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用于工业机器人位置检测的旋转变压器 – Resolver

LT — Sat, 01 Oct 2011 11:08:12 +0000

工业机器人使用的伺服电机中有一种部件，用于检测电机的角位移，称之为旋转变压器 (Resolver)。图片中是ABB工业机器人常用的伺服电机中使用的一种旋转变压器，型号 TS2640N141E172 。关于旋转变压器具体怎么使用，这里不讨论，这里 LT 只想讨论与工业机器人实际使用过程中相关的话题，那就是机械零点同步。左边的是定子，右边的是转子，旋转变压器的定子安装固定在电机的壳体(定子)上，转子固定在电机轴上，与电机转子一起转动。独特的设计，可以使转子做到无刷结构。在上篇文章《工业机器人的运动停止-刹车测试》里，LT 曾贴出一个伺服电机的剖面图(link)，从中可以了解其安装结构。在 LT 接触工业机器人时间不是很长的时候，写过一篇日志《机械零点和同步》，这篇文章更多谈的是机械零点的同步，而不是校准。而@于仁颇黎的一篇文章《零位校准》则是机械零点的校准。机械零点的校准，是任何一个机器人出厂前要做的工作，这个话题可参考@于仁颇黎的文章。而机械零点的同步则是用户使用过程中有时候需要进行的操作。问题一：为什么需要机械零点的同步呢？这个问题就和开头提到的旋转变压器有关。因为旋转变压器组成的编码器系统只能检测旋转变压器转子一个圈内的位置，即0度~360度。当机器人各轴位于机械零点时，系统记录的旋转变压器转子的圈数为0，当旋转变压器转子进入第二圈后，又开始从0度起步，这个时候系统就要进行一次计数，计数为1。当某种原因，系统不知道旋转变压器已经转了几圈了，这个时候控制器就要发出信息: 我不知道你转几圈了! 从而发生机械零点同步丢失的情况。机器人使用者需要进行的操作就是手动把机器人各轴移动到机械零点标识处，重新同步。ABB的称之为 Revolution Counter Update（转数计数器更新)。我们来想象一下，假如机器人某个轴要在300度范围内转动，再假设减速系统的减速比是100 ( 请查找 RV减速器的减速比 )，那么电机就需要转动300*100=30000度，相当于30000/360=83圈多。如果换成绝对值编码器，只要范围合适，就不存在同步的问题。但是，为什么不采用绝对值编码器呢？这个问题请自行思考。问题二：在@于仁颇黎的文章里提到 “将机器人的各个关节移动到零位附近的一定位置内,内部程序就会自动将其校准到正确的零位” 或者也许你也听某人说过同步时机械零位对准的误差范围可以在3度之内。这又是怎么回事呢？还是和旋变编码器有关，因为系统可以读出旋转变压器的转子在一圈之内的度数，即0~360度，360度的范围经过减速系统的变速比后，旋转变压器转动一圈，机器人的轴转动360/100=3.6度（假设变速比为100），只要在一圈内，同步时，系统都会认为是第0圈，就是这么回事。如果同步时，零位对准的偏差范围落到了旋转变压器转的第二圈里，那就会产生误差了。思考: 1、如果变速比越大, 那么做零点同步时允许的误差就越小。 2、如果有不同的负载，那么对做零点同步有何影响呢？扩展阅读： resolver和encoder的区别 http://www.ad.siemens.com.cn/service/answer/solution.aspx?Q_ID=56490&cid=1038 Updating Rev. Counters …

