機器人控制方法演示文稿

機器人控制方法演示文稿當(dāng)前第1頁\共有23頁\編于星期三\2點優(yōu)選機器人控制方法當(dāng)前第2頁\共有23頁\編于星期三\2點31.對機器人控制系統(tǒng)的一般要求

機器人控制系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，用于對操作機的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能如下：

·記憶功能：存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。

·示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。

·與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。

·坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。

·人機接口：示教盒、操作面板、顯示屏。

·傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。

·位置伺服功能：機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)取?/p>

·故障診斷安全保護功能：運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷。

當(dāng)前第3頁\共有23頁\編于星期三\2點42．機器人控制系統(tǒng)的組成（如下圖）

（1）控制計算機

控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機構(gòu)。一般為微型機、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。

（2）示教盒

示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互。

（3）操作面板

由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。

（4）硬盤和軟盤存儲存

儲機器人工作程序的外圍存儲器。

（5）數(shù)字和模擬量輸入輸出

各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。

（6）打印機接口

記錄需要輸出的各種信息。

（7）傳感器接口

用于信息的自動檢測，實現(xiàn)機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。

（8）軸控制器

完成機器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。

（9）輔助設(shè)備控制

用于和機器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。

（10）通信接口

實現(xiàn)機器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。

（11）網(wǎng)絡(luò)接口當(dāng)前第4頁\共有23頁\編于星期三\2點5當(dāng)前第5頁\共有23頁\編于星期三\2點63．機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類。

·集中控制方式：用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，其構(gòu)成框圖如圖2所示。

·主從控制方式：采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作控制。其構(gòu)成框圖如圖3所示。主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難。

·分散控制方式：按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略，各模式之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。這種方式實時性好，易于實現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴展，可實現(xiàn)智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖4所示。當(dāng)前第6頁\共有23頁\編于星期三\2點7當(dāng)前第7頁\共有23頁\編于星期三\2點8當(dāng)前第8頁\共有23頁\編于星期三\2點9當(dāng)前第9頁\共有23頁\編于星期三\2點10典型的控制方法工業(yè)機器人要求能滿足一定速度下的軌跡跟蹤控制（如噴漆、弧焊等作業(yè)）或點到點（PTP）定位控制（點焊、搬運、裝配作業(yè)）的精度要求，為了得到每個關(guān)節(jié)的期望位置運動，必須設(shè)計一控制算法，算出合適的力矩，再將指令送至驅(qū)動器。

PID控制

PID控制是指將比例（P）、積分（I）、微分（D）控制規(guī)律綜合起來的一種控制方式。

其控制器運動方程為：當(dāng)前第10頁\共有23頁\編于星期三\2點11式中

U——控制器輸出控制信號；

ε——控制器輸入偏差信號；

Kp——比例系數(shù)；

Ti——積分時間常數(shù)；

τ——微分時間常數(shù)。

控制器的設(shè)計就是選擇Kp、Ti、τ或者加上其他補償控制，使系統(tǒng)達(dá)到所要求的性能。

提高控制器的增益Kp固然可減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高控制精度。但此時相對穩(wěn)定性往往因之而降低，甚至造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，積分控制可以消除或減弱穩(wěn)態(tài)誤差，微分控制能給出控制系統(tǒng)提前開始制動（P減速）的信號，且能反饋誤差信號的變化速率（變化趨勢），并能在誤差信號值變得太大之前，引起一個有效的早期修正信號，有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)前第11頁\共有23頁\編于星期三\2點12機器人控制基本思想：控制機器人末端操作器沿直角坐標(biāo)空間指定的軌跡運動，控制系統(tǒng)的輸入是期望的直角坐標(biāo)軌跡。對于每個關(guān)節(jié)由電機單獨驅(qū)動的機器人來說，意味著為使機器人終端沿期望的軌跡運動，幾個關(guān)節(jié)電機必須以不同的運動組合，即不同的速度匹配同時運轉(zhuǎn)。當(dāng)前第12頁\共有23頁\編于星期三\2點13當(dāng)前第13頁\共有23頁\編于星期三\2點14機械手的位置控制手爪位置控制（1）使用逆運動學(xué)和關(guān)節(jié)角控制的方法當(dāng)前第14頁\共有23頁\編于星期三\2點15當(dāng)前第15頁\共有23頁\編于星期三\2點16當(dāng)前第16頁\共有23頁\編于星期三\2點17機械手的位置控制手爪位置控制（2）注重靜力學(xué)關(guān)系的方法當(dāng)前第17頁\共有23頁\編于星期三\2點18控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

以安川-MRC控制系統(tǒng)為例，介紹控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

安川-MRC控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。安川-MRC控制系統(tǒng)是一個分散型控制系統(tǒng)，系統(tǒng)共有8個相對獨立的微處理器芯片（即CPU）:SYS-CPU、M-CPU、ARITH-CPU、AXIS1-CPU、AXIS2-CPU、SL-CPU、I/O-CPU、PP-CPU，下面分別加以介紹。

（1）SYS-CPU

System-CPU即系統(tǒng)CPU，負(fù)責(zé)管理整個系統(tǒng)及協(xié)調(diào)工作。

（2）M-CPU

Motioncutroc-CPU，負(fù)責(zé)完成運動控制工作，坐標(biāo)變換軌跡規(guī)劃等。

（3）ARITH-CPU

Arithmetic-CPU即數(shù)學(xué)運算協(xié)處理器，負(fù)責(zé)浮點數(shù)運算，使系統(tǒng)運算速度大大提高。

（4）AXIS1-CPU

Axis-CPU即伺服控制CPU，負(fù)責(zé)第一、二、三軸的伺服控制功能，該CPU級芯片運算速度高。

（5）AXIS2-CPU

功能同AXIS1-CPU控制對象為第三、四、五軸。

（6）I/O-CPU

負(fù)責(zé)處理并行I/O口信號，以及分散I/O串行口、I/O模擬量輸入輸出信號等。

（7）SL-CPU

負(fù)責(zé)處理突發(fā)性外部I/O信號，可迅速允許查知信號有效，并快速做出相應(yīng)反應(yīng)處理。

（8）PP-CPU

示教盒CPU(ProgramPendantCPU）負(fù)責(zé)示教盒功能管理及操作。當(dāng)前第18頁\共有23頁\編于星期三\2點19當(dāng)前第19頁\共有23頁\編于星期三\2點202軌跡控制在機器人初始位置和目標(biāo)位置之間用多項式函數(shù)“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并產(chǎn)生一系列“控制設(shè)定點”。路徑一般在笛卡兒坐標(biāo)下，需要運動學(xué)逆問題求解，轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)坐標(biāo)。目標(biāo)軌跡的給定和如何控制機器人使之高精度的跟蹤目標(biāo)軌跡是軌跡控制的兩個主要內(nèi)容。當(dāng)前第20頁\共有23頁\編于星期三\2點21實現(xiàn)軌跡控制的方式有示教再現(xiàn)和數(shù)控兩種。示教再現(xiàn)方式：數(shù)控方式：

示教再現(xiàn)方式是在機器人工作之前，讓機器人手延目標(biāo)軌跡運動，同時將位置及速度等數(shù)據(jù)存入機器人控制計算機中。在機器人工作時再現(xiàn)所示教的動作，使手端延目標(biāo)軌跡運動。軌跡記憶再現(xiàn)的方式有點位控制（PTP)和連續(xù)路徑控制（C