I. 산업용 로봇 개발 배경
ROBOT이라는 용어는 1920년 체코 극작가 Karilo Chibek이 SF 희곡 Rossum's Universal Robots에서 처음 사용한 이후 로봇공학과 동의어가 되었습니다.
1938년 3월 The Meccano Magazine은 산업용 응용 분야를 겨냥한 모델 로봇에 대한 최초의 보고서 중 하나인 핸들링 로봇 모델에 대해 보도했습니다. 1935년 그리피스 P. 테일러(Griffith P. Taylor)가 설계한 이 로봇은 단일 전기 모터를 통해 5개 축의 운동이 가능했습니다. 1954년에는 미국의 GC Devol이 최초의 전자 프로그래밍 가능 산업용 로봇을 설계했습니다. 그리고 1960년에 미국 회사 AMF는 산업 생산에 사용된 세계 최초의 로봇인 점 및 궤적 제어 기능을 갖춘 열 좌표 Versatran 로봇을 생산했습니다.
1974년 Cincinnati Milacron은 다관절 로봇을 성공적으로 개발했습니다.- 1979년에 Unimation은 다중-관절, 전체-모터 드라이브, 다중-CPU 보조 제어 로봇인 PUMA 로봇을 출시했으며, VAL 특수 언어를 사용하고 시각, 촉각, 힘 센서를 장착할 수 있었으며 당시 기술적으로 가장 진보된 산업용 로봇이었습니다. 오늘날의 산업용 로봇은 주로 이러한 구조를 기반으로 합니다. 로봇의 이 기간은 "티치{9}}인/재생"(티치{10}}인/재생) 유형 로봇에 속하며 메모리, 저장 용량만 있고 해당 프로그램에 따라 작업을 반복하며 주변 환경에는 기본적으로 인식 및 피드백 제어 기능이 없습니다.
80년대에 들어서 시각 센서, 비시각 센서, 정보 처리 기술 등 감지 기술이 발전하면서 2세대 로봇- 감각 로봇이 탄생했습니다. 작동 환경 및 작동 개체에 대한 관련 정보의 일부를 얻고, 특정 실시간 처리를 수행하고, 로봇이 작업을 수행하도록 안내할 수 있습니다. 2세대 로봇은 산업 생산에 널리 사용되었습니다.
현재 각국에서는 환경 인식이 더 나은 2세대 이상의 로봇을 보유할 뿐만 아니라 운영 요구 사항 및 환경 정보에 따라 자율적으로 작동하는 논리적 사고, 판단 및 의사 결정 능력을 갖춘 '지능형 로봇'을 연구하고 있습니다.{0}}
II. 산업용 로봇의 응용 시나리오
1960년대 초반부터 인류는 최초의 산업용 로봇을 탄생시켰고, 로봇은 그 큰 활력을 보여주고 있으며, 불과 50여년 만에 로봇 기술이 급속히 발전하여 많은 제조 분야에서 산업용 로봇은 자동차 및 자동차 부품 제조 산업 분야에서 가장 널리 사용되고 있으며, 기계 산업, 전자, 전기 산업, 고무 및 플라스틱 산업, 자동차 및 자동차 부품, 부품 제조업. 전기 산업, 고무 및 플라스틱 산업, 식품 산업, 목재 및 가구 제조 및 기타 분야. 산업 생산에서는 용접 로봇, 연삭 및 연마 가공 로봇, 용접 로봇, 레이저 가공 로봇, 스프레이 로봇, 핸들링 로봇, 진공 로봇 및 기타 산업용 로봇이 대량으로 채택되었습니다. 다음은 산업용 로봇의 일부 응용 시나리오와 기술적 특성을 소개합니다.
III. 산업용 로봇의 현재 상황
산업용 로봇의 증가와 함께 '인간을 위한 기계'가 대세로 자리잡을 것입니다. Foxconn은 이전에 3년 안에 로봇 백만 대를 구매할 것이라고 발표했으며, 2016년에는 "세계 최대의 지능형 로봇 생산 기지"인 Shanxi Jincheng에 건설될 것으로 예상됩니다.
자동차, 전자, 식품, 화학, 플라스틱 및 고무, 금속 제품, 6개 제조 산업은 현재 산업용 로봇이 주요 분야에 적용되는 것으로 보고 있으며, 기관에서는 연간 수요가 100만~200만 대에 달해 중국 산업용 로봇 시장 수요의 약 70%를 차지할 것으로 전망했다.
올해 9월 현재 중국 전체 로봇 기업은 거의 420개에 달합니다. 또한 현재 중국 전역에서 30개 이상의 로봇 산업 단지가 건설 중입니다.
산업용 로봇이 중국 시장에서 급증하는 이유는 첫째, 비용 측면에서 로봇이 일반적으로 인건비의 1/4에 불과하기 때문입니다.{0}} 둘째, 로봇은 품질, 효율성 및 관리 측면에서 많은 새로운 부가가치를 가져올 수 있습니다. 따라서 로봇 기술의 급속한 발전으로 인해 가격이 급격히 하락하고 노동력 부족, 인건비 상승 및 기타 요인으로 인해 중국 산업용 로봇 산업은 폭발적인 시대에 직면해 있습니다.
IV. 산업용 로봇의 핵심기술
1. 로봇 기본 시스템 구성
산업용 로봇은 3개의 주요 부분과 기계 부분, 감지 부분, 제어 부분의 6개 하위 시스템으로 구성되며, 6개 하위 시스템은 기계 구조 시스템, 구동 시스템, 감지 시스템, 로봇 환경 상호 작용 시스템, 인간{3}}기계 상호 작용 시스템 및 제어 시스템으로 나눌 수 있습니다.
산업용 로봇 시스템 구성
(1) 산업용 로봇의 기계 구조 시스템은 베이스, 암, 엔드 매니퓰레이터의 세 가지 주요 부분으로 구성되며, 각 주요 부분은 몇 가지 자유도를 갖는 여러 가지 기계 시스템을 가지고 있습니다. 베이스에 보행 메커니즘이 있는 경우 보행 로봇을 구성합니다. 베이스에 보행 및 굽힘 메커니즘이 없으면 단일 로봇 팔을 구성합니다. 팔은 일반적으로 위쪽 팔, 아래쪽 팔, 손목으로 구성됩니다. 엔드 조작기는 손목에 직접 장착되는 중요한 부품으로 두 손가락 또는 여러 손가락으로 잡을 수 있으며 페인트 스프레이 건, 용접 도구 및 기타 작동 도구일 수도 있습니다.
