第4章 工业机器人的控制基础

第4章工业机器人的控制基础教学目标《工业机器人技术与应用》1.了解工业机器人控制系统的特点和组成2.掌握工业机器人控制系统的分类及各自优缺点3.正确规划工业机器的简单动作的运动轨迹4.掌握工业机器人的示教编程原理，并能够对简单路径进行示教编程5.养成良好的职业素养和标准操作程序目录页PAGEOFCONTENT4.1工业机器人控制基础4.2工业机器人的控制分类4.3工业机器人的运动轨迹规划4.4工业机器人的示教与再现4.5工业机器人的编程语言工业机器人控制基础4.1一、工业机器人控制系统的特点机器人的控制系统主要对机器人工作过程中的动作顺序、应到达的位置及姿态、路径轨迹及规划、动作时间间隔以及末端执行器施加在被作用物上的力和转矩等进行控制。工业机器人控制系统具有如下特点：1.与机构运动学及动力学密切相关的控制系统2.多变量控制系统3.计算机控制系统4.耦合非线性控制系统5.寻优控制系统总而言之，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。工业机器人控制基础4.1二、工业机器人控制系统的主要功能1.具有位置伺服功能2.方便的人机交互功能3.具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。4.具有故障诊断和安全保护功能工业机器人控制基础4.1三、工业机器人控制系统的基本结构与组成1.工业机器人控制系统的基本组成（1）控制计算机（2）示教盒（3）操作面板（4）硬盘和软盘存储（5）数字和模拟量输入输出（6）打印机接口（7）传感器接口（8）轴控制器（9）辅助设备控制（10）通信接口（11）网络接口工业机器人控制基础4.1三、工业机器人控制系统的基本结构与组成2.工业机器人控制系统的基本结构一个典型的工业机器人控制系统，主要由上位计算机、运动控制器、驱动器、电动机、执行机构和反馈装置构成。工业机器人控制基础4.1三、工业机器人控制系统的基本结构与组成2.工业机器人控制系统的基本结构①利用PLC的某些输出端口使用脉冲输出指令来产生脉冲，从而驱动电动机，同时使用通用1/0或者计数部件来实现电动机的闭环位置控制；②使用PLC外部扩展的位置模块来进行电动机的闭环位置控制。（1）基于PLC的运动控制工业机器人控制系统基本结构的构成方案有三种：基于PLC的运动控制、基于PC和运动控制卡的运动控制、纯PC控制。工业机器人控制基础4.1三、工业机器人控制系统的基本结构与组成2.工业机器人控制系统的基本结构运动控制器以运动控制卡为主，工控PC只提供插补运算和运动指令。运动控制卡完成速度控制和位置控制。（2）基于PC和运动控制卡的运动控制工业机器人控制基础4.1三、工业机器人控制系统的基本结构与组成2.工业机器人控制系统的基本结构完全采用PC的全软件形式的机器人系统。在高性能工业PC和嵌入式PC（配备专为工业应用而开发的主板）的硬件平台上，可通过软件程序实现PLC和运动控制等功能，实现机器人需要的逻辑控制和运动控制。（3）纯PC控制工业机器人的控制分类4.21.位置控制方式按运动控制方式的不同，将机器人控制分为位置控制、速度控制、力控制(包括位置/力混合控制)三类。工业机器人位置控制又分为点位控制和连续轨迹控制两类a）点位控制b）连续轨迹控制工业机器人的控制分类4.22.速度控制方式对工业机器人的运动控制来说，在位置控制的同时，有时还要进行速度控制。例如，在连续轨迹控制方式的情况下，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。机器人行程的速度/时间曲线工业机器人的控制分类4.23.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。力(力矩)控制是对位置控制的补充，这种方式的控制原理与位置伺服控制原理也基本相同，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，要求系统中有力(力矩)传感器。有时也利用接近觉、滑觉等功能进行适应式控制。工业机器人的控制分类4.2一、位置控制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末端执行器沿预定的轨迹运行。轨迹规划控制器机器人环境传感器和估值器θθ工业机器人的控制分类4.2一、位置控制1.数学模型与传递函数工业机器人的控制分类4.2二、速度控制1.工业机器人加减速曲线特性分析为了使机器人更快更精确更稳定地从起始点到达目的点，则在启动和终止时运动必须是平缓的，不能有运动上的突变行为，对运动曲线也必须进行精确控制。机器人的最大速度是机器人运动特性的一个重要指标，质量一定的情况下，由物理定理可知速度越大，则机器人的动量也就越大。在满足要求的情况下也应该尽量减小最大速度。加速度曲线直接关联到关节的力矩输出，所以加速度曲线也应该做到突变较小或者连续，最大加速度越大，效率越高，但也会加大机械系统的负担，引发一些事故，在满足要求情况下也应尽量减小。工业机器人的控制分类4.2二、速度控制2．加减速控制方法分析加减速控制方法可以分为梯形加减速、指数加减速、多项式插补曲线、三角函数加减速，前两种是机器人最常用最基本的轨迹曲线，然而矩形曲线的加速度曲线不连续，冲击很大，性能响应非常差，不符合轨迹曲线加速度连续的最基本的要求。梯形函数特点：其加速度曲线是连续的，由加速段、等速段和减速段曲线构成，但是加速度曲线的导数加加速度曲线不连续，并且其开始和结束处的加加速度曲线突变值方向不同大小也不同，会使机器人系统遭受严重的冲击造成抖动，影响精度。工业机器人的控制分类4.2二、速度控制2．