《機(jī)器人控制方法》PPT課件

1 三機(jī)器人控制方法 機(jī)器人由機(jī)構(gòu)本體和控制系統(tǒng)組成 構(gòu)成機(jī)器人控制系統(tǒng)的要素有 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟件 輸入 輸出設(shè)備 驅(qū)動(dòng)器 傳感系統(tǒng) 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 2 1 對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的一般要求 機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分 用于對(duì)操作機(jī)的控制 以完成特定的工作任務(wù) 其基本功能如下 記憶功能 存儲(chǔ)作業(yè)順序 運(yùn)動(dòng)路徑 運(yùn)動(dòng)方式 運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息 示教功能 離線編程 在線示教 間接示教 在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種 與外圍設(shè)備聯(lián)系功能 輸入和輸出接口 通信接口 網(wǎng)絡(luò)接口 同步接口 坐標(biāo)設(shè)置功能 有關(guān)節(jié) 絕對(duì) 工具 用戶自定義四種坐標(biāo)系 人機(jī)接口 示教盒 操作面板 顯示屏 傳感器接口 位置檢測(cè) 視覺(jué) 觸覺(jué) 力覺(jué)等 位置伺服功能 機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)控制 速度和加速度控制 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?故障診斷安全保護(hù)功能 運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視 故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷 3 2 機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成 如下圖 1 控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu) 一般為微型機(jī) 微處理器有32位 64位等 如奔騰系列CPU以及其他類型CPU 2 示教盒示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定 以及所有人機(jī)交互操作 擁有自己獨(dú)立的CPU以及存儲(chǔ)單元 與主計(jì)算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互 3 操作面板由各種操作按鍵 狀態(tài)指示燈構(gòu)成 只完成基本功能操作 4 硬盤(pán)和軟盤(pán)存儲(chǔ)存儲(chǔ)機(jī)器人工作程序的外圍存儲(chǔ)器 5 數(shù)字和模擬量輸入輸出各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出 6 打印機(jī)接口記錄需要輸出的各種信息 7 傳感器接口用于信息的自動(dòng)檢測(cè) 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制 一般為力覺(jué) 觸覺(jué)和視覺(jué)傳感器 8 軸控制器完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置 速度和加速度控制 9 輔助設(shè)備控制用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制 如手爪變位器等 10 通信接口實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換 一般有串行接口 并行接口等 11 網(wǎng)絡(luò)接口 4 5 3 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類 集中控制方式 用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 但實(shí)時(shí)性差 難以擴(kuò)展 其構(gòu)成框圖如圖2所示 主從控制方式 采用主 從兩級(jí)處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能 主CPU實(shí)現(xiàn)管理 坐標(biāo)變換 軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等 從CPU實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制 其構(gòu)成框圖如圖3所示 主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好 適于高精度 高速度控制 但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差 維修困難 分散控制方式 按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個(gè)模塊 每一個(gè)模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略 各模式之間可以是主從關(guān)系 也可以是平等關(guān)系 這種方式實(shí)時(shí)性好 易于實(shí)現(xiàn)高速 高精度控制 易于擴(kuò)展 可實(shí)現(xiàn)智能控制 是目前流行的方式 其控制框圖如圖4所示 6 7 8 9 典型的控制方法 工業(yè)機(jī)器人要求能滿足一定速度下的軌跡跟蹤控制 如噴漆 弧焊等作業(yè) 或點(diǎn)到點(diǎn) PTP 定位控制 點(diǎn)焊 搬運(yùn) 裝配作業(yè) 的精度要求 為了得到每個(gè)關(guān)節(jié)的期望位置運(yùn)動(dòng) 必須設(shè)計(jì)一控制算法 算出合適的力矩 