工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)(最全)ppt課件

匯川技術(shù) 2016年12月 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 2 目錄 1 機(jī)器人位姿變換 2 機(jī)器人運(yùn)動學(xué) 3 機(jī)器人坐標(biāo)系 4 機(jī)器人動力學(xué) 5 機(jī)器人性能指標(biāo) 在分析機(jī)器人時會牽涉諸多坐標(biāo)系 一些是操作者不須關(guān)心的 另外一些卻是和工藝相關(guān)的 常見的坐標(biāo)系有 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系基座坐標(biāo)系工具坐標(biāo)系用戶坐標(biāo)系 1機(jī)器人坐標(biāo)系 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系主要描述各關(guān)節(jié)相對于標(biāo)定零點(diǎn)的絕對位置 旋轉(zhuǎn)軸常用 表示 線性軸的常用mm描述 作用 單軸點(diǎn)動 單軸示教機(jī)器人 常用于調(diào)試時驗(yàn)證關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向 軟限位 解除機(jī)器人奇異位置 當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)奇異報(bào)警時 只能在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下通過單軸點(diǎn)動解除奇異報(bào)警 軸正負(fù)極限報(bào)警 只能在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下通過單軸點(diǎn)動解除正負(fù)超限報(bào)警 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值均為機(jī)器人關(guān)節(jié)的絕對位置 方便用戶調(diào)試點(diǎn)位時觀察機(jī)器人的絕對位置 避免機(jī)器人出現(xiàn)極限位置或奇異位置 1機(jī)器人坐標(biāo)系 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 直角坐標(biāo)系 包括很多種 但我們常常狹隘的將基座坐標(biāo)系稱為直角坐標(biāo)系 直角坐標(biāo)系的Z軸即第一軸的Z軸 X軸為回零后的正前方 Y軸由右手定則確定 原點(diǎn)隨著df參數(shù)的大小上下變動 直角坐標(biāo)系下 用戶可控制機(jī)器人末端沿坐標(biāo)系任一方向移動或旋轉(zhuǎn) 常用于現(xiàn)場點(diǎn)位示教 機(jī)器人末端 右手定則 直角坐標(biāo)系 1機(jī)器人坐標(biāo)系 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 2 直角坐標(biāo)系由于軌跡為空間插補(bǔ) 所以會遇到指定的位置和姿態(tài)不能到達(dá) 即奇異現(xiàn)象 常見的奇異有 a 4 6軸共線附件 即5軸角度0附件 b 2 3 5軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)系原點(diǎn)接近共線 即已經(jīng)到達(dá)工作范圍邊界 c 5軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)系原點(diǎn)在Z軸正上方附近 右圖就處于a 的奇異狀態(tài) 直角下示教會報(bào)警 1機(jī)器人坐標(biāo)系 工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 基坐標(biāo)系 兩者關(guān)系 機(jī)器人系統(tǒng) 1機(jī)器人坐標(biāo)系 y x 工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系 z 用戶坐標(biāo)系 工件坐標(biāo)系 用于描述各個物體或工位的方位的需要 用戶常常在自己關(guān)心的平面建立自己的坐標(biāo)系 以方便示教 作用 方便示教 基于用戶坐標(biāo)系的點(diǎn)位 方便生產(chǎn)線復(fù)制 減少調(diào)試工作量 離線仿真軟件提取的基于定義坐標(biāo)系軌跡控制點(diǎn) 可直接用于實(shí)際程序中 只需定義匹配的用戶坐標(biāo)系 1機(jī)器人坐標(biāo)系 工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系 工具坐標(biāo)系 在未加工具參數(shù)時 工具坐標(biāo)系在機(jī)器人末端的法蘭盤上 但方向與基座坐標(biāo)系不同 如右上圖所示 安裝工具后 需加入工具參數(shù) 可以看作在機(jī)器人末端連桿的延長 此時工具坐標(biāo)系為表示新的工況需向末端延長 形成新的坐標(biāo)系 如右下圖所示 在示教時 也可以沿著工具坐標(biāo)系的X Y Z軸平行的方向平移 也可以末端不動繞工具坐標(biāo)系的X Y Z軸轉(zhuǎn)動 1機(jī)器人坐標(biāo)系 工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系 工具坐標(biāo)系 建立工具坐標(biāo)系方法 直接輸入法三點(diǎn)法 工具末端對一固定點(diǎn)示教三個不同姿態(tài)的點(diǎn) 五點(diǎn)法 工具末端對一固定點(diǎn)示教五個不同姿態(tài)的點(diǎn) 三點(diǎn)法 五點(diǎn)法 1機(jī)器人坐標(biāo)系 點(diǎn)的位置描述 機(jī)器人點(diǎn)的位置描述 在選定的直角坐標(biāo)系 A 空間任一點(diǎn)P的位置可用3 1的位置矢量AP表示 2機(jī)器人位姿變換 如用四個數(shù)組成 4 1 列陣 表示三維空間直角坐標(biāo)系 A 中點(diǎn)p 則列陣 pxpypz1 T稱為三維空間點(diǎn)p的齊次坐標(biāo) 齊次坐標(biāo) 