什么是工业机器人的TCP

LT — Sat, 01 Oct 2011 10:23:11 +0000

“要确定一个刚体在空间的位姿，须在物体上固连一个坐标系，然后描述该坐标系的原点位置和它三个轴的姿态，总共需要六个自由度或六条信息来完整地定义该物体的位姿。” 上面这段话是摘自[美] Saeed B. Niku 著的《机器人学导论——分析、系统及应用》中文版第48页的内容。想象一下，一个物体在空间可以在X\Y\Z三个方向平动，也可以围绕着X/Y/Z转动，这就是为什么有6个自由度的原因了。工业机器人使用的途径就是要装上工具（TOOL）来操作对象，那么如何描述工具在空间的位置呢，显然，方法就是在工具上绑定(定义)一个坐标系即工具坐标系TCS (Tool Coordinate System)，那么这个TOOL坐标系的原点就是所谓的 TCP点 (Tool Center Point) 工具中心点。在机器人轨迹编程时，就是将工具在另外定义的工作坐标系中的若干位置X/Y/Z和姿态Rx/Ry/Rz记录在程序中。当程序执行时，机器人就会把TCP点移动到这些编程的位置。无论是何种品牌的工业机器人，事先都定义了一个工具坐标系，无一例外地将这个坐标系XY平面绑定在机器人第六轴的法兰盘平面上，坐标原点与法兰盘中心重合。显然，这时TCP就在法兰盘中心。不同品牌的机器人有不同的称呼，ABB机器人把这个工具坐标系称为tool0，REIS机器人称之为 _tnull。下图拿 REIS 的机器人3D模型 RV10-6 来说明，为了突显出默认的工具坐标系，特将模型的本体做了透明化处理。（这个图片是从REIS的软件ProVis里截取出来的）虽然可以直接使用这个默认的TCP，但是在实际使用时，用户显然希望自己来定义自己的TCP点来更好的操作对象，比如焊接时，用户希望把TCP点定义到焊丝的尖端，那么程序里记录的位置便是焊丝尖端的位置，记录的姿态便是焊枪围绕焊丝尖端转动的姿态。下图是一个新的工具坐标系的例子，仅向Z轴方向平移，形成的新的坐标系。为了更好的理解，请观看下面的视频 (ABB RobotStudio)： http://v.youku.com/v_show/id_XMzEyNzkxMjI4.html 实际上，用户自定义TCP时，是定义了新的tool 坐标系原点在tool0坐标系中的位置，以及新tool坐标系在tool0坐标系中的姿态。如果考虑到动力学因素，还要定义工具的质量、重心、转动惯量。以便更好地使机器人在真实物理世界空间中运动。扩展阅读： 1、TOOLDATA@ABB http://www.robotarget.com/Item/33.aspx

将刹车研究进行到底 – 再谈ABB机器人如何做刹车测试

LT — Thu, 25 Aug 2011 12:41:06 +0000

在前面一篇文章《工业机器人的运动停止-刹车测试》里，LT提到IRC5的safemove组件具有自动刹车测试（Automatic Brake test）的功能。但是 SafeMove White Paper 仅仅是概念性地讲了一下。要获得更具体的内容，可以参见 ABB RobotStudio 5.14 的帮助文件 SafeMove.chm，这个前面 LT 在介绍RS5.14时（《ABB RobotStudio 新版本 5.14 初接触》）已经推荐过，见下图，关于 safemove详细特性，可在此 chm文档里阅读获取。其实，为啥说起chm，因为 LT 手里面没有pdf 版本的safemove文档啊，这个才是主要原因 -_-! 另外提一点，ABB也把实现safemove的硬件称之为 Safety Controller 。(*注1) 在这个手册里，刹车测试被称为 “Cyclic Brake Check” ，功能描述也与白皮书里描述的有所区别，在白皮书里描述刹车测试时如果轴有移动会产生stop0，而在这个chm文档里面是说如果轴有移动则系统切换到reduced speed模式。这是原话 The brake check is initiated by …