再將指令送至驅(qū)動(dòng)器 PID控制PID控制是指將比例 P 積分 I 微分 D 控制規(guī)律綜合起來(lái)的一種控制方式 其控制器運(yùn)動(dòng)方程為 10 式中U 控制器輸出控制信號(hào) 控制器輸入偏差信號(hào) Kp 比例系數(shù) Ti 積分時(shí)間常數(shù) 微分時(shí)間常數(shù) 控制器的設(shè)計(jì)就是選擇Kp Ti 或者加上其他補(bǔ)償控制 使系統(tǒng)達(dá)到所要求的性能 提高控制器的增益Kp固然可減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 從而提高控制精度 但此時(shí)相對(duì)穩(wěn)定性往往因之而降低 甚至造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定 積分控制可以消除或減弱穩(wěn)態(tài)誤差 微分控制能給出控制系統(tǒng)提前開(kāi)始制動(dòng) P減速 的信號(hào) 且能反饋誤差信號(hào)的變化速率 變化趨勢(shì) 并能在誤差信號(hào)值變得太大之前 引起一個(gè)有效的早期修正信號(hào) 有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性 11 機(jī)器人控制基本思想 控制機(jī)器人末端操作器沿直角坐標(biāo)空間指定的軌跡運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)的輸入是期望的直角坐標(biāo)軌跡 對(duì)于每個(gè)關(guān)節(jié)由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人來(lái)說(shuō) 意味著為使機(jī)器人終端沿期望的軌跡運(yùn)動(dòng) 幾個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)必須以不同的運(yùn)動(dòng)組合 即不同的速度匹配同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn) 12 13 機(jī)械手的位置控制手爪位置控制 1 使用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和關(guān)節(jié)角控制的方法 14 15 16 機(jī)械手的位置控制手爪位置控制 2 注重靜力學(xué)關(guān)系的方法 17 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成 以安川 MRC控制系統(tǒng)為例 介紹控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)安川 MRC控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示 安川 MRC控制系統(tǒng)是一個(gè)分散型控制系統(tǒng) 系統(tǒng)共有8個(gè)相對(duì)獨(dú)立的微處理器芯片 即CPU SYS CPU M CPU ARITH CPU AXIS1 CPU AXIS2 CPU SL CPU I O CPU PP CPU 下面分別加以介紹 1 SYS CPUSystem CPU即系統(tǒng)CPU 負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)及協(xié)調(diào)工作 2 M CPUMotioncutroc CPU 負(fù)責(zé)完成運(yùn)動(dòng)控制工作 坐標(biāo)變換軌跡規(guī)劃等 3 ARITH CPUArithmetic CPU即數(shù)學(xué)運(yùn)算協(xié)處理器 負(fù)責(zé)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算 使系統(tǒng)運(yùn)算速度大大提高 4 AXIS1 CPUAxis CPU即伺服控制CPU 負(fù)責(zé)第一 二 三軸的伺服控制功能 該CPU級(jí)芯片運(yùn)算速度高 5 AXIS2 CPU功能同AXIS1 CPU控制對(duì)象為第三 四 五軸 6 I O CPU負(fù)責(zé)處理并行I O口信號(hào) 以及分散I O串行口 I O模擬量輸入輸出信號(hào)等 7 SL CPU負(fù)責(zé)處理突發(fā)性外部I O信號(hào) 可迅速允許查知信號(hào)有效 并快速做出相應(yīng)反應(yīng)處理 8 PP CPU示教盒CPU ProgramPendantCPU 負(fù)責(zé)示教盒功能管理及操作 18 19 2軌跡控制 在機(jī)器人初始位置和目標(biāo)位置之間用多項(xiàng)式函數(shù) 內(nèi)插 或 逼近 給定的路徑 并產(chǎn)生一系列 控制設(shè)定點(diǎn) 路徑一般在笛卡兒坐標(biāo)下 需要運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題求解 轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)坐標(biāo) 目標(biāo)軌跡的給定和如何控制機(jī)器人使之高精度的跟蹤目標(biāo)軌跡是軌跡控制的兩個(gè)主要內(nèi)容 20 實(shí)現(xiàn)軌跡控制的方式有示教再現(xiàn)和數(shù)控兩種 示教再現(xiàn)方式 數(shù)控方式 示教再現(xiàn)方式是在機(jī)器人工作之前 讓機(jī)器人手延目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng) 同時(shí)將位置及速度等數(shù)據(jù)存入機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)中 在機(jī)器人工作時(shí)再現(xiàn)所示教的動(dòng)作 使手端延目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng) 軌跡記憶再現(xiàn)的方式有點(diǎn)位控制 PTP 和連續(xù)路徑控制 CP 數(shù)控方式與數(shù)控機(jī)床的控制方