用于汽車動(dòng)力總成裝配的工業(yè)機(jī)器人
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與旋燈泡的工作類似，汽車動(dòng)力總成的裝配是一種傳統(tǒng)的手工作業(yè)，需要有熟練技巧和有經(jīng)驗(yàn)的工人來完成，因?yàn)殡x合器和液力變矩器等部件的齒輪和其他重要零件都必須在一個(gè)狹小的空間里以非常高的精確度進(jìn)行對(duì)中，這樣單調(diào)的多次重復(fù)動(dòng)作會(huì)使工人容易疲勞，并會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，工作效率無(wú)疑也會(huì)受到影響。如果機(jī)器人操作可以達(dá)到人工操作同樣水平，這將使自動(dòng)化在這個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景非常廣闊。
為了讓機(jī)器人能夠模仿人類在裝配線上的工作，機(jī)器人需要有對(duì)力的感覺能力和順從性。機(jī)器人必須有一種控制方法能夠?qū)α土剡M(jìn)行控制，并能夠?qū)佑|的信息作出反應(yīng)。ABB新型機(jī)器人的力控制技術(shù)可以做到這一點(diǎn)。
具有位控制功能的機(jī)器人所面臨的問題
如果一個(gè)具有位控制功能的機(jī)器人試圖把兩個(gè)齒輪對(duì)準(zhǔn)，而它的控制程序?qū)X的位置卻沒有精確的信息，這時(shí)，機(jī)器人唯一的選擇只能是反復(fù)進(jìn)行試對(duì)中和找錯(cuò)，一直反復(fù)進(jìn)行，直到找對(duì)了齒的相對(duì)位置為止。機(jī)器人試圖把兩個(gè)齒輪裝配起來，如果沒對(duì)準(zhǔn)，就會(huì)使一個(gè)齒輪緊緊地壓住另一個(gè)齒輪，并產(chǎn)生很大的接觸力。為了便于安裝，即使我們把齒輪的齒進(jìn)行倒角處理，但對(duì)不準(zhǔn)仍然會(huì)產(chǎn)生很大的側(cè)向應(yīng)力，因?yàn)闄C(jī)器人總是盡量讓齒輪沿著預(yù)先制定的路線向被插入物的中心線移動(dòng)。不僅如此，這種做法有時(shí)甚至?xí)过X輪發(fā)生卡死現(xiàn)象，除非事先已采取了某些機(jī)械順從性措施。
RCC（遠(yuǎn)程中心順從性）裝置就是為解決這一問題而開發(fā)的。安放一些抗剪彈性墊塊可以減小齒輪接觸時(shí)的接觸力，并能使裝配機(jī)器人補(bǔ)償因振動(dòng)或公差不合適而引起的定位誤差。當(dāng)順從性中心接近接觸點(diǎn)時(shí)，被插入的外凸形的零件因受到強(qiáng)大的接觸力而能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)凹形零件，而這個(gè)接觸力是由于沒對(duì)準(zhǔn)而產(chǎn)生的，所以，無(wú)論是零件還是工具，都不會(huì)受到損壞。
不幸的是，像RCC裝置這樣有用的設(shè)備卻不能廣泛應(yīng)用于汽車廠里的所有裝配作業(yè)上。這里有幾個(gè)原因：首先，裝配零件的幾何形狀很復(fù)雜而且差別很大，因而需要頻繁地從一個(gè)零件的專用裝置換成另一個(gè)零件的專用裝置；此外，由于這種裝置本身不能使零件彼此進(jìn)行定位并產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而裝配所需時(shí)間比較長(zhǎng)。所有這一切，使發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)都比較高。
機(jī)器人向人類學(xué)習(xí)
面對(duì)復(fù)雜零件的裝配問題，人類的思維和行動(dòng)的敏捷性是驚人的，我們可以在適當(dāng)?shù)牡胤? 在零件發(fā)生卡死之前產(chǎn)生并施加一個(gè)插入力。人類能夠“本能地”學(xué)會(huì)最合理地使用順從性，感受到力和力矩以及零件邊緣和邊界的接觸情況，并能盡快獲得所希望的結(jié)果。人類區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)明顯的特點(diǎn)就是我們具有觸覺并能對(duì)它作出反應(yīng)。因此，如果要求機(jī)器人模仿人類的行為，他們也需要具有類似的觸覺能力和順從性，還要能夠用一種控制方法對(duì)力和力矩進(jìn)行控制，并對(duì)接觸的信息作出反應(yīng)。所有這些都需要對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人的定位控制技術(shù)及規(guī)范進(jìn)行一次徹底的變革。
ABB的解決方案
ABB一直都在不斷地研究和開發(fā)機(jī)器人應(yīng)用的新技術(shù)，有一部分研究活動(dòng)是與大學(xué)進(jìn)行合作的，其中一項(xiàng)是ABB的科學(xué)家和工程師同美國(guó)俄亥俄州的Case Western Reserve大學(xué)和瑞典的Lund大學(xué)的研究人員合作在ABB目前的S4Cp1us機(jī)器人控制器的基礎(chǔ)上共同開發(fā)一個(gè)新型的力量/位置混合平臺(tái)。與此同時(shí)，這個(gè)研究組還開始同福特汽車公司開展合作研究，以便了解更多的有關(guān)應(yīng)用方面的特殊要求和知識(shí)。目前，這個(gè)項(xiàng)目在以力控制為基礎(chǔ)的裝配應(yīng)用方面已經(jīng)形成了一個(gè)解決方案。
這項(xiàng)工作的最終成果是開發(fā)出一個(gè)總體解決方案，它能使ABB的機(jī)器人既具有“感覺”又堅(jiān)強(qiáng)有力，更為重要的是，獲得這種新的感覺功能不會(huì)使機(jī)器人現(xiàn)有的能力或功能受到影響，比如ABB機(jī)器人的能快速控制加速度的先進(jìn)性、通信能力強(qiáng)和可靠性高等卓越的功能特點(diǎn)全都被保留了下來。
這項(xiàng)技術(shù)最初是在IRB4400 和IRB6400機(jī)器人上進(jìn)行試驗(yàn)的，其有效負(fù)載范圍為30～200kg，用于裝配汽車動(dòng)力總成的不同零件。這些工作是比較復(fù)雜的，其中包括向前插入離合器的盤殼和F/N液力變矩器的裝配（見圖1）。所有試驗(yàn)都一致證明了這兩款機(jī)器人在循環(huán)時(shí)間、可接受的插入力、可靠性和便于編程等方面具有優(yōu)異的性能。
目前，機(jī)器人的快速運(yùn)動(dòng)已達(dá)到了人們可以接受的程度，但要保證接觸的穩(wěn)定性卻依然是一個(gè)問題。雖然人們已經(jīng)對(duì)很多有前途的智能控制方法進(jìn)行過研究，但是, 采用慢慢地不斷施加力的方法來對(duì)位置進(jìn)行控制，其效果與性能大多數(shù)還是不太好。
評(píng)論