หุ่นยนต์อุตสาหกรรมคือชุดของเครื่องจักร อิเล็กทรอนิกส์ การควบคุม คอมพิวเตอร์ เซ็นเซอร์ ปัญญาประดิษฐ์ และเทคโนโลยีขั้นสูงแบบสหสาขาวิชาชีพอื่น ๆ ในหนึ่งในอุตสาหกรรมการผลิตสมัยใหม่ในอุปกรณ์อัตโนมัติที่สำคัญ วิทยาการหุ่นยนต์ เทคโนโลยี CNC และเทคโนโลยี PLC เป็นที่รู้จักในฐานะเทคโนโลยีสนับสนุนหลักสามประการสำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม เทคโนโลยีหุ่นยนต์และผลิตภัณฑ์ของบริษัทกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว และได้กลายเป็นเครื่องมืออัตโนมัติสำหรับระบบการผลิตแบบยืดหยุ่น (FMS) ระบบอัตโนมัติในโรงงาน (FA) ระบบการผลิตแบบผสมผสานด้วยคอมพิวเตอร์ (CIMS) รวมถึงส่วนสำคัญของโรงงานอัจฉริยะอุตสาหกรรม 4.0
1. องค์ประกอบของระบบหุ่นยนต์อุตสาหกรรมและตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพ
1) องค์ประกอบระบบหุ่นยนต์อุตสาหกรรม
หุ่นยนต์อุตสาหกรรมเป็นอุปกรณ์ควบคุมที่มีข้อต่อหลาย-หรืออุปกรณ์เครื่องจักรอิสระหลาย-ระดับ-ของ-ที่มุ่งเน้นในด้านอุตสาหกรรม ซึ่งสามารถทำงานโดยอัตโนมัติ และเป็นเครื่องจักรประเภทหนึ่งที่ต้องอาศัยกำลังและความสามารถในการควบคุมของตัวเองเพื่อให้บรรลุถึงฟังก์ชันต่างๆ หุ่นยนต์อุตสาหกรรมสมัยใหม่สามารถรับคำสั่งของมนุษย์หรือทำงานตามโปรแกรมที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าได้ หุ่นยนต์อุตสาหกรรมสมัยใหม่ยังสามารถใช้เทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์เพื่อพัฒนาหลักการของการทำงานของโปรแกรมได้ หุ่นยนต์อุตสาหกรรมทั่วไปจะแสดงอยู่ในรูปที่ 1 หุ่นยนต์อุตสาหกรรมสามารถแบ่งออกเป็นสามรุ่นตามระดับการพัฒนาทางเทคโนโลยี ได้แก่ หุ่นยนต์สาธิตการสืบพันธุ์รุ่นแรก หุ่นยนต์การรับรู้รุ่นที่สอง และหุ่นยนต์อัจฉริยะรุ่นที่สาม
หุ่นยนต์อุตสาหกรรมรุ่นแรกประกอบด้วยสามส่วนหลักในแง่ของโครงสร้างภายนอก: ผู้ปฏิบัติงาน (หรือตัวหุ่นยนต์) ผู้ควบคุม และผู้สาธิต สำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมรุ่นที่สองและสามยังรวมถึงระบบการรับรู้ ตลอดจนระบบการวิเคราะห์และการตัดสินใจ- ซึ่งรับรู้ได้ด้วยเซ็นเซอร์และซอฟต์แวร์ตามลำดับ
(1) ผู้ดำเนินการ:ตัวเครื่องหลักที่ใช้ในการปฏิบัติงานต่างๆ ให้สำเร็จ ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยแขนหุ่นยนต์ หน่วยขับเคลื่อน หน่วยส่งกำลัง และเซ็นเซอร์ภายใน
(2) ตัวควบคุม:เป็นอุปกรณ์ควบคุมตัวหุ่นยนต์ให้ดำเนินการบางอย่างตามคำแนะนำและข้อมูลเซ็นเซอร์ซึ่งเป็นส่วนสำคัญในการกำหนดฟังก์ชันและประสิทธิภาพของหุ่นยนต์และยังเป็นส่วนที่อัปเดตและพัฒนาเร็วที่สุดของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมอีกด้วย
