工業(yè)機(jī)器人組成與工作原理

工業(yè)機(jī)器人組成與工作原理第一頁(yè)，共42頁(yè)。1.1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

第二頁(yè)，共42頁(yè)。六軸垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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

第三頁(yè)，共42頁(yè)。機(jī)器人關(guān)節(jié)？第四頁(yè)，共42頁(yè)。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。其基本功能有：示教、記憶、位置伺服、坐標(biāo)設(shè)定。開(kāi)發(fā)程度：封閉型、開(kāi)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）】控制方式：集中式控制和分布式控制。

機(jī)器人控制器第五頁(yè)，共42頁(yè)。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)。一般情況下，對(duì)于交流伺服驅(qū)動(dòng)器，可通過(guò)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。

集中式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？？？組織層(作業(yè)控制)協(xié)調(diào)層(運(yùn)動(dòng)控制)執(zhí)行層(驅(qū)動(dòng)控制)第六頁(yè)，共42頁(yè)。分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第七頁(yè)，共42頁(yè)。KRC4性能參數(shù)：全部采用總線(xiàn)形式

處理器庫(kù)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(kù)卡SmartPAD例：庫(kù)卡工業(yè)機(jī)器人控制器KRC4第八頁(yè)，共42頁(yè)。例：電裝（DENSO）機(jī)械手系統(tǒng)組成第九頁(yè)，共42頁(yè)。1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。2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)。3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)。4對(duì)于一些特殊的信息,傳感器比人類(lèi)的感受系統(tǒng)更有效。感知系統(tǒng)第十頁(yè)，共42頁(yè)。

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(wèn)題。簡(jiǎn)單地說(shuō)，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(guò)如下四種方式來(lái)達(dá)到這一目標(biāo)?！笆窘淘佻F(xiàn)”方式：它通過(guò)“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(guò)程記憶下來(lái)，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工業(yè)機(jī)器人工作原理與技術(shù)參數(shù)第十一頁(yè)，共42頁(yè)?！翱删幊炭刂啤狈绞剑汗ぷ魅藛T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(xiě)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?！斑b控”方式：由人用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)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?！白灾骺刂啤狈绞剑菏菣C(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。第十二頁(yè)，共42頁(yè)。

示教再現(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。第十三頁(yè)，共42頁(yè)。

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)，通常總稱(chēng)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。第十四頁(yè)，共42頁(yè)。第十五頁(yè)，共42頁(yè)。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)特性等。

(1)工作空間（Workspace）

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(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(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（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)特性結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)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)。第十六頁(yè)，共42頁(yè)。工作精度可以用精密度、正確度、和準(zhǔn)確度三個(gè)參數(shù)來(lái)衡量。包括定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度（Positioningaccuracy）：指機(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。重復(fù)性（Repeatability）或重復(fù)精度：指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一目標(biāo)位置的差異程度?；蛟谙嗤奈恢弥噶钕?，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集程度，即重復(fù)度。oo第十七頁(yè)，共42頁(yè)。精度和重復(fù)精度，哪個(gè)重要

精度機(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)）。（可預(yù)測(cè)可校正）

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。（隨機(jī)誤差的范圍，無(wú)法消除）任務(wù)機(jī)床上下料沖床上下料點(diǎn)焊模鍛噴漆裝配測(cè)量弧焊重復(fù)性±（0.05~1)±1±1±0.1~2±3±(0.01~0.5)±(0.01~0.5)±(0.2~0.5)？第十八頁(yè)，共42頁(yè)。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。精度和分辨率不一定相關(guān)。反饋尺實(shí)際位置重復(fù)精度精度分辨率TBRU給定位置

分辨率、精度、重復(fù)精度的關(guān)系第十九頁(yè)，共42頁(yè)?？刂频哪康氖鞘贡豢貙?duì)象產(chǎn)生控制者所期望的行為方式控制的基本條件是了解被控對(duì)象的特性控制的實(shí)質(zhì)是對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出力矩的控制輸入X被控對(duì)象的模型輸出Y目的輸入X輸出Y？？？1.3工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)綜述第二十頁(yè)，共42頁(yè)。機(jī)器人控制的兩個(gè)問(wèn)題：1）求機(jī)器人的動(dòng)態(tài)模型（動(dòng)力學(xué)問(wèn)題）2）根據(jù)動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)控制規(guī)律第二十一頁(yè)，共42頁(yè)。機(jī)器人技術(shù)與控制學(xué)科的關(guān)系第二十二頁(yè)，共42頁(yè)。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？如果模型的變化是可以預(yù)測(cè)的X1/P（T）P（T）Y開(kāi)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(kāi)環(huán)辨識(shí)控制第二十三頁(yè)，共42頁(yè)。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)來(lái)修正控制器的輸入信號(hào)，以使對(duì)象的輸出接近期望值----閉環(huán)反饋控制被控對(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（期望的輸出與實(shí)際輸出）之間的偏差例如：第二十四頁(yè)，共42頁(yè)。按照期望控制量分為：位置控制和力控制位置控制單關(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（decentralizedcontrol）集中控制(centralizedcontrol)力控制直接力控制（directforcecontrol）阻抗控制(impedancecontrol)力位混合控制(Hybridforce/Motioncontrol)第二十五頁(yè)，共42頁(yè)。智能化的控制方式模糊控制(fuzzycontrol)自適應(yīng)控制（adaptivecontrol）最優(yōu)控制(optimalcontrol)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(neurocontrol)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制專(zhuān)家控制(expertcontrol)Others

第二十六頁(yè)，共42頁(yè)。1．機(jī)器人位置控制任務(wù)分類(lèi)：點(diǎn)位控制－PTP（PointtoPoint）：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)等；連續(xù)路徑控制－CP（ContinuousPath）：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、噴漆機(jī)器人）2.位置控制方法：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)機(jī)器人的位置控制第二十七頁(yè)，共42頁(yè)。機(jī)器人的力控制力控制簡(jiǎn)介直接力控制（Directforcecontrol）間接力控制（Indirectforcecontrol）第二十八頁(yè)，共42頁(yè)。1.力控制簡(jiǎn)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(lèi)

直接力控制（Directforcecontrol）PID控制

間接力控制（Indirectforcecontrol）被動(dòng)柔順（變剛度）主動(dòng)柔順（阻抗控制）第二十九頁(yè)，共42頁(yè)。為什么采用力控制軸孔配合？第三十頁(yè)，共42頁(yè)。形狀適應(yīng)性第三十一頁(yè)，共42頁(yè)。接觸碰撞第三十二頁(yè)，共42頁(yè)。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，直接控制期望力第三十三頁(yè)，共42頁(yè)。間接力控制分類(lèi)：主動(dòng)柔順-阻抗控制；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(guò)控制位置實(shí)現(xiàn)力控制，沒(méi)有明確的力回路】第三十四頁(yè)，共42頁(yè)。阻抗控制分類(lèi)區(qū)別在內(nèi)環(huán)第三十五頁(yè)，共42頁(yè)。被動(dòng)柔順控制目的：基于安全性考慮阿西莫夫三定律：1950年,美國(guó)作家埃薩克·阿西莫夫在科幻小說(shuō)《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”：