(2) 구동 시스템은 로봇이 작동하도록 하기 위해 관절에 배치되어야 합니다. 즉, 구동 시스템인 전달 장치의 각 이동 자유도가 필요합니다. 구동 시스템은 통합 시스템을 적용하기 위해 유압식, 공압식, 전기식 또는 이들의 조합이 될 수 있으며 동기식 벨트, 체인, 휠 시스템, 하모닉 기어 및 기타 기계적 전달 메커니즘을 통한 직접 구동 또는 간접 구동일 수 있습니다.
(3) 센싱 시스템은 내부 및 외부 환경의 상태에 대한 의미 있는 정보를 얻기 위해 내부 센서 모듈과 외부 센서 모듈로 구성됩니다. 스마트 센서를 사용하면 로봇의 이동성, 적응성 및 지능 수준이 향상됩니다. 인간의 감각 시스템은 외부 세계에 대한 정보를 감지하는 데 매우 능숙하지만 일부 특정 정보에 대해서는 센서가 인간의 감각 시스템보다 더 효과적입니다.
(4) 로봇 환경 교환 시스템은 현대 산업용 로봇과 장비 상호 교환 가능한 접촉 및 조정 시스템의 외부 환경입니다. 산업용 로봇 및 외부 장비는 처리 장치, 용접 장치, 조립 장치 등과 같은 기능 단위로 설정됩니다. 물론 여러 로봇, 여러 공작 기계 또는 장비, 여러 부품 저장 장치 등을 기능 단위로 설정하여 복잡한 작업을 수행할 수도 있습니다.
(5) 인간{1}}기계 교환 시스템은 작업자와 로봇이 제어하고 로봇 장치(예: 컴퓨터의 표준 터미널, 명령 콘솔, 정보 표시 보드, 위험 신호 경보 등)와의 접촉입니다. 시스템은 명령{3}}제공 장치와 정보 표시 장치의 두 가지 주요 범주로 요약됩니다.
6) 로봇제어시스템은 로봇의 두뇌로서 로봇의 기능과 성능을 결정하는 주요 요소이다.
제어 시스템의 임무는 로봇의 작동 명령 프로그램과 센서의 신호에 따라 로봇의 액추에이터를 제어하여 지정된 동작과 기능을 완료하는 것입니다. 산업용 로봇에 정보 피드백 특성이 없으면 개방형-루프 제어 시스템입니다. 정보 피드백 특성이 있는 경우 폐쇄-루프 제어 시스템입니다. 제어 시스템은 제어 원리에 따라 프로그램 제어 시스템, 적응 제어 시스템, 인공 지능 제어 시스템으로 나눌 수 있습니다. 제어 방식은 제어 동작의 형태에 따라 점 제어와 궤적 제어로 나눌 수 있다. 포인트 위치형은 한 지점에서 다른 지점으로 액츄에이터의 정확한 위치결정만을 제어하며 공작기계의 로딩 및 언로딩, 스폿 용접 및 일반 핸들링, 로딩 및 언로딩 등의 작업에 적합합니다. 연속 궤적형은 주어진 궤적에 따라 액츄에이터의 움직임을 제어하며 연속 용접, 도장 등의 작업에 적합합니다.
제어 시스템의 임무는 로봇의 작동 명령 프로그램과 센서의 신호에 따라 로봇의 액추에이터를 제어하여 지정된 동작과 기능을 완료하는 것입니다. 산업용 로봇에 정보 피드백 특성이 없으면 개방형-루프 제어 시스템입니다. 정보 피드백 특성이 있는 경우 폐쇄-루프 제어 시스템입니다. 제어 시스템은 제어 원리에 따라 프로그램 제어 시스템, 적응 제어 시스템, 인공 지능 제어 시스템으로 나눌 수 있습니다. 제어 방식은 제어 동작의 형태에 따라 점 제어와 궤적 제어로 나눌 수 있다. 산업용 로봇의 전체 세트에는 로봇 본체, 시스템 소프트웨어, 제어 캐비닛, 주변 기계 장비, CCD 비전, 고정 장치/그리퍼, 주변 장비용 PLC 제어 캐비닛 및 시연/시연 상자가 포함됩니다.
다음 섹션에서는 로봇의 구동 시스템과 감지 시스템에 중점을 둡니다.
2. 로봇 구동 시스템
산업용 로봇의 구동 시스템은 동력원에 따라 크게 유압식, 공압식, 전기식 3가지로 구분됩니다. 필요에 따라 이 세 가지 기본 유형을 복합 드라이브 시스템으로 결합할 수도 있습니다. 이 세 가지 유형의 기본 구동 시스템에는 고유한 특성이 있습니다.
유압 구동 시스템: 유압 기술은 보다 성숙한 기술입니다. 출력, 힘(또는 모멘트) 및 관성비가 크고 응답이 빠르며 직접 구동의 특성을 쉽게 구현할 수 있습니다. 부하 운반 능력이 크고 관성이 크며 용접{2}}방지 환경에서 작업하는 이러한 로봇에 사용하기에 적합합니다. 그러나 유압 시스템은 에너지 변환(전기 에너지를 유압 에너지로), 스로틀링 속도 조절을 사용하는 대부분의 경우 속도 제어가 필요하며 효율은 전기 구동 시스템보다 낮습니다. 유압 시스템의 액체 슬러지 배수구는 환경을 오염시킬 수 있으며 작동 소음도 더 높습니다. 이러한 약점으로 인해 최근에는 100kg 이하의 하중을 받는 로봇에서는 전기시스템으로 교체되는 경우가 많다.
완전 유압식 중부하 작업-로봇
공압 드라이브는 빠른 속도, 간단한 시스템 구조, 쉬운 유지 관리 및 저렴한 가격이라는 장점을 가지고 있습니다. 그러나 공압 장치의 작동 압력이 낮기 때문에 정확한 위치 지정이 쉽지 않으며 일반적으로 산업용 로봇 엔드{1}}드라이브에만 사용됩니다. 공압식 핸드 그리핑, 회전 실린더 및 엔드 이펙터인 공압식 흡착판은 중소형 부하 공작물 그리핑 및 조립에 사용할 수 있습니다. 공압식 흡입 컵과 공압식 로봇 그리퍼가 그림에 표시되어 있습니다.
