工业机器人组成及工作原理课件

大家好大家好工业机器人控制系统工业机器人控制系统工业机器人组成与工作原理（控制概述）1.11.1工业机器人的基本组成工业机器人的基本组成1.21.2工业机器人工作原理与技术参数工业机器人工作原理与技术参数1.31.3工业机器人控制技术综述工业机器人控制技术综述1.1 1.1 工业机器人的基本组成工业机器人的基本组成主要由机器人本体、控制器、示教器三大部件组成六轴垂直多关节机器人六轴垂直多关节机器人机械结构简图机械结构简图S轴（回旋）L轴（下臂倾动）U轴（上臂倾动）R轴（手臂横摆）B轴（手腕俯仰）T轴（手腕回旋）Motoman工业机器人工业机器人机器人关节机器人关节？u控制器是根据指令以及传感器信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置，是决定机器人功能和性能的主要因素，也是机器人系统中更新和发展最快的部分。u其基本功能有：示教、记忆、位置伺服、坐标设定。u开发程度：封闭型、开放性和混合型。【目前基本上都是封闭型系统（如日系）或混合型系统（如欧系）】u控制方式：集中式控制和分布式控制。机器人控制器机器人控制器工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环电流环、速度环和位置环。一般情况下，对于交流伺服驱动器，可通过对其内部功能参数进行设定而实现位置控制、速度控制、转矩控制等多种功能。n集中式集中式控制系统结构控制系统结构？组织层组织层(作业控制作业控制)协调层协调层(运动控制运动控制)执行层执行层(驱动控制驱动控制)n分布式分布式控制系统结构控制系统结构KRC4性能参数：性能参数：全部采用总线形式处理器库卡(工业)PC（2.6GHZ）操作系统微软WINDOWSXP控制轴数8个AC伺服马达驱动与外围设备通讯接口:Profinet,Profibus,Interbus,EtherCAT,Ethernet编程及控制库卡SmartPAD例：库卡工业机器人控制器KRC4例：电装（DENSO）机械手系统组成系统组成1 1感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成,用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息。2 2智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。3 3智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。4 4对于一些特殊的信息,传感器比人类的感受系统更有效。感知系统感知系统 一、机器人的工作原理一、机器人的工作原理 机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。简单地说，机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。从控制的角度，机器人可以通过如下四种方式来达到这一目标。n“示示教教再再现现”方方式式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。1.2 1.2 工业机器人工作原理与技术参数工业机器人工作原理与技术参数n“可可编编程程控控制制”方方式式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。n“遥遥控控”方方式式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。n“自自主主控控制制”方方式式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。u 示教再现示教再现 示教再现示教再现 即分为示教存储再现-操作四步进行。示教：方式有两种：(1)直接示教手把手；(2)间接示教示教盒控制。存储：保存示教信息。再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令。u 控制信息控制信息顺序信息：各种动作单元（包括机械手和外围设备）按动作先后顺序的设定、检测等。位置信息：作业之间各点的坐标值，包括手爪在该点上的姿态，通常总称为位姿（POSE）。时间信息：各顺序动作所需时间，即机器人完成各个动作的速度。二、工业机器人的技术参数二、工业机器人的技术参数表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。(1)工作空间（工作空间（Workspace）工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力的大小。理解机器人的工作空间时，要注意以下几点：(2)有效负载有效负载(Payload)有效负载是指机器人操作机在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。(3)运动精度运动精度(Accurucy)机器人机械系统的精度主要涉及位姿精度、重复位姿精度、轨迹精度、重复轨迹精度等。(4)运动特性（运动特性（Sped）速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。(5)动态特性动态特性结构动态参数主要包括质量、惯性矩、刚度、阻尼系数、固有频率和振动模态。可以用可以用精密度、正确度、和准确度精密度、正确度、和准确度三个参数来衡量。三个参数来衡量。包括定位精度和重复定位精度。包括定位精度和重复定位精度。定定位位精精度度（Positioning accuracy）：指指机机器器人人末末端端参参考考点点实实际际到到达达的的位位置置与所需要到达的理想位置之间的差距。与所需要到达的理想位置之间的差距。重重复复性性（Repeatability）或或重重复复精精度度：指指机机器器人人重重复复到到达达某某一一目目标标位位置置的的差差异异程程度度。