اجزای عملکردی، ویژگی ها و الزامات سیستم های ربات صنعتی

ربات صنعتی مجموعه ای از ماشین آلات، الکترونیک، کنترل، کامپیوترها، حسگرها، هوش مصنوعی و سایر فناوری های پیشرفته چند رشته ای در یکی از صنایع تولیدی مدرن در تجهیزات اتوماسیون مهم است. رباتیک، فناوری CNC و فناوری PLC به عنوان سه فناوری اصلی پشتیبانی برای اتوماسیون صنعتی شناخته می شوند. فناوری رباتیک و محصولات آن به سرعت در حال توسعه هستند و به ابزارهای اتوماسیون سیستم های تولید انعطاف پذیر (FMS)، اتوماسیون کارخانه (FA)، سیستم تولید یکپارچه کامپیوتری (CIMS) و همچنین بخش مهمی از کارخانه هوشمند صنعت 4.0 تبدیل شده اند.

1. ترکیب سیستم ربات صنعتی و شاخص های عملکرد

1) ترکیب سیستم ربات صنعتی

یک ربات صنعتی یک دستگاه-چند مفاصل یا چند{1}}دستورالعملی-درجات-دستگاهی است که در زمینه صنعتی جهت‌گیری دارد، که می‌تواند کار را به صورت خودکار انجام دهد و نوعی ماشین است که برای تحقق عملکردهای مختلف به قدرت و توانایی کنترل خود متکی است. می‌تواند فرمان انسان را بپذیرد، یا طبق یک برنامه از قبل برنامه‌ریزی‌شده-روبات‌های صنعتی مدرن را اجرا کند، همچنین می‌تواند بر اساس فناوری هوش مصنوعی برای توسعه اصل عمل برنامه باشد. یک ربات صنعتی معمولی در شکل 1 نشان داده شده است. ربات های صنعتی را می توان با توجه به سطح توسعه فناوری به سه نسل تقسیم کرد: نسل اول ربات های تولید مثل نمایشی، نسل دوم ربات های ادراکی و نسل سوم ربات های هوشمند.

نسل اول ربات های صنعتی از نظر ساختار خارجی از سه قسمت اصلی اپراتور (یا بدنه ربات)، کنترل کننده و نمایشگر تشکیل شده است. برای نسل دوم و سوم ربات‌های صنعتی همچنین شامل سیستم ادراک و تجزیه و تحلیل و سیستم تصمیم‌گیری است که به ترتیب توسط حسگرها و نرم‌افزار محقق می‌شوند.

(1) اپراتور:بدنه اصلی دستگاه که برای انجام وظایف عملیاتی مختلف استفاده می شود که عمدتاً شامل یک بازوی رباتیک، یک واحد محرک، یک واحد انتقال و حسگرهای داخلی است.

(2) کنترل کننده:این دستگاهی است که بدنه ربات را کنترل می کند تا اقدامات خاصی را طبق دستورالعمل ها و اطلاعات حسگر انجام دهد که بخش کلیدی برای تعیین عملکرد و عملکرد ربات و همچنین سریع ترین قسمت به روز رسانی و توسعه ربات صنعتی است.

(3) معلم:این رابط تعامل انسان{0}}روبات است که از طریق آن اپراتور می‌تواند ربات را برنامه‌ریزی کند یا به صورت دستی ربات را دستکاری کند تا حرکت کند.

ربات‌های صنعتی از نظر عملکردی از 3 بخش اصلی و 6 زیرسیستم تشکیل شده‌اند. 3 بخش‌های اصلی بخش مکانیکی، بخش کنترل و بخش حسگر. 6 زیرسیستم‌ها عبارتند از: سیستم محرکه، سیستم ساختار مکانیکی، سیستم تعامل انسان-سیستم تعامل ماشین، سیستم کنترل، سیستم حسگر و سیستم تعامل محیطی{5}.

