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微自动化六轴机器人

微自动化六轴机器人

一个微型自动化六轴机器人需要多大的空间?

如果想用微型自动化的六轴机械臂,如麦科的Meca500在本教程中作为示例使用,您很可能对定位和定向机器人的工具(末端执行器)Meca 500六轴机器人不同的位置。因此,您肯定希望知道安装在特定六轴机械臂上的特定末端执行器能够到达的位置集。您可能会要求某种图表来显示机器人的“工作区域”、“工作体积”、“工作范围”或“工作范围”。不幸的是,您经常会看到一个简单的图,就像这里显示的那样,或者更糟,有所谓的达到的机器人。
在机器人技术中,你要找的合适术语是工作空间。距离就是机器人之间的最大距离手腕中心(机器人最后三个关节轴的交点)与关节1轴的交点。上图中的灰色区域是关节1旋转时手腕中心所能达到的区域。这个区域,或者甚至绕关节1的轴旋转这个区域所扫过的体积,都不是机器人的工作空间。绝对不能保证使用特定末端执行器的工具提示就能达到这个体积中的某个位置,更不用说以任何方向达到那个位置了。事实上,如果你安装一个相对较长的末端执行器,你将无法从这个体积到达工具尖端的任何位置。
微自动化六轴机器人的工作空间是安装在该机器人上的特定末端执行器所能达到的所有姿态(位置和方向)的集合。因此,(1)没有人能告诉你一个特定的六轴机械臂的工作空间是什么,除非你指定你想要使用的末端执行器是什么,(2)工作空间是一个通常不可能用图形表示的六维实体。

六轴机器人的工作空间是安装在该机器人上的特定末端执行器所能达到的所有姿态的集合。

当然,在机器人领域,图形表示也有一些例外。如下所示的六轴笛卡尔机器人的工作空间很容易描述,但仅适用于特定的工具提示选择。事实上,如果机器人末端执行器的工具提示与三个转动关节的轴的交点重合,那么这个微型自动化六轴机器人可以在黄色长方体内的任何位置定位它的工具提示,并且绝对可以有任何的工具方向。

一个笛卡尔六轴机器人的例子

唉,由于各种实际原因,绝大多数六轴工业机器人都不是笛卡尔式的。例如,上面的笛卡尔机器人在定位方面有一个非常小的工作空间。典型的六轴机械臂,通常被奇怪地称为垂直的机器人,由7个连杆(机构)组成,通过6个驱动的转动关节串联。第一个主体是机器人的基座,最后一个主体是机器人的基座法兰(也称为机械接口)。而且,第一个关节的轴是垂直的,关节2和关节3的轴是水平的,关节4的轴垂直于关节3的轴,最后三个关节的轴通常相交于一点。
虽然工业机器人的手臂通常不需要任何工具,但末端执行器(如夹持器或触摸探头)最终会附着在机器人的法兰上。然后用户必须关联一个工具坐标系,固定在这个末端执行器上。这个工具参考系是根据法兰参考系。工具参考系的原点称为TCP(工具中心点)。最终,你必须对机器人的姿态感兴趣基地参考系,机器人可以带一个特定的工具参考系。因此,机器人的工作空间是机器人的工具参照系所能达到的位姿集合。
在一个典型的微型自动化六轴机械臂中,例如我们的Meca500,无论末端执行器是什么,对于TCP的每个可行位置,由于机械干涉、关节限制和连杆长度限制,可实现的刀具方向范围是完全不同的。在典型的六轴机器人手臂的定位和定向能力之间的高度耦合之上,这些机器人有所谓的奇异点。在奇异点,机器人不能向特定的方向移动。这是一个物理障碍,而不是某种数学问题,而且绝对所有的微自动化六轴机器人手臂(包括上面所示的笛卡儿手臂)都有奇点。例如,当Meca500中的所有关节都处于0度时,如下图所示,机器人的末端执行器不能沿着与基座平行的直线移动y-axis(绿色的那个)。要沿着这条线移动,关节4和关节6必须先旋转±90°(方向相反)。