(3) ครู:มันเป็นอินเทอร์เฟซการโต้ตอบระหว่างมนุษย์-กับเครื่องจักรของหุ่นยนต์ ซึ่งผู้ปฏิบัติงานสามารถตั้งโปรแกรมหุ่นยนต์หรือควบคุมหุ่นยนต์ให้เคลื่อนที่ด้วยตนเองได้
หุ่นยนต์อุตสาหกรรมมีฟังก์ชันการทำงานประกอบด้วย 3 ส่วนหลักและ 6 ระบบย่อย. 3 ส่วนหลัก ได้แก่ ส่วนกลไก ส่วนควบคุม และส่วนตรวจจับ. 6 ระบบย่อย ได้แก่ ระบบขับเคลื่อน ระบบโครงสร้างทางกล -ระบบโต้ตอบของเครื่องจักรของมนุษย์ ระบบควบคุม ระบบตรวจจับ และ-ระบบโต้ตอบกับสิ่งแวดล้อมของหุ่นยนต์
2) ดัชนีประสิทธิภาพหุ่นยนต์อุตสาหกรรม
ดัชนีประสิทธิภาพของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมเป็นข้อมูลทางเทคนิคที่ผู้ผลิตหุ่นยนต์มอบให้ ณ เวลาที่จัดส่งผลิตภัณฑ์ ซึ่งสะท้อนถึงขอบเขตการใช้งานและประสิทธิภาพการทำงานของหุ่นยนต์ ซึ่งจะต้องพิจารณาเมื่อเลือกหุ่นยนต์ แม้ว่าข้อมูลทางเทคนิคที่ผู้ผลิตหุ่นยนต์ให้มาจะไม่เหมือนกันทุกประการ แต่โครงสร้างของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม การใช้งาน และความต้องการของผู้ใช้ไม่เหมือนกัน แต่ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพหลักโดยทั่วไปคือ: องศาอิสระ ความแม่นยำในการทำงาน ช่วงการทำงาน อัตราโหลด ความเร็วในการทำงานสูงสุด
สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าหุ่นยนต์อาจมีลักษณะเฉพาะภายในระยะการทำงานของมัน ภาวะเอกฐานคือจุดที่ข้อต่อสูญเสียระดับความเป็นอิสระในทิศทางหนึ่งเนื่องจากข้อจำกัดในโครงสร้างของหุ่นยนต์ ภาวะเอกฐานมักพบที่ขอบของพื้นที่ทำงาน และเมื่อภาวะเอกฐานถูกจัดกลุ่มเข้าด้วยกัน จะเรียกว่า "ช่องว่าง" เมื่อหุ่นยนต์เคลื่อนที่ใกล้ภาวะเอกฐาน ทัศนคติของข้อต่อจะเปลี่ยนไปอย่างมากเนื่องจากการสูญเสียระดับความเป็นอิสระทีละน้อย ซึ่งส่งผลให้ระบบขับเคลื่อนมีภาระมากและโอเวอร์โหลด ดังนั้น สำหรับหุ่นยนต์ที่มีภาวะเอกฐาน ระยะการทำงานของพวกมันยังต้องมีการกำจัดภาวะเอกฐานและโพรงด้วย
2. การควบคุมหุ่นยนต์อุตสาหกรรม
1) ลักษณะและข้อกำหนดของการควบคุมหุ่นยนต์อุตสาหกรรม
การเคลื่อนไหวของข้อต่อของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมส่วนใหญ่เป็นอิสระจากกัน และจำเป็นต้องมีการประสานงานของข้อต่อหลายตัวเพื่อให้ได้ตำแหน่งที่แม่นยำของเอฟเฟกต์ปลายหุ่นยนต์- ดังนั้นระบบควบคุมหุ่นยนต์อุตสาหกรรมจึงมีความซับซ้อนมากกว่าระบบควบคุมทั่วไปและมีลักษณะดังต่อไปนี้:
(1) โดยพื้นฐานแล้วมันเป็นระบบไม่เชิงเส้น
(2) เป็นระบบควบคุมหลายตัวแปรที่ประกอบด้วยข้อต่อหลายจุด และมีการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างข้อต่อ
(3) มันเป็นระบบเวลา-ที่แปรผัน ซึ่งพารามิเตอร์ไดนามิกเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งการเคลื่อนที่ของข้อต่อ
(4) จำเป็นต้องวัดและวิเคราะห์สภาพแวดล้อมและคำแนะนำในการควบคุมและเลือกกฎหมายควบคุมที่ดีที่สุดโดยอัตโนมัติ
