運(yùn)動(dòng)控制與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用 課件-第2章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法

運(yùn)動(dòng)控制與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用

中國智能制造挑戰(zhàn)賽運(yùn)動(dòng)控制與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用

第1章運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法

第3章S7-200PLC伺服運(yùn)動(dòng)控制

第4章SINAMICST-CPU與S120的運(yùn)動(dòng)控制

第5章運(yùn)動(dòng)控制綜合實(shí)訓(xùn)2第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法2.1工業(yè)機(jī)器人的種類及組成（a）直角機(jī)器人 （b）關(guān)節(jié)機(jī)器人（c）Scara機(jī)器人 （d）Delta機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人是機(jī)電一體化的系統(tǒng)，組成包括：1.機(jī)械結(jié)構(gòu)件 2.電機(jī)、減速器、編碼器3.驅(qū)動(dòng)器 4.控制器與示教器5.執(zhí)行機(jī)構(gòu) 6.輸入輸出7.開關(guān)電源 3第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法2.2工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)2.2.1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的理論基礎(chǔ)是運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可以確定機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置與姿態(tài)(常稱:位姿)。42維轉(zhuǎn)成3維第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中普遍采用4×4矩陣，即“齊次矩陣”、“齊次變換”。機(jī)器人法蘭姿態(tài)的表示法常見的有旋轉(zhuǎn)矩陣（RotationMatrix）、歐拉角（EulerAngle）、四元數(shù)（Quaternion）、“軸-角”（Axis-Angle）。六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，是通過機(jī)器人硬件參數(shù)與六軸的旋轉(zhuǎn)角，計(jì)算出法蘭中心三維坐標(biāo)與法蘭的空間姿態(tài)。將每一次平移或旋轉(zhuǎn)變換都以齊次矩陣表示，從法蘭中心開始，將所有矩陣進(jìn)行乘法運(yùn)算。5第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)案例ABB六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人IRB-24006第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法2.2.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解所謂逆解，即以機(jī)器人硬件參數(shù)、法蘭中心坐標(biāo)、法蘭姿態(tài)為已知條件，推算六個(gè)電機(jī)，即六軸的旋轉(zhuǎn)角度。法蘭姿態(tài)描述方式不盡相同，KABA和KUKA采用歐拉角，卡諾普采用旋轉(zhuǎn)矩陣，ABB采用四元數(shù)，可以互相換算。逆解一般有這兩種思路：（1）可以從齊次矩陣中通過消元法解得1到5軸的角度。（2）可以從若干三角形中解得角度。7第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法2.2.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解若干三角形逆解的方法：取法蘭長度c4與姿態(tài)解出第4，5軸的旋轉(zhuǎn)角和法蘭中心的(dx,dy,dz)偏移值。通過法蘭中心坐標(biāo)p[0]、偏移值(dx,dy,dz)計(jì)算第4、5、6這三軸的交點(diǎn)坐標(biāo)p[1]。通過解p[1]p[2]p[3]、p[1]p[3]p[4]等三角形計(jì)算出第1、2、3這三軸的旋轉(zhuǎn)角（當(dāng)b=0）；當(dāng)b≠0時(shí)，可推導(dǎo)出計(jì)算公式：8第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法2.2.3STL三維建模的關(guān)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解與逆解機(jī)械結(jié)構(gòu)借助于STL三維建模，逐關(guān)節(jié)研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：由Rhinoceros三維建模。通過三維的平移與旋轉(zhuǎn)組裝成關(guān)節(jié)機(jī)器人各STL部件,并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。9第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法2.2.4機(jī)器人運(yùn)動(dòng)編程控制一：示教器編程：通過示教器對(duì)工具末端的坐標(biāo)點(diǎn)、工具的姿態(tài)進(jìn)行逐一添加指令的編程方式。10第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法2.2.5機(jī)器人運(yùn)動(dòng)編程控制二離線編程：滿足示教器編程無法實(shí)現(xiàn)的個(gè)性化需求，需要二維或三維視覺檢測。配備工控機(jī)（工業(yè)電腦），以視覺與算法為主要手段，通過人工智能（AI），配合接口和高速通訊，自動(dòng)生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)程序。11第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法2.2.6插值與插補(bǔ)目的：實(shí)現(xiàn)在離散位姿點(diǎn)之間平滑無卡頓地通過G、H兩點(diǎn)之間機(jī)器人平滑曲線運(yùn)動(dòng)，無卡頓利于高速運(yùn)行。插值的數(shù)學(xué)算法：拉格朗日插值，牛頓插值法，埃爾米特插值，三次樣條插值。配備工控機(jī)（工業(yè)電腦），以視覺與算法為主要手段，通過人工智能（AI），配合接口和高速通訊，自動(dòng)生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)程序。12第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法2.2.6插值與插補(bǔ)（1）兩電機(jī)勻速插補(bǔ)：（2）三電機(jī)變速插補(bǔ)二個(gè)電機(jī)，用絲桿或連桿都可以實(shí)現(xiàn)二維曲線的繪制。三個(gè)電機(jī)就可以繪制出空間曲線、3D打印、3D雕刻。13第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法2.2.7機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制拓展由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，很多位置與姿態(tài)是到不了的，都得設(shè)置限位，還要注意在180度，90度時(shí)形成的奇異點(diǎn)，方程無解或無窮多解，要作特殊的處理：如加上微小偏移值以避開奇異點(diǎn)。末端位移與各軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，線速度與軸的旋轉(zhuǎn)速度，以及線加速度與軸的旋轉(zhuǎn)加速度等