機(jī)器人的基本控制方法課件

第5章機(jī)器人基本控制方法

（TheBasicControlStrategyofRobot）機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理軌跡控制機(jī)器人的力控制第5章機(jī)器人基本控1§5.1機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

(TheStructureandPrincipleofRobotControlSystem)一、機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)本體(Mechanism)控制系統(tǒng)(ControlSystem)控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)用戶的指令對(duì)機(jī)構(gòu)本體進(jìn)行操作和控制，完成作業(yè)的各種動(dòng)作。§5.1機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

(TheStru2下面通過PUMA機(jī)器人來說明機(jī)器人的控制系統(tǒng):PUMA機(jī)器人是美國(guó)Unimation公司于20世紀(jì)70年代末推出的商品化工業(yè)機(jī)器人。有多個(gè)系列的產(chǎn)品，每個(gè)系列產(chǎn)品都有腰旋轉(zhuǎn)、肩旋轉(zhuǎn)、肘旋轉(zhuǎn)和手腕的回轉(zhuǎn)、彎曲和旋轉(zhuǎn)軸，構(gòu)成六自由度的開鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。具有速度快、精度高、靈活精巧、編程控制容易等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用，PUMA機(jī)器人控制器采用逆運(yùn)算機(jī)分級(jí)控制結(jié)構(gòu)，使用VAL機(jī)器人編程言。下面通過PUMA機(jī)器人來說明機(jī)器人的控制系統(tǒng):PUMA機(jī)器人3二、PUMA-562控制器硬件配置及結(jié)構(gòu)(Hardware)

PUMA-562控制器為多CPU兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)上位計(jì)算機(jī)采用Q-Bus總線作為系統(tǒng)總線上位計(jì)算機(jī)配有64kBRAM內(nèi)存，兩塊四串口板，一塊

I/O并行接口板，與下位機(jī)通信的A接口板與上位機(jī)聯(lián)接的I/O設(shè)備有CRT顯示器和鍵盤、示教盒、軟盤驅(qū)動(dòng)器，通過串口板還可接入視覺傳感器、高層監(jiān)控計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)路徑修正控制計(jì)算機(jī)

二、PUMA-562控制器硬件配置及結(jié)構(gòu)(Hardware4接口板A、B是上下位機(jī)通們的橋梁。上位機(jī)經(jīng)過A、B接口板向下位機(jī)發(fā)送命令和讀取下位機(jī)信息。A板插在上位機(jī)的Q-Bus總線上，B板插在下位機(jī)的J-Bus總線上，A、B

接口板之間通過扁平信號(hào)電纜通信。

B板上有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，用于讀取B接口板傳遞的各關(guān)節(jié)電位器信息，電位器用于各關(guān)節(jié)絕對(duì)位置的定位。

接口板A、B是上下位機(jī)通們的橋梁。上位機(jī)經(jīng)過A、B接5機(jī)器人的基本控制方法ppt課件6

下位計(jì)算機(jī)系統(tǒng):

由六塊以6503CPU為核心的單板機(jī)組成，每塊板負(fù)責(zé)一個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成6個(gè)獨(dú)立的數(shù)字伺服控制回路。下位機(jī)的每塊單板機(jī)上都有一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出分別接到6塊功率放大器板的輸入端。功率放大器輸出與6臺(tái)直流伺服電機(jī)相接。下位計(jì)算機(jī)系統(tǒng):7機(jī)器人的基本控制方法ppt課件8PUMA-562機(jī)器人控制器硬件還包括一塊C接口板、一塊高壓控制板和六塊功率放大器板，這幾塊板插在另外的一個(gè)專門設(shè)計(jì)的功率放大器總線上。C接口板用于手臂電源和電饑制動(dòng)的控制信號(hào)傳遞，放障檢測(cè)，制動(dòng)控制。高壓控制板提供電機(jī)所需的電壓，還控制手爪開閉電磁閥。

PUMA-562機(jī)器人控制器硬件9三、PUMA-562控制器軟件系統(tǒng)的工作原理(Software)

PUMA-562控制器軟件上位機(jī)軟件：系統(tǒng)編程軟件下位機(jī)軟件：伺服軟件系統(tǒng)軟件提供軟件系統(tǒng)的各種系統(tǒng)定義、命令、語言及其編譯系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件針對(duì)各種運(yùn)動(dòng)形式的軌跡規(guī)劃，坐標(biāo)變換，完成以28ms時(shí)間間隔的軌跡插補(bǔ)點(diǎn)的計(jì)算、與下位機(jī)的信息交換、執(zhí)行用戶編寫的VAL語言機(jī)器人作業(yè)控制程序、示教盒信息處理、機(jī)器人標(biāo)定、故障檢測(cè)及異常保護(hù)等。

PUMA-562控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件駐留在下位單片機(jī)的EPROM中。伺服控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。PUMA機(jī)器人仍然采用PID控制。

