“机器人的软件限位” 与“机器人的工作空间”之间的区别与联系

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收到一封读者的 email:

LT你好:

想请教一下  机器人的软件限位  与机器人的工作空间 之间的区别与联系

因为小弟是初学机器人   所以不是很清楚   网上又找不到合适的资料

在网上看到你的文章  写得很不错  希望也能和你交朋友  如果你不介意我这样的初学者O(∩_∩)O

随后 LT 翻阅了小站的以往文章,发现并没有这方面的介绍,所以决定干脆整理一篇专门的文章来聊聊这个话题。

既然是名词解释,那么就有必要将名词含义做细化和限定。先介绍一个词:cam,相信常看电气资料的读者应该没少看到这个词,但是初看到这个词时可能会摸不着头脑,不知道什么含义。另外还经常看到这个德语单词:nocke。其实,两个词简意就是“凸轮”的意思。因与位置有关,在机器人术语中引申为位置区域。工作原理是进入或离开一个区域时,与其相关联的逻辑变量的状态发生改变。如果这个区域可以通过编程设定,而且可以限制机器人的运动范围,那么即可以叫“软件限位”。

cam

“机器人的工作空间”,这个词含义比较宽泛,通常来说是指 envelope ,即机器人手臂能够够到的最大工作范围。实际应用中,机器人的工作范围是包含于envelope 最大范围之内的,而且还必须有条件的限制机器人在尽可能小的范围内工作。

cam_2

图片来自 http://www.abb.com/cawp/gad00540/e53fd4d8d3ff9166c1257b550047db16.aspx?single=1

一、机械限位

言归正传,在介绍软件限位前,先聊聊机械限位。在ABB的一篇文档里其实已经很细分了常见的机械限位,见《工业机器人用户必读 ABB SafeMove White Paper 及其他》里提到的 SafeMove White Paper 文档第3.3章节。看官请自行下载查看,下面仅仅摘录标题并作简要介绍。

3.3 Manipulator position indication and limiting

3.3.1 Mechanical limits

机械限位用来减小机器人本体的工作区域,仅仅是机械装置。比如说限制第一轴旋转角度的机械挡块,如果超出限定位置,必然会被阻挡,然后电机过载而系统停机。

3.3.2 Position switches

位置开关用来识别机器人的工作位置。既然带上“开关”两字,就是有电信号检测的。比如文档中用来检测1、2、3轴旋转角度范围的圆形滑轨和组合凸轮开关机构。

3.3.3 Limit Switch

限位开关是为了防止外轴超出移动范围而损坏。

使用机械限位的好处是可以在物理空间里准确定位,缺点是如果要达到很精确的定位,机构会变得很复杂。也无法自由调整设定。

二、软件限位

a. 轴的软限位

了解机器人的运动学原理,就会知道,关节机器人之所以能在空间里准确到达一个位置,依靠的是各个轴分别从零点开始开始旋转特定的角度,从而合成出最终的位置。注意,“零点”这个关键词,意即每个关节开始运动的参考点,即0度。(关于零点,请参考这篇文章《用于工业机器人位置检测的旋转变压器 – Resolver》),既然机器人可以自己计算每个轴从零点开始转了多少角度,那么自然就可以有一个新的参数:软限位(相对应于硬限位)。可以设定正方向 P 度,负方向 N 度是轴的活动范围,这样,当机器人运动过程中一旦检测到超出这个范围,控制器就让机器人停下来,然后弹出相应错误信息提示超限位了。软限位应该小于机械限位的,这样,当软限位失效后,硬限位就可以继续起作用。

b. TCP区域检测

既然机器人是依靠每个轴旋转一定的角度而最终合成了空间中的TCP的位置(关于TCP,请参考此篇文章《什么是工业机器人的TCP》),那么是否可以在空间中划分出一个区域来检测TCP是否位于当中呢?这当然是可以的。比如ABB机器人的RAPID语言就有一个World Zone的功能,可以在机器人的基坐标系中划分出长方体、圆柱体、球体的空间区域,并且把TCP是否位于此区域的状态作为一个逻辑输出。当然,World Zone的检测前提也是基于正确的零点的,如果零点不正确,自然标定的空间区域也就不准确了。

说到这里,不知道看官有没有理解了机器人基本的限位概念?轴限位只是针对于单个轴,对结果而言,意义不大,而TCP的区域检测,是更加实用的功能。细心的看官也许会注意到,目前监测的其实只是TCP的位置,如果机器人的工具很复杂,会出现TCP在设定的区域内,而工具已经超出了设定的区域。实际上,随着更高的应用要求,将来可以监测机器人上任意一点的位置,也是理所当然的功能。

三、安全控制器

软限位没有硬限位天然具有的优势,那就是软限位依靠零点,一旦零点丢失,或者零点偏移,那么软限位的功能就等于失效。即便是零点正确,软限位的功能也仅仅依赖于机器人的CPU,当机器人的CPU发生错乱时,同样软限位的功能也形同虚设,甚至危及到设备和人的安全,所以需要由另外的一个独立装置来监测,这也是现在机器人控制系统中“安全控制器”出现的原因。

扩展阅读

关键字:软限位, cam, nocke, 安全控制器

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