工业机器人技术(郭洪红)第5章

第5章 工业机器人控制

第5章 工业机器人控制5.1 工业机器人控制系统的特点 5.2 工业机器人控制系统的主要功能 5.3 工业机器人的控制方式 5.4 电动机的控制 5.5 机械系统的控制 习题

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5.1 工业机器人控制系统的特点机器人的结构是一个空间开链机构, 其各个关节的运动是 独立的, 为了实现末端点的运动轨迹, 需要多关节的运动协调。 因此, 其控制系统与普通的控制系统相比要复杂得多,具体如 下:  (1) 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。 机 器人手足的状态可以在各种坐标下进行描述,应当根据需要选 择不同的参考坐标系, 并做适当的坐标变换。经常要求正向运 动学和反向运动学的解, 除此之外还要考虑惯性力、 外力(包 括重力)、哥氏力及向心力的影响。

第5章 工业机器人控制 (2) 一个简单的机器人至少要有3~5个自由度, 比较复杂 的机器人有十几个甚至几十个自由度。 每个自由度一般包含 一个伺服机构, 它们必须协调起来, 组成一个多变量控制系统。 (3) 把多个独立的伺服系统有机地协调起来, 使其按照人 的意志行动, 甚至赋予机器人一定的“智能”, 这个任务只能 由计算机来完成。 因此, 机器人控制系统必须是一个计算机 控制系统。 同时, 计算机软件担负着艰巨的任务。

第5章 工业机器人控制 (4) 描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型, 随着状态的不同和外力的变化, 其参数也在变化, 各变量之间 还存在耦合。因此, 仅仅利用位置闭环是不够的,还要利用速度 甚至加速度闭环。系统中经常使用重力补偿、前馈、解耦或自 适应控制等方法。  (5) 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成, 因此存在一个“最优”的问题。 较高级的机器人可以用人工智 能的方法,用计算机建立起庞大的信息库, 借助信息库进行控制、 决策、管理和操作。 根据传感器和模式识别的方法获得对象及 环境的工况, 按照给定的指标要求, 自动地选择最佳的控制规律。

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5.2 工业机器人控制系统的主要功能

示教再现功能 1. 示教再现功能

2. 运动控制功能

第5章 工业机器人控制 示教再现控制 5.2.1 示教再现控制 示教及记忆方式 1. 示教及记忆方式 1) 示教的方式 示教的方式总的可分为集中示教方式和分离示教方式。  集中示教方式就是指同时对位置、速度、操作顺序等进行 的示教方式。 分离示教方式是指在示教位置之后, 再一边动作, 一边分别示教位置、 速度、 操作顺序等的示教方式。  当对PTP(点位控制方式)控制的工业机器人示教时, 可以分 步编制程序,且能进行

编辑、修改等工作。但是在作曲线运动而 且位置精度要求较高时,示教点数一多,示教时间就会拉长, 且 在每一个示教点都要停止和启动, 因而很难进行速度的控制。

第5章 工业机器人控制 对需要控制连续轨迹的喷漆、电弧焊等工业机器人进行连 续轨迹控制的示教时, 示教操作一旦开始, 就不能中途停止, 必 须不中断地进行到完, 且在示教途中很难进行局部修正。 示教方式中经常会遇到一些数据的编辑问题, 其编辑机能 有如图5.1所示的几种方法。  在图中, 要连接A与B两点时, 可以这样来做: (a) 直接连接; (b) 先在A与B之间指定一点x, 然后用圆弧连接; (c) 用指定半径 的圆弧连接; (d) 用平行移动的方式连接。在CP(连续轨迹控制 方式)控制的示教中, 由于CP控制的示教是多轴同时动作, 因 此与PTP控制不同,它几乎必须在点与点之间的连线上移动, 故 有如图5.2所示的两种方法。

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图 5.1 示教数据的编辑机能

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图 5.2CP控制示教举例

第5章 工业机器人控制 2) 记忆的方式 工业机器人的记忆方式随着示教方式的不同而不同。又由 于记忆内容的不同, 故其所用的记忆装置也不完全相同。通常, 工业机器人操作过程的复杂程序取决于记忆装置的容量。容量 越大, 其记忆的点数就越多, 操作的动作就越多, 工作任务就 越复杂。  最初工业机器人使用的记忆装置大部分是磁鼓, 随着科学 技术的发展, 慢慢地出现了磁线、磁芯等记忆装置。现在, 计 算机技术的发展带来了半导体记忆装置的出现, 尤其是集成化 程度高、容量大、高度可靠的随机存取存储器(RAM)和可 编程只读存储器(EPROM)等半导体的出现, 使工业机器人的记 忆容量大大增加, 特别适合于复杂程度高的操作过程的记忆, 并且其记忆容量可达无限。

第5章 工业机器人控制 示教编程方式 2. 示教编程方式 1) 手把手示教编程 手把手示教编程方式主要用于喷漆、弧焊等要求实现连续 轨迹控制的工业机器人示教编程中。具体的方法是人工利用示 教手柄引导末端执行器经过所要求的位置,同时由传感器检测 出工业机器人各关节处的坐标值,并由控制系统记录、存储下 这些数据信息。实际工作当中, 工业机器人的控制系统重复再 现示教过的轨迹和操作技能。  手把手示教编程也能实现点位控制,与CP控制不同的是, 它只记录各轨迹程序移动的两端点位置, 轨迹的运动速度则按 各轨迹程序段对应的功能数据输入。

