機器人控制課程論文Word版

1、傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！機器人控制技術(shù)課程論文 院系名稱： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 控制科學與工程 摘 要 通過近一個學期的機器人課程的學習，在老師的講解和自己課下的學習過程中，我對機器人技術(shù)尤其是工業(yè)機器人有了較為深刻的認識。我掌握了工業(yè)機器人基本的發(fā)展歷程，并了解了機器人的分類和不同場合的性能要求。對于機器人技術(shù)有了自己的理解和認識。并認識到我們的機器人技術(shù)還有著極為漫長的道路要走，還需要更加深入的技術(shù)探索與研發(fā)。在生產(chǎn)過程工業(yè)機械手是模擬人手動作的機械設(shè)備，它可以替代人工搬運重物，在高粉塵，高溫，有毒，易燃，放射性和其他相對較差的工作環(huán)境。機器人可用于再生

2、產(chǎn)過程中的自動化抓住并移動工件自動化設(shè)備，它是在生產(chǎn)過程的機械化和自動化，開發(fā)出一種新的設(shè)備。近年來，隨著電子技術(shù)，特別是計算機的廣泛使用機器人的開發(fā)和生產(chǎn)的高科技領(lǐng)域已成為迅速發(fā)展起來的一項新興技術(shù)，它更促進機器人的發(fā)展，使得機械手能更好的實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人，發(fā)展歷程，分類，展望，技術(shù)探索，基本知識。目 錄摘要2第一章 工業(yè)機器人的發(fā)展及分類41.1 工業(yè)機器人的定義41.2 工業(yè)機器人的發(fā)展41.3 工業(yè)機器人的分類5第二章 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)72.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)所要達到的功能72.2 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成82.3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)分類9第三章

3、 工業(yè)機器人的組成133.1 工業(yè)機器人系統(tǒng)的構(gòu)建133.2 機器人運動學原理143.3 工業(yè)機器人工作原理163.4 工業(yè)機器人主要的驅(qū)動系統(tǒng)17第四章 總結(jié)19第一章 工業(yè)機器人的發(fā)展及分類1.1 工業(yè)機器人的定義 工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。 戴沃爾提出的工業(yè)機器人有以下特點:將數(shù)控機床的伺服軸與遙控操縱器的連桿機構(gòu)聯(lián)接在一起，預先設(shè)定的機械手動作經(jīng)編程輸入后，系統(tǒng)就可

4、以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人還可以接受示教而完成各種簡單的重復動作，示教過程中，機械手可依次通過工作任務的各個位置，這些位置序列全部記錄在存儲器內(nèi)，任務的執(zhí)行過程中，機器人的各個關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動下依次再現(xiàn)上述位置，故這種機器人的主要技術(shù)功能被稱為“可編程”和“示教再現(xiàn)”。 1962年美國推出的一些工業(yè)機器人的控制方式與數(shù)控機床大致相似，但外形主要由類似人的手和臂組成。后來，出現(xiàn)了具有視覺傳感器的、能識別與定位的工業(yè)機器人系統(tǒng)。 當今工業(yè)機器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、具有多種感覺能力、具有較強的對作業(yè)環(huán)境的自適應能力的方面發(fā)展。目前，對全球機器人技術(shù)的發(fā)展最有影響的國家應該是美國和日本

5、。美國在工業(yè)機器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的工業(yè)機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。1.2 工業(yè)機器人的發(fā)展 工業(yè)機器人的發(fā)展通?？梢?guī)劃分為三代： 第一代工業(yè)機器人：通常是指目前國際上商品化與使用化的“可編程的工業(yè)機器人”，又稱“示教再現(xiàn)工業(yè)機器人”，即為了讓工業(yè)機器人完成某項作業(yè)，首先由操作者將完成該作業(yè)所需要的各種知識（如運動軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序和作業(yè)時間等），通過直接或間接手段，對工業(yè)機器人進行“示教”，工業(yè)機器人將這些知識記憶下來后，即可根據(jù)“再現(xiàn)”指令，在一定精度范圍內(nèi)，忠實的重復再現(xiàn)各種被示教的動作。1962年美國萬能自動化公司的第一臺Unimate工業(yè)機