공압식 흡입 컵 및 공압식 로봇 그리퍼
모터 구동은 현대 산업용 로봇의 주류 구동 모드로 DC 서보 모터, AC 서보 모터, 스테퍼 모터 및 선형 모터의 네 가지 모터 범주로 나뉩니다. 폐쇄-루프 제어 기능이 있는 DC 서보 모터 및 AC 서보 모터는 일반적으로 고정밀, 고속-로봇 드라이브에 사용됩니다. 정밀도와 속도 요구 사항을 충족하는 스테퍼 모터는 그다지 중요하지 않으며 개방형{4}}루프 제어를 사용합니다. 선형 모터 및 그 구동 제어 시스템은 기술적으로 성숙해졌으며 초고속- 및 초저-속도 애플리케이션에 적응하고 높은 가속도, 높은 정확성, 빈 복귀 없음, 낮은 마모, 로봇 그리퍼의 구조 및 구조에 적응하는 등 기존의 전송 장치와 비교할 수 없는 우수한 성능을 가지고 있습니다. 뒷면이 비어 있지 않고 마모가 적으며 구조가 간단하고 감속기 및 기어 나사 커플링이 없습니다. 병렬 로봇의 선형 구동 요구 사항이 많다는 점을 고려하여 선형 모터는 병렬 로봇 분야에서 널리 사용되었습니다.
3. 로봇 감지 시스템
로봇 인식 시스템은 로봇의 다양한 내부 상태 정보와 환경 정보를 신호로부터 로봇 자체 또는 로봇 간 이해하고 적용할 수 있는 데이터와 정보로 변환하는 시스템이다. 변위, 속도, 가속도, 힘, 토크 등 자체 작업 상태와 관련된 기계적 양을 인식해야 하는 필요성 외에도 시각적 인식 기술은 산업용 로봇 인식의 중요한 측면입니다.
비주얼 서보 시스템은 시각적 정보를 피드백 신호로 사용하여 로봇의 위치와 자세를 조정합니다. 이 분야의 응용 분야는 주로 반도체 및 전자 산업입니다. 머신 비전 시스템은 품질 검사, 공작물 식별, 식품 분류 및 포장 등 다양한 측면에서도 널리 사용됩니다.
일반적으로 로봇의 비주얼 서보 제어는 위치-기반 비주얼 서보 또는 이미지-기반 비주얼 서보로 각각 3D 비주얼 서보, 2D 비주얼 서보라고도 하는데, 이 두 가지 방식은 각각 장점과 적용 가능성이 있지만 몇 가지 단점도 있어 2.5차원 비주얼 서보 방식이 제안되고 있다.
위치-기반 비주얼 서보 시스템은 카메라의 매개변수를 활용하여 이미지 정보와 로봇 엔드 이펙터의 위치/자세 정보 간의 매핑 관계를 설정하여 로봇 엔드{1}}위치의 폐쇄{2}}루프 제어를 실현합니다. 실시간 캡처 이미지에서 추출한 엔드-위치 정보와 국부화된 타겟의 기하학적 모델로부터 엔드-위치 및 자세 오류를 추정하고, 위치 및 자세 오류를 기반으로 각 관절의 새로운 위치 및 자세 매개변수를 얻습니다. 위치-기반 시각적 서보 기능을 사용하려면 엔드{10}}이펙터가 시각적 장면에서 항상 관찰 가능해야 하며 해당 3D 위치 자세 정보가 계산되어야 합니다. 위치 및 자세 오류를 정확하게 계산하려면 이미지의 교란 및 노이즈를 제거하는 것이 중요합니다.
2D 비전 서보는 카메라가 촬영한 이미지의 특징을 주어진 이미지(3D 기하학적 정보가 아님)와 비교하여 오류 신호를 도출합니다. 그런 다음 로봇은 관절 컨트롤러와 비전 컨트롤러 및 로봇의 현재 작동 상태를 수정하여 로봇이 서보 제어를 완료할 수 있도록 합니다. 3D 비주얼 서보잉에 비해 2D 비주얼 서보잉은 카메라와 로봇의 보정 오차에 더 강하지만, 비주얼 서보 컨트롤러 설계 시 영상 야코비 행렬의 특이성, 로컬 최소값 등의 문제가 필연적으로 발생합니다.
3D 및 2D 시각적 서보 방법의 한계를 해결하기 위해 F. Chaumette et al. 2.5-차원 비주얼 서보 방식을 제안했습니다. 카메라 변환 변위 및 회전의 폐{10}}루프 제어를 분리하고 이미지 평면의 특징점 좌표로 표현되는 변환 부분을 사용하여 이미지 특징점을 기반으로 3D 공간에서 객체의 방향 및 이미징 깊이 비율을 재구성합니다. 이 방법은 영상 신호와 영상을 기반으로 추출된 위치 신호를 유기적으로 결합하고, 이들이 생성한 오차 신호를 합성하여 피드백할 수 있어 강건성(Robustness), 특이점(Singularity), 국소 최소점(Local Minima) 문제를 크게 해결할 수 있다. 그러나 이 방법에는 서보잉 과정에서 참조 객체가 항상 카메라 시야 내에 위치하도록 보장하는 방법, 특이점 행렬을 분해할 때 고유하지 않은 솔루션의 존재 등 해결해야 할 몇 가지 문제가 여전히 남아 있습니다.
비전 컨트롤러를 모델링할 때 로봇의 엔드 이펙터와 카메라 간의 매핑 관계를 설명하기 위해 적합한 모델을 찾아야 합니다-. 이미지 야코비 행렬 방법은 로봇 비전 서보잉 연구 분야에서 널리 사용되는 방법입니다. 이미지의 야코비 행렬은 시변-이므로 온라인으로 계산하거나 추정해야 합니다.
4. 주요 기본 로봇 구성 요소
로봇을 구성하는 주요 부품은 4가지로 본체 원가의 22%, 서보 시스템의 24%, 감속기의 36%, 컨트롤러의 12%로 구성됩니다. 로봇의 핵심 기본 구성 요소는 로봇 구동 시스템, 제어 시스템 및 인간{6}}기계 상호 작용 시스템의 구성을 말하며 로봇의 성능에 영향을 미치는 핵심 역할을 하며 구성 요소 단위의 일반성과 모듈성을 갖습니다. 로봇 핵심 구성요소는 주로 고정밀 로봇 감속기, 고성능-AC 및 DC 서보 모터 및 드라이브, 고성능 로봇 컨트롤러의 세 부분으로 나뉩니다.-
1) 감속기
감속기는 로봇의 핵심 구성 요소이며 현재 하모닉 기어 감속기와 RV 감속기의 두 가지 유형의 감속기가 주로 사용됩니다.
