工業(yè)機(jī)器人組成及工作原理

1、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人組成與工作原理（控制概述）1.1 工業(yè)機(jī)器人的基本組成1.2 工業(yè)機(jī)器人工作原理與技術(shù)參數(shù)1.3 工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)綜述1.1 1.1 工業(yè)機(jī)器人的基本組成工業(yè)機(jī)器人的基本組成主要由機(jī)器人本體、控制器、示教器三大部件組成 六軸垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人六軸垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖 S 軸（回旋） L 軸（下臂傾動(dòng)） U 軸（上臂傾動(dòng)）R 軸（手臂橫擺） B 軸（手腕俯仰） T 軸（手腕回旋） Motoman工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人 機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)器人關(guān)節(jié)？u控制器是根據(jù)指令以及傳感器信息控制機(jī)器人完成一定動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置，是決定機(jī)器人功能和性

2、能的主要因素，也是機(jī)器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最快的部分。u其基本功能有：示教、記憶、位置伺服、坐標(biāo)設(shè)定。u開發(fā)程度：封閉型、開放性和混合型。 【目前基本上都是封閉型系統(tǒng)（如日系）或混合型系統(tǒng)（如歐系）】u控制方式：集中式控制和分布式控制。 機(jī)器人控制器機(jī)器人控制器工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個(gè)閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。一般情況下，對(duì)于交流伺服驅(qū)動(dòng)器，可通過對(duì)其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行設(shè)定而實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制等多種功能。 n集中式集中式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？組織層組織層(作業(yè)控制作業(yè)控制)協(xié)調(diào)層協(xié)調(diào)層(運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制)執(zhí)行層執(zhí)行層(驅(qū)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)控制

3、)n分布式分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)KRC4性能參數(shù)：性能參數(shù)： 全部采用總線形式 處理器庫卡(工業(yè))PC（2.6GHZ ） 操作系統(tǒng)微軟WINDOWS XP 控制軸數(shù)8個(gè) AC伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng) 與外圍設(shè)備通訊接口: Profinet, Profibus,Interbus,EtherCAT, Ethernet 編程及控制庫卡SmartPAD例：庫卡工業(yè)機(jī)器人控制器KRC4例：電裝（DENSO）機(jī)械手 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成, 用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的

4、機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。對(duì)于一些特殊的信息, 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。感知系統(tǒng)感知系統(tǒng) 一、機(jī)器人的工作原理一、機(jī)器人的工作原理 機(jī)器人的工作原理是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。簡單地說，機(jī)器人的原理就是模仿人的各種肢體動(dòng)作、思維方式和控制決策能力。從控制的角度，機(jī)器人可以通過如下四種方式來達(dá)到這一目標(biāo)。 n“示教再現(xiàn)示教再現(xiàn)”方式：方式：它通過“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機(jī)械手如何動(dòng)作，控制器將示教過程記憶下來，然后機(jī)器人就按照記憶周而復(fù)始地重復(fù)示教動(dòng)作，如噴涂機(jī)器人。1.2 1.2 工業(yè)機(jī)器人工作原理與技術(shù)參數(shù)工業(yè)機(jī)器人工作原理與技術(shù)參數(shù)n“可編程控制可編程控制”方式：方式：工作人

5、員事先根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)和運(yùn)動(dòng)軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機(jī)器人的控制器，起動(dòng)控制程序，機(jī)器人就按照程序所規(guī)定的動(dòng)作一步一步地去完成，如果任務(wù)變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都是按照前兩種方式工作的。n“遙控遙控”方式：方式：由人用有線或無線遙控器控制機(jī)器人在人難以到達(dá)或危險(xiǎn)的場(chǎng)所完成某項(xiàng)任務(wù)。如防暴排險(xiǎn)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、在有核輻射和化學(xué)污染環(huán)境工作的機(jī)器人等。n“自主控制自主控制”方式：方式：是機(jī)器人控制中最高級(jí)、最復(fù)雜的控制方式，它要求機(jī)器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有識(shí)別環(huán)境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。u 示教再現(xiàn)示教再現(xiàn) 示

