第六章 工业机器人控制课件.ppt

第六章 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。,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。,进入20世纪80年代以来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。,6.1 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。,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，若不能夹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。,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。,哥氏力，Coriolis force，有些书中也翻为科氏力。 在地理学中又称为地转偏向力，是地球在转动中出现的惯性力之一。,工业机器人控制的特点及分类,一、工业机器人控制的特点,即使一个简单的工业机器人也至少有35个自由度相关。,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。,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，各变量之间还存在耦合。,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。,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、位置以及其他信息，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。,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、有耦合的、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。,工业机器人控制的特点及分类,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。,按运动坐标控制方式,关节空间运动控制,直角坐标空间运动控制,按适应程度,程序控制系统,适应性控制系统,按控制机器人数目,单控系统,群控系统,按运动控制方式,位置控制,速度控制,力控制,人工智能控制系统,工业机器人控制的特点及分类,工业机器人控制的分类,1、位置控制方式,（1）点位控制,工业机器人控制方法,这类控制的特点是仅控制离散点上工业机器人手爪或工具的位姿，要求尽快而无超调地实现相邻点之间的运动，但对相邻点之间的运动轨迹一般不做具体规定。,（2）连续轨迹控制,。这类运动控制的特点是连续控制工业机器人手爪(或工具)的位姿轨迹。一般要求速度可控、轨迹光滑且运动平稳。轨迹控制的技术指标是轨迹精度和平稳性。,工业机器人控制的特点及分类,工业机器人控制的分类,2、速度控制方式,工业机器人控制方法,工业机器人按预定的指令，控制运动部件的速度和实行加、减速，以满足运动平稳、定位准确的要求。为了实现这一要求，机器人的行程要遵循一定的速度变化曲线。,3、力（力矩）控制方式,在进行装配或抓取物体等作业时，工业机器人末端操作器与环境或作业对象的表面接触，除了要求准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要采取力(力矩)控制方式。,6.2 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。,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。,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，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。,每一个关节是由一个驱动器单独驱动的,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。,工业机器人位置控制,位置控制问题,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，装于机器人各关节上的传感器测出关节位置矢量和关节速度矢量，再反馈到控制器上，这样由反馈控制构成了工业机器人的闭环控制系统,设计这样的控制系统，其中心问题是保证所得到的闭环系统满足一定的性能指标要求，它最基本的准则是系统的稳定性。