6、器人在美國通用汽車公司投入使用，標志著第一代工業(yè)機器人的誕生。 第二代工業(yè)機器人：通常是指具有某種智能（如觸覺、力覺、視覺等）功能的“智能機器人”。即有傳感器得到觸覺、力覺和視覺等信息計算機處理后，控制機器人的操作機完成相應的適當操作。1982年美國通用汽車在裝配線上為工業(yè)機器人裝備了視覺系統(tǒng)，從而宣布了新一代智能工業(yè)機器人的問世。 第三代工業(yè)機器人：即所謂的“只治式工業(yè)機器人”。它不僅具有感知功能，而且還有一定的決策及規(guī)劃能力。第一代工業(yè)機器人目前仍處在實驗室研究階段。工業(yè)機器人經(jīng)歷了誕生-成長-成熟期后，已成為制造業(yè)中不可缺少的核心裝備，世界上有約75萬臺工業(yè)機器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在個

7、條生產(chǎn)線上，特種機器人作為機器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿人機器人、農(nóng)業(yè)機器人、服務機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、娛樂機器人等各種用途發(fā)特種機器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進。 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人的操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)、生產(chǎn)了部分機器人的關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、焊弧、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺配套噴漆機器人在二十與家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用

8、在汽車制造廠的焊裝線上。 但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應工程起步較晚，應用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。1.3 工業(yè)機器人的分類工業(yè)機器人按不

9、同的方法可分下述類型 工業(yè)機器人按操作機坐標形式分以下幾類：（坐標形式是指操作機的手臂在運動時所取的參考坐標系的形式。） （1） 直角坐標型工業(yè)機器人 其運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大，動作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。 （2） 圓柱坐標型工業(yè)機器人 其運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動和兩個移動組成的運動系統(tǒng)來實現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標型工業(yè)機器人相比，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，

10、而運動范圍大，其位置精度僅次于直角坐標型機器人，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。 （3） 球坐標型工業(yè)機器人 又稱極坐標型工業(yè)機器人，其手臂的運動由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動（即RRP,一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。 （4） 多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人又稱回轉(zhuǎn)坐標型工業(yè)機器人，這種工業(yè)機器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動。其結(jié)構(gòu)最緊湊

11、，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機器人應用越來越廣泛。（5） 平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人它采用一個移動關(guān)節(jié)和兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運動，而兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運動。這種形式的工業(yè)機器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應用廣泛。工業(yè)機器人按驅(qū)動方式分以下幾類：（1）氣動式工業(yè)機器人 這類

12、工業(yè)機器人以壓縮空氣來驅(qū)動操作機，其優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單造價低，無污染，缺點是空氣具有可壓縮性，導致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業(yè)機器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。（2）液壓式工業(yè)機器人 液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kPa左右，故液壓傳動工業(yè)機器人具有較大的抓舉能力，可達上千牛頓。這類工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。（3） 電動式工業(yè)機器人 這是目前用得最多的一類工業(yè)機器人，不僅因為電動機品種眾多，為工業(yè)機器人設(shè)計提供了多種選擇，也因為它們可以運用多種靈活控制

13、的方法。早期多采用步進電機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服驅(qū)動單元，目前交流伺服驅(qū)動單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動單元或是直接驅(qū)動操作機，或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速后驅(qū)動，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡單。第二章 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)2.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)所要達到的功能 機器人控制系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，用于對操作機的控制，以完成特定的工作任務，其基本功能如下： （1）記憶功能：存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。 （2）示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導引示教兩種。 （3）與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。 （4）

14、坐標設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標系。 （5）人機接口：示教盒、操作面板、顯示屏。 （6）傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。 （7）位置伺服功能：機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)取?（8）故障診斷安全保護功能：運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷。 2.2 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成（1）控制計算機：控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機構(gòu)。一般為微型機、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。 （2）示教盒：示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實

15、現(xiàn)信息交互。 （3）操作面板：由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。 （4）硬盤和軟盤存儲存：儲機器人工作程序的外圍存儲器。 （5）數(shù)字和模擬量輸入輸出：各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。 （6）打印機接口：記錄需要輸出的各種信息。 （7）傳感器接口：用于信息的自動檢測，實現(xiàn)機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。 （8）軸控制器：完成機器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。 （9）輔助設(shè)備控制：用于和機器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。 （10）通信接口：實現(xiàn)機器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。 （11）網(wǎng)絡(luò)接口 1）Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)

