4、工业机器人的控制

4、工业机器人控制4.1工业机器人控制系统的特点4.2工业机器人控制系统的主要功能4.3工业机器人的控制方式4.4电动机的控制4.5机械系统的控制4.1工业机器人控制系统的特点机器人的结构是一个空间开链机构,其各个关节的运动是独立的,为了实现末端点的运动轨迹,需要多关节的运动协调。因此,其控制系统与普通的控制系统相比要复杂得多,具体如下:(1)机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。机器人手足的状态可以在各种坐标下进行描述,应当根据需要选择不同的参考坐标系,并做适当的坐标变换。经常要求正向运动学和反向运动学的解,除此之外还要考虑惯性力、外力(包括重力)、哥氏力及向心力的影响。(2)一个简单的机器人至少要有3～5个自由度,比较复杂的机器人有十几个甚至几十个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构,它们必须协调起来,组成一个多变量控制系统。(3)把多个独立的伺服系统有机地协调起来,使其按照人的意志行动,甚至赋予机器人一定的“智能”,这个任务只能由计算机来完成。因此,机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。同时,计算机软件担负着艰巨的任务。(4)描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型,随着状态的不同和外力的变化,其参数也在变化,各变量之间还存在耦合。因此,仅仅利用位置闭环是不够的,还要利用速度甚至加速度闭环。系统中经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。(5)机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成,因此存在一个“最优”的问题。较高级的机器人可以用人工智能的方法,用计算机建立起庞大的信息库,借助信息库进行控制、决策、管理和操作。根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况,按照给定的指标要求,自动地选择最佳的控制规律。4.2工业机器人控制系统的主要功能1.2.运动控制功能4.2.11.1)示教的方式示教的方式总的可分为集中示教方式和分离示教方式。集中示教方式就是指同时对位置、速度、操作顺序等进行的示教方式。分离示教方式是指在示教位置之后,再一边动作,一边分别示教位置、速度、操作顺序等的示教方式。当对PTP(点位控制方式)控制的工业机器人示教时,可以分步编制程序,且能进行编辑、修改等工作。但是在作曲线运动而且位置精度要求较高时,示教点数一多,示教时间就会拉长,且在每一个示教点都要停止和启动,因而很难进行速度的控制。对需要控制连续轨迹的喷漆、电弧焊等工业机器人进行连续轨迹控制的示教时,示教操作一旦开始,就不能中途停止,必须不中断地进行到完,且在示教途中很难进行局部修正。示教方式中经常会遇到一些数据的编辑问题,其编辑机能有如图5.1所示的几种方法。在图中,要连接A与B两点时,可以这样来做:(a)直接连接;(b)先在A与B之间指定一点x,然后用圆弧连接;(c)用指定半径的圆弧连接;(d)用平行移动的方式连接。在CP(连续轨迹控制方式)控制的示教中,由于CP控制的示教是多轴同时动作,因此与PTP控制不同,它几乎必须在点与点之间的连线上移动,故有如图5.2所示的两种方法。图5.1示教数据的编辑机能图5.2CP控制示教举例2)记忆的方式工业机器人的记忆方式随着示教方式的不同而不同。又由于记忆内容的不同,故其所用的记忆装置也不完全相同。通常,工业机器人操作过程的复杂程序取决于记忆装置的容量。容量越大,其记忆的点数就越多,操作的动作就越多,工作任务就越复杂。最初工业机器人使用的记忆装置大部分是磁鼓,随着科学技术的发展,慢慢地出现了磁线、磁芯等记忆装置。现在,计算机技术的发展带来了半导体记忆装置的出现,尤其是集成化程度高、容量大、高度可靠的随机存取存储器(RAM)和可编程只读存储器(EPROM)等半导体的出现,使工业机器人的记忆容量大大增加,特别适合于复杂程度高的操作过程的记忆,并且其记忆容量可达无限。2.示教编程方式1)手把手示教编程方式主要用于喷漆、弧焊等要求实现连续轨迹控制的工业机器人示教编程中。