當前國內及國外都針對機器人步態(tài)與路徑深入研究,但工業(yè)的實(shí)際應用過(guò)程中,機器人自身存在復雜的運動(dòng)方式,而且機器人本身的運動(dòng)速度也會(huì )影響能耗。工業(yè)機器人作為六自由度串聯(lián)機器人,伺服電機和驅動(dòng)器是其工作過(guò)程中對電能消耗大的部分,這其中肩、軸以及腰關(guān)節對于能量消耗大。

相對于發(fā)達國家而言,我國工業(yè)機器人與之發(fā)展差距較大,其主要是由于我國工業(yè)機器人起步較晚所致?，F階段,我國在工業(yè)機器人方面已經(jīng)獲得了一定的技術(shù)突破,但尚未掌握全部核心技術(shù),真正擁有我國自主知識產(chǎn)權的工業(yè)機器人較少。所以從整體上看,我國工業(yè)機器人技術(shù)水平相對較低。此外我國所制造的高精密部件水平在全球范圍內不具優(yōu)勢,盡管目前我國在數控機床關(guān)鍵技術(shù)與裝備及裝配自動(dòng)化機器人、隧道掘進(jìn)機器人等多個(gè)方面都取得了令人矚目的成就,但相對于發(fā)達國家而言,尚存在巨大差距,必須要予以客觀(guān)看待和重視。

工業(yè)機器人實(shí)質(zhì)上是在工業(yè)領(lǐng)域應用的多關(guān)節機械手或者是具有多自由度的機器裝置。一般而言,工業(yè)機器人至少需要三個(gè)及以上的自由度,復雜機器人中的自由度更高?？梢詫⒐I(yè)機器人的自由度組成多變量的控制系統,通過(guò)多個(gè)坐標之間的變換,達到讓工業(yè)機器人進(jìn)行動(dòng)作的目的。在深入分析工業(yè)機器人的控制系統后,可以確定其機構運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)之間存在緊密聯(lián)系。為了能夠將人的意志準確轉化為工業(yè)機器人的操作,需要通過(guò)計算機強化對其的控制,具體需要借助非線(xiàn)性數學(xué)模型,應用該模型設置相關(guān)模型參數,調整工業(yè)機器人的運行狀態(tài)。需要明確的是工業(yè)機器人可以自主選擇為合適的路徑來(lái)完成設置的動(dòng)作,所以對于高級工業(yè)機器人而言,應當借助計算機為其構建相應的數據庫,以提高工業(yè)機器人對于各個(gè)動(dòng)作的執行質(zhì)量。

工業(yè)生產(chǎn)中所使用的六自由度工業(yè)機器人,其底座都是固定無(wú)法移動(dòng)的,腰部按照腰關(guān)節的垂直方向進(jìn)行轉動(dòng)。工業(yè)機器人的運動(dòng)速率、變速時(shí)加速度、運動(dòng)軌跡、電機動(dòng)態(tài)特性、伺服電機控制等因素是影響工業(yè)機器人工作耗電量的關(guān)鍵所在。伺服電機是工業(yè)機器人在運動(dòng)過(guò)程中的主要耗電源,所以應當從如下幾個(gè)角度入手解決問(wèn)題。首先,確定能耗低的工作路徑;其次,對工作機器人的流程進(jìn)行優(yōu)化,盡可能降低工作機器人的加速次數,并降低加速度;第三,控制工業(yè)機器人的運動(dòng)速度;第四,合理調整與安排工業(yè)機器人的動(dòng)作狀態(tài);第五,應用更為先進(jìn)的電機以提高電腦的轉化效率。

工業(yè)機器人運行過(guò)程中主要需要交流伺服電機、交流伺服電機無(wú)線(xiàn)電刷以及轉向器等電器和電機,其本身可靠性較高,對于維護保養的要求不高,并且存在定子繞組散熱方便和慣量小的特點(diǎn),可以很好適應高速及大力矩的工作狀態(tài)。由于此部件是工業(yè)機器人運行過(guò)程中能耗占用多的部分,所以通過(guò)控制伺服電機的能耗,就能夠有效降低工業(yè)機器人的整體能耗。