我们讲系统是稳定的，是指它在实现所规划的路径轨迹时，即使在一定的干扰作用下，其误差仍然保持在很小的范围之内。在实际中，可以利用数学分析的方法，根据系统的模型和假设条件判断系统的稳定性和动态品质，也可以采用仿真和实验的方法判别系统的优劣。,工业机器人的控制是个多输入一多输出控制系统。我们把每个关节作为一个独立的系统。因而，对于一个具有m个关节的工业机器人来说，我们可以把它分解成m个独立的单输入一单输出控制系统。这种独立关节控制方法是近似的，因为它忽略了工业机器人的运动结构特点，即各个关节之间相互耦合和随形位变化的事实。如果对于更高性能要求的机器人控制，则必须考虑更有效的动态模型、更高级的控制方法和更完善的计算机体系结构。,工业机器人位置控制,二、位置控制器模型,质量为m的物体作单自由度运动，假设物体运动时除受到弹簧力作用外，还受到与速度成正比的摩擦阻力作用。若取参考坐标系原点位于系统平衡的位置，则该系统的自由运动方程为：,位置控制问题就是建立一个合适的控制器，使物体在驱动力f的作用下，即使系统存在随机干扰力，也能使物体始终维持在预期位置上,工业机器人位置控制,位置控制器模型,利用传感器检测出物体的位置和运动速度，并且假设控制系统能利用这些信息，可按下述的控制规律来计算驱动器应该施加于物体上的力：,系统的运动方程为,1、定点位置控制,适当选择控制系统的增益kp和kv，就可得到所希望的任意二阶系统的品质，实现抑制干扰力，并使物体保持在预定的位置上。,工业机器人位置控制,位置控制器模型,不仅要求受控物体定位在某固定位置，而且要求能跟踪指定的目标轨迹。,2、轨迹跟踪的位置控制,适当选择控制规律，导出系统误差空间的二阶微分方程。就可适当选择增益kp和kv，容易确定系统对于误差抑制特性。,6.3 工业机器人力控制,一、引言,在喷漆、点焊、搬运时所使用的工业机器人，一般只要求其末端操作器(喷枪、焊枪、手爪等)沿某一预定的路径运动，运动过程中末端操作器始终不与外界任何物体相接触。,控制位置,装配、加工、抛光等作业中，工作过程中要求机器人手爪与作业对象接触，并保持一定的压力。,力控制,如果只对其实施位置控制，有可能由于机器人的位姿误差及作业对象放置不准，或者使手爪与作业对象脱离接触，或者使两者相碰撞而引起过大的接触力，其结果，不是机器人手爪在空中晃动，就是造成机器人或作业对象的损伤。,除了在一些自由度方向进行位置控制外，还需要在另一些自由度方向进行力控制。,工业机器人力控制,力控制,由于力是在两物体相互作用后才产生的，因此力控制是首先将环境考虑在内的控制问题。,控制系统根据预先制定的控制策略对这些信息作出处理后，可以指挥机器人在不确定环境下进行与该环境相适应的操作，从而使机器人能胜任复杂的作业任务，这是机器人的一种智能化特征。,为了对机器人进行力控制，需要分析机器人手爪与环境的约束状态，并根据约束条件制定控制策略。,在机器人上安装力传感器，用来检测机器人与环境接触状态的变化信息。,工业机器人力控制,二、力传感器的设计、安装问题,力(包括力矩)传感器的作用，是用来检测机器人自身的内部力及机器人与外界接触时相互作用的力的大小。,多采用电阻（或半导体）应变技术。,敏感元件应变片粘贴在金属骨架上，金属骨架承受的力决定了应变片的输出信号的大小。,控制的角度来看，一般希望力传感器具有多维信号检测能力。,检测三个坐标轴的分力和分力矩,工业机器人力控制,力传感器的设计、安装问题,为了获得所需的力信息，需要有多少组敏感元件。,考虑的问题：,敏感元件相互之间应怎样配置，才能保证应变信号提取的合理性，尽量避免和减少彼此间的干扰。,在保持刚度的前提下，采用什么样的结构能提高灵敏度。,在进行传感器的总体设计时。还要考虑传感器的量程、精度、分辨率、过载保护以及与机器人的连接方法等问题。,工业机器人力控制,力传感器的设计、安装问题,装在关节驱动器轴上，传感器测量驱动器本身输出力和力矩。,安装位置：,对有些控制方式是有效的，对控制决策的实现也较为有利，但是一般情况下，无法提供机器人手爪与环境接触力的信息。,装在工业机器人腕部，即安放在手爪与机器人最后一个关节之间。,这种方式能够比较直接地测量作用在机器人手爪上的力和力矩。典型的传感器能够测量作用于手爪的力和力矩的6个分量。 。,装于手爪指尖上。,测得的环境对手爪的作用力最直接，一般是在手指内部贴应变片，形成“力敏感手指”，可以测量作用于每个手指上的14个分力。,工业机器人力控制,三、约束条件与约束坐标系,1、约束条件,机器人执行某项任务，往往要分成若干步骤，我们将这些步骤称作子任务。,每一子任务是由机器人手爪(或工具)与作业环境的具体接触状态来定义的，即可以根据子任务的特征，把这些子任务与一组约束条件联系起来。,完成一项任务，就是要机器人执行由各子任务的约束条件所构成的约束序列。