機器人的基本控制方法課件

第5章機器人基本控制方法

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

(TheStructureandPrincipleofRobotControlSystem)一、機器人系統(tǒng)機構(gòu)本體(Mechanism)控制系統(tǒng)(ControlSystem)控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)用戶的指令對機構(gòu)本體進(jìn)行操作和控制，完成作業(yè)的各種動作?！?.1機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

(TheStru2下面通過PUMA機器人來說明機器人的控制系統(tǒng):PUMA機器人是美國Unimation公司于20世紀(jì)70年代末推出的商品化工業(yè)機器人。有多個系列的產(chǎn)品，每個系列產(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構(gòu)。具有速度快、精度高、靈活精巧、編程控制容易等特點，廣泛應(yīng)用，PUMA機器人控制器采用逆運算機分級控制結(jié)構(gòu)，使用VAL機器人編程言。下面通過PUMA機器人來說明機器人的控制系統(tǒng):PUMA機器人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兩級控制結(jié)構(gòu)上位計算機采用Q-Bus總線作為系統(tǒng)總線上位計算機配有64kBRAM內(nèi)存，兩塊四串口板，一塊

I/O并行接口板，與下位機通信的A接口板與上位機聯(lián)接的I/O設(shè)備有CRT顯示器和鍵盤、示教盒、軟盤驅(qū)動器，通過串口板還可接入視覺傳感器、高層監(jiān)控計算機、實時路徑修正控制計算機

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

接口板之間通過扁平信號電纜通信。

B板上有一個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)絕對位置的定位。

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

下位計算機系統(tǒng):

由六塊以6503CPU為核心的單板機組成，每塊板負(fù)責(zé)一個關(guān)節(jié)的驅(qū)動，構(gòu)成6個獨立的數(shù)字伺服控制回路。下位機的每塊單板機上都有一個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臺直流伺服電機相接。下位計算機系統(tǒng):7機器人的基本控制方法ppt課件8PUMA-562機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專門設(shè)計的功率放大器總線上。C接口板用于手臂電源和電饑制動的控制信號傳遞，放障檢測，制動控制。高壓控制板提供電機所需的電壓，還控制手爪開閉電磁閥。

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

PUMA-562控制器軟件上位機軟件：系統(tǒng)編程軟件下位機軟件：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)軟件針對各種運動形式的軌跡規(guī)劃，坐標(biāo)變換，完成以28ms時間間隔的軌跡插補點的計算、與下位機的信息交換、執(zhí)行用戶編寫的VAL語言機器人作業(yè)控制程序、示教盒信息處理、機器人標(biāo)定、故障檢測及異常保護(hù)等。

PUMA-562控制系統(tǒng)下位機軟件駐留在下位單片機的EPROM中。伺服控制關(guān)節(jié)的運動。PUMA機器人仍然采用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：機械手由初始點(位置和姿態(tài))運動到終止點，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)

示教使機器人手臂運動的方法用示教盒上的控制按鈕直接用手抓住機器人手部使其手端按目標(biāo)軌跡運動軌跡再現(xiàn)方式點位控制(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)運動學(xué)逆問題求解關(guān)節(jié)位移、速度及加速度變化規(guī)律。

由于機器人手端的位移、速度14機器人的基本控制方法ppt課件15

16§5.3機器人的力控制

(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機器人的力控制

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

自然力約束：若這個表面是光滑的，則不能對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)生一個沿Z軸向下的運動)

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

在平面上滑動為保持與平面接觸所需要的小的正壓力。

fj為銷子對平面的正壓力，vh

為銷的滑動速度。當(dāng)檢測到沿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一些量的檢測發(fā)現(xiàn)的．而檢測量并不是受控量；

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)

分為主動式順應(yīng)控制被動式順應(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：是位置和力是獨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