第5章 工业机器人控制 2) 示教盒示教编程 示教盒示教编程方式是人工利用示教盒上所具有的各种功 能的按钮来驱动工业机器人的各关节轴, 按作业所

需要的顺序 单轴运动或多关节协调运动, 从而完成位置和功能的示教编程。 示教盒通常是一个带有微处理器的、可随意移动的小键盘, 内部ROM中固化有键盘扫描和分析程序。其功能键一般具有回 零、示教方式、自动方式和参数方式等。  示教编程控制由于其编程方便、装置简单等优点,在工业 机器人的初期得到较多的应用。同时, 又由于其编程精度不高、 程序修改困难、示教人员要熟练等缺点的限制,促使人们又开 发了许多新的控制方式和装置, 以使工业机器人能更好更快地 完成作业任务。

第5章 工业机器人控制 工业机器人的运动控制 5.2.2 工业机器人的运动控制 工业机器人的运动控制是指工业机器人的末端执行器从一 点移动到另一点的过程中, 对其位置、速度和加速度的控制。 由于工业机器人末端操作器的位置和姿态是由各关节的运动引 起的,因此,对其运动控制实际上是通过控制关节运动实现的。 工业机器人关节运动控制一般可分为两步进行。第一步是 关节运动伺服指令的生成, 即指将末端执行器在工作空间的位 置和姿态的运动转化为由关节变量表示的时间序列或表示为关 节变量随时间变化的函数。这一步一般可离线完成。第二步是 关节运动的伺服控制,即跟踪执行第一步所生成的关节变量伺 服指令。 这一步是在线完成的。

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5.3 工业机器人的控制方式点位控制方式(PTP) (PTP) 5.3.1 点位控制方式(PTP) 这种控制方式的特点是只控制工业机器人末端执行器在作 业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器 人快速、 准确地实现相邻各点之间的运动,而对达到目标点的 运动轨迹则不作任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定 位精度和运动所需的时间。由于其控制方式易于实现、定位精 度要求不高的特点, 因而常被应用在上下料、搬运、点焊和在 电路板上安插元件等只要求目标点处保持末端执行器位姿准确 的作业中。一般来说, 这种方式比较简单, 但是, 要达到2~3μm 的定位精度是相当困难的。

第5章 工业机器人控制 连续轨迹控制方式(CP) (CP) 5.3.2 连续轨迹控制方式(CP) 这种控制方式的特点是连续地控制工业机器人末端执行器 在作业空间中的位姿, 要求其严格按照预定的轨迹和速度在一 定的精度范围内运动, 而且速度可控, 轨迹光滑， 运动平稳, 以完成作业任务。工业机器人各关节连续、同步地进行相应的 运动, 其末端执行器即可形成连续的轨迹。这种控制方式的主 要技术指标是工业机器人末端执行器位姿的轨迹跟踪精度及平 稳性。通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人

都采用这种 控制方式。

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图 5.3 点位控制与连续轨迹控制 (a) 点位控制； (b) 连续轨迹控制

第5章 工业机器人控制 力矩)控制方式 5.3.3 力(力矩)控制方式 在完成装配、 抓放物体等工作时, 除要准确定位之外, 还要求使用适度的力或力矩进行工作, 这时就要利用力(力 矩)伺服方式。 这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基 本相同,只不过输入量和反馈量不是位置信号, 而是力(力矩) 信号, 因此系统中必须有力(力矩)传感器。 有时也利用接近、 滑动等传感功能进行自适应式控制。

第5章 工业机器人控制 智能控制方式 5.3.4 智能控制方式 机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识, 并根据自身内部的知识库作出相应的决策。 采用智能控制技 术, 使机器人具有了较强的环境适应性及自学习能力。智能 控制技术的发展有赖于近年来人工神经网络、基因算法、遗 传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。

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5.4 电动机的控制5.4.1 电动机的控制 电动机的控制 机器人中电动机的控制特征 1. 机器人中电动机的控制特征 电动机的种类各种各样, 根据各自的特点, 工业界早就 在家电、玩具、办公仪器设备、测量仪器甚至电气铁路这样 一些广泛的领域内制定了各种不同的使用方法。在这些应用 中, 机器人中的电动机有其自身的特点。

第5章 工业机器人控制 表5.1列出了机床和机器人电动机在用途上的对比情况。 用于生产线上的机器人,主要承担着零件供应、装配和搬运等 工作, 其控制目的是位置控制。因为机器人的动作基本上是腕 部的运动, 所以对电动机来说,主要是惯性负载, 并且还存在 有重力负载。有负载运动时, 电动机的速度最慢;无负载运动 时, 电动机的速度最快。它们的比值大体上是1∶10, 有时可 以达到1∶100。 此外, 从电动机的输出功率考虑, 多数为十 瓦(W)到数千瓦(kW)的电动机。本节只考虑小型电动机的分类。

第5章 工业机器人控制 表5.1 机床和机器人控制电动机的特征对比

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