1、第5章 工業(yè)機器人控制,5.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點 5.2 運動控制中的基本概念 5.3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主要功能 5.4 工業(yè)機器人的控制方式 5.5 工業(yè)機器人的運動控制技術,5.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點,運動控制是物體在空間、時間中的位置、速度、加速度和力的控制技術。 機器人是運動控制的典型代表。 工業(yè)機器人與傳統(tǒng)機械有著很大的差異，主要表現(xiàn)： 速度高 精度高 控制范圍廣（一般速度控制比要求在1：10000以上。） 傳統(tǒng)的、有效的單自由度機構的控制技術已遠遠不能滿足機器人這樣的特別對象。新的運動控制思想即在這種背景之下被提出。,5.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點,不僅高速運動

2、中突然停止時的位置精度要求高，而且還要求高精度地跟蹤時變的速度與空間軌跡，對加速度和力也要進行高精度的控制。 機構多為開式串聯(lián)結構，因此剛性差且具有多個固有振動頻帶。與1kHz以上的單體機械和300Hz左右的機床相比，關節(jié)式多自由度機器人的機構共振頻率多在530Hz范圍內，航天機器人僅在1Hz以下并伴有強烈的高頻過渡振蕩現(xiàn)象。 負載以及各構件對各個回轉軸的轉動慣量，隨機器人的位形而變，其變化幅度很大，一般可達48倍。 摩擦、傳動間隙、檢測精度等對機器人的高速、高精度的運動制約嚴重。,機器人控制上的特殊要求,5.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點,機器人的結構是一個空間開鏈機構, 需要多關節(jié)的運動協(xié)調

3、。 因此, 其控制系統(tǒng)與普通的控制系統(tǒng)相比要復雜得多,具體有如下特點: (1) 機器人的控制與機構運動學及動力學密切相關。 經常要求正向運動學和反向運動學的解, 還要考慮慣性力、 外力(包括重力)、哥氏力及向心力的影響。 (2) 簡單機器人至少要有35個自由度, 比較復雜的機器人有十幾個甚至幾十個自由度。 每個自由度包含一個伺服機構, 它們必須協(xié)調 組成一個多變量控制系統(tǒng)。 (3) 機器人的協(xié)調控制以及“智能”, 只能由計算機來完成。 因此, 機器人控制系統(tǒng)必須是一個計算機控制系統(tǒng)。 (4) 描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學模型是一個非線性模型, 隨著狀態(tài)的變化,參數(shù)也在變化, 變量間存在耦合。因此

4、還要利用速度甚至加速度閉環(huán)。 (5) 機器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成, 因此存在一個“最優(yōu)”的問題。 根據(jù)傳感器和模式識別的方法獲得的工況, 自動選擇最佳的控制規(guī)律。,精度、分辨率與位置重復精度 位置與軌跡 點位(PTP)與連續(xù)(CP)控制 多軸協(xié)調控制 TP方式工業(yè)機器人的基本控制思想,5.2 運動控制中的基本概念,精度常常容易和分辨率、位置重復精度相混淆。 實際是三個不同的概念。,精度、分辨率與位置重復精度,機器人的分辨率是由系統(tǒng)設計參數(shù)所決定，并受到位置反饋檢測單元性能的影響。 分辨率又分為編程分辨率與控制分辨率。 當編程分辨率與控制分辨率相等時，系統(tǒng)性能達到最高。上述兩

5、個分辨率統(tǒng)稱系統(tǒng)分辨率。,分辨率,編程分辨率是指程序中可以設定的最小距離單位，又稱基準分辨率。 例如：當電機旋轉0.1度，機器人腕點(手臂尖端點)移動的直線距離為0.01mm時，其基準分辨率為001mm。,編程分辨率,控制分辨率是位置反饋回路能夠檢測到的最小位移量 例如：若每周(轉)1000個脈沖的增量方式的光碼盤與電機同軸安裝的話，則電機每旋轉0.36度(360度1000rpm)，光碼盤就發(fā)出一個脈沖，因此，0.36度以下的角度變化無法檢測，該系統(tǒng)的控制分辨率為0.36度。,控制分辨率,機器人的最終精度主要依存于機械誤差、控制算法與系統(tǒng)分辨率。,精 度,機械誤差主要產生于傳動誤差、關節(jié)間隙與