16、實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個機器人控制器中。 2）Fieldbus接口：支持多種流行的現(xiàn)場總線規(guī)格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。 圖 1 機器人控制系統(tǒng)組成框圖2.3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)分類 （1）程序控制系統(tǒng)：給每一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。 （2）自適應控制系統(tǒng)：當外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了

17、隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。 （3）人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。 驅(qū)動方式：參見工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)。 運動方式： （4）點位式：要求機器人準確控制末端執(zhí)行器的位姿，而與路徑無關(guān)； （5）軌跡式：要求機器人按示教的軌跡和速度運動。 （6）控制總線： 國際標準總線控制系統(tǒng)。采用國際標準總線作為控制系統(tǒng)的控制總線，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。 （7）自定義總線控制

18、系統(tǒng)：由生產(chǎn)廠家自行定義使用的總線作為控制系統(tǒng)總線。 （8）編程方式： 物理設(shè)置編程系統(tǒng)。由操作者設(shè)置固定的限位開關(guān)，實現(xiàn)起動，停車的程序操作，只能用于簡單的拾起和放置作業(yè)。 （9）在線編程：通過人的示教來完成操作信息的記憶過程編程方式，包括直接示教（即手把手示教）模擬示教和示教盒示教。 （10）離線編程：不對實際作業(yè)的機器人直接示教，而是脫離實際作業(yè)環(huán)境，生成示教程序，通過使用高級機器人，編程語言，遠程式離線生成機器人作業(yè)軌跡。 2.4 機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類。 （1）集中控制系統(tǒng)(Centralized Control System )：用一臺計算機實現(xiàn)全

19、部控制功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，在早期的機器人中常采用這種結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成框圖，如圖2所示?；赑C 的集中控制系統(tǒng)里，充分利用了PC 資源開放性的特點，可以實現(xiàn)很好的開放性：多種控制卡，傳感器設(shè)備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口、并口集成到控制系統(tǒng)中。集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是:硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好，基于PC 的系統(tǒng)硬件擴展較為方便。其缺點也顯而易見:系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴重;由于工業(yè)機器人的實時性要求很高，當系統(tǒng)進行大量數(shù)據(jù)計算，會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務的響應

20、能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。圖 2 集中控制系統(tǒng)框圖 （2）主從控制系統(tǒng)：采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、坐標變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作控制。其構(gòu)成框圖，如圖3所示。主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難。圖 3 主從動控制系框圖（3）分散控制系統(tǒng)(Distribute Control System )：按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不同的控制任務和控制策略，各模式之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。這種方式實時性好，易于實

21、現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴展，可實現(xiàn)智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖4所示。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統(tǒng)對其總體目標和任務可以進行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務，整個系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以DCS 系統(tǒng)又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)中，子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設(shè)備構(gòu)成的，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)等相互通訊。分布式控制結(jié)構(gòu)提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式。兩級分布式控制系統(tǒng)，通常由上位機、下為機和網(wǎng)絡(luò)組成。上位機可以進行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法，下位機進行插補細分、控制優(yōu)

22、化等的研究和實現(xiàn)。上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調(diào)工作，這里的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 總線等形式。現(xiàn)在，以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為機器人提供了更快速、穩(wěn)定、有效的通訊服務。尤其是現(xiàn)場總線，它應用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向多結(jié)點數(shù)字通信，從而形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS ( Filed bus Control System )。在工廠生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中，將可以通過現(xiàn)場總線連接的設(shè)備統(tǒng)稱為“現(xiàn)場設(shè)備/儀表”。從系統(tǒng)論的角度來說，工業(yè)機器人作為工廠的生產(chǎn)設(shè)備之一，也可以歸納為現(xiàn)場設(shè)備。在機器人系統(tǒng)中引入現(xiàn)場總線