고조파 전송 방법은 1950년대 중반에 미국 발명가 C. WaltMusser가 발명했습니다.{4}} 하모닉 기어 감속기는 주로 파동 발생기, 플렉서블 기어 및 강성 기어 3가지 기본 구성 요소로 구성되며, 파동 발생기에 의존하여 유연한 기어를 만들어 제어된 탄성 변형을 생성하고 강성 기어 맞물림을 통해 동작과 동력을 전달하며 단일{12}}단 전송 속도 비율은 최대 70~1000이며 유연한 휠 변형을 사용하면 백래시 맞물림 없이 역방향으로 수행할 수 있습니다. 일반 감속기와 비교하여 출력 토크가 동일할 때 하모닉 기어 감속기는 부피를 2/3, 무게를 1/2로 줄일 수 있습니다. 큰 교번 하중을 견딜 수 있는 유연한 휠로 인해 재료 피로 강도, 가공 및 열처리 요구 사항이 높고 제조 공정이 복잡하며 유연한 휠 성능은 고품질 하모닉 기어 감속기의 핵심입니다.
1926년 독일의 로렌츠바라엔(LorenzBaraen)이 사이클로이드 유성기어 변속기의 원리를 제안했고, 1980년대에는 일본의 TEIJINSEIKICo., Ltd.가 RV 감속기 개발에 앞장섰습니다. RV 감속기는 유성기어 전단과 사이클로이드 감속기 후단으로 구성됩니다. 하모닉 기어헤드에 비해 RV 기어헤드는 더 나은 선회 정확도와 정확도 유지 기능을 제공합니다.
Chen Shixian은 라이브 기어 전송 기술을 발명했습니다. 4세대 진동 롤러 변속기(ORT)는 많은 산업 제품에 성공적으로 적용되었습니다. ORT를 기반으로 제안된 복합 진동 롤러 변속기(CORT)는 RV 변속기와 유사한 장점을 가질 뿐만 아니라 RV 변속기 크랭크샤프트 샤프트 베어링 힘, 낮은 수명의 단점을 극복하고 서비스 수명과 하중 전달 능력을 더욱 향상시킵니다. CORT의 구조는 이를 동일하게 허용합니다. CORT의 구조는 동일한 정밀도 지수 하에서 반품 차이를 줄이고 무브먼트 정밀도와 강성을 높여 높은 제조 정밀도가 요구되는 RV 변속기의 결함을 완화하고 가공 요구 사항과 제조 비용을 상대적으로 줄일 수 있습니다. CORT는 중국에서 독자적으로 개발되었으며 독립적인 지적 재산권을 소유합니다. Anshan 내마모{4}}내마모 합금 연구소와 Zhejiang Hengfengtai Reducer Manufacturing Co., Ltd.는 모두 로봇용 CORT 감속기를 성공적으로 개발했습니다.
ORT 감속기 CORT 감속기
현재 고정밀 로봇 감속기 분야에서는 RV 사이클로이드 감속기 Japan Nabtesco와 고성능 고조파 감속기 Japan Harmonic Drive를 제공하는 두 일본 감속기 회사가 각각 75%의 시장 점유율을 독점하고 있습니다.{2}} ABB, FANUC, KUKA, MOTOMAN을 비롯한 국제 주류 로봇 제조사 위 두 회사의 감속기를 국내외 로봇 제조사에 위 두 회사의 감속기를 공급합니다. ABB, FANUC, KUKA 및 MOTOMAN을 포함한 국제 주류 로봇 제조업체의 기어박스는 모두 위의 두 회사에서 제공됩니다. 국내 로봇 기업이 선택한 일반 모델과 다른 점은 국제 주류 로봇 제조사가 위의 두 기업과 전략적 협력 관계를 체결했다는 점이며, 제공되는 제품의 대부분은 일반 모델을 기반으로 제조사의 특별한 요구 사항에 따라 개선된 특화 모델이라는 점이다. 고정밀 사이클로이드 감속기에 대한 국내 연구는 뒤늦게 시작되었으며, 일부 대학에서만 관련 연구를 진행하고 있습니다. 현재 산업용 로봇에 사용되는 성숙한 제품은 없습니다. 최근 몇 년 동안 Zhejiang Hengfengtai, Chongqing University State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Tianjin Reducer Factory, Qinchuan Machine Tool Factory, Dalian Railway Institute 등과 같은 일부 국내 제조업체와 기관에서는 고정밀 사이클로이드 감속기 연구의 국산화 및 산업화에 전념하기 시작했습니다.{10} 하모닉 감속기 측면에서 중국에는 Beijing Sinotech Kemi, Beijing Harmonic Drive와 같은 대체 제품이 있지만 입력 속도, 비틀림 높이, 전송 정확도 및 효율성에서 해당 제품은 일본 제품과 여전히 작은 격차가 있어 산업용 로봇의 성숙한 적용이 이제 막 시작되었습니다.
2) 서보 모터
서보 모터 및 드라이브에서 현재 유럽 로봇 드라이브 부품은 주로 Lenze, Lust, Bosch Rexroth 및 기타 회사에서 제공하며 이러한 유럽 모터 및 드라이브 구성 요소는 용량에 과부하가 걸리고 동적 응답이 좋고 드라이브 개방성이 강하며 버스 인터페이스가 있지만 가격이 비쌉니다. 일본 브랜드 산업용 로봇 핵심 부품은 주로 야스카와(Yaskawa), 파나소닉(Panasonic), 미쓰비시(Mitsubishi) 및 기타 회사에서 제공하며 가격은 상대적으로 낮지만 동적 응답이 좋지 않고 개방성이 좋지 않으며 대부분 아날로그 및 펄스 제어 모드만 있습니다. 최근 몇 년 동안 중국은 하얼빈 공과대학, 베이징 및 Lisi, 광저우 CNC 및 기타 장치와 같은 고전력 AC 영구 자석 동기 모터 및 구동 부품에 대한 기초 연구 및 산업화를 수행했으며 약간의 생산 능력을 갖추고 있지만 보다 실용적인 로봇 공학 프로젝트 적용을 통해 동적 성능, 개방성 및 신뢰성을 검증해야 합니다.
