浅议如何控制工业机器人工作能耗小化

当前国内及国外都针对机器人步态与路径深入研究,但工业的实际应用过程中,机器人自身存在复杂的运动方式,而且机器人本身的运动速度也会影响能耗。工业机器人作为六自由度串联机器人,伺服电机和驱动器是其工作过程中对电能消耗大的部分,这其中肩、轴以及腰关节对于能量消耗大。

相对于发达国家而言,我国工业机器人与之发展差距较大,其主要是由于我国工业机器人起步较晚所致。现阶段,我国在工业机器人方面已经获得了一定的技术突破,但尚未掌握全部核心技术,真正拥有我国自主知识产权的工业机器人较少。所以从整体上看,我国工业机器人技术水平相对较低。此外我国所制造的高精密部件水平在全球范围内不具优势,尽管目前我国在数控机床关键技术与装备及装配自动化机器人、隧道掘进机器人等多个方面都取得了令人瞩目的成就,但相对于发达国家而言,尚存在巨大差距,必须要予以客观看待和重视。

工业机器人实质上是在工业领域应用的多关节机械手或者是具有多自由度的机器装置。一般而言,工业机器人至少需要三个及以上的自由度,复杂机器人中的自由度更高。可以将工业机器人的自由度组成多变量的控制系统,通过多个坐标之间的变换,达到让工业机器人进行动作的目的。在深入分析工业机器人的控制系统后,可以确定其机构运动学和动力学之间存在紧密联系。为了能够将人的意志准确转化为工业机器人的操作,需要通过计算机强化对其的控制,具体需要借助非线性数学模型,应用该模型设置相关模型参数,调整工业机器人的运行状态。需要明确的是工业机器人可以自主选择为合适的路径来完成设置的动作,所以对于高级工业机器人而言,应当借助计算机为其构建相应的数据库,以提高工业机器人对于各个动作的执行质量。

工业生产中所使用的六自由度工业机器人,其底座都是固定无法移动的,腰部按照腰关节的垂直方向进行转动。工业机器人的运动速率、变速时加速度、运动轨迹、电机动态特性、伺服电机控制等因素是影响工业机器人工作耗电量的关键所在。伺服电机是工业机器人在运动过程中的主要耗电源,所以应当从如下几个角度入手解决问题。首先,确定能耗低的工作路径;其次,对工作机器人的流程进行优化,尽可能降低工作机器人的加速次数,并降低加速度;第三,控制工业机器人的运动速度;第四,合理调整与安排工业机器人的动作状态;第五,应用更为先进的电机以提高电脑的转化效率。

工业机器人运行过程中主要需要交流伺服电机、交流伺服电机无线电刷以及转向器等电器和电机,其本身可靠性较高,对于维护保养的要求不高,并且存在定子绕组散热方便和惯量小的特点,可以很好适应高速及大力矩的工作状态。由于此部件是工业机器人运行过程中能耗占用多的部分,所以通过控制伺服电机的能耗,就能够有效降低工业机器人的整体能耗。

快速发展的电子技术有效促进交流伺服电机的改革创新,当前交流伺服电机已经在驱动技术方面取得了令人瞩目的成绩,因此,想要从提升电机性能角度降低能耗,并不能够达到预期目标,所以可以尝试对工业机器人的工作轨迹进行优化来达到降低能耗的目的。除了需要确定佳轨迹之外,还必须要确定与该轨迹匹配合理的速度,以确保工业机器人的整体运动状态都能够满足低能耗要求。惯性也是增加能耗的主要原因之一,相对于机器人匀速运行,其加速或减速状态的能耗更高,所以必须要尽可能减少机器人的加速及减速动作,对其加速及减速运动进行合理安排,达到降低能耗的目的。伺服电机主要由转子与定子两部分共同组成,定子对电机起支撑作用,并固定磁极,而转子则对电动势进行感应。通过二者的配合,将电能转化为机械能。转子工作过程中所受主要作用是电磁转矩,电磁转矩使得机械出现负载转动,可以确定电动机的平衡公式是:Tem=Tm+T0。其中Tem代表交流电伺服电机的电磁转矩,Tm为电机轴的输出转矩,T0为机械损耗、铁芯损耗以及杂损耗所共同产生的空载制动转矩。

相对于机械负载所产生的转矩,工业机器人自身的机械损耗、铁芯损耗以及杂损耗等构成的空载制动转矩要小得多。所以可以直接忽略空载制动转矩,即电动机平衡公式为:Tem=Tm。基于此按照电动机转矩特点,确定电机机械负载制动转矩和电机输电电流的计算公式,终确定工业机器人各关节力矩及伺服电机的大小间关系为:TM =εMTi,进而确定工业机器人不同关节间电流为[I1,I2,I3]T=[TM1/K1,TM2/K2,TM3/K3]T。

工业机器人在运行过程中,其电机一般处于匀速运转状态,在工业机器人进行减速和加速操作的时候,需要为机械臂施加加速度,进而改变机器人的运动状态,所以相对于匀速状态而言,需要消耗更高的能量。机器人在稳定工作状态下,其恒定的转速对于能量消耗较小。可以在此基础上确定机器人消耗的总能量,再应用MATLAB确定能耗小值。在验证计算结果时,需要对大转速对于机器人工作状态限制予以充分考虑,并确定工业机器人的工作时间,终根据所获得的佳路径规划机器人的具体工作流程。

当前我国在工业机器人方面明确了战略发展目标,要基于我国对于先进制造和其自动化的具体要求,积极创新高新技术,向发达国家靠拢,深入研究具有更高水平的工业机器人,并且在系统技术以及产品技术等多个方面都取得了令人瞩目的成就。在未来,工业机器人将会主要向危险作业环境机器人、医学领域机器人以及仿生机器人方面发展。危险工作环境机器人,其主要负责高温及高压环境下的作业与油气管道检测的工作;医学领域机器人主要负责协助开展脑外科手术、骨骼矫正手术等对于精细度要求较高的手术,通过对医学领域机器人的广泛应用,有效避免因人工而产生的误差,切实提高手术精密度;仿生机器人方面,应用该类型机器人可以模拟人类或动物进行相关操作控制。整体而言,我国工业机器人在自动化控制方面将会向着更加智能化、更加低成本、更加可靠以及更加集成化的方向发展。

当前社会经济和科学技术快速发展,在此背景下,工业机器人的功能及技术都得到显著提升,其已经能够很好满足复杂的自动化控制需求。并且随着企业工业生产自动化程度逐渐提升,工业机器人的应用范围也会越来越广泛,有效促进社会经济的继续发展。