2機(jī)器人位姿變換 i j k分別是直角坐標(biāo)系中x y Z坐標(biāo)軸的單位向量 若用齊次坐標(biāo)來描述x y z軸的方向 則 4 1 列陣 abco T中第四個元素為零 且a2 b2 c2 1 則表示某軸 某矢量 的方向 4x1 列陣 abcw T中第四個元素不為零 則表示空間某點(diǎn)的位置 坐標(biāo)軸方向的描述 2機(jī)器人位姿變換 動坐標(biāo)系位姿的描述就是對動坐標(biāo)系原點(diǎn)位置的描述以及對動坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向的描述 機(jī)器人的一個連桿可以看成一個剛體 若給定了剛體上某一點(diǎn)的位置和該剛體在空間的姿態(tài) 則這個剛體在空間上是完全確定的 剛體Q在固定坐標(biāo)系OXYZ中的位置可用齊次坐標(biāo)形式的一個 4 1 列陣表示為 剛體的姿態(tài)可由動坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向來表示 令n o a分別為X y z 坐標(biāo)軸的單位方向矢量 每個單位方向矢量在固定坐標(biāo)系上的分量為動坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的方向余弦 用齊次坐標(biāo)形式的 4 1 列陣分別表示為 動坐標(biāo)系姿態(tài)的描述 2機(jī)器人位姿變換 剛體的位姿可用下面 4 4 矩陣來描述 對剛體Q位姿的描述就是對固連于剛體Q 的坐標(biāo)系O X Y Z 位姿的描述 2機(jī)器人位姿變換 運(yùn)動學(xué) 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的研究對象是機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置和機(jī)器人末端位姿之間的關(guān)系 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)包含兩個基本問題 1 已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置 求機(jī)器人末端的位姿 2 已知機(jī)器人末端的位姿 求機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置 3機(jī)器人運(yùn)動學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 為什么要研究運(yùn)動學(xué) 機(jī)器人的運(yùn)動無非有兩種 PTP 點(diǎn)到點(diǎn) 及CP 連續(xù)運(yùn)動 3機(jī)器人運(yùn)動學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 運(yùn)動學(xué)的實(shí)用方式 位置反饋 3機(jī)器人運(yùn)動學(xué) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 D H參數(shù) 兩個關(guān)節(jié)軸線沿公垂線的距離an 稱為連桿長度 另一個是垂直于an的平面內(nèi)兩個軸線的夾角 n 稱為連桿扭角 這兩個參數(shù)為連桿的尺寸參數(shù) 是沿關(guān)節(jié)n軸線兩個公垂線的距離 稱為dn n是垂直于關(guān)節(jié)n軸線的平面內(nèi)兩個公垂線的夾角 3機(jī)器人運(yùn)動學(xué) 用一個變換矩陣An來綜合表示 連桿坐標(biāo)系之間的矩陣變換 建立了各連桿坐標(biāo)系后 n 1系與n系間的變換關(guān)系可以用坐標(biāo)系的平移 旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn) 從n 1系到n系的變換 可先令以n 1系繞Zn 1軸旋轉(zhuǎn) n角 再沿Zn 1軸平移dn 然后沿Xn軸平移an 最后繞Xn軸旋轉(zhuǎn) n角 使得n 1系n系重合 上述四次變換時應(yīng)注意到坐標(biāo)系在每次旋轉(zhuǎn)或平移后發(fā)生了變動 后一次變換都是相對于動系進(jìn)行的 因此在運(yùn)算中變換算子應(yīng)該右乘 3機(jī)器人運(yùn)動學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 6自由度機(jī)器人運(yùn)動學(xué)D H參數(shù)表 3機(jī)器人運(yùn)動學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算 如何選取某個解 3機(jī)器人運(yùn)動學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 逆動學(xué)應(yīng)注意的問題 奇異性奇異性 造成機(jī)器人運(yùn)動能力缺失 缺少自由度 的特性 工具坐標(biāo)系常見的奇異有 a 4 6軸共線附件 即5軸角度0附件 b 2 3 5軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)系原點(diǎn)接近共線 即已經(jīng)到達(dá)工作范圍邊界 c 5軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)系原點(diǎn)在Z軸正上方附近 3機(jī)器人運(yùn)動學(xué) 定義 動力學(xué) dynamics 是研究作用于物體的力和物體運(yùn)動之間的一般關(guān)系 它包括兩個基本問題1 已知作用在機(jī)器人各關(guān)節(jié)的力 求該關(guān)節(jié)對應(yīng)的運(yùn)動軌跡 即求加速度 速度和位置 2 已知機(jī)器人關(guān)節(jié)當(dāng)前的加速度 速度和位置 求此時關(guān)節(jié)上的受力大小 動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)方程 簡單講 動力學(xué)是解決機(jī)器人各關(guān)節(jié)受力大小和它運(yùn)動之間的關(guān)系已知運(yùn)動的特性能夠求出對應(yīng)的力的大小 反之 已知受力的大小 