(5) มีความแม่นยำในการระบุตำแหน่งซ้ำได้สูงและความแข็งแกร่งของระบบที่ดี
(6) ไม่อนุญาตให้มีการวางตำแหน่งเกินกำหนด มิฉะนั้นอาจเกิดการชนกัน และการตอบสนองแบบไดนามิกควรรวดเร็ว
เมื่อพิจารณาว่าการควบคุมหุ่นยนต์อุตสาหกรรมมีคุณสมบัติข้างต้น จะต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดพื้นฐานต่อไปนี้เมื่อออกแบบระบบควบคุมหุ่นยนต์อุตสาหกรรม:
(1) การควบคุมการเคลื่อนที่แบบหลาย-แบบประสานงานเพื่อสร้างวิถีการทำงานที่ต้องการ
(2) ความแม่นยำของตำแหน่งสูง ช่วงความเร็วที่กว้าง
(3) อัตราส่วนต่างคงที่ของระบบควรมีขนาดเล็ก กล่าวคือ ระบบจะต้องมีความแข็งแกร่งที่ดี
(4) ตำแหน่งที่ไม่มีการโอเวอร์ชูต การตอบสนองแบบไดนามิกที่รวดเร็ว
(5) จำเป็นต้องมีการควบคุมการเร่งความเร็วและการชะลอตัว
(6) ค่าสัมประสิทธิ์ความผิดพลาดความเร็วของข้อต่อแต่ละข้อควรสอดคล้องกันมากที่สุด
(7) จากมุมมองการทำงาน ระบบควบคุมจำเป็นต้องมีอินเทอร์เฟซของเครื่องจักร-โดยมนุษย์ที่ดี และลดความต้องการของผู้ปฏิบัติงานให้เหลือน้อยที่สุด
(8) จากมุมมองของต้นทุนของระบบ จำเป็นต้องลดต้นทุนฮาร์ดแวร์ของระบบให้มากที่สุด และใช้วิธีการเซอร์โวซอฟต์แวร์มากขึ้นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบควบคุม
2) โหมดควบคุมหุ่นยนต์อุตสาหกรรม
จากลักษณะการควบคุมและข้อกำหนดในการควบคุมของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม การควบคุมหุ่นยนต์อุตสาหกรรมจึงเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบหลายประการ ซึ่งส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นการควบคุมชั้นล่างสุดของหุ่นยนต์และการควบคุมชั้นบน การควบคุมชั้นล่างสุดประกอบด้วยตัวหุ่นยนต์ (เช่น ชิ้นส่วนกลไก) ส่วนวงจรขับเคลื่อน ส่วนเซ็นเซอร์ และกลยุทธ์การควบคุม (เช่น การควบคุม PID) การควบคุมชั้นบนประกอบด้วยการวิเคราะห์การเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ การวางแผนเส้นทาง และส่วนซอฟต์แวร์ของหุ่นยนต์ [4] ตามวิธีการจัดหมวดหมู่ที่แตกต่างกัน การควบคุมหุ่นยนต์สามารถจำแนกได้หลายวิธี ตามวัตถุควบคุมสามารถแบ่งออกเป็นการควบคุมตำแหน่ง การควบคุมความเร็ว การควบคุมแรง การควบคุมแรงบิด การควบคุมไฮบริดของแรง/ตำแหน่ง ฯลฯ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นการควบคุมชั้นล่างสุด และวิธีการควบคุมหลักได้อธิบายไว้แล้ว
(1) การควบคุมตำแหน่งหุ่นยนต์อุตสาหกรรม:จุดประสงค์คือเพื่อให้ข้อต่อของหุ่นยนต์ตระหนักถึงการเคลื่อนไหวที่วางแผนไว้ล่วงหน้า- และสุดท้ายให้แน่ใจว่าเอฟเฟกต์ปลายหุ่นยนต์อุตสาหกรรม-วิ่งไปตามวิถีที่กำหนดไว้ โดยปกติแล้วจะใช้ระบบเซอร์โว AC หรือระบบเซอร์โว DC เพื่อให้บรรลุ