将刹车研究进行到底 – 继续谈ABB机器人的刹车特性

LT — Wed, 24 Aug 2011 13:30:33 +0000

前几日，在浏览 ABB Software User Forum 时，发现一个这样的帖子 “CLICK” SOUND OF THE ROBOT，提问者 dhyan 发现他家的机器人有个现象，就是在机器人执行过程中，并且电机状态是motor on时，如果机器人不动作超过一定时间段，会听见机器人本体内传来“嗒”的声音。跟帖里osku回复了他说这是abb机器人刹车激活时的现象（激活即刹车将电机轴抱死）。并且指出这是一个设置参数，其名称为 Brake On Time，默认是120秒。意即当机器人不动作超出120S时，刹车自动释放，以便节省电力和延长电机寿命。 Brake On Time defines the time from when the robot stops to activation of the mechanical brakes. This time should be kept high …

工业机器人的运动停止-刹车测试

LT — Tue, 26 Jul 2011 15:25:20 +0000

好莱坞大片《危情时速》讲述了一个高速的火车在无人掌控的情况下，逐渐加速，直至速度大到怎么也停不住的故事，又名《煞不住》。结局当然是我们的美国英雄克服重重艰辛，进入列车控制室，把刹车手柄拉下。就这么简单。刹车能不重要？！下面我们要谈谈运动的工业机器人怎么能有效停下来。在目前的工业机器人系统中，机械部分运转动力来源还是伺服电机。下图就是一种伺服电机的剖面图。其机械制动就是依靠电机里面的刹车机构（见下图，以某个KUKA机器人培训PPT中的截图来说明，本文目前只讨论机械刹车），当发生 stop 0 的运动停止时，就依靠刹车来制动。如果，刹车失效的话？在该停的时候没能停下来，有可能就会发生像7.23动车追尾一样的严重事故。刹不住导致高速撞击将会让机器人和工件工具甚至现场人员承受不可预料的后果，尽管发生这类情况的几率很小。所以相关的工业机器人都提到一个安全测试-刹车测试，目的是在可控的状况下，检测电机的刹车是否能正常运作。那具体是怎么样的呢？我们来查阅最出名的工业机器人品牌ABB，其产品 IRB7600 的产品手册，找到了 Brake Testing 一节。 ABB的手册是这样来描述 how to test 的： 1、移动机器人各轴到承受重力最大的位置；2、在控制柜上操作使电机Motor OFF，即使电机掉电；3、检查机器人是否偏离了步骤1的位置。由此来判刹车功能是否正常。如果没有移动，那么刹车就是完好的。（注1*） 1.2.3.4. Brake testing When to test During operation the holding brake of each axis motor wear normally. A test …

工业机器人的标准

LT — Thu, 07 Oct 2010 10:58:41 +0000

关于机器人的标准。之前, 欧洲的标准是 EN 775 ，美国的标准是 ANSI RIA 1999 ，不过，被新的标准 ISO 10218-1 和 ISO 10218-2 所取代。加拿大的则是 Z434-03。在美国，ISO 10218 和 ANSI RIA 1999 将会同时存在，ANSI RIA 1999 会对 ISO 10218 覆盖不到的地方作补充。机械控制系统标准 EN ISO 13849-1 替代 EN 954-1 中国的工业机器人安全规范是 GB 11291—1997 <未完> …