23、技術(shù)后，更有利于機器人在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的集成。圖 4 分布式控制系統(tǒng)框圖分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應時間。對于具有多自由度的工業(yè)機器人而言，集中控制對各個控制軸之間的藕合關(guān)系處理得很好，可以很簡單的進行補償。但是，當軸的數(shù)量增加到使控制算法變得很復雜時，其控制性能會惡化。而且，當系統(tǒng)中軸的數(shù)量或控制算法變得很復雜時，可能會導致系統(tǒng)的重新設(shè)計。與之相比，分布式結(jié)構(gòu)的每一個運動軸都由一個控制器處理，這意味著，系統(tǒng)有較少的軸間禍合和較高的系統(tǒng)重構(gòu)性。 第三章 工業(yè)機器人的組成3.1 工業(yè)機

24、器人系統(tǒng)的構(gòu)建 機器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實時運動控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)基本上是設(shè)計者基于自己的獨立結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)目的而開發(fā)，它采用了專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器的封閉式體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的控制器存在制造和使用成本高，開發(fā)周期長，升級換代困難，無法添加系統(tǒng)的新功能等一系列缺點。該系統(tǒng)基于TRIO運動控制卡的開放式結(jié)構(gòu)機器人控制系統(tǒng)，采用IPC+DSP的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)機器人的控制。這種機器人控制系統(tǒng)采用開放式硬件、軟件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便地擴展功能，具有良好的開放性和擴展性，能適應于不同類型機器人或機器人自動生產(chǎn)線。通過運動控制卡在工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中的應用，根據(jù)運動控制的相關(guān)

25、理論和直流伺服電機的具有不易受干擾、易于用微機實現(xiàn)數(shù)字控制、無積累誤差等特性以及其動作迅速、反映快、維護簡單、可實現(xiàn)過載自動保護等特點作為相關(guān)背景的基礎(chǔ)之上提出了基于TRIO運動控制卡的自動化程度和定位精度均較高的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)。這種機器人控制系統(tǒng)的重要特點在于它采用通用個人計算機加DSP多控制回路的開放式體系結(jié)構(gòu)以及它的網(wǎng)絡(luò)控制特性。該系統(tǒng)主要由個人PC、PCI208系列TRIO運動控制卡、運動卡外接線板、ZK4系列直流電機調(diào)速器、光電軸角編碼器、系統(tǒng)工作狀態(tài)檢測輸入行程開關(guān)等組成。TRIO運動控制卡通過對直流電機調(diào)速器發(fā)出模擬電壓信號對直流伺服電動機的轉(zhuǎn)上速、角位移、正、反轉(zhuǎn)等進行控制

26、，從而外控制輸出電機驅(qū)動；且還在系統(tǒng)中采用光電軸角編碼器對電機的參數(shù)運行狀態(tài)以及程序的運行狀態(tài)進行反饋；另外還設(shè)置行程開關(guān)對電機的行程位置進行控制。3.2 機器人運動學原理機器人手臂運動學中有幾個基本問題。 1 對給定機械臂，己知各關(guān)節(jié)角矢量 g(f)=gl(t)，g2(t) ，. gn(i) ，其中n為自由度。求末端操作器相對于參考坐標系的位置和姿態(tài)，稱之為運動學正問題。在機器人示教過程中。機器人控制器即逐點進行運動學正問題運算。2 對給定機械臂，已知末端操作器在參考坐標系中的期望位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)矢量，稱之為運動學逆問題。在機器人再現(xiàn)過程中，機器人控制器即逐點進行運動學逆問題運算，將角矢

27、量分解到機械臂各關(guān)節(jié)。 運動學正問題的運算都采用D-H法，這種方法采用4X4齊次變換矩陣來描述兩個相鄰剛體桿件的空間關(guān)系，把正問題簡化為尋求等價的4X4齊次變換矩陣。逆問題的運算可用幾種方法求解，最常用的是矩陣代數(shù)、迭代或幾何方法 ob 在此不作具體介紹。 對于高速、高精度機器人，還必須建立動力學模型， 由于目前通用的工業(yè)機器人 ( 包括焊接機器人 ) 最大的運動速度都在 3m s 內(nèi)，精度都不高于 O.1mm ，所以都只做簡單的動力學控制 。 機器人軌跡規(guī)劃 機器人機械手端部從起點 ( 包括，位置和姿態(tài) ) 到終點的運動軌跡空間曲線叫路徑，軌跡規(guī)劃的任務是用一種函數(shù)來“內(nèi)插”或“逼近”給定的