一个奇点的例子

奇点在机器人中是一个非常重要的现象(或者说是讨厌的),我们将在单独的教程中讨论。在这里,它足以说明,即使一条路径在机器人的工作空间内,如在上面的例子中,机器人的工具参考坐标系可能不能连续地跟随它(即,在TCP的运动中没有停顿),因为奇点。
因此,机器人奇点进一步限制了机器人工作空间的可用部分。实际上,一个典型的微自动化六轴机械臂的工作空间是由几个以奇异点分隔的无奇异工作空间子集组合而成的。在笛卡尔模式下(即TCP连续地遵循特定路径),机器人可以在总工作空间内的任意位置以关节模式移动,但只能在一个无奇点工作空间子集中移动。

典型的六轴机械臂的工作空间是由几个以奇异点分隔的无奇异工作空间子集组合而成。

每个无奇点工作空间子集对应一个特定的机器人配置。这个主题将在接下来的机器人奇点教程中讨论。现在,请注意,如果一个给定的姿态似乎无法通过当前机器人配置访问,那么它可能可以通过另一个配置访问。例如,下图中的工具参考坐标系姿态只能在八种机器人配置中的一种中获得。然而,一个常见的错误是只考虑一个无奇点工作空间子集,而不考虑整个工作空间(即,只在8种配置模式中的一种工作)。注意,如果你指定一个姿势使用x,y,z坐标和欧拉角然后使用MovePose命令,机器人会自动找到最佳配置。然而,不幸的是,用户通常是通过慢跑来教机器人姿势,而不是指定一个姿势。

一个姿态的例子,可以获得一个单一的配置

通常,用户已经为其给定的应用程序设置了一组末端执行器姿态。例如,工件必须从一个传送带上取下,然后以不同的方向呈现在摄像机前,最后在另一个传送带上沉积。找到相机的最佳位置,最佳的抓手安装和手指的最佳设计,绝非小事。不幸的是,到目前为止,还没有商业上可用的自动程序来寻找最佳的电池设计-唯一的方法是通过试验和错误。
幸运的是,您不需要对此进行真正的设置;你可以使用模拟软件RoboDK。也就是说,你仍然需要一些机器人技术,否则你可能会花费大量的努力去尝试和犯错。因此,在接下来的内容中,我们将给你十条指导方针,以最大限度地利用你的机器人的工作空间。虽然我们以Meca500为例,但这些指导原则适用于任何典型的微型自动化六轴机器人手臂。
准则1:将TCP尽可能靠近机器人的法兰
在检查中,它是相当常见的必须呈现一个零件在一个大范围的方向的相机前。在这样的应用中,第一条经验法则是将刀具参考架尽可能靠近法兰参考架。换句话说,你必须设计一个抓握系统,使你能够抓住被检查的零件尽可能靠近机器人的法兰。
请注意,我们提供可选的电动爪与适配器板,允许您附加的抓手如上所示。然而,对于某些应用来说,最好是设计自己的适配器板,以手指和关节6的轴线在一个平面内的方式连接夹持器,或者将夹持器沿关节6的轴线(如t他的视频)。另一种选择可能是使用l形手指。
准则2:不要在笛卡尔模式下移动,除非沿着一条路径
在检查中,你经常需要将一个零件旋转到不同的方向。当然,在这些情况下,使用命令MoveLinRelTRF或在笛卡尔模式下慢跑机器人要容易得多。然而,如果沿着旋转出现奇点,这两种方法都失败了,如下图所示。在这个例子中,你不能旋转末端执行器y-axis(绿色的那个)在90度,因为一个奇点(关节4和6的轴对齐)。
因此,你必须学会如何使用欧拉角并使用MovePose命令代替。或者,您可以使用RoboDK。因为RoboDK是一个模拟器,它允许你在笛卡尔慢跑模式下通过奇点。无论奇点如何,总是使用MovePose或movejoint命令,除非你想让TCP遵循特定的路径。这些命令的使用通常会带来最快的周期时间。

