机器人作业示教控制法

机器人作业示教控制法主讲周兰一、机器人轨迹规划问题1．连续变量和离散变量：连续变量离散化：计算机只能处理算术和逻辑运算，在进行数据处理时，有时需要将连续的变量离散化。我们曾经使用过许多数学用表，如三角函数表，对数表等，实际上是为了使用方便而求出若干离散点处的函数值，离散点的疏密取决于生产实际的要求。离散变量连续化：如已知机器人若干个运动位置点，如何根据这几个点拟合出机器人的运动轨迹的问题就是离散变量连续化的问题。对数曲线图例：离散变量连续化图例：2．逼近（1）：逼近的概念：逼近是数值分析中的一种重要的方法。所谓逼近是指用简单函数p（x）的值近似替代函数f（x）的值，f（x）称为被逼近函数，p（x）称为逼近函数，两者的差：e（x）=f（x）-p（x）称为逼近误差或余项。逼近图例：2．逼近（2）：简单函数：可以用四则运算进行计算的函数。如多项式、有理函数等。实现逼近的方法：实现逼近的方法主要有三种：插值、一致逼近与最佳一致逼近、平方逼近和最佳平方逼近。3．插值（1）：插值定义：设f（x）是定义在区间【a，b】上的函数，x0，x1，…xn是【a，b】上n+1个互异的点，若存在一个简单函数p（x），满足：p（xi）=f（xi）=yi，i=0，1，2，…n。则称p（x）为关于节点x0，x1，…xn的插值函数。点x0，x1，…xn称为插值节点，【a，b】称为插值区间，求插值函数p（x）的方法称为插值法。插值图例：线性插值抛物插值用方便计算机运算的简单曲线去尽量精确地拟合复杂曲线是插值的目的。3．插值（2）：插值的物理意义：由插值的定义可以看出，插值函数p（x）实际上是一条经过平面上点（x0，f（x0）），（x1，f（x1）），…（xn，f（xn））的曲线，这条平面曲线就作为f（x）的逼近曲线。通过插值，实际上是将离散的点变成连续的曲线。3．插值（3）：插值多项式：设：p（x）=a0+a1x+……+anxn=yn由于已知关于n+1个点x0，x1，…xn的函数值，可以得到下面的方程组：a0+a1x0+……+anx0n=y0a0+a1x1+……+anx1n=y1……………………a0+a1xn+……+anxnn=yn据此可以求出各系数，于是得到插值多项式的表达式。n+1个方程，n+1个未知量。4．用插值的方法解决机器人轨迹规划问题：问题的引入：如图示为机器人倒水的动作分解过程图。从这个图中可以看出，如果将机器人的各个动作部位在一个给定的坐标系中来讨论，则是一系列离散的点。轨迹规划：现在就是要根据这些离散点拟合出经过这些离散点的曲线方程，常用的就是插值的方法。由于有了连续的曲线方程就可以预知机器人在某些中间部位的位置，以便机器人各部件位置和速度协调。机器人的动作规划图例：二、机器人示教法1．示教法：要求机器人产生某些动作和完成某些作业，必须赋予机器人种种信息。这种赋予信息的方法就是示教法。2．机器人示教法的分类：从大的方面来说，机器人示教分为以下三个方面：位置和姿态信息示教：描述机器人的动作轨迹和定位点等的信息。机器人动作顺序信息示教：关于机器人动作的执行顺序信息，机器人与外部设备同步的信息。机器人动作状况和机器人进行作业时附加条件等信息的示教：主要涉及机器人动作的速度和加速度、作业内容信息等。三、位置和姿态示教法机器人示教控制方式离线示教法间接示教法遥控示教法直接示教法不用机器人示教用实际机器人示教功率级脱离示教伺服级接通示教示教盒示教操纵杆示教主从方示教模拟机器人示教专用工具示教数值输入示教图形示教软件语言示教1.位置和姿态示教法分类:2．直接示教法（1）：功率级脱离示教：就是由人直接搬动机器人的手臂，使机器人沿着人们设计的空间轨迹运动的一种示教方法。