28、路徑，并沿時間軸產(chǎn)生一系列“控制設(shè)定點”，用于控制機械手運動。 目前常用的軌跡規(guī)劃方法有關(guān)節(jié)變量空間關(guān)節(jié)插值法和笛卡爾空間規(guī)劃兩種方法。 機器人機械手的控制 當一臺機器人機械手的動態(tài)運動方程已給定。它的控制目的就是按預定性能要求保持機械手的動態(tài)響應。但是由于機器人機械手的慣性力、耦合反應力和重力負載都隨運動空間的變化而變化，因此要對它進行高精度乙斗高速、高動態(tài)晶質(zhì)的控制是相當復雜而困難的，現(xiàn)在正在為此研究和發(fā)展許多新的控制方法。 目前工業(yè)機器人上采用的控制方法是把機械手上每一個關(guān)節(jié)都當作一個單獨的伺服機構(gòu)，即把一個非線性的、關(guān)節(jié)間耦合的變負載系統(tǒng)，簡化為線性的非耦合單獨系統(tǒng)。每個關(guān)節(jié)都有兩個伺

29、服環(huán)，機械手伺服控制系統(tǒng)見圖 2 外環(huán)提供位置誤差信號，內(nèi)環(huán)由模擬器件和補嘗器 ( 具有衰減速度的微分反饋 ) 組成，兩個伺服環(huán)的增益是固定不變的。因此基本上是一種比例積分微分控制方法 (PID 法 ) 。這種控制方法，只適用于目前速度、精度要求不高和負荷不大的機器人控制，對常規(guī)焊接機器人來說，已能滿足要求。圖 機械手伺服控制體系結(jié)構(gòu) 機器人編程語言 機器人編程語言是機器人和用戶的軟件接口，編程語言的功能決定了機器人的適應性和給用戶的方便性，至今還沒有完全公認的機器人編程語言，每個機器人制造廠都有自己的語言。實際上，機器人編程與傳統(tǒng)的計算機編程不同，機器人操作的對象是各類三維物體，運動在一個復

30、雜的空間環(huán)境，還要監(jiān)視和處理傳感器信息。因此其編程語言主要有兩類：面向機器人的編程語言和面向任務的編程語言。面向機器人的編程語言的主要特點是描述機器人的動作序列，每一條語句大約相當于機器人的一個動作，整個程序控制機器入完種： 專用的機器人語言，如 PUMA 機器人的 VAL 語言，是專用的機器人控制語言，它的最新版本是 VAL-I 和 V+ 。 在現(xiàn)有計算機語言的基礎(chǔ)上加機器人子程序庫。如美國機器人公司開發(fā)的 AR Basic 和 Intelledex 公司的 Robot Basic 語言，都是建立在 BASIC 語言上的。 開發(fā)一種新的通用語言加上機器人子程序庫。如 IBM 公司開發(fā)的 AM

31、L 機器人語言。面向任務的機器人編程語言允許用戶發(fā)出直接命令，以控制機器人去完成一個具體的任務，而不需要說明機器人需要采取的每一個動作的細節(jié)。如美國的 RCCL 機器人編程語言，就是用 C 語言和一組 C 函數(shù)來控制機器人運動的任務級機器人語言。焊接機器人的編程語言，目前都屬于面向機器人的語言，面向任務的機器人語言尚屬開發(fā)階段。大都是針對裝配作業(yè)的需要。 3.3 工業(yè)機器人工作原理 機器人具有三個自由度（即：RRP大臂回旋、仰角、小臂伸縮三個運動）和一個爪開合動作，采用全電機驅(qū)動控制。機器人本體由機身、大臂、小臂、手找等組成。機身固定在機械小車上；大臂可以繞著機身在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；小臂

32、在絲桿的傳動下，可以前后進行伸縮。在大臂和小臂的共同作用下，機械手的手爪能夠接近要抓的物體。當物體被控制在手爪的控制范圍內(nèi)時，手爪夾緊物體，然后通過大臂的旋轉(zhuǎn)和小臂的伸縮運動，最終將物體置于規(guī)定的位置。機器人大臂回旋運動和大臂仰角運動均采用直流電動機、諧波減速器傳動，PWM脈寬調(diào)速器控制，可實現(xiàn)202000mm/Min無級調(diào)速控制。機器人本體結(jié)構(gòu)如下圖：1機械手爪 2機械手小臂 3機械手大臂 4機身手爪開合采用連桿及螺旋機構(gòu)，同步電機驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)簡單，無調(diào)速器，電路控制方便。由于在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了諧波減速器、滾珠絲桿、滾珠直線導軌等精密傳動裝置，機器人手爪定位可達到較高的精度?？刂葡到y(tǒng)其工

