《并聯(lián)機(jī)器人控制》課件

并聯(lián)機(jī)器人控制本課件將介紹并聯(lián)機(jī)器人的控制原理、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域。課程導(dǎo)言并聯(lián)機(jī)器人簡介并聯(lián)機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，其機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)器人不同。學(xué)習(xí)目標(biāo)本課程旨在讓學(xué)生了解并聯(lián)機(jī)器人的原理、結(jié)構(gòu)、控制方法及其應(yīng)用。課程安排課程內(nèi)容將涵蓋并聯(lián)機(jī)器人的概述、運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、控制方法、應(yīng)用等方面。并聯(lián)機(jī)器人概述并聯(lián)機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)器人不同。它由多個連桿組成，通過多個獨(dú)立的驅(qū)動器控制各個關(guān)節(jié)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對末端執(zhí)行器的精確控制。與串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人具有更高的剛度、更快的速度和更強(qiáng)的承載能力。此外，其工作空間更小，但精度更高。并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)閉環(huán)結(jié)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)器人不同，并聯(lián)機(jī)器人具有封閉的運(yùn)動鏈，運(yùn)動副的連接形成了閉環(huán)結(jié)構(gòu)。運(yùn)動平臺并聯(lián)機(jī)器人通常有一個固定平臺和一個可移動的運(yùn)動平臺，通過連接桿和驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動平臺的位姿控制。驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)通常位于固定平臺上，驅(qū)動連接桿運(yùn)動，從而控制運(yùn)動平臺的位置和姿態(tài)。并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析正運(yùn)動學(xué)分析分析輸入的關(guān)節(jié)角或位移，計(jì)算機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿。逆運(yùn)動學(xué)分析根據(jù)末端執(zhí)行器的期望位姿，計(jì)算關(guān)節(jié)角或位移。雅可比矩陣建立關(guān)節(jié)速度和末端執(zhí)行器速度之間的關(guān)系。奇異性分析分析機(jī)器人工作空間中的奇異點(diǎn)，并探討如何避免奇異性。正運(yùn)動學(xué)問題正運(yùn)動學(xué)問題是根據(jù)輸入的關(guān)節(jié)角度或位移，計(jì)算出并聯(lián)機(jī)器人的末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。這是并聯(lián)機(jī)器人控制的核心問題之一。正運(yùn)動學(xué)問題通常需要求解非線性方程組，可以通過解析方法或數(shù)值方法進(jìn)行求解。逆運(yùn)動學(xué)問題逆運(yùn)動學(xué)問題是指給定末端執(zhí)行器的位姿，求解各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動參數(shù)，即關(guān)節(jié)角度或位移。解決逆運(yùn)動學(xué)問題是并聯(lián)機(jī)器人控制的關(guān)鍵，為路徑規(guī)劃和運(yùn)動控制提供依據(jù)。剛性并聯(lián)機(jī)器人的動力學(xué)11.運(yùn)動方程剛性并聯(lián)機(jī)器人的動力學(xué)模型主要通過拉格朗日方程或牛頓-歐拉方程來建立，并得到機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動方程。22.慣性矩陣機(jī)器人的慣性矩陣描述了機(jī)器人各部件的質(zhì)量分布和慣性特性，并反映了機(jī)器人運(yùn)動時的慣性力。33.摩擦力并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)中存在著各種摩擦力，包括關(guān)節(jié)摩擦、齒輪摩擦和滾動摩擦，需要在模型中考慮摩擦力的影響。44.控制方法根據(jù)動力學(xué)模型，可以設(shè)計(jì)不同的控制算法來控制并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動，例如PID控制、自適應(yīng)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。并聯(lián)機(jī)器人的控制方法傳統(tǒng)控制方法PID控制、自適應(yīng)控制等方法在傳統(tǒng)的并聯(lián)機(jī)器人控制中得到廣泛應(yīng)用，以其穩(wěn)定性和易實(shí)現(xiàn)性著稱。這些方法能夠有效地跟蹤參考軌跡，提高并聯(lián)機(jī)器人的精度和穩(wěn)定性。智能控制方法模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方法以其良好的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，可以有效地解決并聯(lián)機(jī)器人的復(fù)雜性和不確定性問題。