【机器人技术课件】工业机器人控制.pptVIP

第五章 工业机器人控制 工业机器人的控制主要包括：机器人动作的顺序、应实现的路径与位置、动作时间间隔以及作用于对象物上的作用力等。 　　工业机器人要代替人完成某些操作，通常需要具有如图5-1所示的控制机能。这些机能与工业机器人系统的组成有着对应关系。 　　早期工业机器人的控制是通过示教再现方式进行的，控制装置是由凸轮、挡块、插销板、穿孔纸带、磁鼓、继电器等机电元件构成。而进入80年代的工业机器人则主要使用微型计算机系统综合实现上述装置的功能。本章介绍的工业机器人控制系统都是以计算机控制为前提的。 §5-l工业机器人控制的特点及分类 一、工业机器人控制的特点 　　工业机器人的控制技术与传统的自动机械控制相比，没有根本的不同之处。 　　然而，工业机器人控制系统一般是以机器人的单轴或多轴运动协调为目的的控制系统。其控制结构要比一般自动机械的控制复杂得多，与一般的伺服系统或过程控制系统相比，工业机器人控制系统有如下特点： 　　(1)传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统更着重本体与操作对象的相互关系。无论以多么高的精度控制手臂，若不能央持并操作物体到达目的位置，作为工业机器人来说，那就失去了意义，这种相互关系是首要的。 　　(2)工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。根据给定的任务，经常要求解运动学正问题和逆问题，因此，往往要根据需要,选择不同的基准坐标系，并作适当的坐标变换。而且还因工业机器人各关节之间惯性力、哥氏力的耦合作用以及重力负载的影响使问题复杂化，所以使工业机器人控制问题也变得复杂。　　 　　(3)即使一个简单的工业机器人也至少有3~5个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协调起来，组成一个多变量的控制系统。所以，工业机器人的控制，一般是一个计算机控制系统，计算机软件担负着艰巨的任务。 　　(4)描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在精合。因此，仅仅是位置闭环是不够的，还要利用速度、甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略,比如使用重力补偿、前馈、解耦、基于传感信息的控制和最优PID控制等。 　　(5)工业机器人还有一种特有的控制方式－示教再现控制方式。当要工业机器人完成某作业时，可预先移动工业机器人的手臂，来示教该作业顺序、位置以及其它信息，在执行时，依靠工业机器人的动作再现功能，可重复进行该作业。 　　总而言之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有祸合的、非线性的多变量控制系统。随着实际工作情况的不同，可以采用各种不同的控制方式，从简单的编程自动化，微处理机控制到小型计算机控制等。 　　 二、工业机器人控制的分类 　　工业机器人控制结构的选择，是由工业机器人所执行的任务决定的，对不同类型的机器人已经发展了不同的控制综合方法，从来没有人企图用统一的控制模式对不同类型的机器人进行控制。工业机器人控制的分类，没有统一的标准，如按运动坐标控制的方式来分，有关节空间运动控制、直角坐标空间运动控制；按控制系统对工作环境变化的适应程度来分，有程序控制系统、适应性控制系统、人工智能控制系统；按同时控制机器人数目的多少来分，可分为单控系统、群控系统。除此以外，通常还按运动控制方式的不同，将机器人控制分为位置控制、速度控制、力控制（包括位置/力混合控制）三类。下面按后一种分类方法，对工业机器人控制方式作具体分析。 1.位置控制方式 (1)点位控制； (2)连续轨迹控制。 2.速度控制方式 3.力(力矩)控制方式 §5-2工业机器人位置控制 一、位置控制问题 　　工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的运动，最终保证工业机器人终端(手爪)沿预定的轨迹运行。 　　实际中的工业机器人，大多为串接的连杆结构,其动态特性具有高度的非线性。但在其控制系统的设计中，往往把机器人的每个关节当成一个独立的伺服机构来处理。伺服系统一般在关节坐标空间中指定参考输入，采用基于关节坐标的控制。 　　在我们讨论的工业机器人模型中，通常每个关节装有位置传感器，用以测量关节位移；有时还用速度传感器（如测速电机）检测关节速度。虽然关节的驱动和传动方式多种多样，但作为模型，总可以认为每一个关节是由一个驱动器单独驱动的。工业机器人很少采用步进电机等开环控制方式，应用中的工业机器人几乎总是采用反馈控制，利用各关节传感器得到的反馈信息，计算所需的力矩，发出相应的力矩指令，以实现要求的运动。 　　图5-4所示表示机器人本身、控制系统和轨迹规划器之间的关系。工业机器人接受控制系统发出的关节驱动力矩矢量τ，装于机器人各关节上的传感器测出关节位置矢量θ和关节速度矢量θ，再反馈到控制器上