3) 컨트롤러
로봇 컨트롤러 측면에서 현재 주류 외국 로봇 제조업체는 독립적인 연구 개발을 기반으로 하는 일반적인 다축 모션 컨트롤러 플랫폼을 사용하고 있습니다. 현재 일반적인 다{2}축 컨트롤러 플랫폼은 주로 모션 제어 카드의 핵심인 임베디드 프로세서(DSP, POWER PC)와 산업용 컴퓨터 및 PLC 시스템의 핵심인 실시간 시스템으로 구분되며 Delta Tau의 PMAC 카드와 Beckhoff의 TwinCAT 시스템으로 대표됩니다. 국내 모션 제어 카드 분야에서는 솔리드 하이 기업이 상응하는 성숙한 제품을 개발했지만 로봇 적용 분야에서는 상대적으로 작습니다.
5. 로봇 운영체제
공통 로봇 운영 체제(Robot Operating System, ROS)는 로봇을 위해 설계된 표준화된 구축 플랫폼으로, 모든 로봇 설계자가 로봇 소프트웨어 개발에 동일한 운영 체제를 사용할 수 있도록 합니다. ROS는 하드웨어와 소프트웨어 독립을 지향하는 방향으로 로봇 산업의 발전을 촉진할 것입니다. 하드웨어-소프트웨어 독립 개발 모델은 PC, 노트북, 스마트폰 기술의 발전과 급속한 발전에 크게 기여해 왔습니다.
ROS는 컴퓨터 운영체제보다 개발하기가 더 어렵습니다. 컴퓨터는 잘 정의된 몇 가지 수학적 연산만 처리하면 되는 반면, 로봇은 보다 복잡한 실제 모션 연산을 처리해야 합니다.
ROS는 하드웨어 추상화, 기본 기기 제어, 공통 기능 구현, 프로세스 간 메시지, 패킷 관리 등 표준 운영체제 서비스를 제공합니다.{0}}
ROS는 두 개의 계층으로 나누어집니다. 하위 계층은 운영 체제 계층이고, 상위 계층은 로봇의 다양한 기능을 실현하기 위해 사용자 커뮤니티가 제공하는 다양한 소프트웨어 패키지입니다.
기존의 주요 로봇 운영 체제 아키텍처는 Linux- 기반 Ubuntu 오픈 소스 운영 체제입니다. 또한 스탠포드 대학, 매사추세츠 공과대학, 독일 뮌헨 대학에서 다양한 유형의 ROS 시스템이 개발되었습니다. 마이크로소프트의 로봇 개발팀도 2007년에 '윈도우 로봇 버전'을 출시했다.
6. 로봇 모션 계획
작업의 효율성을 높이고 로봇이 가능한 한 짧은 시간에 특정 작업을 완료할 수 있도록 합리적인 동작 계획이 있어야 합니다. 오프라인 모션 계획은 경로 계획과 궤적 계획으로 구분됩니다.
경로 계획의 목표는 경로의 길이를 최대한 짧게 하면서 경로와 장애물 사이의 거리를 최대한 멀리 만드는 것입니다. 궤도 계획의 목적은 주로 로봇의 공간 이동에서 로봇의 관절을 만드는 것입니다. 실행 시간은 가능한 한 짧거나 에너지는 가능한 한 작습니다. 부드러움과 속도 제어 가능성의 요구 사항을 충족하기 위해 시계열 정보 추가를 기반으로 경로 계획의 궤도 계획, 로봇이 속도 및 가속 계획 작업을 수행합니다.
시연 재현은 경로 계획을 실현하는 방법 중 하나입니다. 시연을 위한 작업 공간을 통해 시연 결과를 기록하고 작업 프로세스에서 재현합니다. -현장 시연은 로봇이 작업을 완료하는 데 필요한 것과 직접적으로 일치하며 경로는 직관적이고 명확합니다. 단점은 숙련된 작업자가 필요하고 시간이 많이 소모되며 경로가 최적화되지 않을 수 있다는 점입니다. 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 로봇의 가상 모델을 구축할 수 있으며, 가상 시각화를 통해 작업 작업의 경로 계획을 이룰 수 있다.
경로 계획은 관절 공간에서 수행될 수 있습니다. Gasparetto는 관절 궤적에 대한 보간 함수로 5배 B{1}}스플라인을 사용하고, 동작 시간에 대해 추가된 가속도의 제곱의 적분을 최적화의 목적 함수로 사용하여 각 관절의 동작이 충분히 매끄러워지도록 합니다. Songguo Liu는 5배 B 스플라인을 사용하여 로봇 관절 궤적의 보간을 계산하고 로봇 개별 관절의 속도 및 가속도 끝점 값을 부드러움 요구 사항에 따라 임의로 구성할 수 있습니다. 또한, 관절 공간에서의 궤적 계획은 수술 공간에서의 특이성 문제를 피할 수 있습니다.Huo et al. 는 작업 중 6-자유도-자유도 아크 용접 로봇의 특정 관절 기능의 중복성을 이용하고 로봇의 특이성과 관절 한계를 제약 조건으로 삼아 관절 공간의 특이성을 피하기 위한 관절 궤적 최적화 알고리즘을 TWA 방법을 사용하여 설계했습니다.
공동 공간 경로 계획은 작전 공간 경로 계획에 비해 다음과 같은 장점이 있습니다.
① 작업 공간에서 로봇의 특이성 문제를 방지합니다.
② 관절 모터의 움직임을 제어하여 로봇의 움직임을 제어하기 때문에 관절 공간에서 많은 정기구학 및 역기구학 계산이 생략됩니다.
③관절 공간의 개별 관절 궤적은 제어 최적화를 촉진합니다.
V. 산업용 로봇의 분류
1. 기계구조의 관점에서 보면 직렬로봇과 병렬로봇으로 구분된다.
(1) 시리즈 로봇은 한 축의 움직임이 다른 축의 좌표 원점을 변경한다는 특징이 있습니다. 위치 솔루션에서 시리즈 로봇은 포지티브 솔루션을 해결하기 쉽지만 역방향 솔루션은 매우 어렵습니다.