或或在在相相同同的的位位置置指指令令下下，机机器器人人连连续续重重复复若若干干次次其其位位置置的的分分散散情情况况。它它是是衡衡量量一一列列误误差差值值的的密密集程度，即重复度。集程度，即重复度。oo精度和重复精度，哪个重要精度和重复精度，哪个重要精度精度机器人到达指定点的精确程度（与驱动和传感的分辨机器人到达指定点的精确程度（与驱动和传感的分辨率有关）。率有关）。（可预测可校正）（可预测可校正）重复精度重复精度机器人动作重复多次，到达同样位置的精确程度。机器人动作重复多次，到达同样位置的精确程度。（随机误差的范围，无法消除）（随机误差的范围，无法消除）任务任务机床上下机床上下料料冲床上下料冲床上下料点焊点焊模锻模锻喷漆喷漆装配装配测量测量弧焊弧焊重复重复性性（0.051)110.123(0.010.5)(0.010.5)(0.20.5)？分辨率分辨率是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。精度和分辨率不一定相关。精度和分辨率不一定相关。反馈尺反馈尺实实际际位位置置重复重复精度精度精度精度分辨率分辨率TBRU给定位置给定位置 分辨率、精度、重复精度的关系分辨率、精度、重复精度的关系u控制的目的控制的目的 是使被控对象产生控制者所期望是使被控对象产生控制者所期望的行为方式的行为方式u控制的基本条件控制的基本条件 是了解被控对象的特性是了解被控对象的特性u控制的实质控制的实质 是对驱动器输出力矩的控制是对驱动器输出力矩的控制输入输入X被控对象的模型输出输出Y目目 的的输入输入X输出输出Y？1.3 1.3 工业机器人控制技术综述工业机器人控制技术综述u机器人控制的两个问题：1）求机器人的动态模型（动力学问题）2）根据动态模型设计控制规律机器人技术与控制学科的关系如果被控对象的模型能够精确知道，但模型是如果被控对象的模型能够精确知道，但模型是变化的，怎么办？变化的，怎么办？如果模型的变化是可以预测的X1/P（T）P（T）Y开环预测控制开环预测控制如果模型的变化是可以实时辩识的X1/P（T）P（T）Y辨识器开环辨识控制开环辨识控制以被控对象的实际输出构成以被控对象的实际输出构成某种评价标准某种评价标准来来修正控制修正控制器的输入信号器的输入信号，以使对象的输出接近期望值，以使对象的输出接近期望值-闭环反闭环反馈控制馈控制被控对象的特性（数学模型）不能完全确定或完全不能被控对象的特性（数学模型）不能完全确定或完全不能确定的情况下，怎么办？确定的情况下，怎么办？最常用的评价标准就是输入与输出（期望的输出最常用的评价标准就是输入与输出（期望的输出与实际输出）之间的与实际输出）之间的偏差偏差例如：按照期望控制量分为：位置控制和力控制位置控制位置控制单关节位置控制（位置反馈，速度反馈，加速度反馈）多关节位置控制分解运动控制（decentralized control）集中控制(centralizedcontrol)力控制力控制直接力控制（directforcecontrol）阻抗控制(impedancecontrol)力位混合控制(Hybridforce/Motioncontrol)智能化的控制方式 模糊控制(fuzzycontrol)自适应控制（adaptivecontrol）最优控制(optimalcontrol)神经网络控制(neurocontrol)模糊神经网络控制 专家控制(expert control)Others1 1机器人位置控制任务分类机器人位置控制任务分类：点位控制点位控制PTP（PointtoPoint）：）：只考虑起始点和目的点的位置，而不考虑两点之间的移动路径的控制方式，适用于上下料、点焊、搬运上下料、点焊、搬运等；连续路径控制连续路径控制CP（ContinuousPath）：）：不但要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对其移动的轨迹形式有一定精度范围的要求。（如弧焊、喷（如弧焊、喷漆机器人）漆机器人）2.2.位置控制方法位置控制方法：关节空间控制结构关节空间控制结构直角坐标空间控制结构直角坐标空间控制结构机器人的位置控制机器人的力控制力控制简介力控制简介直接力控制直接力控制（Direct force controlDirect force control）间接力控制间接力控制（Indirect force controlIndirect force control）1.力控制简介目的:控制机器人各关节使其末端表现出一定的力或力矩特性。分类分类 直接力控制直接力控制（Direct force control）PIDPID控制控制 间接力控制间接力控制（Indirect force control）被动柔顺（变刚度）被动柔顺（变刚度）主动柔顺主动柔顺（阻抗控制）（阻抗控制）为什么采用力控制n轴孔配合轴孔配合？n形状适应性形状适应性n接触碰撞接触碰撞直接力控制作用：实现机器人与环境作用力的精确控制实例：力的PI控制方法特点：直接力控制具有力回路，直接控制期望力间接力控制分类：主动柔顺主动柔顺-阻抗控制；被动柔顺被动柔顺-变刚度特点：间接力控制（阻抗控制、力/位混合控制）【通过控制位置实现力控制，没有明确的力回路】阻抗控制分类区别在内环被动柔顺控制目的：基于安全性考虑阿西莫夫三定律：阿西莫夫三定律：1950年,美国作家埃萨克阿西莫夫在科幻小说I，Robot中首次使用了“Robotics”，即“机器人学”。阿西莫夫提出了“机器人三定律”：1）机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观；2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。工业机器人通常远离人，当人进入其工作范围，会造成意外伤害工业机器人通常远离人，当人进入其工作范围，会造成意外伤害n与人交互需求与人交互需求安全性是第一位的n从仿人的角度从仿人的角度变刚度人体关节构造前臂肘关节仿生机器人关节仿生机器人关节