工业机器人梯次利用的一种评价方法

2022-07-11卢志斌王海龙

中国设备工程 2022年13期

卢志斌，王海龙

（1.广州市轻工职业技术学校，广东广州 510650；2.广东工业大学，广东广州 510006）

1 背景

我国工业机器人市场规模全球第一。经过多年的发展，机器人保有量巨大。随着时间的推移，这些机器人不可避免要进入性能减退、故障频发直至报废的阶段。如何处置老旧机器人将成为迫切需要解决的问题。本文所述的机器人梯次利用，是指对不能完全实现设计性能但尚存工作能力的机器人进行的再利用。

机器人行业是新兴行业，在国家相关文件指导下，近年来加快了各种标准制定的速度。可以预计，在不久的将来，机器人行业将拥有涵盖机器人生产、使用、回收再利用全生命周期完整的设备管理标准体系。制定标准和规范需要科学的评价方法，本文对零件磨损变形导致关节运动性能减退的机器人进行研究，提出一种用于鉴别机器人的方法，在不对机器人进行物理修复的情况下，对可以留用在原来岗位上的机器人提出留用技术方案，对于不能留用的机器人视其具体情况做出机器人再利用的建议以及相应的技术方案。

2 基本原理

以工业机器人为例，机器人一般在相对固定的岗位和工作位置上运动，对应这些位置的关节运动范围（转角或导轨）载荷较大，磨损和变形会比较严重，容易发生工作性能下降的情况，进而导致机械故障。而其余位置由于较少使用，对应的关节运动范围往往保留原有的性能。这就提供了一种可能，通过特定的方法把这些位置识别出来，通过改变机器人手臂的运动构形、改变机器人执行器的工作范围、调整机器人机座安装等措施来改变机器人关节的载荷分布，尽量使机器人在性能正常的关节活动范围内运动，达到机器人性能修复或梯次再利用的目的。

本文所述方法基于发明专利ZL201710588049.7，基本流程见图1。图中”原始数据”指机器人结构参数、运动参数、关节性能减退范围（以下称“关节故障范围”）的边界。“任务定义”指定义机器人作业所需要的位置或轨迹，“性能减退区域”指机器人工作空间中对应关节故障范围的区域。

图1 基本流程

通过机器人运动学分析，可以识别出性能减退区域与机器人作业位置或轨迹之间的相对位置。如果两者之间没有交集，这些工作位置或轨迹将不会受到关节性能减退的影响。如果存在交集，首先考虑改变机器人手臂构形这个代价最小的方案；然后考虑通过移动机器人作业位置或轨迹来避开性能减退区域；在不允许改变作业位置或轨迹的场合，可以通过改变机器人机座的安装来调整性能减退区域的位置。通过这些调整，最终使得性能减退区域脱离机器人作业位置或轨迹，机器人可以留用在原来的岗位上。通过调整无法留用的机器人将进入梯次利用阶段。

3 机器人运动性能修复案例

学校实验室收到了一批企业捐赠的机器人，发现某些机器人存在运动性能下降的情况，不能正常使用。为了方便高效的执行图1所示的评价流程，作者开发了专门的软件工具。以其中一台六轴关节型机器人为例，对应第二关节0～5度范围内出现比较严重的抖动现象，对应第三关节20～30度范围内的运动精度也显著下降。该机器人的机构简图见图2粗实线，从机座开始向手末方向给各关节编号为J1～J6；关节故障角度范围见图2中标注的位置。

图2 机器人机构简图和故障角度范围

把机器人的结构参数、运动参数、关节故障角度、机座安装方式、执行器的期望工作范围输入软件，计算机屏幕显示如图3左边所示图形。其中点圆表示机器人活动空间，黑色实心图形对应关节J2故障角度范围的性能减退区域，灰色实心图形对应关节J3故障角度范围的性能减退区域；粗实线圆周内是机器人手末执行器在执行工作任务的时候需要到达的位置，该位置与性能减退区域有交集，工作性能将受到影响。

由于机器人要用于不同类型的实验和实训教学，不可能规定其运动构形；由于该机器人左边放置着工具柜，也没有改变执行器工作位置的空间；最后采用改变机座安装位置的方案，机器人原地转180度安装，性能减退区域的位置发生改变，脱离了工作位置，见图3右边。

图3 通过改变机器人机座的安装修复机器人工作性能

4 机器人梯次利用的评价流程

由于上述方法在执行的过程中明确定义了受检机器人性能减退区域的位置，除了能够判定机器人能否留用，对于不能留用的机器人也给出了其能够适应的作业环境。针对关节机械故障的机器人，在不进行物理修复情况下进行梯次利用的评价流程见图4。其中“机器人描述”和“工作位置描述”对应图1的“机器人定义”和“任务定义”；“专利所载技术方法”对应图1的流程；“处理结果”包括能否留用的结论、机器人运动构型的调整方案、执行器工作位置范围或轨迹的调整方案、机座安装位置和姿态的调整方案等技术信息；“约束条件”包括但不限于设备生命周期费用和利润的预算、机器人其他指标条件、技术和市场的约束、标准和法规的要求；“约束条件”作用于“处理结果”产生评价流程的输出，对于适合留用的机器人给予留用技术指导，对于不适合留用在原岗位但条件较好的机器人给予工作调动技术指导，对于综合条件较差的机器人给予降级使用技术指导，对于难以再利用的机器人给予退役的建议。