工業(yè)機器人組成及工作原理

1、工業(yè)機器人組成及工工業(yè)機器人組成及工作原理作原理1.1 1.1 工業(yè)機器人的基本組成工業(yè)機器人的基本組成主要由機器人本體、控制器、示教器三大部件組成 六軸垂直多關(guān)節(jié)機器人六軸垂直多關(guān)節(jié)機器人機械結(jié)構(gòu)簡圖機械結(jié)構(gòu)簡圖 S 軸（回旋） L 軸（下臂傾動） U 軸（上臂傾動）R 軸（手臂橫擺） B 軸（手腕俯仰） T 軸（手腕回旋） Motoman工業(yè)機器人工業(yè)機器人 機器人關(guān)節(jié)機器人關(guān)節(jié)？u控制器是根據(jù)指令以及傳感器信息控制機器人完成一定動作或作業(yè)任務的裝置，是決定機器人功能和性能的主要因素，也是機器人系統(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、坐標設(shè)定。u開發(fā)程度：封閉型、

2、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。 機器人控制器機器人控制器工業(yè)機器人電動伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個閉環(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，對于交流伺服驅(qū)動器，可通過對其內(nèi)部功能參數(shù)進行設(shè)定而實現(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(運動控制運動控制)執(zhí)行層執(zhí)行層(驅(qū)動控制驅(qū)動控制)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（2.6G

3、HZ ） 操作系統(tǒng)微軟WINDOWS XP 控制軸數(shù)8個 AC伺服馬達驅(qū)動 及外圍設(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)機器人控制器KRC4例：電裝（DENSO）機械手 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器人的機動性、適應性和智能化的水準。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。對于一些特殊的信息, 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、機器人的工作原理

4、一、機器人的工作原理 機器人的工作原理是一個比較復雜的問題。簡單地說，機器人的原理就是模仿人的各種肢體動作、思維方式和控制決策能力。從控制的角度，機器人可以通過如下四種方式來達到這一目標。 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”兩種方式教機械手如何動作，控制器將示教過程記憶下來，然后機器人就按照記憶周而復始地重復示教動作，如噴涂機器人。1.2 1.2 工業(yè)機器人工作原理與技術(shù)參數(shù)工業(yè)機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：工作人員事先根據(jù)機器人的工作任務和運動軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機器人的控制器，起動控制程序，機器人就按照程序所規(guī)

5、定的動作一步一步地去完成，如果任務變更，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器人在人難以到達或危險的場所完成某項任務。如防暴排險機器人、軍用機器人、在有核輻射和化學污染環(huán)境工作的機器人等。n“自主控制自主控制”方式：方式：是機器人控制中最高級、最復雜的控制方式，它要求機器人在復雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有識別環(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) 示教再現(xiàn)示教再現(xiàn) 即分為示教存儲再現(xiàn)-操作四步進行。 示教：方式有兩種：(1) 直接示教手把手； (2) 間接示教示教盒控

6、制。 存儲：保存示教信息。 再現(xiàn)：根據(jù)需要，讀出存儲的示教信息向機器人發(fā)出重復動作的命令。u 控制信息控制信息 順序信息：各種動作單元（包括機械手和外圍設(shè)備）按動作先后順序的設(shè)定、檢測等。 位置信息：作業(yè)之間各點的坐標值，包括手爪在該點上的姿態(tài)，通?？偡Q為位姿（POSE）。 時間信息：各順序動作所需時間，即機器人完成各個動作的速度。二、工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)二、工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù) 表示機器人特性的基本參數(shù)和性能指標主要有工作空間、自由度、有效負載、運動精度、運動特性、動態(tài)特性等。 (1)工作空間（工作空間（Work space） 工作空間是指機器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達空間的位置集

7、合。工作空間的性狀和大小反映了機器人工作能力的大小。理解機器人的工作空間時，要注意以下幾點： (2)有效負載有效負載(Payload) 有效負載是指機器人操作機在工作時臂端可能搬運的物體重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作機的負荷能力。 (3)運動精度運動精度(Accurucy) 機器人機械系統(tǒng)的精度主要涉及位姿精度、重復位姿精度、軌跡精度、重復軌跡精度等。 (4)運動特性（運動特性（Sped） 速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。 (5)動態(tài)特性動態(tài)特性 結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)主要包括質(zhì)量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和振動模態(tài)。定位精度（定位精度（Positioning accurac