6、聯(lián)桿機構的撓性。 傳動誤差是由輪齒誤差、螺距誤差等; 關節(jié)間隙是關節(jié)處軸承間隙、諧波齒隙等; 連桿的撓性，隨機器人的位形、負載的變化而變化。,精度機械誤差,控制算法誤差，主要指能否得到直接解的算法和算法在計算機內的運算字長所造成的“bit”(比特)誤差。 因為16位以上CPU可達到82位以上浮點運算，所以“bit”誤差與機構誤差相比，基本可以忽略不計。,精度控制算法誤差,分辨率的系統(tǒng)誤差可取1/2基準分辨率。 理由是基準分辨率以下的變位我們既無法編程又無法檢測，故誤差的平均值可取1/2基準分辨率。 機器人的精度1/2基準分辨率十機構誤差。 如果做到使機構的綜合誤差達到1/2基準分辨率，則精度分

7、辨率。,精度系統(tǒng)分辨率,位置重復精度是關于精度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。 位置重復精度不受負載變化的影響； 通常用位置重復精度這一指標作為示教再現(xiàn)方式工業(yè)機器人水平的重要精度指標。,位置重復精度,位置重復精度,位置重復精度=0.1mm,精度與位置重復精度的關系,機型與精度等的關系,直角坐標形機器人,其直線距離可表示為：,精度可以很高,設回轉軸分辨率為時，則腕點分辨率為r 例如：回轉軸的位置檢測單元采用6000P周的增量方式光碼盤與電機同軸聯(lián)接，水平腕最長為1m的話，則腕點位置分辨率是最壞的情況，,圓柱坐標形機器人,其分辨率不定，隨r的變化而變化,例如：3個1000P周增量式光碼盤，一個裝在與螺距為10mm的

8、滾珠絲杠同軸驅動伸縮臂的電機軸上，2個安裝在通過1：22速比的減速器驅動2個旋轉軸的電機上，腕的臂長為500mm。此時，3個軸的分辨率分別為：,極坐標機器人,手腕長度的變化，將造成3個軸中的2個軸分辨率的下降,伸縮軸：10/1000=0.01mm 旋轉軸：(1/22)x(360/1000)x500 x/180=0.14mm,機器人的精度將由各個回轉關節(jié)的誤差之和來決定 關節(jié)形機器人精度最差。 由于它占地面積最小，而動作范圍最大，空間速度快，靈活，通用性好等優(yōu)點，而成為機器人發(fā)展的主流。,多關節(jié)機器人,機器人的精度將由各個回轉關節(jié)的誤差之和來決定,1個脈沖正好對應各個動作軸的位置分辨率，因此，1

9、個脈沖與對應動作軸的最小位移量是等價的。 例如：當某個回轉軸的分辨率為0.05度時，3.05度則可用3.05/0.0561個脈沖來表示。如果是8bit CPU，則計算機內部的表現(xiàn)為：00llll0l。 如果是16bit CPU的計算機控制系統(tǒng)，則可以表示21665536個位置 例如：在分辨率為01mm時，這個值最大表示65536mm或土32768mm的位移量，這就是位置(或稱位移)脈沖與分辨率的關系。,位置與軌跡,分辨率越高，曲線精度越好。 分辨率越高，對計算機的要求也就越高。 例如：如果分辨率為0.1mm，對6自由度機器人來講，要完成1000mm弧長的空間曲線，則至少需要以下內存容量： 6自

10、由度2B(字節(jié))10000點120kB 曲線再稍微復雜一點，計算機容量就不夠了。因此，有必要在計算機控制系統(tǒng)的體系結構與控制算法上想辦法解決。,位置與軌跡,點位(PTP)與連續(xù)(CP)控制,過去是數(shù)控機床中的技術用語，而現(xiàn)在用其表達機器人的控制功能，含意是不大相同的，主要區(qū)別在于： 1) 機器人中的“PTP”可以是1-5各種動作,而數(shù)控機床是指圖310中的那樣的動作，即直線插補運動(也是兩點之間的最短距離的控制運動)。 2) 數(shù)控機床中的CP控制，一般是“全路徑指定”的控制方式，而機器人中的CP控制通常是“多點指定” 控制方式。,點位(PTP)與連續(xù)(CP)控制,點位(PTP)與連續(xù)(CP)控

11、制,分時控制,同時控制,多軸協(xié)調控制,5.3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主要功能,1. 示教再現(xiàn)功能 2. 運動控制功能,5.3.1 示教再現(xiàn)控制 1. 示教及記憶方式 1) 示教的方式 示教的方式總的可分為集中示教方式和分離示教方式。 集中示教方式就是指同時對位置、速度、操作順序等進行的示教方式。 分離示教方式是指在示教位置之后, 再一邊動作, 一邊分別示教位置、 速度、 操作順序等的示教方式。 ,示教方式中經常會遇到一些數(shù)據(jù)的編輯問題, 其編輯機能有如圖5.1所示的幾種方法。 在圖中, 要連接A與B兩點時, 可以這樣來做: (a) 直接連接; (b) 先在A與B之間指定一點x, 然后用圓弧連接;