6、教再現(xiàn)示教再現(xiàn) 即分為示教存儲(chǔ)再現(xiàn)-操作四步進(jìn)行。 示教：方式有兩種：(1) 直接示教手把手； (2) 間接示教示教盒控制。 存儲(chǔ)：保存示教信息。 再現(xiàn)：根據(jù)需要，讀出存儲(chǔ)的示教信息向機(jī)器人發(fā)出重復(fù)動(dòng)作的命令。u 控制信息控制信息 順序信息：各種動(dòng)作單元（包括機(jī)械手和外圍設(shè)備）按動(dòng)作先后順序的設(shè)定、檢測(cè)等。 位置信息：作業(yè)之間各點(diǎn)的坐標(biāo)值，包括手爪在該點(diǎn)上的姿態(tài)，通?？偡Q為位姿（POSE）。 時(shí)間信息：各順序動(dòng)作所需時(shí)間，即機(jī)器人完成各個(gè)動(dòng)作的速度。二、工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)二、工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 表示機(jī)器人特性的基本參數(shù)和性能指標(biāo)主要有工作空間、自由度、有效負(fù)載、運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)態(tài)特性

7、等。 (1)工作空間（工作空間（Work space） 工作空間是指機(jī)器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達(dá)空間的位置集合。工作空間的性狀和大小反映了機(jī)器人工作能力的大小。理解機(jī)器人的工作空間時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)： (2)有效負(fù)載有效負(fù)載(Payload) 有效負(fù)載是指機(jī)器人操作機(jī)在工作時(shí)臂端可能搬運(yùn)的物體重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作機(jī)的負(fù)荷能力。 (3)運(yùn)動(dòng)精度運(yùn)動(dòng)精度(Accurucy) 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的精度主要涉及位姿精度、重復(fù)位姿精度、軌跡精度、重復(fù)軌跡精度等。 (4)運(yùn)動(dòng)特性（運(yùn)動(dòng)特性（Sped） 速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的主要指標(biāo)。 (5)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)

8、參數(shù)主要包括質(zhì)量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和振動(dòng)模態(tài)。定位精度（定位精度（Positioning accuracy）：）：指指機(jī)器人末端參考點(diǎn)實(shí)際到達(dá)的位置與機(jī)器人末端參考點(diǎn)實(shí)際到達(dá)的位置與所需要到達(dá)的理想位置之間的差距。所需要到達(dá)的理想位置之間的差距。重復(fù)性（重復(fù)性（Repeatability）或重復(fù)精度）或重復(fù)精度：在相同的位置指令在相同的位置指令下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)若干次其位置的下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復(fù)度。集程度，即重復(fù)度。oo精度和重復(fù)精度，哪個(gè)重要精度和重復(fù)精度，哪個(gè)重要 精度精度 機(jī)器人到達(dá)

9、指定點(diǎn)的精確程度（與驅(qū)動(dòng)和傳感的分辨機(jī)器人到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度（與驅(qū)動(dòng)和傳感的分辨率有關(guān)）。率有關(guān)）。 （可預(yù)測(cè)可校正）（可預(yù)測(cè)可校正） 重復(fù)精度重復(fù)精度 機(jī)器人動(dòng)作重復(fù)多次，到達(dá)同樣位置的精確程度。機(jī)器人動(dòng)作重復(fù)多次，到達(dá)同樣位置的精確程度。（隨機(jī)誤差的范圍，無法消除）（隨機(jī)誤差的范圍，無法消除）任務(wù)任務(wù)機(jī)床上下機(jī)床上下料料沖床上下料沖床上下料點(diǎn)焊點(diǎn)焊模鍛模鍛噴漆噴漆裝配裝配測(cè)量測(cè)量弧焊弧焊重復(fù)重復(fù)性性（0.051) 110.123(0.010.5)(0.010.5)(0.20.5)？ 分辨率分辨率 是指機(jī)器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。是指機(jī)器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動(dòng)距離

10、或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。精度和分辨率不一定相關(guān)。反饋尺反饋尺實(shí)實(shí) 際際 位位 置置重復(fù)重復(fù)精度精度精度精度分辨率分辨率TBRU給定位置給定位置 分辨率、精度、重復(fù)精度的關(guān)系分辨率、精度、重復(fù)精度的關(guān)系輸入輸入X被控對(duì)象的模型輸出輸出Y目目 的的輸入輸入X輸出輸出Y？1.3 1.3 工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)綜述工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)綜述u機(jī)器人控制的兩個(gè)問題：1）求機(jī)器人的動(dòng)態(tài)模型（動(dòng)力學(xué)問題）2）根據(jù)動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)控制規(guī)律機(jī)器人技術(shù)與控制學(xué)科的關(guān)系如果被控對(duì)象的模型能夠精確知道，但模型是如果被控對(duì)象的模型能夠精確知道，但模型是變化的，怎么辦？變化的，怎么辦？如果模型的變化是可以預(yù)測(cè)的X1/