(2) 평행 로봇은 평행 메커니즘을 사용하며 한 축의 움직임이 다른 축의 좌표 원점을 변경하지 않습니다. 병렬 로봇은 큰 강성, 안정적인 구조, 큰 하중 운반 능력, 높은 미세{2}} 모션 정밀도 및 작은 모션 하중이라는 장점을 가지고 있습니다. 양의 해법은 역해법이 어렵습니다. 해법은 매우 쉽습니다. 직렬 및 병렬 로봇이 그림에 표시되어 있습니다.
탠덤 로봇, 병렬 로봇
2. 산업용 로봇은 작업자의 좌표 형태에 따라 다음과 같이 분류된다. (좌표 형태는 작업자의 팔이 움직이는 기준 좌표계의 형태를 말한다.)
(1) 직교좌표형 산업용 로봇
모션 부분은 서로 수직인 세 개의 선형 모션(예: PPP)으로 구성되며 작업 공간 모양은 직사각형입니다. 각 축 방향의 이동 거리는 각 좌표축에서 직접 읽을 수 있습니다. 이는 직관적이고 위치 및 자세를 프로그래밍하고 계산하기 쉽고 위치 정확도가 높으며 커플링-이 없는 제어, 구조가 간단하지만 본체가 차지하는 공간이 크고 동작 범위가 작고 유연성이 부족하며 다른 산업용 로봇과 협력하여 작업하기가 어렵습니다.
(2) 원통좌표형 산업용 로봇
운동의 형태는 회전과 2개의 이동 모션 시스템으로 구현되며 실린더의 작업 공간 그래프는 직교 좌표 산업용 로봇과 비교하여 동일한 작업 공간 조건에서 몸체가 차지하는 부피는 작지만 모션 범위가 크고 위치 정확도가 직교 좌표 로봇에 이어 두 번째로 다른 산업용 로봇과의 협업이 어렵습니다.
(3) 볼 좌표 산업용 로봇
극-좌표 산업용 로봇이라고도 하는 볼{0}}좌표 산업용 로봇은 작업 공간의 구로 구성된 두 개의 회전 및 선형 운동(즉, RRP, 회전, 피치 및 후퇴식 이동)에 의한 팔 운동으로 상하 피칭 동작이 가능하고 지면을 파악하거나 작업물의 낮은 위치 조정을 가르칠 수 있으며 위치 정확도가 높습니다. 위치 오류와 팔 길이는 팔 길이에 비례합니다.
4)다중-관절 산업용 로봇
회전 좌표 산업용 로봇이라고도 알려져 있는 이 산업용 로봇 팔과 처음 세 관절과 유사한 인간의 상지는 회전 바이스(즉, RRR)입니다. 산업용 로봇은 일반적으로 기둥과 크고 작은 팔로 구성됩니다. 기둥과 큰 팔은 어깨 관절의 형성을 볼 수 있으며, 큰 팔과 작은 팔 사이의 팔꿈치 관절이 있어 큰 팔은 회전 운동과 피치 스윙을 수행하고 작은 팔은 피치 스윙을 수행합니다. 그 구조는 가장 작고, 유연성이 있고, 설치 공간이 가장 작으며, 다른 산업용 로봇과 협력하여 작업할 수 있지만 위치 정확도가 낮고 균형 문제, 제어 연결 문제가 있어 이 산업용 로봇은 점점 더 널리 사용되고 있습니다.
(5) 평면관절형 산업용 로봇
가동 관절과 2개의 회전 관절(즉, PRR)을 사용하여 상하 운동을 구현하며, 2개의 회전 관절은 전후, 좌우 움직임을 제어합니다. 이러한 형태의 산업용 로봇은 (SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm) 조립 로봇이라고도 합니다. 수평 방향으로는 유연성을 갖고 수직 방향으로는 큰 강성을 가르쳤습니다. 구조가 간단하고 유연한 동작으로 주로 조립 작업에 사용되며 특히 전자 산업의 소형 부품 삽입 조립, 삽입, 광범위한 조립에 적합합니다.{5}} 응용 프로그램의.
3. 프로그래밍 입력 유형과 교육 입력 유형의 두 가지 유형을 구별하기 위해 프로그램 입력 방법에 따른 산업용 로봇:
(1) 프로그래밍 입력 유형은 RS232 직렬 포트 또는 이더넷 및 로봇 제어 캐비닛에 대한 기타 통신 방법을 통해 컴퓨터가 운영 프로그램 파일에 프로그래밍된 것입니다.
(2) Teach-In 유형에는 두 가지 유형의 티칭 방법이 있습니다. 티칭 박스 티칭과 직접 조작자 주도-액추에이터 티칭입니다.
수동 컨트롤러(티칭 박스)를 사용하여 작업자가 티칭하는 티칭 박스는 드라이브 시스템에 명령 신호를 보내어 액츄에이터가 필요한 동작 순서와 운동 궤적에 따라 한 번만 수행되도록 합니다. 산업용 로봇을 가르치기 위해 티칭 박스를 사용하는 것은 상대적으로 일반적이며 일반 산업용 로봇에는 티칭 박스 티칭 기능이 장착되어 있지만 상황의 복잡한 궤적의 경우 티칭 박스 티칭은 페인팅 로봇의 페인트 분사 작업의 복잡한 표면과 같은 원하는 결과를 얻을 수 없습니다.
로봇 티칭박스
작업자가 액추에이터를 직접 이끌면 로봇은 필요한 일련의 움직임과 궤적을 수행하도록 학습됩니다. 동시에 교육 과정에서 작업 프로그램 정보는 자동으로 로봇의 프로그램 메모리에 저장되고 제어 시스템은 프로그램 메모리에서 해당 정보를 감지하고 구동 메커니즘에 대한 명령 신호를 감지하여 액추에이터가 다양한 동작의 교육을 재현합니다.
Ⅵ. 산업용 로봇 성능 평가 지수
로봇 특성의 기본 매개변수 및 성능 지표에는 주로 작업 공간, 자유도, 페이로드, 동작 정확도, 동작 특성, 동적 특성이 포함됩니다.
산업용 로봇 성능 판단 지표
1. 작업 공간(Work space)은 특정 조건에서 로봇 팔의 특정 부분이 위치 수집 공간에 도달할 수 있는 것을 말합니다. 작업 공간의 특성과 크기는 로봇의 작업 용량 크기를 반영합니다. 로봇의 작업 공간을 이해할 때 다음 사항에 유의해야 합니다.