12、 (c) 用指定半徑的圓弧連接; (d) 用平行移動的方式連接。,圖 5.1 示教數(shù)據(jù)的編輯機能,當對PTP(點位控制方式)控制的工業(yè)機器人示教時, 可以分步編制程序,且能進行編輯、修改等工作。但是在作曲線運動而且位置精度要求較高時,示教點數(shù)一多,示教時間就會拉長, 且在每一個示教點都要停止和啟動, 因而很難進行速度的控制。,圖 5.2CP控制示教舉例,對需要控制連續(xù)軌跡的噴漆、電弧焊等工業(yè)機器人進行連續(xù)軌跡控制的示教時, 示教操作一旦開始, 就不能中途停止, 必須不中斷地進行到完, 且在示教途中很難進行局部修正. 在CP(連續(xù)軌跡控制方式)控制的示教中, 由于CP控制的示教是多軸同時動作,

13、因此與PTP控制不同,它幾乎必須在點與點之間的連線上移動, 故有如圖5.2所示的兩種方法。,2) 記憶的方式 工業(yè)機器人的記憶方式隨著示教方式的不同而不同。又由于記憶內容的不同, 故其所用的記憶裝置也不完全相同。通常, 工業(yè)機器人操作過程的復雜程序取決于記憶裝置的容量。容量越大, 其記憶的點數(shù)就越多, 操作的動作就越多, 工作任務就越復雜。 ,2. 示教編程方式 1) 手把手示教編程 手把手示教編程方式主要用于噴漆、弧焊等要求實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制的工業(yè)機器人示教編程中。具體的方法是人工利用示教手柄引導末端執(zhí)行器經過所要求的位置,同時由傳感器檢測出工業(yè)機器人各關節(jié)處的坐標值,并由控制系統(tǒng)記錄、存儲下

14、這些數(shù)據(jù)信息。實際工作當中, 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)重復再現(xiàn)示教過的軌跡和操作技能。 手把手示教編程也能實現(xiàn)點位控制,與CP控制不同的是, 它只記錄各軌跡程序移動的兩端點位置, 軌跡的運動速度則按各軌跡程序段對應的功能數(shù)據(jù)輸入。,2) 示教盒示教編程 示教盒示教編程方式是人工利用示教盒上所具有的各種功能的按鈕來驅動工業(yè)機器人的各關節(jié)軸, 按作業(yè)所需要的順序單軸運動或多關節(jié)協(xié)調運動, 從而完成位置和功能的示教編程。 示教盒通常是一個帶有微處理器的、可隨意移動的小鍵盤, 內部ROM中固化有鍵盤掃描和分析程序。其功能鍵一般具有回零、示教方式、自動方式和參數(shù)方式等。 示教編程控制由于其編程方便、裝置簡單

15、等優(yōu)點,在工業(yè)機器人的初期得到較多的應用。同時, 又由于其編程精度不高、 程序修改困難、示教人員要熟練等缺點的限制,促使人們又開發(fā)了許多新的控制方式和裝置, 以使工業(yè)機器人能更好更快地完成作業(yè)任務。,5.2.2 工業(yè)機器人的運動控制 工業(yè)機器人的運動控制是指工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器從一點移動到另一點的過程中, 對其位置、速度和加速度的控制。 由于工業(yè)機器人末端操作器的位置和姿態(tài)是由各關節(jié)的運動引起的,因此,對其運動控制實際上是通過控制關節(jié)運動實現(xiàn)的。 工業(yè)機器人關節(jié)運動控制一般可分為兩步進行。第一步是關節(jié)運動伺服指令的生成, 即指將末端執(zhí)行器在工作空間的位置和姿態(tài)的運動轉化為由關節(jié)變量表示的時間

16、序列或表示為關節(jié)變量隨時間變化的函數(shù)。這一步一般可離線完成。第二步是關節(jié)運動的伺服控制,即跟蹤執(zhí)行第一步所生成的關節(jié)變量伺服指令。 這一步是在線完成的。,5.4 工業(yè)機器人的控制方式,5.4.1 點位控制方式(PTP) 這種控制方式的特點是只控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點上的位姿?？刂茣r只要求工業(yè)機器人快速、 準確地實現(xiàn)相鄰各點之間的運動,而對達到目標點的運動軌跡則不作任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術指標是定位精度和運動所需的時間。由于其控制方式易于實現(xiàn)、定位精度要求不高的特點, 因而常被應用在上下料、搬運、點焊和在電路板上安插元件等只要求目標點處保持末端執(zhí)行器位姿準確的