11、 P（T）P（T）Y開環(huán)預(yù)測(cè)控制開環(huán)預(yù)測(cè)控制如果模型的變化是可以實(shí)時(shí)辯識(shí)的X1/ P（T）P（T）Y辨識(shí)器開環(huán)辨識(shí)控制開環(huán)辨識(shí)控制以被控對(duì)象的實(shí)際輸出構(gòu)成以被控對(duì)象的實(shí)際輸出構(gòu)成某種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)某種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來來修正控制修正控制器的輸入信號(hào)器的輸入信號(hào)，以使對(duì)象的輸出接近期望值，以使對(duì)象的輸出接近期望值-閉環(huán)反閉環(huán)反饋控制饋控制被控對(duì)象的特性（數(shù)學(xué)模型）不能完全確定或完全不能被控對(duì)象的特性（數(shù)學(xué)模型）不能完全確定或完全不能確定的情況下，怎么辦？確定的情況下，怎么辦？最常用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)就是輸入與輸出（期望的輸出最常用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)就是輸入與輸出（期望的輸出與實(shí)際輸出）之間的與實(shí)際輸出）之間的偏差偏差例如：

12、按照期望控制量分為：位置控制和力控制位置控制位置控制單關(guān)節(jié)位置控制（位置反饋，速度反饋，加速度反饋）多關(guān)節(jié)位置控制分解運(yùn)動(dòng)控制（decentralized control）集中控制 (centralized control)力控制力控制直接力控制 （direct force control）阻抗控制 (impedance control)力位混合控制 (Hybrid force/Motion control)智能化的控制方式 模糊控制(fuzzy control ) 自適應(yīng)控制（ adaptive control ） 最優(yōu)控制(optimal control) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(neuro con

13、trol ) 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 專家控制(expert control) Others 1 1機(jī)器人位置控制任務(wù)分類機(jī)器人位置控制任務(wù)分類：點(diǎn)位控制點(diǎn)位控制PTP（Point to Point）：）：只考慮起始點(diǎn)和目的點(diǎn)的位置，而不考慮兩點(diǎn)之間的移動(dòng)路徑的控制方式，適用于上下料、點(diǎn)焊、搬運(yùn)上下料、點(diǎn)焊、搬運(yùn)等；連續(xù)路徑控制連續(xù)路徑控制CP（Continuous Path）：）：不但要求機(jī)器人以一定的精度到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，而且對(duì)其移動(dòng)的軌跡形式有一定精度范圍的要求。 （如弧焊、噴（如弧焊、噴漆機(jī)器人）漆機(jī)器人）2. 2. 位置控制方法位置控制方法：關(guān)節(jié)空間控制結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)空間控制結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)空間控制結(jié)構(gòu)直

14、角坐標(biāo)空間控制結(jié)構(gòu)機(jī)器人的位置控制機(jī)器人的力控制 力控制簡介力控制簡介 直接力控制直接力控制（Direct force controlDirect force control） 間接力控制間接力控制（Indirect force controlIndirect force control）1.力控制簡介 目的: 控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)使其末端表現(xiàn)出一定的力或力矩特性。分類分類 直接力控制直接力控制（Direct force control）PIDPID控制控制 間接力控制間接力控制（Indirect force control）被動(dòng)柔順（變剛度）被動(dòng)柔順（變剛度）主動(dòng)柔順主動(dòng)柔順 （阻抗控制）（阻抗

15、控制）為什么采用力控制n 軸孔配合軸孔配合？n形狀適應(yīng)性形狀適應(yīng)性n接觸碰撞接觸碰撞直接力控制 作用：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與環(huán)境作用力的精確控制 實(shí)例：力的PI控制方法 特點(diǎn)：直接力控制具有力回路，直接控制期望力間接力控制 分類：主動(dòng)柔順主動(dòng)柔順-阻抗控制；被動(dòng)柔順被動(dòng)柔順-變剛度 特點(diǎn)：間接力控制（阻抗控制、力/位混合控制）【通過控制位置實(shí)現(xiàn)力控制，沒有明確的力回路】阻抗控制分類區(qū)別在內(nèi)環(huán)被動(dòng)柔順控制 目的：基于安全性考慮 阿西莫夫三定律：阿西莫夫三定律：1950年,美國作家埃薩克阿西莫夫在科幻小說I，Robot中首次使用了“Robotics” ，即“機(jī)器人學(xué)”。阿西莫夫提出了“機(jī)器人三定律”： 1）機(jī)器人不應(yīng)傷