工業(yè)機(jī)器人組成及工作原理2017

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人組成與工作原理（控制概述）1.1工業(yè)機(jī)器人的基本組成1.2工業(yè)機(jī)器人工作原理與技術(shù)參數(shù)1.3工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)綜述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

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

機(jī)器人關(guān)節(jié)？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。開發(fā)程度：封閉型、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）】控制方式：集中式控制和分布式控制。

機(jī)器人控制器工業(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)分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)KRC4性能參數(shù)：全部采用總線形式

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例：電裝（DENSO）機(jī)械手系統(tǒng)組成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對(duì)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)

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)雜的問題。簡(jiǎn)單地說，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)器人可以通過如下四種方式來達(dá)到這一目標(biāo)?！笆窘淘佻F(xiàn)”方式：它通過“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機(jī)械手如何動(dòng)作，控制器將示教過程記憶下來，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)“可編程控制”方式：工作人員事先根據(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：由人用有線或無線遙控器控制機(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。

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。

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?？偡Q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。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)。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)？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)系控制的目的是使被控對(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)綜述機(jī)器人控制的兩個(gè)問題：1）求機(jī)器人的動(dòng)態(tài)模型（動(dòng)力學(xué)問題）2）根據(jù)動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)控制規(guī)律機(jī)器人技術(shù)與控制學(xué)科的關(guān)系如果被控對(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)器開環(huán)辨識(shí)控制以被控對(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：工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成25控制系統(tǒng)的組成工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般分為上、下兩個(gè)控制層次：上級(jí)—組織級(jí)

其任務(wù)是將期望的任務(wù)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)軌跡或適當(dāng)?shù)牟僮?，并隨時(shí)檢測(cè)機(jī)器人各部分的運(yùn)動(dòng)及工作情況，處理意外事件。下級(jí)—實(shí)時(shí)控制級(jí)

它根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性及機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)情況，綜合出適當(dāng)?shù)拿?，?qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)完成指定的運(yùn)動(dòng)和操作。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成26工業(yè)機(jī)器人控制的分類按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)控制方式關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)控制直角坐標(biāo)空間運(yùn)動(dòng)控制按適應(yīng)程度程序控制系統(tǒng)適應(yīng)性控制系統(tǒng)按控制機(jī)器人數(shù)目群控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)控制方式位置控制速度控制力控制人工智能控制系統(tǒng)單控系統(tǒng)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)智能化的控制策略模糊控制(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)控制專家控制(expertcontrol)Others

1．機(jī)器人位置控制任務(wù)分類：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）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

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）為什么采用力控制軸孔配合？形狀適應(yīng)性接觸碰撞直接力控制作用：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，直接控制期望力間接力控制分類：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）【通過控制位置實(shí)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(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《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”：1）機(jī)器人不應(yīng)傷害人類,且在人類受到傷害時(shí)不可袖手旁觀；2）機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3）機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第一條相抵觸者除外。工業(yè)機(jī)器人通常遠(yuǎn)離人，當(dāng)人進(jìn)入其工作范圍，會(huì)造成意外傷害與人交互需求安全性是第一位的從仿人的角度變剛度人體關(guān)節(jié)構(gòu)造前臂肘關(guān)節(jié)Cassie的全新雙足機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人控制方式43工業(yè)機(jī)器人的速度控制假設(shè)：在連續(xù)軌跡控制方式的情況下，工業(yè)機(jī)器人按預(yù)定的指令、控制運(yùn)動(dòng)部件的速度和實(shí)行加、減速，以滿足運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確的要求。速度變化曲線要處理好快速與平穩(wěn)的矛盾，必須控制啟動(dòng)加速和停止前的減速這兩個(gè)過渡運(yùn)動(dòng)區(qū)段。仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制策略45變結(jié)構(gòu)控制變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一種非連續(xù)反饋控制系統(tǒng)，是將具有不同結(jié)構(gòu)的反饋控制系統(tǒng)按照一定邏輯切換變化得到的，并且具備了原來各個(gè)反饋控制系統(tǒng)并不具有的漸近穩(wěn)定性。變結(jié)構(gòu)控制方法對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律、非線性程度以及外界干擾等不需要精確的數(shù)學(xué)模型，只需要知道它們的變化范圍，就能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的軌跡跟蹤控制。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，便于理解和應(yīng)用，具有很強(qiáng)的魯棒性。缺點(diǎn)：存在抖振。工業(yè)機(jī)器人控制策略46模糊控制方法模糊控制系統(tǒng)的控制對(duì)象可以是實(shí)際的閉環(huán)控制、專家系統(tǒng)或任何類型的人機(jī)系統(tǒng)，其中決策部分由近似推理完成。近似推理是根據(jù)客觀實(shí)際情況以及已有的規(guī)則獲取未知信息的過程，在獲得輸入變量取值的可能性分布后，由復(fù)合推理給出輸出變量取值的可能性分布。模糊產(chǎn)生器模糊邏輯決策模糊消除器知識(shí)庫(kù)被控過程工業(yè)機(jī)器人控制策略47神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用物理器件來模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些結(jié)構(gòu)和功能。在控制領(lǐng)域主要是從功能上進(jìn)行模擬，盡可能使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些功能特性，如學(xué)習(xí)、識(shí)別和控制等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性逼近、并行分布處理、學(xué)習(xí)和自適應(yīng)、數(shù)據(jù)融合等能力，具有多輸入和多輸出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于硬件的實(shí)現(xiàn)。工業(yè)機(jī)器人控制策略48自適應(yīng)控制策略自適應(yīng)控制的方法就是在運(yùn)行過程中不