能。

3)采用开 源平 台或开放式接 口的虚拟数控系统 。例如支持用户 自定义控制器的软件有VisualComponents、SoftMotion等;此外开源机器人控制包有RCCL、ZER0、oR0C0S、PyMoCo等[3”。从理论上来说,这些控制包都可以实现虚拟数控系统,但是由于涉及的实时系统类型多种多样,代码构造差异大,因此需要进行整合。

对于下-代机器人数字化设计平台,由于重点功能在于机电耦合动力学仿真分析,若采取前两类虚拟数控系统存在诸多不便,因此本文主要介绍如何整合与集成第三类数控系统。

3.2虚拟数控系统方案研究实现虚拟数控系统的关键在于虚拟时间管理和多任务之间的同步。我们选取如下方案:在数字化设计平台中建立虚拟时间管理器 ,而虚拟数控系统则有两种方式:在当前操作系统中采用多线程方式实现多任务;在虚拟机软件中建立数环形缓冲 区线程lT:l00ins 四 译码结果缓冲区 快进:进给率、Ps,Pe直线兰丝 !:生:互控系统,通过时间令牌实现同步,其中计时器可以通过时间令牌计数器进行等效。该方案的优点在于:1)软件框架和控制代码可以利用已有成熟操作系统和软件,例如ROS机器人操作系统、TwinCAT系统等及相应的机器人软件包。2)主要代码可以同时在虚拟控制器和真实控制系统中得到重复使用,减少了学习和维护工作量,有利于机器人项 目的长期发展。因此本研究拟定两种方案:1)基于Python语言并参考PyMoCo包开发,该虚拟控制系统可以运行在Windows和ROS上;2)基于C语言及IEC61 131-3逻辑及控制编程语言标准开发 ,运行在LinuxCNC或TwinCAT系统上,通过以太网通信 (例IOPC和UDP)等方式实现虚拟数控系统与数字化设计平台的协同仿真。本文主要介绍第-种方案。

现有虚拟数控系统的功能只限于运动控制,采用类似RRS的基本原理,即在CAD软件中,启动虚拟数控系统提供的-个虚拟时钟线程,该线程根据虚拟时间和线程优先级发布时间令牌通知其他线程,其他线程则收到对应令牌后执行。其中,线程1实现G代码解释,线程2实现工作空间插补,线程3实现运动学逆解、加减速计算,线程4实现精插补。

为便于理解,以经典的 插补 后加减速控制” (ADCAI)为例介绍机器人虚拟控制器的工作流程,如图2所示。具体的实现过程为:用户首至垫堂堂竺墨鲨纛辄:,( ) 假设rⅡ5:: 线程2, Tl0In0环形缓冲区 ◆ 动撺制指令r--- -骂图2 机器人虚拟数控系统基本工作流程先定义基准长度单元 (BLU)、精插补周期、加减速形式 (如梯形、S型加减速)等参数。然后,用户在CAD软件中绘制运动轨迹 (或定义起始位姿)或者通过虚拟人机操作界面输入G代码。当用户执行虚拟数控程序时,运动程序由解译器解析成数控系统内部指令,并放入运动指令序列缓冲区,再由粗插补拈按给定轨迹类型 (直线、圆虎螺旋线等)、进给速度和粗插补周期计算沿着工作空间轨迹的插补点,将插补点坐标放入粗插补环形缓冲区,再由运动学逆解拈根据插补点生成各关节轴的运动脉冲直方图。对粗插补得到的脉冲直方图与所延减速形式相应的卷积函数进行卷积得到新的运动脉冲直方图。再对直方图进行平滑化精插补∩以对速度进行积分,得到每个精插补周期的关节转第35卷 第6期 2013-06(上) 1331角,放入共享内存环形缓冲区。在每个运动控制周期读取共享内存中的数据进行控制,并可以进行运动学正解误差评估。若出现进给速度波动较大,则可能是由于插补线段过短或粗插补周期过长,可以考虑采用NURBS插补或者更高级的 插补前加减速控制” (ADCBI)进行改善,在此不再展开。

4 结论本文对并联机器人数字化设计平台开发过程中的若干关键技术问题进行了综述,并提出了较有针对性的解决方案。通过数字化设计平台,可以很好地将概念设计理论与多领域物理建模仿真技术结合起来,不仅可以减轻设计人员负担,提高设计水平,同时有望逐步建立可重用组件库和开放式开源平台,实现机器人设计能力的可持续性发展,将对我国工业机器人的发展起到积极的促进作用。

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