2) شاخص عملکرد ربات صنعتی

شاخص عملکرد ربات های صنعتی داده های فنی ارائه شده توسط سازنده ربات در زمان تحویل محصول است که منعکس کننده دامنه کاربرد و عملکرد کاری ربات است که هنگام انتخاب ربات باید در نظر گرفته شود. اگرچه داده های فنی ارائه شده توسط سازنده ربات دقیقاً یکسان نیست، ساختار ربات های صنعتی، برنامه های کاربردی و نیازهای کاربر یکسان نیست، اما شاخص های اصلی عملکرد آن به طور کلی عبارتند از: درجه آزادی، دقت کار، محدوده کاری، بار نامی، حداکثر سرعت کار.

توجه به این نکته مهم است که یک ربات ممکن است در محدوده عملیاتی خود دارای تکینگی باشد. تکینگی ها نقاطی هستند که مفاصل درجاتی از آزادی را در جهات خاصی به دلیل محدودیت در ساختار ربات از دست می دهند. تکینگی ها معمولاً در لبه های فضای کاری یافت می شوند و زمانی که تکینگی ها با هم گروه بندی می شوند، به آنها «خلأ» گفته می شود. هنگامی که ربات نزدیک یک تکینگی حرکت می کند، نگرش مفاصل به دلیل از دست دادن تدریجی درجات آزادی، به شدت تغییر می کند که منجر به بار زیادی بر روی سیستم محرک و اضافه بار می شود. بنابراین، برای ربات‌های دارای تکینگی، محدوده عملیاتی آنها نیز نیاز به حذف تکینگی‌ها و حفره‌ها دارد.

2. کنترل ربات های صنعتی

1) ویژگی ها و الزامات کنترل ربات صنعتی

حرکات مفاصل اکثر ربات‌های صنعتی مستقل از یکدیگر هستند و برای دستیابی به دقت موقعیتی -عملگر انتهایی ربات، هماهنگی چندین مفصل لازم است. بنابراین، سیستم کنترل ربات صنعتی پیچیده تر از یک سیستم کنترل معمولی است و دارای ویژگی های زیر است:

(1) اساساً یک سیستم غیر خطی است.

(2) این یک سیستم کنترل چند متغیره است که از چندین مفصل تشکیل شده است و بین مفاصل جفت وجود دارد.

(3) این یک سیستم متغیر زمانی- است که پارامترهای دینامیکی آن با تغییر موقعیت حرکت مفصل تغییر می‌کند.

(4) اندازه گیری و تجزیه و تحلیل شرایط محیطی و دستورالعمل های کنترل و انتخاب خودکار بهترین قانون کنترل الزامی است.

(5) دارای دقت موقعیت یابی قابل تکرار بالا و استحکام سیستم خوب است.

(6) بیش از حد موقعیت مجاز نیست، در غیر این صورت ممکن است برخورد رخ دهد و پاسخ دینامیکی باید سریع باشد.

با توجه به اینکه کنترل ربات صنعتی دارای ویژگی های فوق می باشد، هنگام طراحی سیستم کنترل ربات صنعتی باید الزامات اساسی زیر رعایت شود:

(1) کنترل هماهنگ حرکت چند محوره برای ایجاد مسیر کاری مورد نیاز.

(2) دقت موقعیتی بالا، محدوده سرعت زیاد.

(3) نرخ دیفرانسیل استاتیکی سیستم باید کوچک باشد، یعنی سیستم باید استحکام خوبی داشته باشد.

(4) موقعیت بدون بیش از حد، پاسخ پویا سریع.

(5) کنترل شتاب و کاهش سرعت مورد نیاز است.

(6) ضریب خطای سرعت هر مفصل باید تا حد امکان سازگار باشد.

(7) از نقطه نظر عملیات، سیستم کنترل باید دارای یک رابط انسانی خوب-ماشین باشد که الزامات اپراتور را به حداقل برساند.

