Un robot industrial es un conjunto de maquinaria, electrónica, control, computadoras, sensores, inteligencia artificial y otra tecnología avanzada multidisciplinaria en una de las industrias manufactureras modernas en los importantes equipos de automatización. La robótica, la tecnología CNC y la tecnología PLC son conocidas como las tres principales tecnologías de apoyo a la automatización industrial. La tecnología robótica y sus productos se están desarrollando muy rápidamente y se han convertido en herramientas de automatización para sistemas de fabricación flexible (FMS), automatización de fábricas (FA), sistemas de fabricación integrados por computadora (CIMS), así como una parte importante de la fábrica inteligente de la industria 4.0.
1. Composición e indicadores de rendimiento del sistema de robot industrial
1) Composición del sistema de robot industrial
Un robot industrial es un manipulador de múltiples-articulaciones o un dispositivo de máquina de múltiples-grados-de-libertad orientado al campo industrial, que puede realizar un trabajo automáticamente y es un tipo de máquina que depende de su propia potencia y capacidad de control para realizar diversas funciones. Puede aceptar comandos humanos o ejecutarse de acuerdo con un programa pre-programado; los robots industriales modernos también pueden basarse en tecnología de inteligencia artificial para desarrollar el principio de acción del programa. En la Figura 1 se muestra un robot industrial típico. Los robots industriales se pueden dividir en tres generaciones según el nivel de desarrollo tecnológico: la primera generación de robots de reproducción demostrativa, la segunda generación de robots perceptivos y la tercera generación de robots inteligentes.
La primera generación de robots industriales consta de tres partes principales en términos de estructura externa: el operador (o cuerpo del robot), el controlador y el demostrador. Para la segunda y tercera generación de robots industriales también se incluyen sistemas de percepción y sistemas de análisis y toma de decisiones-, que se realizan mediante sensores y software respectivamente.
(1) Operador:El cuerpo principal de la máquina que se utiliza para realizar diversas tareas operativas, que contiene principalmente un brazo robótico, una unidad motriz, una unidad de transmisión y sensores internos.
(2) Controlador:Es el dispositivo para controlar el cuerpo del robot para completar ciertas acciones de acuerdo con las instrucciones y la información del sensor, que es la parte clave para determinar la función y el rendimiento del robot, y también la parte de actualización y desarrollo más rápido del robot industrial.
(3) Maestro:Es la interfaz de interacción hombre-máquina del robot, a través de la cual el operador puede programar el robot o manipularlo manualmente para que se mueva.
Los robots industriales están compuestos funcionalmente de 3 partes principales y 6 subsistemas. 3 las partes principales son la parte mecánica, la parte de control y la parte de detección. 6 los subsistemas son el sistema de accionamiento, el sistema de estructura mecánica, el sistema de interacción hombre-máquina, el sistema de control, el sistema de detección y el sistema de interacción del robot-entorno.
2) Índice de rendimiento de robots industriales
El índice de rendimiento de los robots industriales son los datos técnicos proporcionados por el fabricante del robot en el momento de la entrega del producto, que reflejan el ámbito de aplicación y el rendimiento laboral del robot, lo cual es una necesidad a tener en cuenta al seleccionar un robot. Aunque los datos técnicos proporcionados por el fabricante del robot no son exactamente los mismos, la estructura de los robots industriales, las aplicaciones y las necesidades del usuario no son las mismas, pero sus principales indicadores de rendimiento son generalmente: grados de libertad, precisión de trabajo, rango de trabajo, carga nominal, velocidad máxima de trabajo.
Es importante señalar que un robot puede tener singularidades dentro de su rango operativo. Las singularidades son puntos donde las articulaciones pierden grados de libertad en ciertas direcciones debido a restricciones en la estructura del robot. Las singularidades generalmente se encuentran en los bordes del espacio de trabajo y, cuando las singularidades se agrupan, se denominan "vacíos". Cuando el robot se acerca a una singularidad, la actitud de las articulaciones cambia drásticamente debido a la pérdida gradual de grados de libertad, lo que resulta en una gran carga en el sistema de accionamiento y sobrecarga. Por lo tanto, para los robots con singularidades, su rango operativo también requiere la eliminación de singularidades y cavidades.