這些方法能夠提高并聯(lián)機(jī)器人的魯棒性和靈活性，更好地應(yīng)對復(fù)雜工作環(huán)境的變化?；赑ID控制的并聯(lián)機(jī)器人控制1控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器的精準(zhǔn)定位和軌跡跟蹤2PID控制器設(shè)計(jì)根據(jù)并聯(lián)機(jī)器人的動力學(xué)模型，設(shè)計(jì)合適的比例、積分和微分參數(shù)3控制策略通過調(diào)節(jié)PID控制器的輸出，實(shí)現(xiàn)對并聯(lián)機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的精準(zhǔn)控制PID控制是一種常用的反饋控制方法，它通過調(diào)節(jié)比例、積分和微分參數(shù)來控制系統(tǒng)的輸出，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定跟蹤。PID控制方法簡單易行，易于實(shí)現(xiàn)，在并聯(lián)機(jī)器人控制中應(yīng)用廣泛，特別適用于需要精確控制的應(yīng)用場景。基于自適應(yīng)控制的并聯(lián)機(jī)器人控制1自適應(yīng)控制概述自適應(yīng)控制是指能夠根據(jù)環(huán)境變化自動調(diào)整控制參數(shù)的控制方法。它允許系統(tǒng)在不確定的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)并優(yōu)化其性能。2自適應(yīng)控制在并聯(lián)機(jī)器人中的應(yīng)用自適應(yīng)控制可以有效地處理并聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)變化、負(fù)載變化和外部干擾等問題，提高控制精度和魯棒性。3自適應(yīng)控制的優(yōu)勢自適應(yīng)控制能夠提高系統(tǒng)的魯棒性，增強(qiáng)系統(tǒng)對外部干擾和參數(shù)變化的適應(yīng)能力，提高控制精度和穩(wěn)定性，延長系統(tǒng)壽命?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的并聯(lián)機(jī)器人控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)近年來迅速發(fā)展，并已應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)器人控制領(lǐng)域。1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以模擬并聯(lián)機(jī)器人動力學(xué)特性。2學(xué)習(xí)訓(xùn)練利用大量數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使其學(xué)習(xí)并聯(lián)機(jī)器人的控制規(guī)律。3實(shí)時控制訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r預(yù)測并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，并輸出控制指令。4誤差補(bǔ)償神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)并補(bǔ)償并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)中的各種誤差，提高控制精度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在并聯(lián)機(jī)器人控制中具有強(qiáng)大的自適應(yīng)能力和魯棒性。基于模糊控制的并聯(lián)機(jī)器人控制模糊控制概述模糊控制是一種基于模糊邏輯的控制方法，其利用語言變量來描述系統(tǒng)的不確定性。并聯(lián)機(jī)器人控制中，模糊控制能夠有效地處理環(huán)境干擾、參數(shù)變化以及傳感器噪聲。模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括模糊化、模糊推理和解模糊三個階段。模糊化將精確的數(shù)值轉(zhuǎn)換為模糊語言變量，模糊推理根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行推理，解模糊將模糊輸出轉(zhuǎn)換為精確控制信號。模糊控制應(yīng)用模糊控制在并聯(lián)機(jī)器人控制中具有廣泛應(yīng)用，例如姿態(tài)控制、軌跡跟蹤、力控制等。模糊控制能夠提高并聯(lián)機(jī)器人的魯棒性、適應(yīng)性和安全性。基于自主控制的并聯(lián)機(jī)器人控制自主控制是未來并聯(lián)機(jī)器人控制方向，能使機(jī)器人更加智能化，自主學(xué)習(xí)，自主決策。1環(huán)境感知機(jī)器人需要感知周圍環(huán)境，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2路徑規(guī)劃機(jī)器人需要根據(jù)任務(wù)目標(biāo)規(guī)劃最優(yōu)路徑。3運(yùn)動控制機(jī)器人需要精確地控制自身運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)。4人機(jī)交互機(jī)器人需要與人類進(jìn)行自然交互，完成任務(wù)指令。自主控制需要結(jié)合人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，為并聯(lián)機(jī)器人賦予更加強(qiáng)大的能力。并聯(lián)機(jī)器人的誤差補(bǔ)償精度誤差機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差、傳感器精度、控制系統(tǒng)誤差等因素導(dǎo)致的誤差。