8、y）：）：指指機器人末端參考點實際到達的位置及機器人末端參考點實際到達的位置及所需要到達的理想位置之間的差距。所需要到達的理想位置之間的差距。重復性（重復性（Repeatability）或重復精度）或重復精度：在相同的位置指令在相同的位置指令下，機器人連續(xù)重復若干次其位置的下，機器人連續(xù)重復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，即重復度。集程度，即重復度。oo精度和重復精度，哪個重要精度和重復精度，哪個重要 精度精度 機器人到達指定點的精確程度（及驅(qū)動和傳感的分辨機器人到達指定點的精確程度（及驅(qū)動和傳感的分辨率有關(guān)）。率有關(guān)）。 （可預測可校正）

9、（可預測可校正） 重復精度重復精度 機器人動作重復多次，到達同樣位置的精確程度。機器人動作重復多次，到達同樣位置的精確程度。（隨機誤差的范圍，無法消除）（隨機誤差的范圍，無法消除）任務任務機床上下機床上下料料沖床上下料沖床上下料點焊點焊模鍛模鍛噴漆噴漆裝配裝配測量測量弧焊弧焊重復重復性性（0.051) 110.123(0.010.5)(0.010.5)(0.20.5)？ 分辨率分辨率 是指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。是指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。精度和分辨率不一定相關(guān)。反饋尺反饋尺實實 際際 位位 置置重復重復精度精度精度精

10、度分辨率分辨率TBRU給定位置給定位置 分辨率、精度、重復精度的關(guān)系分辨率、精度、重復精度的關(guān)系輸入輸入X被控對象的模型輸出輸出Y目目 的的輸入輸入X輸出輸出Y？1.3 1.3 工業(yè)機器人控制技術(shù)綜述工業(yè)機器人控制技術(shù)綜述u機器人控制的兩個問題：1）求機器人的動態(tài)模型（動力學問題）2）根據(jù)動態(tài)模型設(shè)計控制規(guī)律機器人技術(shù)及控制學科的關(guān)系如果被控對象的模型能夠精確知道，但模型是如果被控對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測的X1/ P（T）P（T）Y開環(huán)預測控制開環(huán)預測控制如果模型的變化是可以實時辯識的X1/ P（T）P（T）Y辨識器開環(huán)辨識控制開

11、環(huán)辨識控制以被控對象的實際輸出構(gòu)成以被控對象的實際輸出構(gòu)成某種評價標準某種評價標準來來修正控制修正控制器的輸入信號器的輸入信號，以使對象的輸出接近期望值，以使對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象的特性（數(shù)學模型）不能完全確定或完全不能被控對象的特性（數(shù)學模型）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？最常用的評價標準就是輸入及輸出（期望的輸出最常用的評價標準就是輸入及輸出（期望的輸出與實際輸出）之間的與實際輸出）之間的偏差偏差例如： 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

12、動控制（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 ) 自適應控制（ adaptive control ） 最優(yōu)控制(optimal control) 神經(jīng)網(wǎng)絡控制(neuro control ) 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制 專家控制(expert control) Others 1 1機器人位置控制任務分類機器

13、人位置控制任務分類：點位控制點位控制PTP（Point to Point）：）：只考慮起始點和目的點的位置，而不考慮兩點之間的移動路徑的控制方式，適用于上下料、點焊、搬運上下料、點焊、搬運等；連續(xù)路徑控制連續(xù)路徑控制CP（Continuous Path）：）：不但要求機器人以一定的精度到達目標點，而且對其移動的軌跡形式有一定精度范圍的要求。 （如弧焊、噴（如弧焊、噴漆機器人）漆機器人）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)直角坐標空間控制結(jié)構(gòu)直角坐標空間控制結(jié)構(gòu)機器人的位置控制機器人的力控制 力控制簡介力控制簡介 直接力控制直接力控制（Direct force

14、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）被動柔順（變剛度）被動柔順（變剛度）主動柔順主動柔順 （阻抗控制）（阻抗控制）為什么采用力控制n 軸孔配合軸孔配合？n形狀適應性形狀適應性n接觸碰撞接觸碰撞直接力控制 作用：實現(xiàn)機器人及環(huán)境作用力的精確控制 實例：力的PI控制方法 特點：直接力控制具有力回路，直接控制期望力間接力控制 分類：主動柔順主動柔順-阻抗控制；被動柔順被動柔順-變剛度 特點：間接力控制（阻抗控制、力/位混合控制）【通過控制位置實現(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“Robot