(8) از نظر هزینه سیستم، لازم است تا حد امکان هزینه های سخت افزاری سیستم کاهش یابد و برای بهبود عملکرد سیستم کنترل از روش های سروو نرم افزاری بیشتر استفاده شود.

2) حالت کنترل ربات صنعتی

از ویژگی های کنترل و الزامات کنترل ربات های صنعتی، تحقق کنترل ربات های صنعتی شامل تعدادی عناصر است که عمدتاً به کنترل لایه پایینی ربات و کنترل لایه بالایی تقسیم می شوند. در میان آنها، کنترل لایه پایین شامل بدنه ربات (یعنی قسمت مکانیکی)، بخش مدار محرک، بخش حسگر و استراتژی کنترل (به عنوان مثال، کنترل PID) است. کنترل لایه بالایی شامل تجزیه و تحلیل حرکت ربات، برنامه ریزی مسیر و بخش نرم افزاری ربات است [4]. با توجه به روش های مختلف طبقه بندی، کنترل ربات را می توان به روش های مختلفی طبقه بندی کرد. با توجه به شی کنترل شده را می توان به کنترل موقعیت، کنترل سرعت، کنترل نیرو، کنترل گشتاور، کنترل هیبریدی نیرو/موقعیت، و غیره تقسیم کرد. اینها عمدتاً کنترل لایه پایین هستند و روش های کنترل اصلی اکنون توضیح داده شده است.

(1) کنترل موقعیت ربات صنعتی:هدف این است که اتصالات ربات به -حرکت از پیش برنامه ریزی شده تحقق یابد و در نهایت اطمینان حاصل شود که افکتور انتهایی ربات صنعتی- در امتداد مسیر از پیش تعیین شده حرکت می کند، معمولاً از سیستم سروو AC یا سیستم سروو DC برای دستیابی به آن استفاده می کند.

(2) کنترل نیروی انسانی (گشتاور) ماشین آلات صنعتی:نیاز به تجزیه و تحلیل فاکتور انتهایی ربات-و محیط وضعیت محدودیت‌ها و با توجه به محدودیت‌ها برای توسعه استراتژی‌های کنترلی. علاوه بر این، باید یک سنسور نیرو در انتهای ربات نصب شود تا نیروی تماس بین ربات و محیط را تشخیص دهد. سیستم کنترل این اطلاعات نیرو را مطابق با{3}استراتژی کنترل از پیش تعیین شده پردازش می‌کند، و سپس ربات را برای انجام عملیات در محیط نامشخص که با آن محیط سازگار است، کنترل می‌کند تا ربات بتواند وظایف عملیاتی پیچیده را انجام دهد.

(3) کنترل سرعت روبات صنعتی:معمولاً به طور همزمان با کنترل موقعیت متوجه می شود. به عنوان مثال، در حالت کنترل مسیر پیوسته، ربات‌های صنعتی باید سرعت قطعات متحرک را کنترل کرده و شتاب و کاهش سرعت را طبق دستورالعمل‌های از پیش تعیین‌شده اعمال کنند تا شرایط حرکت نرم و موقعیت‌یابی دقیق را برآورده کنند. از آنجایی که ربات صنعتی یک نوع متغیر شرایط کاری (یا بار سفر) است، ماشین‌آلات حرکتی بزرگ بار اینرسی، برای مقابله با تضاد بین سریع و صاف، باید شتاب و کاهش سرعت شروع را قبل از توقف بخش دو حرکت انتقالی کنترل کند. و در کل فرآیند حرکت معمولاً کنترل سرعت ضروری است.

