In den letzten Jahren haben multinationale Roboterriesen nacheinander siebenachsige Industrieroboter auf den Markt gebracht, um neue High-End-Märkte zu erobern. Dies hat unsere eingehenden Überlegungen zu siebenachsigen Industrierobotern ausgelöst. Welche einzigartigen technischen Vorteile hat es, welche Schwierigkeiten gibt es bei Forschung und Entwicklung?
Wie viele Achsen sollten Industrieroboter haben?
Derzeit sind Industrieroboter in verschiedenen Branchen weit verbreitet. Wir haben jedoch auch festgestellt, dass Industrieroboter nicht nur unterschiedliche Formen, sondern auch unterschiedliche Achsen haben. Die Achse des sogenannten Industrieroboters lässt sich mit dem Fachbegriff Freiheitsgrad erklären. Wenn der Roboter über drei Freiheitsgrade verfügt, kann er sich entlang der x-, y- und z-Achse frei bewegen, jedoch nicht neigen oder drehen. Wenn die Anzahl der Achsen des Roboters zunimmt, bedeutet dies eine höhere Flexibilität für den Roboter. Wie viele Achsen sollte ein Industrieroboter haben?
Ein dreiachsiger Roboter wird auch kartesischer oder kartesischer Roboter genannt. Seine drei Achsen ermöglichen es dem Roboter, sich entlang dreier Achsen zu bewegen. Dieser Roboter wird in der Regel für einfache Handhabungsaufgaben eingesetzt.
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Ein vierachsiger Roboter kann entlang der x-, y- und z-Achse rotieren. Im Gegensatz zu einem dreiachsigen Roboter verfügt er über eine vierte Achse, die sich unabhängig bewegt. Im Allgemeinen kann ein SCARA-Roboter als Vier-Achsen-Roboter betrachtet werden.
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Fünfachsig ist die Konfiguration vieler Industrieroboter. Diese Roboter können sich durch die drei Raumkreise x, y und z drehen. Gleichzeitig können sie sich auf die Achse auf der Basis verlassen, um den Drehvorgang zu realisieren, und die Achse, die flexibel von der Hand gedreht werden kann, erhöht ihre Flexibilität.
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Der sechsachsige Roboter kann durch die x-, y- und z-Achse fahren und jede Achse kann unabhängig rotieren. Der größte Unterschied zum Fünf-Achsen-Roboter besteht darin, dass es eine weitere Achse gibt, die sich frei drehen kann. Der Vertreter des Sechs-Achsen-Roboters ist der Universal Robots. Durch die blaue Abdeckung am Roboter können Sie die Anzahl der Achsen des Roboters eindeutig berechnen.
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Ein siebenachsiger Roboter, auch redundanter Roboter genannt, verfügt im Vergleich zu einem sechsachsigen Roboter über eine zusätzliche Achse, die es dem Roboter ermöglicht, bestimmten spezifischen Zielen auszuweichen, wodurch es für den Endeffektor einfacher wird, eine bestimmte Position zu erreichen, und dies auch möglich ist flexibler, um sich an bestimmte spezielle Arbeitsumgebungen anzupassen.
Mit zunehmender Achsenzahl steigt auch die Flexibilität des Roboters. In aktuellen industriellen Anwendungen werden jedoch am häufigsten dreiachsige, vierachsige und sechsachsige Industrieroboter eingesetzt. Denn in manchen Anwendungen ist keine hohe Flexibilität erforderlich, Drei- und Vierachsroboter sind kostengünstiger und Drei- und Vierachsroboter haben auch einen großen Geschwindigkeitsvorteil.
In der 3C-Industrie, die eine hohe Flexibilität erfordert, werden künftig siebenachsige Industrieroboter eine Rolle spielen. Mit zunehmender Präzision wird es in naher Zukunft die manuelle Montage von Präzisionselektronikprodukten wie Mobiltelefonen ersetzen.
Siebenachsige Industrieroboter sind besser als sechsachsige Industrieroboter
Wo ist die Kraft?
Welche Probleme gibt es aus technischer Sicht bei sechsachsigen Industrierobotern und wo liegen die Stärken siebenachsiger Industrieroboter?
(1) Verbessern Sie die kinematischen Eigenschaften
Beim Kinematikproblem des Roboters führen drei Probleme dazu, dass die Bewegung des Roboters stark eingeschränkt wird.