浅谈工业机器人的运动停止

LT — Sun, 15 Aug 2010 04:26:59 +0000

德系的工业机器人系统中，对于机器人停止运动，定义了3种模式，比如 KUKA 的工业机器人分别定义了 Stop 0 ，Stop 1，Stop 2 (*注1)。这种定义模式是与机器人的机械结构和电气结构相关联的。对于此，读者应该先了解工业机器人上伺服电机的结构，以及伺服电机驱动器(放大器)的供电模式。前面 LT 有篇文章介绍了 ABB Robot 电机连接结构，机器人的机械制动主要靠伺服电机里面的刹车 (Brake) 机构。一旦刹车释放，伺服电机轴的转动就会受到阻力。（如右图，黑色部分代表刹车，蓝色部分为电机转子，工作时两者分离，制动时两者贴合摩擦。）而对于伺服电机驱动器的供电模式，工业机器人电气系统的典型结构是串联两个接触器，而这两个接触器的吸合放开控制，由机器人的安全电路模块来控制。再看如何使运动的机器人停止运动，方法1、通过驱动器，使电机减速；2、直接切断驱动器供电，释放电机刹车，靠刹车片摩擦来制动。（是不是有点类似汽车驾驶的制动，一种可以用发动机来制动，一种可以打开离合，用脚刹来制动。）所以两种制动方法结合起来，就组成了机器人的运动停止模式。 Stop 0 直接切断驱动器供电，同时释放刹车。 Stop 1 先驱动器控制减速制动，然后再切断驱动器供电，同时释放刹车。(KUKA是1秒后切断电源 *注2) Stop 2 只通过驱动器减速制动，不切断驱动器供电，不释放刹车。考虑一下，对于机器人运动轨迹的影响？答案显而易见的，Stop 0 的停止模式，运动是不受控的，所以机器人停止时，TCP 可能偏移了路径；而Stop 1 和 Stop 2 …

Hollow Wrist 工业机器人的中空手腕

LT — Sun, 20 Sep 2009 14:01:03 +0000

LT 第一次看到 Hollow Wrist 这个词是在 COMAU (柯马)为上海埃森展(2009.06.02-2009.06.05)的海报上，柯马称其中文名称为“中空机械腕”，不过LT从别处看的展会照片来看，COMAU并没有展出这类机器人，这个还有待确认。而在刚刚结束的德国埃森展(2009.09.14-2009.09.19)上，KUKA(库卡)展出了具有Hollow Wrist概念的新型号机器人。工业机器人的结构设计有跟风的趋势，或者也可以说不同时期不同的设计理念，最早的比如平行四杆机构，后来的3轴直接悬臂结构，用机械弹簧替代气体弹簧，各大品牌都是一窝蜂的跟进，现在看来hollow wrist也是一种趋势。从目前的机器人机构来看，第1、2、4轴已经可以做到中空，电缆和气管等可以从中穿过，但是对于6轴，夹具上电缆气管等只好走外面然后再到工具上，这样，在实际生产中，电缆的布线就是要十分注意讲究，不然在机器人高速运转时，上臂带着管线一起飞舞，电缆和气管就有被甩坏拉坏的可能性。Hollow wrist结构的出现，使第6轴也中空，它能使所有的管线位于机器人手臂内部，最大程度上避免了上种情况，从而简化了编程和布线环节。 COMAU的具有hollow wrist的机器人为Smart NJ4系列，目前NJ4有NJ4 170-2.5 和 NJ4 175-2.2 两个型号，可以直接点击这里下载pdf详细文档，里面有详细的参数介绍，还有鲜活的图片展示。 The third generation of “Hollow wrist” robot family signed Comau Robotics: the new spot welding reference. Ten years experience in designing …

一些大学的机器人视频

LT — Thu, 07 Aug 2008 02:56:00 +0000

视频可自行进入网址观看 http://www.robot.lth.se/videos/index.shtml 倒立摆力反馈

并联机构和机器人

LT — Fri, 09 Nov 2007 20:37:00 +0000

我们常见的机器人是6轴串联的，所以同时也存在着并联的。下面的例子一个做输入，一个做输出。 A Omega.x haptic device Omega.x haptic device是Force dimension公司的一力反馈设备，其精度非常高，使用其重力补偿，实时速度监控等功能可以极好的实现微小的控制．几个相关应用 Sensei? Robotic 机器人心脏手术系统 http://www.brucebot.com/2007/07/sensei8482-robotic-%E6%9C%BA%E5%99%A8%E4%BA%BA%E5%BF%83%E8%84%8F%E6%89%8B%E6%9C%AF%E7%B3%BB%E7%BB%9F/ 机器外科医生和人类在「呕吐彗星号」上打擂台 http://cn.engadget.com/2007/11/08/robot-surgeons-compete-with-humans-aboard-the-vomit-comet/ B ABB的并联机器人并联机床 Adept的并联机器人