工業(yè)機(jī)器人工作原理及其基本構(gòu)成

1、常用軟件課程設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人工作原理及其基本構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人工作原理現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的焊接機(jī)器人都屬于第一代工業(yè)機(jī)器人，它的基本工作原理是示教再現(xiàn)。示教也稱導(dǎo)引，即由用戶導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際任務(wù)操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過(guò)程中自動(dòng)記憶示教的每個(gè)動(dòng)作的位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)工藝參數(shù)等，并自動(dòng)生成一個(gè)連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機(jī)器人一個(gè)啟動(dòng)命令，機(jī)器人將精確地按示教動(dòng)作，一步步完成全部操作。這就是示教與再現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)上述功能的主要工作原理，簡(jiǎn)述如下：(1) 機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一臺(tái)通用的工業(yè)機(jī)器人，按其功能劃分，一般由3個(gè)相互關(guān)連的部分組成：機(jī)械手總成、控制器、示教系統(tǒng)，如圖1所示。機(jī)械手總成是機(jī)器

2、人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)器人臂、關(guān)節(jié)、末端操作器、以及內(nèi)部傳感器等組成。它的任務(wù)是精確地保證末端操作器所要求的位置，姿態(tài)和實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)。教盒7P人環(huán)境廉任勢(shì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)訪學(xué)軟杵機(jī)械手機(jī)構(gòu)末端襟柞器系統(tǒng)束撐軟件機(jī)器人悟育運(yùn)訪學(xué)軟杵控制尊憩牧件豹能軟件圖1工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)控制器是機(jī)器人的神經(jīng)中樞。它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語(yǔ)言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷、白保護(hù)功能軟件等，它處理機(jī)器人工作過(guò)程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。示教系統(tǒng)是機(jī)器人與人的交互接口，在示教過(guò)程中它將控制機(jī)器人的全部動(dòng)作，并將其全部信息送

3、入控制器的存儲(chǔ)器中，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)專用的智能終端。(2) 機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人的機(jī)械臂是由數(shù)個(gè)剛性桿體由旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的關(guān)節(jié)串連而成，是一個(gè)開環(huán)關(guān)節(jié)鏈，開鏈的一端固接在基座上，另一端是自由的，安裝著末端操作器(如焊槍)，在機(jī)器人操作時(shí)，機(jī)器人手臂前端的末端操作器必須與被加工工件處于相適應(yīng)的位置和姿態(tài)，而這些位置和姿態(tài)是由若干個(gè)臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)所合成的。因此，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中，必須要知道機(jī)械臂各關(guān)節(jié)變量空間和末端操作器的位置和姿態(tài)之間的關(guān)系，這就是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。一臺(tái)機(jī)器人機(jī)械臂幾何結(jié)構(gòu)確定后，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型即可確定，這是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)中有兩個(gè)基本問(wèn)題。1) 對(duì)給定機(jī)械臂，己知

4、各關(guān)節(jié)角矢量g(f)=gl(t)，g2(t)，gn(i)'，其中n為自由度。求末端操作器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，稱之為運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題。在機(jī)器人示教過(guò)程中。機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題運(yùn)算。2) 對(duì)給定機(jī)械臂，已知末端操作器在參考坐標(biāo)系中的期望位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)矢量，稱之為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題。在機(jī)器人再現(xiàn)過(guò)程中，機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題運(yùn)算，將角矢量分解到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)。運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題的運(yùn)算都采用D-H法,這種方法采用4X4齊次變換矩陣來(lái)描述兩個(gè)相鄰剛體桿件的空間關(guān)系，把正問(wèn)題簡(jiǎn)化為尋求等價(jià)的4X4齊次變換矩陣。逆問(wèn)題的運(yùn)算可用幾種方法求解，最常用的是矩陣代數(shù)、迭代或幾何方法