,工业机器人力控制,约束条件与约束坐标系,1、约束条件,约束条件,自然约束,自然约束，是指由环境的几何特性或作业结构特征等引起的对机器人的约束，是当机器人手爪接触外界环境的时候自然生成的约束条件。,人为约束,人为约束则是人为给定的约束，用来描述机器人预期的运动或施加的力，也就是说，当要描述预期的位置或力的轨迹时，就要定义一组人为约束条件。,工业机器人力控制,约束条件与约束坐标系,约束条件,自然约束,人为约束条件必须与自然约束条件相适应，因为在一个给定的自由度上不能同时对力和位置实施控制。因此，机器人手爪在工作平台上完成操作作业时，人为约束条件只能是沿平台表面的路径轨迹和与平台垂直方向上的接触力。,人为约束,位置控制,力控制,工业机器人力控制,约束条件与约束坐标系,2、约束坐标系,广义平面,沿此广义平面的法线方向有自然位置约束，可以加人为力约束，即实施力控制；而沿切向方向有自然力约束，可以加人为位置约束，即实施位置控制。,坐标系c，坐标系c为约束坐标系，它总是处于与某项具体任务有关的位置。执行一项作业任务就可以用一组在c坐标系中定义的约束条件来表示。,工业机器人力控制,约束条件与约束坐标系,约束坐标系的选择,特点,(1) C为直角坐标系，以方便描述作业操作；,(2) 视任务的不同，C可能在环境中固定不动，也可能随手爪一起运动；,(3) C有六个自由度。任一时刻的作业均可分解为沿C中每一自由度的位置控制或力控制。,取决与所执行的任务；一般应建立在机器人手爪与作业对象相接触的界面上。,工业机器人力控制,约束条件与约束坐标系,约束坐标系的选择,例题：,图示拧螺钉操作是一项典型的机器人作业任务。试建立约束坐标系并依作业进程确定自然约束和制定人为约束条件。,C的坐标原点cO固定在螺钉孔中心线上，cZ轴和中心线重合，而cX、cY轴方向恒定。,工业机器人力控制,约束条件与约束坐标系,约束坐标系的选择,例题：,定义机器人手爪在C中六个自由度上的六个位移分量：即x、y、z为沿C各坐标轴的位移分量；以x，y、z为绕C各坐标轴的角位移分量。,定义机器人手爪施加给螺钉的力在C中六个自由度上的分量。即fx、fy、fz为沿C各坐标轴的力分量；mx，my，mz为绕c)各坐标轴的力矩分量。,工业机器人力控制,约束条件与约束坐标系,约束坐标系的选择,例题：,当螺钉进入螺钉孔下行时，手爪在C)中六个自由度上的六个位移分量状态为：,机器人手爪施加给螺钉的力状态为：,工业机器人力控制,约束条件与约束坐标系,约束坐标系的选择,例题：,相应地，自然约束与人为约束表达式为：,当螺钉继续沿螺钉孔下行，利用传感器检测出绕cz轴的力矩值m超过了某一阈值，说明自然约束条件发生了变化，因此必须改变人为约束条件，即拧到位置后，为了保证预紧力恒定，要控制mz的大小。,工业机器人力控制,约束条件与约束坐标系,约束坐标系的选择,例题：,拧螺钉的操作控制时，手爪在C中六个自由度的六个位移分量状态为：,手爪施加给螺钉的力/力矩分量状态为：,工业机器人力控制,约束条件与约束坐标系,约束坐标系的选择,例题：,自然约束与人为约束表达式为：,工业机器人力控制,约束条件与约束坐标系,约束坐标系的选择,例题：,两点结论：,(1)人为约束必须适应自然约束，且两者的约束数目相等。即当c中某个自由度上存在位置自然约束时，就应该相应地给定一个力的人为约束；反之亦然。,(2)自然约束条件的变化是根据检测到的信息来确认的，而这些被检测的信息一般在当时是不受控制的位置或力的变化量。如螺钉在未拧紧时的被控制量是绕cz转动的角速度 ，而用来确定是否拧紧的被控制量则是当时不受控制的力矩mz。,工业机器人力控制,四、力的控制,1、力控制的基本原理,当工业机器人手爪与环境相接触时，会产生相互作用的力。一般情况下，在考虑接触力时，必须设计某种环境模型。,质量一弹簧模型来表示受控物体与环境之间的接触作用。,工业机器人力控制,力的控制,1、力控制的基本原理,质量一弹簧系统的力控制问题。,用f干扰表示未知的干扰力，它可能是摩擦力或是机械传动的阻力。作用在弹簧上的力，也就是希望得到控制的作用在环境上的力，用fe表示。,工业机器人力控制,力的控制,力控制的基本原理,描述这一物理系统的方程为:,如果用作用在环境上的控制变量fe表示，则:,利用控制规律分解的方法，选定:,工业机器人力控制,力的控制,力控制的基本原理,从而得到伺服规则，即:,ef=fd-fe为期望力fd与环境中用力传感器检测出的力fe之间的差值(称力误差) ;,kvf及kpf为力控制系统增益系数;,闭环系统误差方程,经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will Be,写在最后,Thank You在别人的演说中思考，在自己的故事里成长Thinking In Other PeopleS Speeches，Growing Up In Your Own Story讲师：XXXXXX XX年XX月XX日,