一个由奇异点隔开的两个机器人位置的例子

原则3:如果布线过多地限制接头6,将接头1、4和6的轴线对齐
虽然关节6在机械上是无限的,但如果你使用一个末端执行器连接电缆,比如我们的夹持器,关节6的范围将被限制在±180°或更小。如果需要更大的范围,可以对齐关节4和6的轴,甚至是关节1、4和6的轴。当然,这样的配置是奇异的,因此您需要使用move关节命令来围绕这些重合的轴旋转
原则4:如果你使用一个带绳索的末端执行器,保持关节6尽可能接近零度
只要有可能,在一个想要的姿势,试着将关节6尽可能保持在0度。例如,如果在关节6处于170°的机器人位置上抓取工件,然后执行MovePose命令,关节6很可能会旋转很多。例如,如果在新的期望姿态下,关节6可以是190°,机器人将自动将最后一个关节向负方向旋转340°(而不是向正方向旋转20°)。
原则5:如果需要定位很多,请将TCP定位在关节1的轴上
如果需要覆盖广泛的方向,那么必须将TCP定位在关节1的轴上。这种配置将允许您围绕关节1轴旋转±175°,围绕关节6轴旋转±180°。机器人手腕的中心离关节1越远,机器人的定位能力越弱。

一个TCP位置的例子,它可以有广泛的TRF方向

原则6:尝试所有机器人配置
有时,机器人会在一个或多个末端执行器姿态中过于接近奇异点。在检查应用程序中,这可能不是问题,但如果你需要选择或放置一个物体,那么你很可能需要以线性模式到达和离开最终姿态。在这种情况下,测试所有可能的机器人构型,并选择离奇点最远的一个。例如,在下面的图中,左边的配置太接近一个奇点(轴4和轴6几乎是对齐的),但是右边的配置离奇点足够远。

这是两种机器人配置的一个例子,其中一种更好

原则7:考虑的不仅仅是可获得性
如前所述,微自动化六轴机械臂的工作空间是由奇异点分隔的几个工作空间子集组成的集合。最重要的是,不是所有能做到的姿势都一样“好”。事实上,从速度和精度等性能标准来看,六轴机器人手臂的工作空间是高度异构的。我们已经提到过,当你在笛卡尔模式下运动时,你需要远离奇点。此外,机械臂拉伸越多,其精度越低(灵活性越强),抑制工具提示振动所需的时间也就越多。
原则8:如果你不需要6个自由度,就利用机器人的冗余性
在很多情况下,你只需要5个自由度。例如,如果您的末端执行器是一个胶合分配器或一个主轴,您可能不关心它的方向围绕针的轴或轴,分别。此外,如果您使用轴对称传感器(如照相机)检查工件,在许多情况下,您可能能够以围绕传感器轴的任意旋转显示工件。在这些情况下,不要将关节6的轴与你的工具或传感器的对称轴对齐,并为将要达到的每个姿态选择无限多个机器人位置中的最佳位置。最好的方法是远离奇点,但也最接近前面和后面要达到的姿态。
原则9:除非绝对必要,否则将机器人固定在竖直位置
和大多数工业机器人一样,Meca500可以被固定在任何方向(例如,倒挂或挂在墙上)。任何非直立连接的唯一问题是,您需要一个非常坚固的固定装置,这可能会使您的手机更加笨重和昂贵。因此,只有在尝试将机器人垂直安装后,才能选择非直立的附件。
原则10:量七次,切一次
英国有句谚语说“量两次,切一次”,但当谈到机器人细胞设计时,选择俄罗斯版本的“量七次,切一次”。如果单元相对复杂,或者机器人的工作空间似乎受到限制,则必须使用机器人仿真包并进行多次设计迭代,直到找到满意的解决方案。但是,不要完全依赖模拟。一个通用的仿真包RoboDK不能模拟机器人的确切行为。例如,一个特定的线性运动可以在RoboDK但在真正的机器人上是不可能的,因为存在奇点。因此,您还必须在真正的机器人上尝试您的程序。
总之,除非您的应用程序只涉及几个重复的动作,否则您必须充分理解机器人的工作空间,并花相当多的时间来设计机器人单元。机器人单元设计不仅仅是能够执行所有机器人运动,它还涉及优化周期时间和其他性能标准(精度,能源消耗)。


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