5、ob在此不作具體介紹，可參考文獻(xiàn)1。對(duì)于高速、高精度機(jī)器人，還必須建立動(dòng)力學(xué)模型，由于目前通用的工業(yè)機(jī)器人(包括焊接機(jī)器人)最大的運(yùn)動(dòng)速度都在3m/s內(nèi)，精度都不高于0.1mm，所以都只做簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)控制，動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)正13。(3) 機(jī)器人軌跡規(guī)劃?rùn)C(jī)器人機(jī)械手端部從起點(diǎn)(包括，位置和姿態(tài))到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡空間曲線叫路徑，軌跡規(guī)劃的任務(wù)是用一種函數(shù)來(lái)“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并沿時(shí)間軸產(chǎn)生一系列“控制設(shè)定點(diǎn)”，用于控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。目前常用的軌跡規(guī)劃方法有關(guān)節(jié)變量空間關(guān)節(jié)插值法和笛卡爾空間規(guī)劃兩種方法。具體算法可參考文獻(xiàn)1，4。(4) 機(jī)器人機(jī)械手的控制當(dāng)一臺(tái)機(jī)器人機(jī)械手的動(dòng)態(tài)運(yùn)

6、動(dòng)方程已給定。它的控制目的就是按預(yù)定性能要求保持機(jī)械手的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是由于機(jī)器人機(jī)械手的慣性力、耦合反應(yīng)力和重力負(fù)載都隨運(yùn)動(dòng)空間的變化而變化，因此要對(duì)它進(jìn)行高精度乙斗高速、高動(dòng)態(tài)晶質(zhì)的控制是相當(dāng)復(fù)雜而困難的，現(xiàn)在正在為此研究和發(fā)展許多新的控制方法。目前工業(yè)機(jī)器人上采用的控制方法是把機(jī)械手上每一個(gè)關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的伺服機(jī)構(gòu)，即把一個(gè)非線性的、關(guān)節(jié)間耦合的變負(fù)載系統(tǒng)，簡(jiǎn)化為線性的非耦合單獨(dú)系統(tǒng)。每個(gè)關(guān)節(jié)都有兩個(gè)伺服環(huán)，機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)見圖2外環(huán)提供位置誤差信號(hào)，內(nèi)環(huán)由模擬器件和補(bǔ)嘗器（具有衰減速度的微分反饋）組成，兩個(gè)伺服環(huán)的增益是固定不變的。因此基本上是一種比例積分微分控制方法（PID法）。

7、這種控制方法，只適用于目前速度、精度要求不高圖2機(jī)械手伺服控制體系結(jié)構(gòu)（5）機(jī)器人編程語(yǔ)言機(jī)器人編程語(yǔ)言是機(jī)器人和用戶的軟件接口，編程語(yǔ)言的功能決定了機(jī)器人的適應(yīng)性和給用戶的方便性，至今還沒(méi)有完全公認(rèn)的機(jī)器人編程語(yǔ)言，每個(gè)機(jī)器人制造廠都有自己的語(yǔ)言。實(shí)際上，機(jī)器人編程與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)編程不同，機(jī)器人操作的對(duì)象是各類三維物體，運(yùn)動(dòng)在一個(gè)復(fù)雜的空間環(huán)境，還要監(jiān)視和處理傳感器信息。因此其編程語(yǔ)言主要有兩類：面向機(jī)器人的編程語(yǔ)言和面向任務(wù)的編程語(yǔ)言。面向機(jī)器人的編程語(yǔ)言的主要特點(diǎn)是描述機(jī)器人的動(dòng)作序列，每一條語(yǔ)句大約相當(dāng)于機(jī)器人的一個(gè)動(dòng)作，整個(gè)程序控制機(jī)器入完種：1）專用的機(jī)器人語(yǔ)言，如PUMA機(jī)器人的VAL語(yǔ)言，是專用的機(jī)器人控制語(yǔ)言,它的最新版本是VALT和V+。2）在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的基礎(chǔ)上加機(jī)器人子程序庫(kù)。如美國(guó)機(jī)器人公司開發(fā)的ARBasic和Intelledex公司的RobotBasic語(yǔ)言，都是建立在BASIC語(yǔ)言上的。3）開發(fā)一種新的通用語(yǔ)言加上機(jī)器人子程序庫(kù)。如IBM公司開發(fā)的AML機(jī)器人語(yǔ)言。面向任務(wù)的機(jī)器人編程語(yǔ)言允許用戶發(fā)出直接命令，以控制機(jī)器人去完成一個(gè)具體的任務(wù)，而不需