搬动机器人时，通常让机器人处于自由状态：通过离合器把机器人手臂与各驱动器脱离；对于液压方式驱动的机器人，应把主油路切换到回油状态等。有两种示教方法：一种方法是仅仅对运动轨迹上的代表点进行示教，代表点之间的轨迹可通过插补运算加以限定。另一种方法是对运动轨迹上分布间隔很小的点逐一进行示教，示教内容被存储起来，利用这些存储内容通过动作再现就能达到预期的运动轨迹。2．直接示教法（2）：伺服级接通示教：通过安装在机器人手爪部的操作装置去间接搬动机器人手臂的方式，且机器人手臂与各驱动器不用脱离。机器人处于自由状态，操作器上安装有力传感器，可以通过力的控制来实现直接搬动机器人手臂进行示教。3．遥控示教法：当示教场所离开机器人本体时，采用遥控示教法，不用直接接触机器人手臂就能对机器人进行示教。示教盒示教：这种示教盒安装有各种按钮之类的操作开关，对应于机器人的各种动作和状态。目前工业机器人几乎都配有这种示教盒。使用示教装置的这些按钮开关可以远距离地引导机器人完成预定的动作，在期望的运动轨迹上的代表点处逐一定位，可以存储从示教装置按钮发出的机器人位置和姿态的信息。操纵杆示教：较示教盒便于操作。主从操作器技术：代价较高。不管哪种遥控示教方法，机器人会随示教动作而运动。4．间接示教法：机器人虽然处于实际的作业环境中，但不要求机器人实际产生动作的示教方法。预先准备一个专门用来进行示教的手臂，操纵这个手臂的手爪部，沿着预先设定的轨迹运动，随时把手臂的位置和姿态信息存储起来，根据存储的信息在对真正的机器人进行示教。这种示教方法实质上采用了一个模型机器人。5．离线示教法：不对实际作业的机器人直接进行示教，而是脱离实际作业环境，生成示教数据间接地对机器人进行示教，这种方法叫离线示教或离线编程示教。在离线示教法中，通过使用计算机内存储的模型，不要求机器人实际产生运动便能在示教结果的基础上对机器人的运动进行仿真，从而确定示教内容是否恰当，这是其它示教方法所不具备的。各种示教方法图例：直接搬动机器人手臂。不用直接搬动机器人手臂，用示教盒等装置示教。不要求机器人产生实际动作，操纵示教手臂获取数据。离线编程示教。示教时机器人产生实际动作。示教时机器人不产生实际动作。四、顺序信息示教法主要解决机器人以什么样的顺序运动，以什么样的顺序与周边装置同步的问题。1．固定方式：这种示教的方式意味着机器人动作的先后与位置和姿态的示教顺序相同，亦即顺序信息是按照位置和姿态信息的示教和存储顺序间接地给出，或者说，对于位置和姿态信息而言，顺序信息是作为一种附加信息进行存储和处理的。固定方式示例：机器人产生动作所通过的点依次为P1→P2→P20→P30→P3→P30→P1。如果采用固定方式示教，则必须对这7个点按先后顺序分别进行示教。由于动作顺序的示教隐含在位置姿态中，对同一点如P30需要进行多次位置描述。2．可变方式：与固定方式不同，可变方式与位置和姿态的示教顺序无关，能单独对机器人动作的顺序进行示教。可变方式示例：如果采用可变方式，可以预先对P1、P2、P3、P20、P305个点进行位置示教，然后进行动作顺序的示教。可以改变机器人的运动路径而不必位置姿态的示教。五、机器人运动条件和作业条件示教1．运动条件：机器人的主要运动条件有运动速度、加速度，加减速方式（如梯形曲线控制、加减速度控制曲线）。机器人在示教点定位以后是否需要等待信号处理，插补方式的选择（直线插补或圆弧插补）等。2．作业条件：作业条件随机器人完成的作业内容而不同：砂轮的转速及砂轮对工件的压力的大小等。3．示教方法：附属示教：对机器人的每一个示教点进行位置和姿态示教的同时，进行运动条件和作业条件的示教。独立示教：使用机器人语言，以指令的形式进行示教。