校準(zhǔn)補(bǔ)償通過校準(zhǔn)過程獲取誤差模型，對機(jī)器人進(jìn)行誤差補(bǔ)償。軟件補(bǔ)償利用軟件算法對誤差進(jìn)行補(bǔ)償，如基于模型的補(bǔ)償、基于學(xué)習(xí)的補(bǔ)償?shù)?。維護(hù)保養(yǎng)定期維護(hù)保養(yǎng)機(jī)器人，及時更換磨損部件，減小誤差積累。并聯(lián)機(jī)器人的故障診斷11.識別故障信號傳感器數(shù)據(jù)和控制信號的變化可以提示故障的發(fā)生。22.故障診斷模型建立機(jī)器人的故障診斷模型，例如專家系統(tǒng)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。33.故障診斷方法使用推理規(guī)則或機(jī)器學(xué)習(xí)算法診斷故障，確定故障類型和位置。44.故障修復(fù)根據(jù)診斷結(jié)果，采取相應(yīng)的維修或更換措施。并聯(lián)機(jī)器人的可靠性設(shè)計(jì)元器件選型選擇高品質(zhì)、耐用性高的元器件，如電機(jī)、傳感器、控制器等，減少故障發(fā)生率。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高機(jī)器人的抗沖擊能力和抗振能力，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。冗余設(shè)計(jì)對關(guān)鍵部件進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，如雙電機(jī)驅(qū)動、雙傳感器備份等，提高系統(tǒng)的可靠性。故障診斷配備完善的故障診斷系統(tǒng)，及時識別和處理故障，避免故障蔓延，提高維修效率。并聯(lián)機(jī)器人的建模與仿真1建立模型使用CAD軟件創(chuàng)建并聯(lián)機(jī)器人三維模型，定義關(guān)節(jié)類型、運(yùn)動范圍和尺寸。2仿真軟件選擇合適的仿真軟件，例如Adams、MATLAB、Simulink等，導(dǎo)入模型并配置參數(shù)。3虛擬測試在虛擬環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真，測試并驗(yàn)證機(jī)器人性能和控制策略。并聯(lián)機(jī)器人的工藝流程并聯(lián)機(jī)器人的工藝流程是設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用并聯(lián)機(jī)器人的關(guān)鍵步驟。這些步驟確保了機(jī)器人的性能、可靠性和安全性。1設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動學(xué)分析2制造零部件加工、組裝、測試3控制軟件開發(fā)、控制算法實(shí)現(xiàn)4集成與其他系統(tǒng)集成、調(diào)試5應(yīng)用部署、維護(hù)、優(yōu)化并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺結(jié)構(gòu)移動平臺由高強(qiáng)度材料制成，可承受高負(fù)載并提供平穩(wěn)的運(yùn)動。支架結(jié)構(gòu)支架結(jié)構(gòu)提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)，確保機(jī)器人的穩(wěn)定性和精度。驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)通常使用電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)，確保機(jī)器人高效的運(yùn)動。傳感系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)提供反饋信息，確保機(jī)器人精確的控制和運(yùn)動。并聯(lián)機(jī)器人執(zhí)行器的選型負(fù)載能力根據(jù)負(fù)載大小選擇合適的執(zhí)行器，確保執(zhí)行器能夠滿足機(jī)器人負(fù)載要求。負(fù)載能力過低會導(dǎo)致機(jī)器人無法完成工作，負(fù)載能力過高會增加成本。精度和速度高精度和高速執(zhí)行器適合對運(yùn)動精度和速度要求較高的應(yīng)用。例如：精密組裝、高精度加工等應(yīng)用。工作環(huán)境選擇耐高溫、防腐蝕、防塵等特性的執(zhí)行器，確保其能夠適應(yīng)工作環(huán)境。例如：高溫、潮濕、高粉塵等惡劣環(huán)境。性價比考慮執(zhí)行器的價格、性能和可靠性，選擇性價比高的執(zhí)行器。選擇合適的執(zhí)行器可以提升機(jī)器人性能，降低成本。并聯(lián)機(jī)器人傳感器的選型位置傳感器位置傳感器用于測量機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置，如線性位移、角度、姿態(tài)等。常用的位置傳感器包括線性編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、角度傳感器、加速度計(jì)等。速度傳感器速度傳感器用于測量機(jī)器人關(guān)節(jié)的角速度、線速度等。常用的速度傳感器包括增量式編碼器、差動式編碼器、速度傳感器等。力矩傳感器力矩傳感器用于測量機(jī)器人關(guān)節(jié)的力矩，包括力矩傳感器、應(yīng)變片、力傳感器等。溫度傳感器溫度傳感器用于測量機(jī)器人關(guān)節(jié)的溫度，包括熱電偶、熱敏電阻、熱電阻等。并聯(lián)機(jī)器人的馬達(dá)驅(qū)動11.驅(qū)動類型并聯(lián)機(jī)器人通常使用伺服電機(jī)，根據(jù)應(yīng)用場景，可選擇交流伺服電機(jī)或直流伺服電機(jī)。22.