2. Control de robots industriales
1) Características y requisitos del control de robots industriales.
Los movimientos de las articulaciones de la mayoría de los robots industriales son independientes entre sí y se requiere la coordinación de múltiples articulaciones para lograr la precisión posicional del efector final-del robot. Por tanto, el sistema de control de un robot industrial es más complejo que un sistema de control ordinario y tiene las siguientes características:
(1) Es esencialmente un sistema no lineal.
(2) Es un sistema de control multivariable compuesto por múltiples articulaciones y existe acoplamiento entre las articulaciones.
(3) Es un sistema que varía en el tiempo-cuyos parámetros dinámicos cambian con el cambio de la posición del movimiento articular.
(4) Se requiere medir y analizar las condiciones ambientales y las instrucciones de control, y seleccionar automáticamente la mejor ley de control.
(5) Tiene una alta precisión de posicionamiento repetible y una buena rigidez del sistema.
(6) No se permite sobrepasar la posición, de lo contrario puede ocurrir una colisión y la respuesta dinámica debe ser rápida.
Considerando que el control del robot industrial tiene las características anteriores, se deben cumplir los siguientes requisitos básicos al diseñar el sistema de control del robot industrial:
(1) Control coordinado del movimiento de múltiples-ejes para producir la trayectoria de trabajo requerida.
(2) Alta precisión posicional, amplio rango de velocidades.
(3) La tasa diferencial estática del sistema debe ser pequeña, es decir, se requiere que el sistema tenga buena rigidez.
(4) Posición sin sobrepasar, respuesta dinámica rápida.
(5) Se requiere control de aceleración y desaceleración.
(6) El coeficiente de error de velocidad de cada junta debe ser lo más consistente posible.
(7) Desde el punto de vista de la operación, se requiere que el sistema de control tenga una buena interfaz hombre-máquina para minimizar los requisitos del operador.
(8) Desde el punto de vista del costo del sistema, es necesario reducir el costo del hardware del sistema tanto como sea posible y utilizar más métodos servo de software para mejorar el rendimiento del sistema de control.
2) modo de control de robot industrial
A partir de las características de control y los requisitos de control de los robots industriales, la realización del control de robots industriales implica una serie de elementos, que se dividen principalmente en el control de la capa inferior del robot y el control de la capa superior. Entre ellos, el control de la capa inferior incluye el cuerpo del robot (es decir, la parte mecánica), la parte del circuito de accionamiento, la parte del sensor y la estrategia de control (por ejemplo, control PID). El control de la capa superior incluye el análisis del movimiento del robot, la planificación de rutas y la parte de software del robot [4]. Según los diferentes métodos de categorización, el control del robot se puede clasificar de diferentes maneras. Según el objeto controlado, se puede dividir en control de posición, control de velocidad, control de fuerza, control de par, control híbrido fuerza/posición, etc. Estos son principalmente el control de la capa inferior, y ahora se explican los principales métodos de control.
(1) control de posición del robot industrial:el propósito es hacer que las articulaciones del robot realicen el movimiento planificado previamente-y, en última instancia, garantizar que el efector final-del robot industrial se ejecute a lo largo de la trayectoria predeterminada, generalmente utilizando un servosistema de CA o un servosistema de CC para lograrlo.
(2) Control de mano de obra (par) de máquinas industriales:la necesidad de analizar el efector{0}}final del robot y el entorno del estado de restricciones, y de acuerdo con las restricciones para desarrollar estrategias de control. Además, es necesario instalar un sensor de fuerza en el extremo del robot para detectar la fuerza de contacto entre el robot y el entorno. El sistema de control procesa esta información de fuerza de acuerdo con la estrategia de control pre-establecida y luego controla el robot para realizar operaciones en el entorno incierto que sean compatibles con ese entorno, de modo que el robot pueda completar tareas operativas complejas.