(1) 일반적으로 산업용 로봇의 매뉴얼에 표시되는 작업공간은 엔드이펙터의 끝점에서 도달할 수 있는 범위가 아니라 손목에 있는 기계적 인터페이스의 좌표계 원점이 공간에서 도달할 수 있는 범위, 즉 손목 끝에 있는 플랜지의 중심점이 공간에서 도달할 수 있는 범위를 의미한다. 따라서 로봇을 설계하고 선택할 때 엔드이펙터를 설치한 후 로봇이 실제로 도달할 수 있는 작업 공간에 주의하는 것이 중요합니다.{3}}
(2) 로봇 매뉴얼에 제시된 작업 공간은 운동학적으로 최대 공간보다 작은 경우가 많다. 이는 도달 가능한 공간에서 팔 위치가 다르고 페이로드, 최대 속도 및 최대 가속도가 동일하지 않기 때문입니다. 팔 폴 최대 위치에서 허용되는 제한 값은 일반적으로 다른 위치보다 작습니다. 또한, 단일 비트 패턴이라 불리는 로봇의 최대 도달 가능 공간 경계에서 자유도 저하가 발생할 수 있으며, 단일 비트 패턴을 중심으로 상당한 범위에서 자유도의 진화가 일어나며, 이 부분의 작업 공간은 로봇 작업 시 활용이 불가능하다.
(3) 작업 공간의 가장자리 외에도 실제 응용 분야의 산업용 로봇은 작업 공간의 기계적 구조에 의해 제한될 수 있으며, 작업 공간 내부에는 팔 끝이 닿을 수 없는 영역(종종 빈 공간 또는 공동이라고도 함)이 있습니다. 캐비티(Cavity)는 작업 공간 내 암 끝이 닿을 수 없는 완전히 닫힌 공간입니다. 그리고 팔 전체 길이에 걸쳐 샤프트를 따라 있는 공동은 공간에 도달할 수 없습니다.
2.모션 자유도는 로봇 조작자가 공간에서 이동하는 데 필요한 변수의 수를 나타내며 로봇 동작 매개변수의 유연성 정도를 나타내는 데 사용되며 일반적으로 축을 따라 이동하고 축을 중심으로 회전하여 표시하는 독립적인 이동 수를 나타냅니다.
자유 물체는 공간에서 6개의 자유도(회전의 자유도 3도, 이동의 자유도 3도)를 갖습니다. 산업용 로봇은 종종 관절 운동학당 자유도가 1개인 개방형 연결 시스템이므로 일반적으로 로봇의 자유도 수는 관절 수와 같습니다. 로봇의 자유도가 높을수록 로봇은 더욱 강력해집니다. 며칠 전 산업용 로봇의 자유도는 보통 4{5}}6이었습니다. 로봇의 관절 수(자유도)가 엔드 이펙터 방향 및 위치 파악에 더 이상 유용하지 않을 정도로 증가하면 중복 자유도가 발생합니다. 중복된 자유도가 있으면 로봇 작업의 유연성이 높아지지만 제어가 더욱 복잡해집니다.
산업용 로봇은 운동에 있어서 항상 선형운동(약칭 P)과 회전운동(약칭 R)으로 구분할 수 있으며, 약칭 P와 R의 적용은 매니퓰레이터의 운동자유도 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어 RPRR은 로봇 매니퓰레이터가 4자유도를 가지며 관절이 회전식-선형-회전식-회전식, 베이스에서 시작하여 암 끝까지. 또한, 산업용 로봇의 동작 자유도는 동작 범위의 한계를 가지고 있습니다.
3. 페이로드
페이로드(Payload)란 로봇 작업자가 팔 끝에 짊어질 수 있는 물체의 무게 또는 로봇이 작동 중에 견딜 수 있는 힘이나 모멘트를 말하며 작업자의 적재 능력을 나타내는 데 사용됩니다.
서로 다른 위치에 있는 로봇은 허용되는 최대 질량이 다르기 때문에 로봇의 정격 질량은 손목 관절 끝의 작업 공간 내 임의 위치에 있는 팔이 최대 질량을 처리할 수 있다는 것입니다.
4. 모션 정확도
로봇 기계 시스템의 정확도에는 주로 위치 정확도, 반복 위치 정확도, 궤적 정확도, 반복 궤적 정확도 등이 포함됩니다.
위치 정확도는 동일한 방향에서 명령된 위치에 접근할 때 명령된 위치와 실제 위치 중심 사이의 편차를 나타냅니다. 반복 위치 정확도는 동일한 방향에서 동일한 명령 위치에 n번 응답한 후 실제 위치가 일치하지 않는 정도를 나타냅니다.
궤도 정확도는 로봇 기계 인터페이스가 동일한 방향에서 n번 명령된 궤도에 근접한 정도입니다. 궤적 반복성은 주어진 궤적과 동일한 방향으로 n번 따라간 후 실제 궤적 사이의 불일치 정도를 나타냅니다.
5. 운동특성(속도)
속도와 가속도는 로봇의 동작 특성을 나타내는 주요 지표입니다. 로봇 매뉴얼에서는 일반적으로 주요 동작 자유도의 최대 안정화 속도를 제공하지만 실제로는 최대 안정화 속도만으로는 충분하지 않다고 생각하고 최대 허용 가속도에도 주의해야 합니다.
6. 구조물의 동적 특성 동적 매개변수에는 주로 질량, 관성 모멘트, 강성, 감쇠 계수, 고유 주파수 및 진동 모드가 포함됩니다.
설계는 질량과 관성을 최소화해야 합니다. 로봇의 강성의 경우 강성이 열악하면 로봇의 위치 정확도와 시스템의 고유 주파수가 감소하여 시스템의 동적 불안정성을 초래합니다. 그러나 일부 작업(예: 조립 작업)의 경우 유연성을 적절하게 높이는 것이 유리하며 이상적으로는 로봇 암 바의 강성을 조정할 수 있는 것이 바람직합니다. 시스템의 감쇠를 증가시키는 것은 진동의 감쇠 시간을 줄이고 시스템의 동적 안정성을 향상시키는 데 유리합니다. 작동 주파수 범위를 피하기 위해 시스템의 고유 주파수를 높이는 것도 시스템의 안정성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
Ⅶ. 산업용 로봇은 기술적 과제에 직면해 있습니다.