具体的方法是人工利用示教手柄引导末端执行器经过所要求的位置,同时由传感器检测出工业机器人各关节处的坐标值,并由控制系统记录、存储下这些数据信息。实际工作当中,工业机器人的控制系统重复再现示教过的轨迹和操作技能。手把手示教编程也能实现点位控制,与CP控制不同的是,它只记录各轨迹程序移动的两端点位置,轨迹的运动速度则按各轨迹程序段对应的功能数据输入。2)示教盒示教编程方式是人工利用示教盒上所具有的各种功能的按钮来驱动工业机器人的各关节轴,按作业所需要的顺序单轴运动或多关节协调运动,从而完成位置和功能的示教编程。示教盒通常是一个带有微处理器的、可随意移动的小键盘,内部ROM中固化有键盘扫描和分析程序。其功能键一般具有回零、示教方式、自动方式和参数方式等。示教编程控制由于其编程方便、装置简单等优点,在工业机器人的初期得到较多的应用。同时,又由于其编程精度不高、程序修改困难、示教人员要熟练等缺点的限制,促使人们又开发了许多新的控制方式和装置,以使工业机器人能更好更快地完成作业任务。4.2.2工业机器人的运动控制是指工业机器人的末端执行器从一点移动到另一点的过程中,对其位置、速度和加速度的控制。由于工业机器人末端操作器的位置和姿态是由各关节的运动引起的,因此,对其运动控制实际上是通过控制关节运动实现的。工业机器人关节运动控制一般可分为两步进行。第一步是关节运动伺服指令的生成,即指将末端执行器在工作空间的位置和姿态的运动转化为由关节变量表示的时间序列或表示为关节变量随时间变化的函数。这一步一般可离线完成。第二步是关节运动的伺服控制,即跟踪执行第一步所生成的关节变量伺服指令。这一步是在线完成的。2、主要控制变量任务轴R0：描述工件位置的坐标系X(t):末端执行器状态；θ(t):关节变量；C(t)：关节力矩矢量；T(t)：电机力矩矢量；V(t)：电机电压矢量本质是对下列双向方程的控制：)()()()()(tttttXCTV4.3工业机器人的控制方式4.3.1点位控制方式(PTP)这种控制方式的特点是只控制工业机器人末端执行器在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动,而对达到目标点的运动轨迹则不作任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间。由于其控制方式易于实现、定位精度要求不高的特点,因而常被应用在上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求目标点处保持末端执行器位姿准确的作业中。一般来说,这种方式比较简单,但是,要达到2～3μm的定位精度是相当困难的。4.3.2连续轨迹控制方式(CP)这种控制方式的特点是连续地控制工业机器人末端执行器在作业空间中的位姿,要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度范围内运动,而且速度可控,轨迹光滑，运动平稳,以完成作业任务。工业机器人各关节连续、同步地进行相应的运动,其末端执行器即可形成连续的轨迹。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端执行器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人都采用这种控制方式。图5.3点位控制与连续轨迹控制(a)点位控制；(b)连续轨迹控制4.3.3力(力矩)在完成装配、抓放物体等工作时,除要准确定位之外,还要求使用适度的力或力矩进行工作,这时就要利用力(力矩)伺服方式。这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同,只不过输入量和反馈量不是位置信号,而是力(力矩)信号,因此系统中必须有力(力矩)传感器。有时也利用接近、滑动等传感功能进行自适应式控制。4.3.4机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识,并根据自身内部的知识库作出相应的决策。采用智能控制技术,使机器人具有了较强的环境适应性及自学习能力。智能控制技术的发展有赖于近年来人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。4.4电动机的控制4.4.11.