可以計(jì)算出機(jī)器人的運(yùn)動特性 4機(jī)器人動力學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 動力學(xué) 應(yīng)用1 機(jī)器人最優(yōu)控制 優(yōu)化性能指標(biāo)和動態(tài)性能 調(diào)整伺服增益 2 機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì) 算出實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動所需的力 力矩 選擇合適的伺服及電機(jī) 3 機(jī)器人碰撞檢測 比較實(shí)際電流和計(jì)算的預(yù)定電流之差 判定撞擊是否發(fā)生 4 機(jī)器人零力控制 機(jī)器人順應(yīng)外力作用運(yùn)動 其仿佛處于一個不受重力和摩擦力的環(huán)境 ing 5 機(jī)器人的仿真 根據(jù)連桿質(zhì)量 負(fù)載 傳動特征的動態(tài)性能仿真 較之運(yùn)動學(xué)仿真更接近真實(shí)情況 4機(jī)器人動力學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 動力學(xué)模型的計(jì)算 動力學(xué)的計(jì)算有很多方法 如Lagrange Newton Euler Gauss Kane Screw Roberson Wittenburg 其中以Lagrange Newton Euler最為常用 第一關(guān)節(jié)動力學(xué)方程 第二關(guān)節(jié)動力學(xué)方程 4機(jī)器人動力學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 動力學(xué) 動力學(xué)的部署將經(jīng) 正向 逆向 動力學(xué)計(jì)算出的力矩 以前饋的方式 加入到伺服的電流控制環(huán)路 4機(jī)器人動力學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 動力學(xué) 動力學(xué)控制器的評價(jià)指標(biāo) 控制性能的好壞主要通過位置跟蹤偏差 速度跟蹤偏差以及力矩波動來判定 a 位置跟蹤偏差對比 b 速度跟蹤偏差對比 4機(jī)器人動力學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 動力學(xué) 動力學(xué)方程 慣性力 離心力 哥氏力 粘摩擦 靜摩擦 重力 外力 關(guān)節(jié)力矩 角加速度 速度 速度 速度方向 位置 4機(jī)器人動力學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 動力學(xué) 生活中的哥氏力 在地球上的擺動會受到地球自轉(zhuǎn)的影響 只要擺面方向與地球自轉(zhuǎn)的角速度方向存在一定的夾角 擺面就會受到哥氏的影響 而產(chǎn)生一個與地球自轉(zhuǎn)方向相反的扭矩 從而使得擺面發(fā)生轉(zhuǎn)動 1851年法國物理學(xué)家傅科預(yù)言了這種現(xiàn)象的存在 并且以實(shí)驗(yàn)證明了這種現(xiàn)象 他用一根長67米的鋼絲繩和一枚27千克的金屬球組成一個單擺 在擺垂下鑲嵌了一個指針 將這個巨大的單擺懸掛在教堂穹頂之上 實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在北半球擺面會緩緩向右旋轉(zhuǎn) 4機(jī)器人動力學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 動力學(xué) 動力學(xué)參數(shù)辨識作用 解決因機(jī)器人本體生產(chǎn)商無法提供動力學(xué)參數(shù)或因在機(jī)械安裝過程中引起動力學(xué)參數(shù)與標(biāo)稱不一致的問題 方法 通過控制機(jī)器人按特定方式運(yùn)動 可以自動辨識出包括質(zhì)量 轉(zhuǎn)動慣量 摩擦力等在內(nèi)的動力學(xué)參數(shù) 利用機(jī)械廠家提供參數(shù)算得力矩 通過自動辨識算得力矩 4機(jī)器人動力學(xué) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 機(jī)器人性能指標(biāo)重復(fù)定位精度 表示對同一指令位姿從一方向重復(fù)響應(yīng)次后實(shí)到位姿的一致程度 定位精度 表示指令位姿和從同一方向接近該指令位姿時的實(shí)到位姿平均值之間的偏差 位置定位精度 姿態(tài)定位精度 姿態(tài)重復(fù)定位精度 位置重復(fù)定位精度 5機(jī)器人性能指標(biāo) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 機(jī)器人性能指標(biāo) 最小定位時間 機(jī)器人在點(diǎn)位控制方式下從靜態(tài)開始移動一預(yù)定距離或擺動一預(yù)定角度到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的時間 一般行業(yè)內(nèi)以機(jī)器人額定負(fù)載下執(zhí)行25mm 300mm 25mm門形軌跡所需最小時間 25mm 300mm 25mm 5機(jī)器人性能指標(biāo) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 機(jī)器人性能指標(biāo)測量工具 Compugauge機(jī)器人性能測試系統(tǒng) 價(jià)格約80萬人民幣 Dynalog 美國公司 一直從事機(jī)器人性能研究 位姿準(zhǔn)確度和位姿重復(fù)性 多方位位姿準(zhǔn)確度變動 距離準(zhǔn)確度和距離重復(fù)性 位置穩(wěn)定時間和位置超調(diào)量 互換性 軌跡準(zhǔn)確度和軌跡重復(fù)性 拐角偏差 軌跡速度特性 最小定位時間 靜態(tài)柔順性 擺動偏差 5機(jī)器人性能指標(biāo) 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識 機(jī)器人性能指標(biāo) 測量工具 激光位移傳感器 價(jià)格約16萬