三、PUMA-562控制器軟件系統(tǒng)的工作原理(Softwa10§5.2軌跡控制

(TheRobotTrajectoryControl)路徑：機(jī)械手由初始點(diǎn)(位置和姿態(tài))運(yùn)動(dòng)到終止點(diǎn)，經(jīng)過的空間曲線。規(guī)劃直角坐標(biāo)空間關(guān)節(jié)空間軌跡控制解決的問題軌跡的給定如何高精度地跟蹤軌跡§5.2軌跡控制

(TheRobotTrajector11一、示教再現(xiàn)方式

(Teach-replay)

示教使機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的方法用示教盒上的控制按鈕直接用手抓住機(jī)器人手部使其手端按目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)軌跡再現(xiàn)方式點(diǎn)位控制(PTP)

連續(xù)路徑控制(CP)一、示教再現(xiàn)方式(Teach-replay)12二、數(shù)控方式(NumericalControl)數(shù)控方式是把目標(biāo)軌跡用數(shù)值數(shù)據(jù)的形式給出。要求軌跡平滑;

位置、速度及加速度的連續(xù)性

二、數(shù)控方式(NumericalControl)13

由于機(jī)器人手端的位移、速度及加速度與關(guān)節(jié)變量間不是線性關(guān)系，通過生成平滑的關(guān)節(jié)軌跡不能保證生成平滑的手端路徑，因此有必要首先直接生成手端的平滑路徑，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題求解關(guān)節(jié)位移、速度及加速度變化規(guī)律。

由于機(jī)器人手端的位移、速度14機(jī)器人的基本控制方法ppt課件15

16§5.3機(jī)器人的力控制

(TheForceControlofRobots)位置控制和力控制融合在一起的控制問題就是位置和力混合控制問題，例：擦玻璃、擰螺絲、轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄力控制是在正確的位置控制基礎(chǔ)上進(jìn)一步的控制內(nèi)容?！?.3機(jī)器人的力控制

(TheForceContro17一、作業(yè)約束與力控制自然約束：當(dāng)機(jī)器人手端（常為機(jī)器人乎臂端部安裝的工具）與環(huán)境（作業(yè)對(duì)象）接觸時(shí)，環(huán)境的幾何特性構(gòu)成對(duì)作業(yè)的約束自然位置約束：當(dāng)手部與固定剛性表面接觸時(shí)，不能自由穿過這個(gè)表面(在法線方向)

自然力約束：若這個(gè)表面是光滑的，則不能對(duì)手施加沿表面切線方向的力(在切線方向)一、作業(yè)約束與力控制18

位置約束可以用手端在約束坐標(biāo)系中的位置分最表示

V=vxvyvz

ωxωy

ωz

T

力約束可以用手端在約束坐標(biāo)中的力、力矩分量表示

F=fxfyfzτxτyτz

T自然約束力：在切線方向上位置：在法線方向人為約束力：在法線方向

以保證與自然約束相符位置：在切線方向上

機(jī)器人的基本控制方法ppt課件19二、例：插銷入孔的控制

a）自然約束力：F=0

人為約束：(產(chǎn)生一個(gè)沿Z軸向下的運(yùn)動(dòng))

V=

0

0vz

0

00T

vz為豎直向下的速度

b）自然約束：vz=0ωx=0

ωy=0fx=0

fy=0τz=0

人為約束：vx=0vy=vh

ωz=0

fz=fjτx=0τy=0

在平面上滑動(dòng)為保持與平面接觸所需要的小的正壓力。

fj為銷子對(duì)平面的正壓力，vh

為銷的滑動(dòng)速度。當(dāng)檢測(cè)到沿Z的速度，表明銷子進(jìn)入孔中。

二、例：插銷入孔的控制20c、自然約束：vx=0vy=0ωx=0

ωy=0fz=0τz=0

人為約束：vz=vc

ωz=0

fx=0

fy=0τx=0τy=0Vc為銷子插入孔中的速度

c、自然約束：vx=0vy=0ωx=21自然約束發(fā)生變化的情況總是通過對(duì)一些量的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的．而檢測(cè)量并不是受控量；

手部的位置控制是沿著有自然力約束的方向；

手部的力控制是沿著有自然位置約束的方向。

三、作業(yè)約束與力控制的總結(jié)自然約束發(fā)生變化的情況總是通過對(duì)一些量的三、作業(yè)約束與力控制22四、順應(yīng)控制(ApplianceControl)

分為主動(dòng)式順應(yīng)控制被動(dòng)式順應(yīng)控制四、順應(yīng)控制(ApplianceControl)23五、剛性控制(RobustControl)

位置和力混合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：是位置和力是獨(dú)立控制的以及控制規(guī)律是以關(guān)節(jié)坐標(biāo)給出的。但當(dāng)作業(yè)環(huán)境的約束