(3) Control de velocidad del robot industrial:normalmente se realiza simultáneamente con el control de posición. Por ejemplo, en el caso del modo de control de trayectoria continua, los robots industriales necesitan controlar la velocidad de las piezas móviles e implementar aceleración y desaceleración de acuerdo con instrucciones predeterminadas, para cumplir con los requisitos de movimiento suave y posicionamiento preciso. Debido a que el robot industrial es un tipo de condición de trabajo (o carga de viaje) variable, la maquinaria de gran movimiento con carga de inercia, para lidiar con la contradicción entre rápido y suave, debe controlar la aceleración y desaceleración inicial antes de detener las dos secciones de movimiento de transición. Y en todo el proceso de movimiento suele ser necesario el control de la velocidad.
3) Control inteligente de robots industriales.
El método de control inteligente de los robots industriales se refiere principalmente a la operación en condiciones inciertas o desconocidas, el robot necesita obtener información sobre el entorno circundante a través de sensores, tomar decisiones de acuerdo con su propia base de conocimiento interna y luego controlar los diversos actuadores para completar de forma autónoma la tarea dada, que pertenece al nivel superior de control del robot. Si se utiliza tecnología de control inteligente, el robot tendrá una gran adaptabilidad ambiental y capacidad de autoaprendizaje. Los métodos de control inteligente están estrechamente relacionados con el desarrollo de la inteligencia artificial, como las redes neuronales artificiales, los algoritmos difusos, los algoritmos genéticos, los sistemas expertos, etc. La aplicación de algoritmos de redes neuronales en robots móviles se utiliza como ejemplo para ilustrar la combinación de control inteligente y robots industriales.
Tomando como ejemplo el robot móvil que se muestra en la figura, la cámara se instala en la parte superior del robot móvil para obtener la imagen tridimensional-del obstáculo. Se monta un conjunto de sensores ultrasónicos delante del robot móvil (directamente debajo de la cámara) para obtener información de la distancia entre el obstáculo y el robot móvil.
La fusión de información de sensores visuales y ultrasónicos se lleva a cabo utilizando métodos de redes neuronales y se envía al siguiente nivel para reconocer el tipo de obstáculo, lo que permite al robot móvil evitar obstáculos cuando camina en un entorno incierto y mejora su capacidad de navegación. Los principales pasos para que los robots industriales utilicen información inteligente para la toma de decisiones integrada para evitar obstáculos son los siguientes:
(1) Mientras el robot está viajando, el sistema de alcance lleva a cabo una detección ambiental en intervalos cortos para determinar si el robot móvil necesita reducir la velocidad y si necesita tomar muestras de la cámara CCD en función de la información de distancia sobre el obstáculo obtenida por el sensor ultrasónico.
(2) Cuando la distancia del obstáculo al robot móvil es media según lo detecta el sistema de alcance, la velocidad del robot se reduce; cuando la distancia del obstáculo al robot móvil es cercana, se adquiere una imagen bidimensional del obstáculo en cuestión desde la cámara CCD y se extraen las coordenadas de sus bordes izquierdo y derecho.
(3) La información sobre el obstáculo obtenida del sensor ultrasónico y la cámara CCD se agrupa, se preprocesa y se envía al controlador de la red neuronal BP para su fusión.
(4) El controlador de la red neuronal BP, que ha sido pre-aprendido con el conocimiento de cómo evitar obstáculos, toma la decisión correspondiente de cómo evitar obstáculos de acuerdo con la información recopilada por los multi-sensores externos y evita los obstáculos.
Referencias
[1] Zhu Hongqian. Tecnología de robots industriales [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2019. [2] Chen Wanmi. Tecnología de control de robots [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2017. [3] Guo Tongying, An Dong. La robótica y su control inteligente [M]. Beijing: Prensa Popular de Correos y Telecomunicaciones, 2014. [4] Zhang Xianmin. Robótica y su aplicación [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2017. [5] Zhang Xinxing. Fundamentos de la aplicación de robots industriales [M]. Beijing: Prensa del Instituto de Tecnología de Beijing, 2017.