Die erste ist die singuläre Konfiguration. Wenn sich der Roboter in einer singulären Konfiguration befindet, kann sich sein Endeffektor nicht in eine bestimmte Richtung bewegen oder ein Moment aufbringen, sodass die singuläre Konfiguration großen Einfluss auf die Bewegungsplanung hat.
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Singularität tritt auf, wenn die sechste und vierte Achse eines sechsachsigen Roboters kollinear sind
Der zweite Grund ist, dass die Gelenkverschiebung den Grenzwert überschreitet. In einer realen Arbeitssituation ist der Bewegungswinkelbereich jedes Gelenks des Roboters begrenzt, und der Idealzustand liegt bei plus oder minus 180 Grad, viele Gelenke können dies jedoch nicht. Darüber hinaus kann der siebenachsige Roboter übermäßige Winkelgeschwindigkeitsbewegungen vermeiden, sodass die Winkelgeschwindigkeit gleichmäßiger verteilt wird.
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Der Bewegungsbereich und die maximale Winkelgeschwindigkeit jeder Achse des SIASUN-Sieben-Achsen-Roboters
Der dritte Grund ist das Vorhandensein von Barrieren im Arbeitsumfeld. Im industriellen Umfeld gibt es in vielen Fällen verschiedene Umwelthindernisse, und der herkömmliche Sechs-Achsen-Roboter kann nicht nur die Haltung des Endmechanismus ändern, ohne die Position des Endmechanismus zu ändern.
(2) Verbessern Sie die dynamischen Eigenschaften
Für den siebenachsigen Roboter können durch die Nutzung seiner redundanten Freiheitsgrade nicht nur gute kinematische Eigenschaften durch Bewegungsbahnplanung erreicht werden, sondern wir können auch seine Struktur nutzen, um die beste dynamische Leistung zu erzielen.
Der siebenachsige Roboter kann die Umverteilung des Gelenkdrehmoments realisieren, was das statische Gleichgewicht des Roboters betrifft, das heißt, die am Ende wirkende Kraft berechnet über einen bestimmten Algorithmus, wie viel Kraft jedes Gelenk trägt. Beim herkömmlichen Sechs-Achsen-Roboter ist die Kraft jedes Gelenks sicher und ihre Verteilung kann sehr unangemessen sein. Aber für den siebenachsigen Roboter können wir das Drehmoment jedes Gelenks durch den Steueralgorithmus anpassen, sodass das schwache Glied das Drehmoment so gering wie möglich trägt, sodass die Drehmomentverteilung des gesamten Roboters relativ gleichmäßig und vernünftiger ist.
(3) Fehlertoleranz
Wenn ein Roboter ausfällt und ein Gelenk ausfällt, kann der herkömmliche Sechs-Achsen-Roboter die Arbeit nicht weiter ausführen, während der Sieben-Achsen-Roboter normal weiterarbeiten kann, indem er die Geschwindigkeit des Ausfallgelenks (Kinematikfehlertoleranz) und die Umverteilung neu anpasst des Fehlergelenkmoments (Dynamikfehlertoleranz).
Siebenachsige Industrieroboterprodukte internationaler Giganten
Unabhängig von der Produkt- oder Anwendungsperspektive befinden sich siebenachsige Industrieroboter noch im Anfangsstadium der Entwicklung, aber große Hersteller bewerben verwandte Produkte auf großen Messen. Es ist denkbar, dass sie hinsichtlich ihres zukünftigen Entwicklungspotenzials immer noch sehr optimistisch sind.
- Kuka LBR iiwa
Im November 2014 stellte KUKA auf der China International Industry Fair Robot Exhibition erstmals KUKAs ersten leichten, empfindlichen Roboter LBRiiwa mit sieben Freiheitsgraden vor.
Der Sieben-Achsen-Roboter LBRiiwa ist auf Basis des menschlichen Arms konzipiert, was dem Leichtbauroboter in Kombination mit einer integrierten Sensorik eine programmierbare Empfindlichkeit verleiht und ihn sehr präzise macht. Alle Achsen des siebenachsigen LBRiiwa sind mit leistungsstarken Kollisionserkennungsfunktionen und integrierten Gelenkdrehmomentsensoren ausgestattet, um eine Mensch-Maschine-Zusammenarbeit zu erreichen.