33、作原理如下：機器人大臂回旋運動和大臂仰角運動均采用直流電動機M1和M2控制，小臂伸縮采用直流電動機M3控制，手爪的開合由單相交流電動機M4 控制，每個電動機均由兩個中間繼電器控制其正、反轉(zhuǎn)。首先是各運動軸分別復位，電動機m1、m2、m3反轉(zhuǎn)輸出端口OUT11、OUT13、OUT15輸出24V電壓各軸正向運動。當它們踏上了各自的行程開關(guān)時外接24V分別輸入到INPUT0、INPUT1、INPUT2的輸入端口由運動控制卡進行判斷并作為運動的原點。然后，當運動控制卡的24 V電壓輸出端口OUT11輸出指令時，接通繼電器KA4，電動機M1得點正轉(zhuǎn)，機器人大臂向上仰運動，到達極限位置時撞下前限位開關(guān)ST

34、1，繼電器KA4線圈斷電機停止運轉(zhuǎn)。當運動控制卡電壓輸出端口OUT12輸出指令時，繼電器KA5線圈得電，電動機M1得電反轉(zhuǎn)機器人大臂向下仰運動，到達極限位置時撞下后限位開光ST2，繼電器KA5斷電，電機停止運轉(zhuǎn)。電動機M1的運動控制由運動控制卡的+10/-10V模擬電壓輸出端口OUT0輸出的指令控制。當運動控制卡電壓輸出端口OUT13輸出指令時，繼電器KA6線圈得電，電動機M2得電正轉(zhuǎn)，機器人大臂向左旋運動，到達極限位置時撞下前限位開關(guān)ST3 ,繼電器KA6 斷電，電機停止運轉(zhuǎn)。當運動控制卡電壓輸出端口OUT14輸出指令時，繼電器KA7線圈得電，電動機M2得電反轉(zhuǎn)，機器人大臂向右旋運動，到達極

35、限位置時撞下后限位開關(guān)ST4，繼電器KA7斷電，電機停止運轉(zhuǎn)，電動機M2的運轉(zhuǎn)速度由運動控制卡+10/-10V模擬電壓輸出端口OUT1發(fā)出指令控制。當運動控制卡電壓輸出端口OUT15輸出指令時，繼電器KA8線圈得電，電動機M3得電正轉(zhuǎn)，機器人小臂向前伸運動， 到達極限位置時撞下前限位開關(guān)ST5，繼電器KA8線圈斷電，電機停止運轉(zhuǎn)，當運動控制卡輸出斷口OUT16輸出指令時繼電器KA9線圈得電，電動機M3得電反轉(zhuǎn)，機器人小臂向后縮運動到過極限位置時撞下后限位開關(guān)ST6，繼電器KA9斷電 ，電機停止運動，電動機M3運轉(zhuǎn)速度由運動控制卡+10/-10V模擬電壓輸出端口OUT2發(fā)出指令控制。繼電器KA1和KA2分別控制機器人手爪的開合當向前伸時OUTPUT8輸出24V,撞到前限位開關(guān)停止運動；當OUTPUT9輸出時向后伸縮撞到后限位開關(guān)停止運動。光電軸角編碼器由三個編碼器輸入端口反饋回各軸的實際運動位置給運動控制卡。 3.4 工業(yè)機器人主要的驅(qū)動系統(tǒng)工業(yè)機器人主要的驅(qū)動系統(tǒng)：電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)、氣動驅(qū)動系統(tǒng)、電動驅(qū)動系統(tǒng)。早期的機械手和機器人中，其操作機多應用連桿機構(gòu)中的導桿、滑塊、曲柄，多采用液壓(氣壓)活塞缸(或回轉(zhuǎn)缸)來實現(xiàn)其直線和旋轉(zhuǎn)運動。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，對機器人操作機各部分