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六轴机械手在各大工厂非常受欢迎,主要有哪些原因?使用过程中又有哪些问题?

发布日期:2020-03-25

活关节机器人一般也叫作六轴机器人,六轴机器人机械手臂越来越被认为是一种很好的选择方案,不仅能为机加工进行上下料工作,而且能做有关吹塑、热成形和增强塑料流程等方面的辅助工作。

 

 

  六轴机械手在市场上以及各大工厂中受欢迎的原因是来自于很多方面因素的,不仅来自六轴机械手的外在因素同样也来自于它的内在因素,即可以在工作中呈现出高精度高速度的操作,这也是很多工厂生产过程中对于产品品质的要求和保证。

六轴机器人机械手臂可以通过使用带有转动关节的多重手臂把它们手臂终端的工具从一个位置移动到另一个位置,这种活关节式的运动被形容成“拟人化”,也就是说,这些机器人的表现有人类的特征,特别是像手臂和手腕的运动。

一、六轴机械手受欢迎的原因

 

1、操作范围广泛

 

六轴机械手的受欢迎原因之二在于它的结构和工具的特殊性,由于六轴机械手的操作工具是可以根据需要进行更换的,所以六轴机械手可以适用更多产品的生产需要,不论是小型零件的生产还是大型机械的生产,只需要更换机械手的操作工具都可以完成生产需要。

2、自动化程度高

 

自动化是未来生产加工的发展方向,六轴机械手的自动化程度是目前机械手中程度较高的一类产品,自动化的程度高成为了很多先进设备生产企业的选择,为了迎合自身工厂中自动化流水线的需要,六轴机械手正好满足高自动化需求也就自然而然的成为了这些工厂的选择产品。

 

3、适用恶劣环境

 

六轴机械手以及冲压机械手的发明也是为了替代人工无意义的重复性工作,同时也是为了能够在人类无法承受的环境中进行工作而发明的,六轴机械手可以在很多空气稀薄甚至是高温环境中持续工作,还可以延长自身的维修周期避免因维修造成影响工期进度的情况。

焊接机械手轴的数量是不一样的,有四轴的、五轴的、六轴的,所谓工业机械手的轴,可以用专业的名词“自由度”来解释。合理推测就是,当机械手的轴数增加,机械手就有更高的灵活性。四轴机械手和六轴关节式机械手相比,其中四轴机械手是特别为高速取放作业而设计的,而六轴机械手则提供了更高的生产运动灵活性。

 

六轴机械手比四轴机械手多两个关节,因此有更多的“行动自由度”。 

 

六轴机械手的头一个关节能像四轴机械手一样在水平面自由旋转,后两个关节能在垂直平面移动。此外,六轴机械手有一个“手臂”,两个“腕”关节,这让它具有人类的手臂和手腕类似的能力。 

 

六轴机械手更多的关节意味着他们可以拿起水平面上任意朝向的部件,以特别的角度放入包装产品里。他们还可以执行许多由熟练工人才能完成的操作。

六轴机械手臂由六组不同位置的马达驱动,每个马达都能提供绕一轴向的旋转运动,其位置可参照下图。从自由度的概念来看,六轴机械手臂已经满足三维空间中的六个自由度,理论上其末端可以到达空间中任何位置及角度,但为什么有时候机械手臂仍然会卡住呢?这是因为六轴机械手臂存在著一些奇异点

 

  众为兴机械手,川崎机械手,TOYO模组.jpeg

 六轴机械手

 

当机械手臂进行直线运动模式,系统并未事先计算好过程中的手臂姿态,倘若在运动过程中遇到奇异点,会造成机械手臂卡住或跳错误,使人相当头痛;但如果了解奇异点,就能在把普拿疼吃完之前使工作顺利地完成了。

 

机械手臂的奇异点,依发生的原因可概括为两大类:

 

1. 内部马达可运作范围的极限位置:

 

2. 根据不同型号的机械手臂中使用之马达,会有不同的运作范围限制,也就是工作空间的概念,本文不加以赘述。

 

3. 数学模型上的错误:

 

4. 也是本文要介绍的重点,如同其他数学上的奇异点,它发生于「无限」的情况下,例如:任何一个除以零的数;即便「无限」在数学的观点中已经是个习以为常的概念,但在现实的物理世界中是无法达成的。

 

以下简述奇异点学理上的成因

 

运动学上的奇异点解释

 

运动学中,将机器手臂视为由「刚体」以及可提供平移或旋转的「关节 」所组成,运动学探讨刚体尺寸及关节参数对应于运动链末端的位置及运动路径之关系,可再划分为两个部分:

 

1. 正向运动学 :

 

2. 在给定已知的尺寸及关节参数的条件下,去求得运动链末端的位置及角度;在六轴机械手臂上,就是给定各轴角度,去求得末端的笛卡尔座标;一组给定的关节参数只对应唯一个末端座标。

 

3. 反向运动学:

 