(2) การควบคุมกำลังคนเครื่องจักรอุตสาหกรรม (แรงบิด):ความจำเป็นในการวิเคราะห์เอฟเฟกต์ปลายหุ่นยนต์-และสภาพแวดล้อมของสถานะข้อจำกัด และตามข้อจำกัดเพื่อพัฒนากลยุทธ์การควบคุม นอกจากนี้ จำเป็นต้องติดตั้งเซ็นเซอร์วัดแรงที่ปลายหุ่นยนต์เพื่อตรวจจับแรงสัมผัสระหว่างหุ่นยนต์กับสิ่งแวดล้อม ระบบควบคุมจะประมวลผลข้อมูลแรงนี้ตามกลยุทธ์การควบคุมที่กำหนดไว้ล่วงหน้า- จากนั้นควบคุมหุ่นยนต์ให้ดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่ไม่แน่นอนซึ่งเข้ากันได้กับสภาพแวดล้อมนั้น เพื่อให้หุ่นยนต์สามารถดำเนินงานการปฏิบัติงานที่ซับซ้อนได้สำเร็จ
(3) การควบคุมความเร็วหุ่นยนต์อุตสาหกรรม:มักจะรับรู้พร้อมกันกับการควบคุมตำแหน่ง ตัวอย่างเช่น ในกรณีของโหมดควบคุมวิถีต่อเนื่อง หุ่นยนต์อุตสาหกรรมจำเป็นต้องควบคุมความเร็วของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว และดำเนินการเร่งความเร็วและลดความเร็วตามคำแนะนำที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เพื่อตอบสนองความต้องการของการเคลื่อนไหวที่ราบรื่นและการวางตำแหน่งที่แม่นยำ เนื่องจากหุ่นยนต์อุตสาหกรรมเป็นตัวแปรสภาพการทำงาน (หรือภาระในการเดินทาง) เครื่องจักรที่มีการเคลื่อนที่ขนาดใหญ่โหลดแรงเฉื่อย เพื่อจัดการกับความขัดแย้งระหว่างความรวดเร็วและราบรื่น จะต้องควบคุมการเร่งความเร็วและการชะลอตัวในการเริ่มต้นก่อนที่จะหยุดส่วนการเคลื่อนที่ของการเปลี่ยนแปลงทั้งสอง และในกระบวนการเคลื่อนไหวทั้งหมด มักจำเป็นต้องมีการควบคุมความเร็ว
3) การควบคุมหุ่นยนต์อุตสาหกรรมอย่างชาญฉลาด
วิธีการควบคุมอัจฉริยะของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมส่วนใหญ่หมายถึงการทำงานภายใต้สภาวะที่ไม่แน่นอนหรือไม่ทราบ หุ่นยนต์จำเป็นต้องได้รับข้อมูลเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมโดยรอบผ่านเซ็นเซอร์ ตัดสินใจตามฐานความรู้ภายในของตัวเอง จากนั้นควบคุมแอคชูเอเตอร์ต่างๆ เพื่อทำงานที่กำหนดให้เสร็จสิ้นโดยอัตโนมัติ ซึ่งอยู่ในระดับสูงสุดของการควบคุมหุ่นยนต์ หากใช้เทคโนโลยีการควบคุมอัจฉริยะ หุ่นยนต์จะมีความสามารถในการปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมากและ-ความสามารถในการเรียนรู้ด้วยตนเอง วิธีการควบคุมอัจฉริยะมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการพัฒนาปัญญาประดิษฐ์ เช่น โครงข่ายประสาทเทียม อัลกอริธึมคลุมเครือ อัลกอริธึมทางพันธุกรรม ระบบผู้เชี่ยวชาญ และอื่นๆ การประยุกต์ใช้อัลกอริธึมโครงข่ายประสาทเทียมในหุ่นยนต์เคลื่อนที่ใช้เป็นตัวอย่างเพื่อแสดงการผสมผสานระหว่างการควบคุมอัจฉริยะและหุ่นยนต์อุตสาหกรรม