17、作業(yè)中。一般來說, 這種方式比較簡單, 但是, 要達到23m的定位精度是相當困難的。,5.4.2 連續(xù)軌跡控制方式(CP) 這種控制方式的特點是連續(xù)地控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿, 要求其嚴格按照預定的軌跡和速度在一定的精度范圍內運動, 而且速度可控, 軌跡光滑， 運動平穩(wěn), 以完成作業(yè)任務。工業(yè)機器人各關節(jié)連續(xù)、同步地進行相應的運動, 其末端執(zhí)行器即可形成連續(xù)的軌跡。這種控制方式的主要技術指標是工業(yè)機器人末端執(zhí)行器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。通?；『?、噴漆、去毛邊和檢測作業(yè)機器人都采用這種控制方式。,圖 5.3 點位控制與連續(xù)軌跡控制 (a) 點位控制； (b) 連續(xù)軌跡控制,

18、5.4.3 力(力矩)控制方式 在完成裝配、 抓放物體等工作時, 除要準確定位之外, 還要求使用適度的力或力矩進行工作, 這時就要利用力(力矩)伺服方式。 這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同,只不過輸入量和反饋量不是位置信號, 而是力(力矩)信號, 因此系統(tǒng)中必須有力(力矩)傳感器。 有時也利用接近、 滑動等傳感功能進行自適應式控制。,5.4.4 智能控制方式 機器人的智能控制是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識, 并根據(jù)自身內部的知識庫作出相應的決策。 采用智能控制技術, 使機器人具有了較強的環(huán)境適應性及自學習能力。智能控制技術的發(fā)展有賴于近年來人工神經網絡、基因算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)

19、等人工智能的迅速發(fā)展。,5.5 工業(yè)機器人的運動控制技術,5.5.1 機器人控制系統(tǒng)的分類,非伺服型控制系統(tǒng),機器人控制系統(tǒng)的分類,伺服型控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)的組成,控制系統(tǒng)的組成,控制系統(tǒng)的組成,5.5.2 位置控制的基本結構,機器人的位置控制結構主要有兩種形式， 關節(jié)空間控制結構 直角坐標空間控制結構，,qdqd1，qd2，qdnT是期望的關節(jié)位置矢量 wdPdT，dTT是期望的工具位姿,5.5.3 工業(yè)機器人的計算機控制,計算機控制系統(tǒng)的結構形式 計算機控制系統(tǒng)有三種結構： 集中控制 主從控制 分布式控制,集中控制,集中控制是用一臺功能較強的計算機實現(xiàn)全部控制功能。 這在早期的機器人中采用

20、這種結構，因為當時的計算機造價較高，當時的機器人功能不多，因此實現(xiàn)容易，也比較經濟.控制過程中需要許多計算（如坐標變換），因此這種控制速度較慢。 隨著計算機技術的進步，和機器人控制質量的提高，要完成各種運算，如軌跡控制的插補計算、坐標變換、伺服系統(tǒng)中補償量的計算等。這里包括了矩陣、三角函數(shù)等大量的實時運算，通常需在5015ms之內完成，要在一個微型計算機上實現(xiàn)是困難的，往往集中式控制不能滿足需要，,主從式控制,日本于70年代生產的Motoman機器人（五關節(jié)，直流電動機驅動）和PT600及我國于80年代中期研制的“天龍一號”、“上海一號”等弧焊機器人屬于主從式結構。,主從式控制,一級計算機（一級機）為主機，它擔當系統(tǒng)管理、機器人語言編譯和人機接口功能，同時也利用它的運算能力完成坐標變換、軌跡插補，并定時地把運算結果作為關節(jié)運動的增量值送到公共內存，供二級計算機（二級機）讀取它。 二級機完成全部關節(jié)位置數(shù)字控制，它從公共內存讀給定值，也把各關節(jié)實際位置送回到公共內存中，供一級機使用。 公共內存是由容量為幾KB的雙口RAM或普通靜態(tài)RAM加上總線控制邏輯電路組成。由于功能分散，控制質量較集中式控制明顯提高。這類系統(tǒng)的控制效率較快，一般可達15ms，即每15ms刷新一次給定，并實現(xiàn)位置控制一次。,分布式結構,現(xiàn)代機器人控制