4. 欲求得任何可能的关节参数,使运动链末端达到特定位置及角度;在六轴机械手臂上,就是从已知的末端座标,去求得各轴角度参数的组合;与正向运动学不同,一个末端位置可以由不同的手臂姿态来达成,对应不只一组的关节参数。理论上,六轴机构的一个末端位置可对应多达十六组不同的关节参数。

 

而在反向运动学中,当末端位于奇异点时,一个末端位置会对应无限多组解;起因于运动学中使用Jacobian矩阵来转换轴角度及机械手臂末端的关系,当机械手臂中的两轴共线时,矩阵内并非完全线性独立,造成Jacobian矩阵的秩会减少,其行列式值为零,使得Jacabian矩阵无反函数,反向运动学无法运算,是为奇异点发生处。

众为兴机械手,川崎机械手,TOYO模组.jpeg

在手臂末端接近奇异点时,微小的位移变化量就会导致某些轴的角度产生剧烈变化,产生近似无限大的角速度,而这在现实世界中是不可能的。

众为兴机械手,川崎机械手,TOYO模组.jpeg

预先将要通过的奇异点标示出来,且机械手臂各路径均设定为等速运动,以方便辨别比较奇异点对机械手臂运动之影响。开始时,机械手臂以等速运动,但当机械手臂接近奇异点时,手臂末端呈现几乎停止的状态下,进行姿态的调整,即为上述的微小位移量造成角度剧烈变化之现象。特别提醒,影片中的运动路径并未真正经过奇异点,只是非常接近,若机械手臂经过奇异点,运动即会停止,并出现错误讯息之提示。

 

在此给奇异点一个简单的解释,即当机械手臂的其中两个以上的轴共线时,会导致机械手臂发生无法预期的运动状态。

 

常见的奇异点发生时机

 

由于奇异点与机械手臂的姿态相关,并不是一个给定的位置,所以要列出所有的奇异点是有难度的,不过在此依照奇异点发生的状况不同,将六轴机械手臂的奇异点分为三个种类:

 

1. 腕关节奇异点:

 

当第4轴与第6轴共线,会造成系统尝试著将第4轴与第6轴瞬间旋转180度。

众为兴机械手,川崎机械手,TOYO模组.jpeg

腕关节奇异点

2.肩关节奇异点:

 

当第1轴与腕关节中心C(5轴与第6轴之交点)共线,会造成系统尝试将第1轴与第4轴瞬间旋转180度。此类型有个特殊的情况,当第1轴与腕关节中心共线,且与第6轴共线时,会造成系统尝试第1轴与第6轴瞬间旋转180度,称之为对齐奇异点

众为兴机械手,川崎机械手,TOYO模组.jpeg

                                                   肩关节奇异点

众为兴机械手,川崎机械手,TOYO模组.jpeg

                                                      对齐奇异点


3.肘关节奇异点:

 

当腕关节中心C点与第2轴、第3轴共平面时,会造成肘关节卡住,像是被锁住一般,无法再移动。

众为兴机械手,川崎机械手,TOYO模组.jpeg

肘关节奇异点

以上奇异点之示范影片可参考这裡,影片中以颜色深浅代表轴之角速度,可以明显看出上述发生之角速度瞬间增大之现象。

 

如何避免奇异点

 

奇异点常发生于两轴共线时,当机械手臂的轴数量增加时,发生奇异点的位置与机会同时增加。但因为机械手臂的自由度变多,也表示有更多可以避开奇异点的运动路径可以选择。六轴机械手臂拥有六个自由度,可以达到空间中任何位置,而七轴机械手臂就是为了避开奇异点而产生,多一个自由度来增加避开奇异点的路径选择性,也同时可进行複杂度更高的运动,因为这额外的轴,七轴机械手臂又被称作冗余机械手

 

也有人提出将工具与法兰面的关系进行调整,当工具的方向平行于法兰面法线方向时,把工具调整一个微小的角度(5°~15°),可减少运动路径遇到奇异点的机会。虽无法完全避免,但因成本低且可简单地进行测试,不失为一个好方法。


理论上,机械手臂到达奇异点时角速度无限大,为避免损坏,机械手臂製造商会以软体进行保护,当速度过快时机械手臂停止,并产生错误讯息。使用者也可以限制机械手臂经过奇异点附近时的速度,使其缓慢地通过,避免停机。

 

而在ABB机械手臂控制器中,当第五轴角度为0°,即第四轴与第六轴共线时,会出现提醒讯息,并进行以下两种步骤来避免奇异点问题:

 

    增加目标点,调整姿态,避免第五轴角度出现0°的情况,这也是有时机械手臂运行时会有一些无法预期的动作的原因。

 

2. 修改MOVEL指令为MOVEJ指令,在非必须以直线运动的工作需求下,使用关节运动取代直线运动,以MOVEJ指令可使机械手臂自主调整姿态避免运行至奇异点附近。

 

最有效的方法还是在电脑上的模拟软体先行确认,尝试将运动路径调整至没有奇异点。ABB的Robot Studio模拟功能可以监控运动路径是否接近奇异点,方便在接近奇异点附近的位置修改路径,以顺利完成工作。


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