ยกตัวอย่างหุ่นยนต์เคลื่อนที่ที่แสดงในภาพ โดยติดตั้งกล้องไว้ที่ด้านบนของหุ่นยนต์เคลื่อนที่เพื่อให้ได้ภาพสามมิติ{0}}ของสิ่งกีดขวาง ชุดเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกติดตั้งอยู่ด้านหน้าหุ่นยนต์เคลื่อนที่ (ใต้กล้องโดยตรง) เพื่อรับข้อมูลระยะห่างระหว่างสิ่งกีดขวางและหุ่นยนต์เคลื่อนที่
การผสมผสานข้อมูลเซ็นเซอร์ภาพและอัลตราโซนิกจะดำเนินการโดยใช้วิธีโครงข่ายประสาทเทียมและส่งออกไปยังระดับถัดไปเพื่อจดจำประเภทของสิ่งกีดขวาง ซึ่งช่วยให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่สามารถหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางเมื่อเดินในสภาพแวดล้อมที่ไม่แน่นอนและปรับปรุงความสามารถในการนำทาง ขั้นตอนหลักสำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมในการใช้ข้อมูลอัจฉริยะเพื่อการตัดสินใจแบบบูรณาการเพื่อหลีกเลี่ยงอุปสรรคมีดังนี้
(1) ในขณะที่หุ่นยนต์กำลังเดินทาง ระบบกำหนดระยะจะดำเนินการตรวจจับสภาพแวดล้อมในช่วงเวลาสั้นๆ เพื่อตรวจสอบว่าหุ่นยนต์เคลื่อนที่จำเป็นต้องชะลอความเร็วหรือไม่ และจำเป็นต้องเก็บตัวอย่างจากกล้อง CCD ตามข้อมูลระยะห่างเกี่ยวกับสิ่งกีดขวางที่ได้รับจากเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกหรือไม่
(2) เมื่อระยะห่างของสิ่งกีดขวางจากหุ่นยนต์เคลื่อนที่อยู่ในระดับปานกลางตามที่ระบบกำหนดระยะตรวจพบ ความเร็วของหุ่นยนต์จะลดลง เมื่อระยะห่างของสิ่งกีดขวางจากหุ่นยนต์เคลื่อนที่อยู่ใกล้กัน ภาพสอง-ของสิ่งกีดขวางดังกล่าวจะได้มาจากกล้อง CCD และพิกัดของขอบซ้ายและขวาจะถูกดึงออกมา
(3) ข้อมูลเกี่ยวกับสิ่งกีดขวางที่ได้รับจากเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกและกล้อง CCD จะถูกจัดกลุ่มและประมวลผลล่วงหน้า และส่งไปยังตัวควบคุมโครงข่ายประสาทเทียม BP เพื่อการหลอมรวม
(4) ตัวควบคุมโครงข่ายประสาทเทียม BP ซึ่งได้รับการเรียนรู้ล่วงหน้า-ด้วยความรู้เกี่ยวกับการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง จะทำการตัดสินใจที่สอดคล้องกันในการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางตามข้อมูลที่รวบรวมโดยเซ็นเซอร์หลายตัวภายนอก- และหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง
อ้างอิง
[1] จู้หงเฉียน เทคโนโลยีหุ่นยนต์อุตสาหกรรม [M] ปักกิ่ง: สำนักพิมพ์อุตสาหกรรมเครื่องจักร, 2019. [2] Chen Wanmi เทคโนโลยีการควบคุมหุ่นยนต์ [M] ปักกิ่ง: สำนักพิมพ์อุตสาหกรรมเครื่องจักร, 2017. (3) Guo Tongying, An Dong หุ่นยนต์และการควบคุมอัจฉริยะ [M] ปักกิ่ง: สื่อมวลชนโพสต์และโทรคมนาคมของประชาชน, 2014. [4] Zhang Xianmin วิทยาการหุ่นยนต์และการประยุกต์ [M] ปักกิ่ง: สำนักพิมพ์อุตสาหกรรมเครื่องจักร, 2017. [5] Zhang Xinxing พื้นฐานการใช้งานหุ่นยนต์อุตสาหกรรม [M] ปักกิ่ง: สำนักพิมพ์สถาบันเทคโนโลยีแห่งปักกิ่ง, 2017