工业机器人组成及工作原理..

工业机器人控制系统 工业机器人组成与工作原理 控制概述 1 1工业机器人的基本组成 1 2工业机器人工作原理与技术参数 1 3工业机器人控制技术综述 主要由机器人本体 控制器 示教器三大部件组成 六轴垂直多关节机器人 机械结构简图 S轴 回旋 L轴 下臂倾动 U轴 上臂倾动 R轴 手臂横摆 B轴 手腕俯仰 T轴 手腕回旋 Motoman工业机器人 机器人关节 控制器是根据指令以及传感器信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置 是决定机器人功能和性能的主要因素 也是机器人系统中更新和发展最快的部分 其基本功能有 示教 记忆 位置伺服 坐标设定 开发程度 封闭型 开放性和混合型 目前基本上都是封闭型系统 如日系 或混合型系统 如欧系 控制方式 集中式控制和分布式控制 机器人控制器 工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制 即电流环 速度环和位置环 一般情况下 对于交流伺服驱动器 可通过对其内部功能参数进行设定而实现位置控制 速度控制 转矩控制等多种功能 集中式控制系统结构 组织层 作业控制 协调层 运动控制 执行层 驱动控制 分布式控制系统结构 KRC4性能参数 全部采用总线形式处理器库卡 工业 PC 2 6GHZ 操作系统微软WINDOWSXP控制轴数8个AC伺服马达驱动与外围设备通讯接口 Profinet Profibus Interbus EtherCAT Ethernet编程及控制库卡SmartPAD 例 库卡工业机器人控制器KRC4 例 电装 DENSO 机械手 系统组成 感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成 用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息 智能传感器的使用提高了机器人的机动性 适应性和智能化的水准 智能传感器的使用提高了机器人的机动性 适应性和智能化的水准 对于一些特殊的信息 传感器比人类的感受系统更有效 感知系统 一 机器人的工作原理机器人的工作原理是一个比较复杂的问题 简单地说 机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作 思维方式和控制决策能力 从控制的角度 机器人可以通过如下四种方式来达到这一目标 示教再现 方式 它通过 示教盒 或人 手把手 两种方式教机械手如何动作 控制器将示教过程记忆下来 然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作 如喷涂机器人 可编程控制 方式 工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序 然后将控制程序输入给机器人的控制器 起动控制程序 机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成 如果任务变更 只要修改或重新编写控制程序 非常灵活方便 大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的 遥控 方式 由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务 如防暴排险机器人 军用机器人 在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等 自主控制 方式 是机器人控制中最高级 最复杂的控制方式 它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力 也就是要具有人的某些智能行为 示教再现示教 再现即分为示教 存储 再现 操作四步进行 示教 方式有两种 1 直接示教 手把手 2 间接示教 示教盒控制 存储 保存示教信息 再现 根据需要 读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令 控制信息顺序信息 各种动作单元 包括机械手和外围设备 按动作先后顺序的设定 检测等 位置信息 作业之间各点的坐标值 包括手爪在该点上的姿态 通常总称为位姿 POSE 时间信息 各顺序动作所需时间 即机器人完成各个动作的速度 二 工业机器人的技术参数 表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间 自由度 有效负载 运动精度 运动特性 动态特性等 1 工作空间 Workspace 工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合 工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力的大小 理解机器人的工作空间时 要注意以下几点 2 有效负载 Payload 有效负载是指机器人操作机在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩 用以表示操作机的负荷能力 3 运动精度 Accurucy 机器人机械系统的精度主要涉及位姿精度 重复位姿精度 轨迹精度 重复轨迹精度等 4 运动特性 Sped 速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标 5 动态特性结构动态参数主要包括质量 惯性矩 刚度 阻尼系数 固有频率和振动模态 工作精度 可以用精密度 正确度 和准确度三个参数来衡量 定位精度 Positioningaccuracy 指机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的理想位置之间的差距 重复性 Repeatability 或重复精度 指机器人重复到达某一目标位置的差异程度 或在相同的位置指令下 机器人连续重复若干次其位置的分散情况 它是衡量一列误差值的密集程度 即重复度 精度和重复精度 哪个重要精度机器人到达指定点的精确程度 与驱动和传感的分辨率有关 可预测可校正 重复精度机器人动作重复多次 到达同样位置的精确程度 随机误差的范围 无法消除 分辨率是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度 精度和分辨率不一定相关 分辨率 精度 重复精度的关系 控制的目的是使被控对象产生控制者所期望的行为方式控制的基本条件是了解被控对象的特性控制的实质是对驱动器输出力矩的控制 输入X 被控对象的模型 输出Y 目的 机器人控制的两个问题 1 求机器人的动态模型 动力学问题 2 根据动态模型设计控制规律 机器人技术与控制学科的关系 如果被控对象的模型能够精确知道 但模型是变化的 怎么办 如果模型的变化是可以预测的 开环预测控制 如果模型的变化是可以实时辩识的 开环辨识控制 以被控对象的实际输出构成某种评价标准来修正控制器的输入信号 以使对象的输出接近期望值 闭环反馈控制 被控对象的特性 数学模型 不能完全确定或完全不能确定的情况下 怎么办 最常用的评价标准就是输入与输出 期望的输出与实际输出 之间的偏差 例如 按照期望控制量分为 位置控制和力控制 智能化的控制方式 模糊控制 fuzzycontrol 自适应控制 adaptivecontrol 最优控制 optimalcontrol 神经网络控制 neurocontrol 模糊神经网络控制专家控制 expertcontrol Others 1 机器人位置控制任务分类 点位控制 PTP PointtoPoint 只考虑起始点和目的点的位置 而不考虑两点之间的移动路径的控制方式 适用于上下料 点焊 搬运等 连续路径控制 CP ContinuousPath 不但要求机器人以一定的精度到达目标点 而且对其移动的轨迹形式有一定精度范围的要求 如弧焊 喷漆机器人 2 位置控制方法 关节空间控制结构直角坐标空间控制结构 机器人的位置控制 机器人的力控制 力控制简介直接力控制 Directforcecontrol 间接力控制 Indirectforcecontrol 1 力控制简介 目的 控制机器人各关节使其末端表现出一定的力或力矩特性 为什么采用力控制 轴孔配合 形状适应性 接触碰撞 直接力控制 作用 实现机器人与环境作用力的精确控制实例 力的PI控制方法 特点 直接力控制具有力回路 直接控制期望力 间接力控制 分类 主动柔顺 阻抗控制 被动柔顺 变刚度 特点 间接力控制 阻抗控制 力 位混合控制 通过控制位置实现力控制 没有明确的力回路 阻抗控制分类 区别在内环 被动柔顺控制 目的 基于安全性考虑阿西莫夫三定律 1950年 美国作家埃萨克 阿西莫夫在科幻小说 I Robot 中首次使用了 Robotics 即 机器人学 阿西莫夫提出了 机器人三定律 1 机器人不应伤害人类 且在人类受到伤害时不可袖手旁观 2 机器人应遵守人类的命令 与第一条违背的命令