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Durch die Sieben-Achsen-Konstruktion ist dieses KUKA-Produkt äußerst flexibel und überwindet problemlos Hindernisse. Die Struktur des LBRiiwa-Roboters ist aus Aluminium gefertigt und sein Eigengewicht beträgt nur 23,9 kg. Er ist mit zwei Nutzlasten erhältlich, 7 kg und 14 kg, und ist damit der erste Leichtbauroboter mit einer Nutzlast von mehr als 10 kg.
- ABB YuMi
Am 13. April 2015 brachte ABB auf der Hannover Messe in Deutschland offiziell YuMi auf den Markt, den weltweit ersten zweiarmigen Industrieroboter, der die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine wirklich ermöglicht.
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Jeder einzelne Arm von YuMi verfügt über sieben Freiheitsgrade und das Körpergewicht beträgt 38 kg. Die Belastung jedes Arms beträgt 0,5 kg und die Wiederholgenauigkeit der Positionierung kann 0,02 mm erreichen, sodass er sich besonders für die Montage von Kleinteilen, Konsumgütern, Spielzeug und anderen Bereichen eignet. Von Präzisionsteilen mechanischer Uhren bis hin zur Bearbeitung von Mobiltelefonen, Tablet-Computern und Desktop-Computerteilen ist YuMi kein Problem, und dies spiegelt nur die hervorragenden Eigenschaften dieses redundanten Roboters wider, wie z. B. erweiterter Arbeitsbereich, Flexibilität, Agilität, und Präzision.
- Yaskawa Motoman SIA
Yaskawa Electric, ein bekannter Roboterhersteller in Japan und eine der „Vier Familien“, hat ebenfalls eine Reihe von siebenachsigen Roboterprodukten auf den Markt gebracht. Unter ihnen sind die Roboter der SIA-Serie leichte und agile Sieben-Achsen-Roboter, die menschenähnliche Flexibilität und schnelle Beschleunigung bieten können. Das leichte und stromlinienförmige Design dieser Roboterserie macht sie ideal für die Installation in engen Räumen. Die SIA-Serie bietet eine hohe Nutzlast (5 kg bis 50 kg) und einen großen Arbeitsbereich (559 mm bis 1630 mm), was sich sehr gut für Montage, Spritzguss, Inspektion und andere Vorgänge eignet.
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Neben leichten Sieben-Achsen-Roboterprodukten hat Yaskawa auch ein Sieben-Achsen-Roboterschweißsystem auf den Markt gebracht. Durch seinen hohen Freiheitsgrad kann die am besten geeignete Haltung so weit wie möglich beibehalten werden, um qualitativ hochwertige Schweißergebnisse zu erzielen. Es eignet sich besonders für Innenschweißungen und erreicht die beste Annäherungsposition. Darüber hinaus kann das Produkt in einer hohen Dichte angeordnet werden, und es ist einfach, eine Beeinträchtigung der Welle und des Werkstücks zu vermeiden, was seine hervorragende Funktion zur Vermeidung von Hindernissen unterstreicht.
- Nachi Fujiko PrestoMR20
Bereits Ende 2007 entwickelte Nachi Fujikoshi einen Roboter mit sieben Freiheitsgraden „PrestoMR20“. Durch die Übernahme eines Sieben-Achsen-Designs kann der Roboter komplexere Arbeitsabläufe ausführen und sich wie ein menschlicher Arm in engen Arbeitsbereichen bewegen. Darüber hinaus hat sich das Drehmoment des vorderen Teils (Handgelenks) des Roboters auf etwa das Doppelte des ursprünglichen traditionellen Sechs-Achsen-Roboters erhöht. Das Drehmoment der Standardkonfiguration beträgt 20 kg. Durch die Einstellung des Bewegungsbereichs können Gegenstände bis zu 30 kg transportiert werden. Der Arbeitsbereich erreicht 1260 mm und die Wiederholgenauigkeit beträgt 0,1 mm. Durch den Einsatz einer Sieben-Achsen-Struktur kann der MR20 beim Aufnehmen und Platzieren von Werkstücken auf der Maschine von der Seite der Maschine aus arbeiten. Dadurch kann die Arbeitseffizienz wie Vorabvorbereitung und Wartung verbessert werden. Der Raum zwischen Werkzeugmaschinen kann im Vergleich zu herkömmlichen Sechs-Achs-Robotern auf weniger als die Hälfte reduziert werden.