3) کنترل هوشمند ربات های صنعتی

روش کنترل هوشمند ربات‌های صنعتی عمدتاً به عملکرد در شرایط نامشخص یا نامشخص اشاره دارد، ربات باید اطلاعاتی در مورد محیط اطراف از طریق حسگرها به دست آورد، با توجه به پایگاه دانش داخلی خود تصمیم‌گیری کند و سپس محرک‌های مختلف را کنترل کند تا وظیفه داده شده را که متعلق به سطح بالای کنترل ربات است، به طور مستقل انجام دهد. اگر از فناوری کنترل هوشمند استفاده شود، ربات سازگاری محیطی قوی و توانایی یادگیری خود{1} خواهد داشت. روش های کنترل هوشمند ارتباط نزدیکی با توسعه هوش مصنوعی مانند شبکه های عصبی مصنوعی، الگوریتم های فازی، الگوریتم های ژنتیک، سیستم های خبره و غیره دارد. کاربرد الگوریتم های شبکه عصبی در ربات های متحرک به عنوان مثال برای نشان دادن ترکیب ربات های کنترل هوشمند و صنعتی استفاده می شود.

با در نظر گرفتن ربات متحرک نشان داده شده در شکل به عنوان مثال، دوربین در بالای ربات متحرک نصب شده است تا تصویر سه بعدی- مانع به دست آید. یک مجموعه حسگر اولتراسونیک در جلوی ربات متحرک (مستقیم در زیر دوربین) نصب شده است تا اطلاعات فاصله بین مانع و ربات متحرک را بدست آورد.

ادغام اطلاعات حسگر بصری و مافوق صوت با استفاده از روش‌های شبکه عصبی و خروجی به سطح بعدی برای تشخیص نوع مانع انجام می‌شود، که ربات متحرک را قادر می‌سازد هنگام راه رفتن در یک محیط نامشخص از موانع اجتناب کند و توانایی ناوبری خود را بهبود بخشد. مراحل اصلی ربات های صنعتی برای استفاده از اطلاعات هوشمند برای تصمیم گیری یکپارچه برای اجتناب از موانع به شرح زیر است:

(1) در حالی که ربات در حال سفر است، سیستم محدوده در فواصل زمانی کوتاهی تشخیص محیطی را انجام می دهد تا تعیین کند که آیا ربات متحرک نیاز به کاهش سرعت دارد و آیا نیاز به نمونه برداری از دوربین CCD بر اساس اطلاعات فاصله در مورد مانع به دست آمده توسط حسگر اولتراسونیک دارد یا خیر.

(2) هنگامی که فاصله مانع از ربات متحرک همانطور که توسط سیستم محدوده تشخیص داده می شود متوسط ​​باشد، سرعت ربات کاهش می یابد. هنگامی که فاصله مانع از ربات متحرک نزدیک است، یک تصویر دو بعدی از مانع مورد نظر از دوربین CCD گرفته می شود و مختصات لبه های چپ و راست آن استخراج می شود.

(3) اطلاعات مربوط به مانع به دست آمده از حسگر اولتراسونیک و دوربین CCD گروه بندی و پیش پردازش شده و برای همجوشی به کنترل کننده شبکه عصبی BP ارسال می شود.

(4) کنترل‌کننده شبکه عصبی BP که با دانش اجتناب از موانع از قبل آموخته شده است، با توجه به اطلاعات جمع‌آوری‌شده توسط حسگرهای چند{2} خارجی، تصمیم مربوط به اجتناب از موانع را می‌گیرد و از موانع اجتناب می‌کند.

مراجع

[1] ژو هونگ کیان. فناوری ربات صنعتی [M]. پکن: مطبوعات صنعت ماشین آلات، 2019. [2] چن وانمی. فناوری کنترل ربات [M]. پکن: مطبوعات صنعت ماشین آلات، 2017. [3] Guo Tongying، An Dong. رباتیک و کنترل هوشمند آن [M]. پکن: مطبوعات پست ها و ارتباطات مردمی، 2014. [4] ژانگ شیانمین. رباتیک و کاربرد آن [M]. پکن: مطبوعات صنعت ماشین آلات، 2017. [5] ژانگ شین شینگ. مبانی کاربرد ربات صنعتی [M]. پکن: انتشارات موسسه فناوری پکن، 2017.