快速發(fā)展的電子技術(shù)有效促進(jìn)交流伺服電機的改革創(chuàng )新,當前交流伺服電機已經(jīng)在驅動(dòng)技術(shù)方面取得了令人矚目的成績(jì),因此,想要從提升電機性能角度降低能耗,并不能夠達到預期目標,所以可以嘗試對工業(yè)機器人的工作軌跡進(jìn)行優(yōu)化來(lái)達到降低能耗的目的。除了需要確定佳軌跡之外,還必須要確定與該軌跡匹配合理的速度,以確保工業(yè)機器人的整體運動(dòng)狀態(tài)都能夠滿(mǎn)足低能耗要求。慣性也是增加能耗的主要原因之一,相對于機器人勻速運行,其加速或減速狀態(tài)的能耗更高,所以必須要盡可能減少機器人的加速及減速動(dòng)作,對其加速及減速運動(dòng)進(jìn)行合理安排,達到降低能耗的目的。伺服電機主要由轉子與定子兩部分共同組成,定子對電機起支撐作用,并固定磁極,而轉子則對電動(dòng)勢進(jìn)行感應。通過(guò)二者的配合,將電能轉化為機械能。轉子工作過(guò)程中所受主要作用是電磁轉矩,電磁轉矩使得機械出現負載轉動(dòng),可以確定電動(dòng)機的平衡公式是:Tem=Tm+T0。其中Tem代表交流電伺服電機的電磁轉矩,Tm為電機軸的輸出轉矩,T0為機械損耗、鐵芯損耗以及雜損耗所共同產(chǎn)生的空載制動(dòng)轉矩。

相對于機械負載所產(chǎn)生的轉矩,工業(yè)機器人自身的機械損耗、鐵芯損耗以及雜損耗等構成的空載制動(dòng)轉矩要小得多。所以可以直接忽略空載制動(dòng)轉矩,即電動(dòng)機平衡公式為:Tem=Tm?；诖税凑针妱?dòng)機轉矩特點(diǎn),確定電機機械負載制動(dòng)轉矩和電機輸電電流的計算公式,終確定工業(yè)機器人各關(guān)節力矩及伺服電機的大小間關(guān)系為:TM =εMTi,進(jìn)而確定工業(yè)機器人不同關(guān)節間電流為[I1,I2,I3]T=[TM1/K1,TM2/K2,TM3/K3]T。

工業(yè)機器人在運行過(guò)程中,其電機一般處于勻速運轉狀態(tài),在工業(yè)機器人進(jìn)行減速和加速操作的時(shí)候,需要為機械臂施加加速度,進(jìn)而改變機器人的運動(dòng)狀態(tài),所以相對于勻速狀態(tài)而言,需要消耗更高的能量。機器人在穩定工作狀態(tài)下,其恒定的轉速對于能量消耗較小?？梢栽诖嘶A上確定機器人消耗的總能量,再應用MATLAB確定能耗小值。在驗證計算結果時(shí),需要對大轉速對于機器人工作狀態(tài)限制予以充分考慮,并確定工業(yè)機器人的工作時(shí)間,終根據所獲得的佳路徑規劃機器人的具體工作流程。

當前我國在工業(yè)機器人方面明確了戰略發(fā)展目標,要基于我國對于先進(jìn)制造和其自動(dòng)化的具體要求,積極創(chuàng )新高新技術(shù),向發(fā)達國家靠攏,深入研究具有更高水平的工業(yè)機器人,并且在系統技術(shù)以及產(chǎn)品技術(shù)等多個(gè)方面都取得了令人矚目的成就。在未來(lái),工業(yè)機器人將會(huì )主要向危險作業(yè)環(huán)境機器人、醫學(xué)領(lǐng)域機器人以及仿生機器人方面發(fā)展。危險工作環(huán)境機器人,其主要負責高溫及高壓環(huán)境下的作業(yè)與油氣管道檢測的工作;醫學(xué)領(lǐng)域機器人主要負責協(xié)助開(kāi)展腦外科手術(shù)、骨骼矯正手術(shù)等對于精細度要求較高的手術(shù),通過(guò)對醫學(xué)領(lǐng)域機器人的廣泛應用,有效避免因人工而產(chǎn)生的誤差,切實(shí)提高手術(shù)精密度;仿生機器人方面,應用該類(lèi)型機器人可以模擬人類(lèi)或動(dòng)物進(jìn)行相關(guān)操作控制。整體而言,我國工業(yè)機器人在自動(dòng)化控制方面將會(huì )向著(zhù)更加智能化、更加低成本、更加可靠以及更加集成化的方向發(fā)展。

當前社會(huì )經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展,在此背景下,工業(yè)機器人的功能及技術(shù)都得到顯著(zhù)提升,其已經(jīng)能夠很好滿(mǎn)足復雜的自動(dòng)化控制需求。并且隨著(zhù)企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度逐漸提升,工業(yè)機器人的應用范圍也會(huì )越來(lái)越廣泛,有效促進(jìn)社會(huì )經(jīng)濟的繼續發(fā)展。