Сотрудники Университета Иннополис вместе с компанией Аркодим, которая специализируется на производстве промышленных роботов, разработали манипулятор, безопасный для человека в работе на производстве. Впервые робот был представлен на форуме «Открытые инновации 2018» в Москве.
Коллаборативные роботы (коботы) предназначены для работы на индустриальных объектах. Однако, если промышленные роботы запрограммированы на действия без учёта работающих рядом людей, то внутри коллаборативных роботов установлены датчики, которые следят за окружающей обстановкой, чтобы не причинить никому травмы.
Вместе с индустриальным партнёром компанией Аркодим сотрудники Центра технологий компонентов робототехники и мехатроники Университета Иннополис разработали собственного кобота с двойным энкодером — двумя датчиками, измеряющими углы поворота. Один из них расположен на вале двигателя, другой размещен на корпусе манипулятора.
Благодаря этому манипулятор чувствует внешние воздействия и при контакте с человеком моментально он это понимает и выбирает нужный сценарий поведения, начиная от простой остановки до комплексных сценариев. Это может быть обход препятствия или режим податливости, в котором человек может свободно перемещать робота. Схема управления нового робота и алгоритмы взаимодействия с внешней средой — главные отличия российского манипулятора от мировых аналогов. По словам разработчиков, известные аналоги используют дорогие силомоментные датчики. «Мы же пытаемся добиться тех же результатов, используя относительно дешевые двойные энкодеры», — поясняет Шамиль Мамедов, младший инженер-исследователь Университета Иннополис.
Глава центра Александр Климчик пояснил, что помимо алгоритмов специалисты ИТ-вуза разработали для манипулятора программное обеспечение, математические модели и методы идентификации:
- кинематическая модель робота (положение рабочего инструмента робота относительно заданной системы координат);
- эластостатическая модель робота (расчет и коррекция податливости робота для увеличения точности);
- система управления на основе линеаризации обратной связью (упрощённое управление сложными процессами с помощью системы линейных уравнений);
- определение точки контакта (коллизии) робота и внешнего объекта;
- классификация коллизии (например, контакт с твёрдым объектом или человеком);
- базовые реакции робота в зависимости от точки и типа коллизии с объектом.
«В России коллаборативного робота ещё никто не выводил на рынок. Сейчас мы совершенствуем систему взаимодействия робота с внешней средой и ищем потенциальных заказчиков», — добавил Климчик.
Ранее, 9 августа, издание RoboTrends сообщало, что АРКОДИМ испытала опытный образец коллаборативного робота.
Особенность шестиосевого сверхточного промышленного робота ARKODIM, разрабатываемого совместно с Университетом Иннополис — высокая повторяемость. Она достигается за счет перехода к использованию двойного энкодирования.
Технология использования системы двойных энкодеров появилась в мире совсем недавно. Генеральный директор ООО «АРКОДИМ» Артём Барахтин рассказал RoboTrends.ru о сути разработки:
«Робота приводят в движение серводвигатели, крутящий момент которых передается на исполнительное звено посредством редукторов. На валу каждого серводвигателя есть встроенный внутренний энкодер, который сообщает контроллеру робота положение вала. Теоретически, зная положение вала в любой конкретный момент времени, контроллер «понимает» положение маниупулятора в пространстве. Это «классическая» схема. К сожалению, теория отличается от практики.
На практике у любого редуктора есть люфт. У новых он «заводской» и обусловлен особенностями конструкции и производства. Со временем люфт растет за счет изнашивания элекментов редуктора. С этим можно бороться, внося в программное обеспечение корректировку «заводского» люфта. Возможности такого подхода ограничены, поскольку разные редукторы могут отличаться различным износом. Вдобавок на точность позиционирования влияют такой эффект, как деформация корпуса робота и редукторов под нагрузкой.
Для решения всех этих проблем на исполнительные звенья робота монтируют дополнительные энкодеры. Теперь алгоритм, обеспечивающий вычисление положения робота выглядит так:
- Контроллер дает команду валу серводвигателя провернуться N раз. После заданного числа поворотов вала, робот должен находиться в некой расчетной точке. Но не находится из-за люфтов редуктора и деформаций корпуса и редукторов под нагрузкой.
- При движении исполнительных звеньев робота, контроллер получает данные не только от внутренних, но также и от внешних энкодеров, обеспечивающих информацию о реальном положении робота в пространстве.
- Сравнение информации, получаемой с внешнего и внутреннего энкодеров, позволяет определить деформацию редуктора. Зная его коэффициент жесткости, можно определить момент, возникающий в суставе робота. Повторяя эти операции по всем двигателям, можно получить величину силы, приложенной к исполнительному органу. Это позволяет оценить деформацию не только в редукторах, но также в корпусе робота. Дальше дело техники — получить поправочные коэффициенты, позволяющие компенсировать суммарные ошибки повторения программным способом. Контроллер «на лету» рассчитывает поправочные коэффициенты и применяет их для управления роботом. Анализ реального положения дел и корректировка происходят постоянно в процессе работы робота, что значительно повышает точность позиционирования и повторяемость».
Чем эта российская разработка отличается от разработок других производителей: например, местом установки второго энкодера. Кто-то ставит его сразу после редуктора, — это позволяет устранить погрешности, связанные с люфтом, но не учитывает деформации корпуса под нагрузкой. В ARKODIM второй энкодер решили ставить на корпус звена робота — это дает возможность оценить интегральную погрешность, включающую учет деформации корпуса.
У робота даже с двойным комплектом энкодеров калибровка заводская. При работе с различными нагрузками такой робот испытывает различные деформации, что влияет на точность его позиционирования при перемещениях. ARKODIM калибрует себя непрерывно в процессе работы. Каждый пройденный миллиметр дает информацию для калибровки прохождения следующего миллиметра — в реальном времени. Таким образом удается устранить влияние груза и заданной траектории на точность движений робота. Такого робота можно задействовать в технологическом процессе, где требуется с высокой точностью перемещать предметы разного веса.
«Предпатентный поиск показал, что наш робот тянет на изобретение», — добавляет Артем Барахтин. «Испытания показали, что опытный образец робота уверенно держит десятую долю миллиметра по всем трем направлениям. И это лишь первые испытания».
Источники:
Университет Иннополис, 22 Октября 2018, Университет Иннополис и Аркодим официально представили первого российского коллаборативного робота
RoboTrends, 09.08.2018, АРКОДИМ испытала опытный образец высокоточного российского коллаборативного робота