电动机的种类各种各样,根据各自的特点,工业界早就在家电、玩具、办公仪器设备、测量仪器甚至电气铁路这样一些广泛的领域内制定了各种不同的使用方法。在这些应用中,机器人中的电动机有其自身的特点。表5.1列出了机床和机器人电动机在用途上的对比情况。用于生产线上的机器人,主要承担着零件供应、装配和搬运等工作,其控制目的是位置控制。因为机器人的动作基本上是腕部的运动,所以对电动机来说,主要是惯性负载,并且还存在有重力负载。有负载运动时,电动机的速度最慢;无负载运动时,电动机的速度最快。它们的比值大体上是1∶10,有时可以达到1∶100。此外,从电动机的输出功率考虑,多数为十瓦(W)到数千瓦(kW)的电动机。本节只考虑小型电动机的分类。2.电动机根据输出形式分,可以分为旋转型和直线型(如果根据采用的电源分类,则如表5.2所列)。当考虑电动机在机器人中的应用时,应主要关注电动机的如下基本性能:(1)能实现启动、停止、连续的正反转运行,且具有良好的响应特性。(2)正转与反转时的特性相同,且运行特性稳定。(3)维修容易,而且不用保养。(4)具有良好的抗干扰能力,且相对于输出来说,体积小,重量轻。3.机器人电动机的变换器对于直流电动机,变换器首先将其电压和电流控制到希望的数值;对于交流电动机,电力变换器首先将其电压、电流和频率控制到希望的数值,然后对电动机的速度进行控制,进而对电动机的位置进行控制。图5.4所示为电动机的种类。图5.4电动机的种类表5.2概括了在电动机控制中采用的电力变换器的分类和主要用途。除了电车和蓄电池叉动起重车等一些特殊应用外,一般来说,不用电池和蓄电池作为直流电源,而是采用对商用的交流电进行整流后得到的直流电。把交流电变换成直流电的过程,称为顺变换,这里采用的电力变换器,称为整流电路。一般来说,由于交流方面的正弦波形畸变会引起电压的变动和感应干扰,因此应采取措施,设法保持输入电流波形的正弦波形状。所以，它不同于通常的整流电路,可称之为PWM变换器。4.电动机控制系统的构成图5.5表示了用前面讲过的电动机和电力变换器组合成的电动机控制系统的一般构成。正如前面讲过的那样,通过电力变换器,将商用电源的电压、电流和频率进行交换,然后对电动机进行控制。电动机的输出量P(W)虽然用电量表示,但它是通过减速器和传动装置(连接器、齿轮、传送带等)传送至机械系统的。这里用速度ωl(rad/s)和力矩TL(N·m)表示机械动力,并用下式表示它与电动机输出量P(W)的关系:P=ωl·TL(5.1)该式为电气功率与机械功率的重要关系式,SI表示的。但是,通常情况下,转速的单位用r/min,力矩的单位用kg·m,当采用这种单位时,式(5.1)就变成了P=1.026ωl·TL(5.2)图5.5电动机控制系统的构成机器人的位置控制由于机器人系统具有高度非线性，且机械结构很复杂，因此在研究其动态模型时，做如下假设：（1）机器人各连杆是理想刚体，所有关节都是理想的，不存在摩擦和间隙；（2）相邻两连杆间只有一个自由度，或为旋转、或为平移。4.2机器人的位置控制4.2.1直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图伺服电机的参数：4.2机器人的位置控制4.2.1直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图（1）磁场型控制电机22222,,ccmcmmmmmfmmfffffkKffFJJJKdtdFdtdJTikTdtdilirv4.2机器人的位置控制4.2.1直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图Laplace变换得：)()()()()()()()(2sKFsJssTsIksTsIslrsVmmfmmffff))(()()(2KFsJsslrksVsffmfm4.2机器人的位置控制4.2.1直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图一般可取K=0，则有等效框图同时，传递函数变为5.2机器人的位置控制5.2.1直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图：电气时间常数；：机械时间常数。)1)(1()1)(1(1))(()()(0sssksFJsrlsFrkFJsslrsksVsmefffmffmfm