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Darüber hinaus brachte Nachi Fujikoshi zwei Industrieroboter auf den Markt, MR35 (mit einer Last von 35 kg) und MR50 (mit einer Last von 50 kg), die in kleinen Räumen und an Orten mit Hindernissen eingesetzt werden können.
- Siebenachsiger OTC-Industrieroboter
Die japanische DAIHEN-Gruppe hat die neuesten siebenachsigen Roboter auf den Markt gebracht (FD-B4S, FD-B4LS, FD-V6S, FD-V6LS, FD-V20S). Aufgrund der Drehung der siebten Achse können sie die Drehbewegung wie das menschliche Handgelenk ausführen und länger als eine Woche schweißen. Darüber hinaus verfügt der Sieben-Achsen-Roboter (FD-B4S, FD-B4LS) über im Roboterkörper integrierte Schweißkabel, so dass beim Teach-Vorgang keine Interferenzen zwischen dem Roboter, der Schweißvorrichtung und dem Werkstück befürchtet werden müssen Die Bewegung ist sehr sanft und die Freiheit der Schweißhaltung wird ebenfalls verbessert.
- Baxter und Sawyer, Robotik neu denken
Rethink Robotics ist ein Pionier kollaborativer Roboter. Darunter verfügt der erste von Baxter entwickelte Doppelarmroboter über sieben Freiheitsgrade für beide Arme, und der maximale Arbeitsbereich eines einzelnen Arms beträgt 1210 mm. Baxter kann zwei verschiedene Aufgaben gleichzeitig bearbeiten, um die Anwendbarkeit zu erhöhen, oder dieselbe Aufgabe in Echtzeit verarbeiten, um den Output zu maximieren.
Sawyer wurde letztes Jahr vorgestellt und ist ein einarmiger, siebenachsiger Roboter, der für seine flexiblen Gelenke die gleichen seriellen elastischen Aktuatoren verwendet, die Aktuatoren für seine Gelenke wurden jedoch neu gestaltet, um sie kleiner zu machen. Durch die siebenachsige Bauweise und die Erweiterung des Arbeitsbereichs auf 100 mm können Aufgaben mit größerer Last erledigt werden. Die Last kann 4 kg erreichen, was viel größer ist als die 2,2 kg Nutzlast des Baxter-Roboters.
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- Yamaha Sieben-Achsen-Roboter der YA-Serie
Im Jahr 2015 brachte Yamaha drei siebenachsige Roboter auf den Markt, „YA-U5F“, „YA-U10F“ und „YA-U20F“, die alle von der neuen Steuerung „YA-C100“ angetrieben und gesteuert werden.
Der 7-Achsen-Roboter verfügt über eine E-Achse, die dem menschlichen Ellenbogen entspricht, sodass er Aktionen wie Beugen, Drehen und Strecken frei ausführen kann. Selbst in engen Räumen, in denen es für Roboter mit weniger als 6 Achsen schwierig ist, Vorgänge auszuführen, können Vorgänge und Installationen reibungslos durchgeführt werden. Ermöglicht auch niedrige Hockpositionen und Bewegungen auf der Rückseite des Geräts. Es wird ein hohler Aktuator verwendet, und das Gerätekabel und der Luftschlauch sind in den Roboterarm integriert, sodass sie die umgebende Ausrüstung nicht beeinträchtigen und eine kompakte Produktionslinie realisiert werden kann.
Darüber hinaus hat das Taiwan Precision Machinery Research and Development Center auch einen Prototyp eines zweiarmigen Sieben-Achsen-Roboters entwickelt, der taiwanesischen Unternehmen dabei helfen soll, ein leistungsstarkes Werkzeug für die 3C-Elektronikfertigung zu entwickeln und die technologische Kluft zwischen In- und Ausland zu verringern Länder.
Der heimische Sieben-Achsen-Roboter ist da
Können Sie Kurven überholen?
Die Forschung und Entwicklung des siebenachsigen Industrieroboters in China begann Anfang der 1990er Jahre. Der Leiter des Projekts war damals Zhang Qixian, ein berühmter Robotikexperte in meinem Land und Akademiker der Chinesischen Akademie für Ingenieurwissenschaften. Einer der Hauptbeiträge des Akademikers Zhang Qixian bestand darin, die Entwicklung eines redundanten Roboterprototyps mit sieben Freiheitsgraden abzuschließen.