功率選擇馬達(dá)功率應(yīng)與機(jī)器人負(fù)載、運(yùn)動速度和加速度相匹配，確保機(jī)器人平穩(wěn)、高效地運(yùn)行。33.控制模式常見的控制模式包括位置控制、速度控制和力矩控制，根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的控制模式。44.驅(qū)動器選擇可靠的驅(qū)動器，確保馬達(dá)的穩(wěn)定運(yùn)行，并提供過載保護(hù)功能。并聯(lián)機(jī)器人的電氣控制系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)包括控制單元、驅(qū)動單元和傳感器單元，負(fù)責(zé)接收指令、驅(qū)動電機(jī)并采集反饋信息。軟件編程需要進(jìn)行運(yùn)動控制、軌跡規(guī)劃、安全監(jiān)測等軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制和管理。系統(tǒng)集成將各個子系統(tǒng)進(jìn)行集成測試，確保電氣控制系統(tǒng)能夠與機(jī)械系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)配合工作。并聯(lián)機(jī)器人的安全保護(hù)系統(tǒng)安全防護(hù)措施安全防護(hù)措施是保證操作人員和設(shè)備安全的重要環(huán)節(jié)。并聯(lián)機(jī)器人安全保護(hù)系統(tǒng)包括急停按鈕、安全圍欄、傳感器等。這些措施能夠在發(fā)生緊急情況時及時停止機(jī)器人運(yùn)行，防止意外事故發(fā)生。安全監(jiān)控系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測可能出現(xiàn)的安全隱患。例如，系統(tǒng)可以監(jiān)測機(jī)器人運(yùn)動速度、負(fù)載重量、工作區(qū)域等參數(shù)，并及時提醒操作人員采取相應(yīng)的安全措施。安全評估與驗(yàn)證定期進(jìn)行安全評估和驗(yàn)證，確保安全保護(hù)系統(tǒng)能夠有效地保障操作人員和設(shè)備的安全。安全評估可以包括安全風(fēng)險(xiǎn)評估、安全測試等內(nèi)容。安全驗(yàn)證可以通過模擬故障、進(jìn)行安全測試等方法進(jìn)行。并聯(lián)機(jī)器人的CAD/CAM集成CAD/CAM集成在并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造中至關(guān)重要，它可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造和控制過程的無縫銜接。通過CAD軟件進(jìn)行虛擬仿真，可以驗(yàn)證機(jī)器人運(yùn)動軌跡、關(guān)節(jié)空間和工作空間，并優(yōu)化機(jī)器人設(shè)計(jì)。CAM軟件可以根據(jù)CAD模型生成機(jī)器人加工路徑，并控制機(jī)器人進(jìn)行精確的加工，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。并聯(lián)機(jī)器人的虛擬仿真虛擬仿真在并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)和應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。通過仿真軟件，可以模擬并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動、動力學(xué)、控制等方面的行為，幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，降低成本，提高效率。虛擬仿真還可以用于培訓(xùn)操作人員，提高操作技能，減少實(shí)際操作中的風(fēng)險(xiǎn)。此外，虛擬仿真還可以幫助用戶直觀地了解并聯(lián)機(jī)器人的工作原理和應(yīng)用場景，促進(jìn)并聯(lián)機(jī)器人的推廣應(yīng)用。并聯(lián)機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)與國標(biāo)ISO9001國際標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布的質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)，適用于并聯(lián)機(jī)器人制造商。安全標(biāo)準(zhǔn)例如，ISO10218和IEC61508，規(guī)定了并聯(lián)機(jī)器人的安全設(shè)計(jì)和操作規(guī)范。國標(biāo)例如，GB/T17480-1998，規(guī)定了工業(yè)機(jī)器人的通用技術(shù)條件。并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用前景高精度制造并聯(lián)機(jī)器人具有高精度、高剛度和高速度的優(yōu)點(diǎn)，適用于精密加工、裝配和檢測等應(yīng)用。醫(yī)療手術(shù)并聯(lián)機(jī)器人能夠進(jìn)行精細(xì)操作，并在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，例如微創(chuàng)手術(shù)、輔助康復(fù)等。航空航天并聯(lián)機(jī)器人可以用于航空航天制造、檢測和維護(hù)，幫助提高效率和安全性。物流倉儲并聯(lián)機(jī)器人可用于自動化物流倉儲系統(tǒng)，進(jìn)行貨物搬運(yùn)、分揀和包裝。并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展趨勢1智能化并聯(lián)機(jī)器人將更加智能，可以自主學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境變化，并進(jìn)行更復(fù)雜的操控