加减速控制方法分析梯形函数特点：其加速度曲线是连续的，由加速段、等速段和减速段曲线构成，但是加速度曲线的导数加加速度曲线不连续，并且其开始和结束处的加加速度曲线突变值方向不同大小也不同，会使机器人系统遭受严重的冲击造成抖动，影响精度；指数类型的缺点也在高速运动时稳定性较差；多项式插补曲线特点：能够生成速度与加速度曲线都连续的平滑曲线，可以避免运动时的突变或抖振，但多项式次数较低时平滑度不够，与预想轨迹差距较大，用高阶多项式处理时复杂度也随之增加，最大速度和最大加速度也会加大，给电机控制带来难度；工业机器人的控制分类4.2二、速度控制2．加减速控制方法分析正弦函数加速度曲线特点：其导数加加速度曲线是光滑连续的余弦函数曲线，余弦加速度运动规律的特点是其曲线导数光滑连续的，但与原曲线存在着90度的偏移，在开始与终止位置不能够无误差连接，初始值较大且存在加速度的突变，所以往往造成机器人启动和停止时的大幅度震动，降低系统性能同时带来安全上的顾虑。工业机器人的控制分类4.2二、速度控制3.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。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。力传感器安装在工业机器人上的位置有下列三种，第一种可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，是一般情况下，无法提供机器人手爪与环境接触力的信息；第二种可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。第三种可装于手爪指尖上，这种情况下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1～4个分力。工业机器人的控制分类4.2二、速度控制3.力控制（1）约束条件约束条件包括自然约束和人为约束。所谓自然约束，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。自然约束条件与人为约束条件表达了位置控制与力控制的对偶性。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。工业机器人的控制分类4.2二、速度控制3.力控制（2）约束坐标系在许多机器人的作业任务中，可以定义这样一个广义平面：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。为了便于描述，可用一个坐标系{C}来取代这一广义平面，我们称坐标系{C}为约束坐标系具有以下特点：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。工业机器人的控制分类4.2二、速度控制3.力控制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。为使概念明确，我们用类似于位置控制的简化方法，使用很简单的质量-弹簧模型来表示受控物体与环境之间的接触作用。工业机器人的运动轨迹规划4.31.机器人轨迹的概念机器人轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点的位移、速度和加速度。轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点，如图所示，将其经运动学反解映射到关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划。工业机器人的运动轨迹规划4.31.机器人轨迹的概念机器人运动轨迹的描述一般是对其手部位姿的描述，此位姿值可与关节变量相互转换。控制轨迹也就是按时间控制手部或工具中心走过的空间路径。2.轨迹规划的一般性问题通常将操作臂的运动看作是工具坐标系{T}相对于工件坐标系{S}的一系列运动。这种描述方法既适用于各种操作臂，也适用于同一操作臂上装夹的各种工具。工业机器人的运动轨迹规划4.32.轨迹规划的一般性问题在轨迹规划中，为叙述方便，也常用点来表示机器人的状态，或用它来表示工具坐标系的位姿，例如作业起始点、作业终止点就分别表示工具坐标系的起始位姿及终止位姿。对点位作业(pickandplaceoperation)的机器人(如用于上、下料)，需要描述它的起始状态和目标状态，即工具坐标系的起始值{T0}和目标值{Tf}。在此，用“点”这个词表示工具坐标系的位置和姿态(简称位姿)，例如起始点和目标点等。对于另外一些作业，如弧焊和曲面加工等，不仅要规定操作臂的起始点和终止点，而且要指明两点之间的若干中间点(称路径点)，必须沿特定的路径运动(路径约束)。这类称为连续路径运动(continuous—Pathmotion)或轮廓运动(contourmotion)，而前者称点到点运动(PTP＝point—to—pointmotion)。工业机器人的运动轨迹规划4.32.轨迹规划的一般性问题轨迹规划既可在关节空间也可在直角空间中进行，但是所规划的轨迹函数都必须连续和平滑，使得操作臂的运动平稳。在关节空间进行规划是将关节变量表示成时间的函数，并规划它的一阶和二阶时间导数；在直角空间进行规划是指将手部位姿、速度和加速度表示为时间的函数。而相应的关节位移、速度和加速度由手部的信息导出。通常通过运动学逆解得出关节位移、用逆雅克比求出关节速度，用逆雅可比及其导数求解关节加速度。用户根据作业给出各个路径结点后，规划器的任务包含：解变换方程、进行运动学逆解和插值运算等；在关节空间进行规划时，大量工作是对关节变量的插值运算。工业机器人的运动轨迹规划4.33.轨迹的生成方式运动轨迹的描述或生成有以下几种方式：（1）示教-再现运动。这种运动由人手把手示教机器人，定时记录各关节变量，得到沿路径运动时各关节的位移时间函数q(t)；再现时，按内存中记录的各点的值产生序列动作。（2）关节空间运动。这种运动直接在关节空间里进行。由于动力学参数及其极限值直接在关节空间里描述，所以用这种方式求最短时间运动很方便。（3）空间直线运动。这是