1, 로봇 시장은 외국 자본의 90%를 차지
로봇 시장은 번성하고 있지만 중국 로봇 산업은 낙관적이지 않다. 시장 통계에 따르면 중국 본토 산업용 로봇 시장은 외국 제조업체가 독점하고 있으며 일본 브랜드 제조업체는 52%, 유럽 제조업체는 30%, 나머지 중국 본토 제조업체는 약 10%를 차지합니다.
로봇 산업 진입 문턱이 상당히 높기 때문에 상위 4개 벤더의 글로벌 로봇 시장 순위는 일본 Fanuc, Yaskawa Electric, ABB 및 KUKA로 총 시장 점유율 50%를 차지했습니다.
한편, 향후 30년 동안 중국 본토의 산업용 로봇 시장은 적어도 30%의 급속한 성장을 유지할 것입니다. 이를 위해 화낙(FANUC), 야스카와전기(YASKAWA Electric), ABB, KUKA 등 글로벌 브랜드 로봇 제조사들이 중국 본토 시장에서 로봇 사업 판매 규모를 적극적으로 확대하고 있으며 중국 본토에 공장을 설립하고 활발히 활동하고 있다.
현재 중국 본토의 산업용 로봇은 산업화가 초기 단계에 이르렀지만 외국 제조업체의 정확성, 속도 및 기타 측면으로 인해 유사한 제품에 비해 이러한 제품의 산업화 수준이 낮고 시장 점유율이 매우 낮습니다. 외국의 기술 수준 제품 중 일부는 지난 세기 90년대 중반 수준에 불과합니다.
중국 로봇 산업 연합 데이터 통계 센터 소장인 Li Xiaojia는 2013년에 중국이 거의 37,000대의 산업용 로봇을 구입하고 조립했으며 그 중 외국-자금을 지원받은 로봇은 일반적으로 6-축 이상의 고급-산업 로봇으로 자동차 제조, 용접 및 기타 고급 산업을 거의 독점하고 있다고 말했습니다.{9}} 업종이 96%를 차지합니다. 가정용 로봇의 주요 응용 분야는 여전히 업계의 저가형 분야에서 주로 로봇을 핸들링하고 로딩 및 언로딩하는 것입니다.
현재 중국 로봇 산업이 외국과 발전하고 있는 상황에서 위험 격차가 더욱 확대될 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 현재 중국의 로봇 산업 전반은 아직 초기 단계에 있으며 산업용 로봇에 대한 브랜드 인지도가 부족하여 연간 로봇 생산량이 수천 대에 불과합니다. 외국 로봇 회사가 중국을 생산 기지로 삼으면서 산업용 로봇의 독립 브랜드 개발은 더욱 압축될 것입니다.
동시에 핵심 핵심 부품이 타인에게 종속되면서 산업 공동화의 위험도 확대됐다. 산업용 로봇의 세 가지 주요 구성 요소(모터 및 서버, 기어박스, 제어 시스템)는 주로 해외에서 조달되며, 중국 본토 제조업체는 상대적으로 경쟁력 있는 R&D 및 제조 역량이 부족하여 오랫동안 수입에 의존해 왔습니다. 산업 체인의 업스트림은 핵심 부품 제조업체에서 지원하지 않기 때문에 장기적인-제약을 받게 됩니다.
2, 산업용 로봇은 기술적 과제에 직면
우리는 중국 산업용 로봇 산업의 발전이 직면한 거대한 도전을 냉정하게 보아야 합니다.
우선, 로봇의 최고 수준의-건축 설계와 기본 기술은 선진국이 통제하고 있으며, 감속기, 서보 모터, 컨트롤러, CNC 시스템의 비중이 높은 로봇 비용 구조에서 수입 의존도가 높으며, 국산 로봇은 상당한 비용 이점을 갖지 못합니다.
둘째, 저급-잠김 위험이 있습니다. 한편으로, 선진국은 중급 및 고급 시장 진입을 위한 국제 표준 개발, 기술 협력 및 연구 개발 참여를 통해 핵심 로봇 기술, 특허, 중국의 로봇 기업을 중국으로 이전하거나 승인하기가 쉽지 않을 것입니다.{2}} 반면, 지방정부의 산업에 대한 맹목적인 투자로 인해 생산능력 과잉이 발생하여 중복 건설 및 저가 경쟁이 발생할 수 있습니다.-
이번에도 로봇 R&D, 제조, 응용 간의 효과적인 연결이 부족합니다. 선도적인 대학 및 연구소의 로봇{1}} 관련 기술 연구 및 개발은 시장 개발 능력이 없으며, 기업의 기본 R&D 투자가 여전히 매우 낮고, 국내 산학연의 결합과 여러 제도적 장벽이 존재하여 R&D와 제조 연계가 단절되어 있습니다.
전문가들은 현 상황에서 외국이 국내 시장을 독점하고 있는 상황에서 '돌파구'를 찾고 따라잡을 수 있는 다양한 방법을 통해 국제 로봇 연구 추적, 중국 '로봇 로드맵'의 실제 개발 및 도입, 기술 개발을 위한 명확한 단계, 돌파구에 초점, 로봇 로드맵 개발, 로봇 로드맵 개발을 강화해야 한다고 제안합니다. 기술 개발 단계, 핵심 핵심 기술, 프로세스 및 구성 요소의 주요 혁신, 산업화 경로를 명확하게 설명합니다.
둘째, 중국의 실제 발전 추세에 맞춰 로봇 개발 모델을 구축해야 한다. 산업 부문의 통합 적용을 강화하고 산업, 학계, 연구의 결합 및 집단 연구 사용을 강화하고 핵심 핵심 구성 요소의 혁신에 중점을 두고 가능한 한 빨리 로봇 본체, 핵심 구성 요소, 시스템 통합 업체 및 기타 로봇 산업 체인을 형성하여 전체를 홍보합니다.
또한, 산업용 로봇 선도 기업 및 브랜드 육성에 박차를 가할 필요가 있다. 중국은 업그레이드된 중국 경제를 창출하기 위한 중요한 과제로 자체 브랜드의 산업용 로봇을 육성하고 개발해야 합니다. 산업용 로봇 산업 디렉토리 소개, 산업용 로봇 국산화를 위한 협력 추진