Ende der 1980er Jahre entwickelten aufgrund der äußerst schwierigen Entwicklung nur sehr wenige Länder der Welt redundante Roboterprototypen mit sieben Freiheitsgraden. Der Akademiker Zhang Qixian leitete das Forschungsteam, um Ende 1993 nach mehreren Jahren harter Arbeit die Entwicklung des ersten redundanten Roboterprototyps mit sieben Freiheitsgraden abzuschließen, und bestand die Projektabnahme und die Ministerprüfung „863“. Wertgutachten auf einmal.
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Ein typischer überflüssiger Arm
Obwohl mein Land bei Robotern mit redundanten Freiheitsgraden gewisse Erfolge erzielt hat, bleibt es hauptsächlich im Stadium wissenschaftlicher Arbeiten, wissenschaftlicher Forschungsberichte und experimenteller Prototypen und hat keine echte Produktentwicklung erreicht. Dies schränkt zweifellos das Tempo der Roboterprodukte meines Landes in Richtung High-End-Industrialisierung ein.
Als führendes Unternehmen für heimische Industrieroboter übernahm SIASUN die Führung bei der Vorstellung des ersten heimischen siebenachsigen Industrieroboters auf der Industriemesse 2015. Sein Eigengewicht beträgt 29 kg, die Last beträgt 5 kg, die Wiederholpositionierungsgenauigkeit kann 0,02 mm erreichen und der Arbeitsradius kann 800 mm erreichen. Es verfügt über Funktionen wie Schnellkonfiguration, Traktionslehre, visuelle Führung und Kollisionserkennung. Es eignet sich besonders für flexible Produktionslinien mit kompaktem Aufbau und hoher Präzision und erfüllt die Anforderungen industrieller Abläufe wie Präzisionsmontage, Produktverpackung, Schleifen, Prüfung sowie Be- und Entladen von Werkzeugmaschinen.
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Derzeit hat die überwiegende Mehrheit der Industrieroboterunternehmen in meinem Land noch keine siebenachsigen Industrieroboterprodukte auf den Markt gebracht. Einige von ihnen sagten, dass sie verwandte Produkte entwickeln und dass verwandte Produkte noch in diesem Jahr auf den Markt kommen werden, während andere Unternehmen Bedenken hinsichtlich siebenachsiger Industrieroboterprodukte äußerten, aber noch nicht geplant haben, verwandte Produkte zu entwerfen und zu entwickeln.
Die Roboterindustrie meines Landes hat große Fortschritte bei der theoretischen Erforschung siebenachsiger Industrieroboter gemacht, aber es besteht immer noch eine große Lücke zum Ausland, was kommerzielle Produkte angeht. Der Grund liegt hauptsächlich in den folgenden zwei Aspekten:
Erstens ist die Fähigkeit zur unabhängigen Innovation schwach. Da es an originellen Errungenschaften und innovativen Konzepten der Kern- und Schlüsseltechnologien mangelt, hinkt die Gesamttechnologie der Industrieroboter meines Landes dem fortgeschrittenen Niveau anderer Länder mehr als zehn Jahre hinterher.
Zweitens ist die Rentabilität der Unternehmen gering und es mangelt an Mitteln für Forschung und Entwicklung. Der Mangel an Kernkomponententechnologie hat zu hohen Produktionskosten für Unternehmen geführt, und ausländische Hersteller haben nach und nach die Preise gesenkt. Im Jahr 2015 befanden sich mehr als 70 Prozent des Ontologiegeschäfts der Unternehmen in einem Verlustzustand.
Laut Experten beträgt die Lücke zwischen der Gesamttechnologie der Industrieroboter in meinem Land und im Ausland mehr als zehn Jahre. Das Aufkommen heimischer siebenachsiger Industrieroboter zeigt, dass sich unsere Forschung und Entwicklung in der Industrierobotertechnologie beschleunigt, aber wir sollten uns darüber im Klaren sein, dass es eine echte Lücke gibt. Wenn wir in einer Kurve überholen wollen, müssen wir die technischen Kernschwierigkeiten so schnell wie möglich überwinden. Gleichzeitig müssen wir auch auf die Forschung und Entwicklung von Technologien der nächsten Generation wie künstliche Intelligenz, Wahrnehmung, Erkennung, Antrieb und Steuerung achten.
