机器人控制系统.ppt
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1、1工业机器人电气控制系统机器人控制系统的基本结构机器人控制系统的基本结构2控制系统的关键组成部件控制系统的关键组成部件3控制系统硬件设计控制系统硬件设计4机器人控制特点及控制方法机器人控制特点及控制方法1控制系统软件设计控制系统软件设计52一、机器人控制系统的特点 1)机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关:坐标变换、运动学正逆问题、惯性力等影响2)机器人控制系统是多变量自动控制系统:机器人至少3-5个自由度,每个自由度一个伺服机构,这些独立的伺服系统有机地协调起来,完成期望动作 3)机器人控制系统是非线性的控制系统:描述机器人状态和运动的数学模型随状态和外力的变化,其参数也在变化,各变量之
2、间还 存在耦合,经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法 4)机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成,因而存在 一个“最优”的问题。智能机器人可以根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况,自动地选择最佳的控制规律 机器人控制特点3二、机器人的控制方式 、按有无反馈信号 开环控制:利用机械装置 闭环控制:利用传感器信号 、按控制目标对象 I、位置控制 点位控制:要求准确地控制机器人末端执行器的工作位置,而路径却无关紧要,如在印刷电路板上安插元 件、点焊、装配等工作。连续轨迹控制:要求机器人末端执行器按照示教的轨 迹和速度运行,如弧焊、喷漆、抛光等作业。II、力控制:输入量、反
3、馈信号为力(力矩)信号,控制与位置控制基本相同。III、其它控制:基于传感器的控制、非线形控制、分解加速度控制、滑模控制、最优控制、自适应控制、递阶控制及各种智能控制。机器人控制特点4三、主要控制变量 对一台机器人的控制,本质上就是对下列双向方程式的控制:其中:为末端执行装置的状态,包括位置、姿态和开闭状态等为关节变量 为作用在各关节上的力矩矢量为各传动电动机的力矩矢量,经过变送器送到各个关节为施加在电动机上的电流或电压矢量至机器人控制特点5四、机器人控制层级、第一级:人工智能级(最高级)处于研究阶段 问题:词汇和自然语言理解、规划、任务描述,构造、第二级:控制模式级 建立 之间的双向关系,可
4、建立四种模型:问题:I、无法知道如何正确地建立各连接部分的机械误差,如干摩擦和关节的扰性等。II、即使能够考虑这些误差,但其模型将包含数以千计的参数,而且处理机将无法以适当的速度执行所有必须的在线操作。III、控制对模型变换的响应:模型越复杂,对模型的变换就越困难,尤其是模型具有非线性时,困难将更大。关节式机械系统的机器人模型任务空间内的关节变量与被控制值间的关系模型实际空间内的机器人模型传动装置模型机器人控制特点6、第三级:伺服系统级 研究机器人的一般实际问题 解决下列问题:系统组成:伺服执行元件(电动机)、伺服运动控制器、伺服驱动器(功率放大器)、运动特性(位置、速度、加速度)检测元件 主
5、要类型:数字控制伺服系统 基本控制算法:PID控制器,原理简单、易于实现、鲁棒性强、适应面广机器人控制特点7四、机器人控制原则 机器人控制特点机器人的伺服控制系统:机构简单、机械强度高、速度快液压缸伺服传动系统8电液压伺服控制系统机器人控制特点9机器人的伺服控制系统机器人控制特点10直流传动系统的建模传递函数与等效方框图励磁控制J总转动惯量,F总粘滞摩擦系数,K总反馈系数一、位置控制5.1.2 控制方法11假设K=0,则励磁控制(续)电枢控制5.1.2 控制方法12电枢控制(续)假设K=0,则+5.1.2 控制方法13励磁控制下的电机转速调整5.1.2 控制方法14基于直角坐标的PID控制5.
6、1.2 控制方法在PID控制的名称中,P指proportional(比例),I指integral(积分),D指derivative(微分),这意味着可利用偏差,偏差的积分值,偏差的微分值来控制。如果用e=(r-y)表示偏差,则PID控制变为:离散形式为15PID控制器的三个参数有不同的控制作用。(3)微分控制D规律能反映输入信号的变化趋势,相对比例控制规律而言具有预见性,增加了系统的阻尼程度,有助于减少超调量,克服振荡,使系统趋于稳定,加快系统的跟踪速度,但对输入信号的噪声很敏感。(1)P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中,增大kP可加快响应速度,但过大容易出现振荡;(2)积
7、分控制器I能消除或减弱稳态偏差,但它的存在会使系统到达稳态的时间变长,限制系统的快速性;5.1.2 控制方法16单关节位置控制器单关节位置控制器的基本控制结构5.1.2 控制方法17二、速度控制分解运动的速度控制 机器人运动的控制实际上是通过各轴伺服系统分别控制来实现的 分解运动的速度控制要求各伺服系统的驱动器以不同的分速度同时联合运行,能保证机器人末端执行器沿笛卡儿坐标轴稳定地运行。控制时先把末端执行器期望的笛卡儿位姿分解为各关节的期望速度,然后再对各关节进行伺服控制 轨迹生成伺服控制将机器人末端的运动分解为各关节的运动由求出5.1.2 控制方法18三、力控制 力控制就是把力偏差信号加至位置
8、伺服环。对于如下轴孔装配的作业任务:若装配误差在公差范围以外,位置控制则无法完成正常装配,此时机器人如果能检测到手爪的受力情况,主动或被动地调整位置从而完成作业 通常力控制和位置控制一起构成位置/力混合控制或速度/力混合控制,将力偏差信号送至控制器的位置伺服环和速度伺服环,以便适应因作业结构而产生的位置约束。5.1.2 控制方法19 、被动柔顺方式:利用机械装置(弹簧、低横向刚度结构)自身的弹性来避免作业过程中的堵塞与咬合等情况发生,使柔顺中心移至工件末端(柔顺中 心:若力施与该点,则产生纯平移;若纯力矩施与该点,则产生纯旋转)特点:结构简单、反应灵敏、但位姿调整范围有限、主动柔顺方式:根据运
9、行过程中的实际约束情况,调整机器人的结构应力,从而通过改变刚性来适应变化作业过程。J 为机械手末端执行装置的雅可比矩阵;Kp 为定义于末端笛卡儿坐标系的刚性对角矩阵(刚度),其元素由人为确定。将任务空间力变换为关节力矩矢量。如果希望在某个方向上遇到实际约束,那么这个方向的刚性应当降低,以保证有较低的结构应力;反之,在某些不希望碰到实际约束的方向上,应加大刚性,这样可使机械手紧紧跟随期望轨迹。于是就能够通过改变刚性来适应变化的作业要求。三、力控制5.1.2 控制方法205.2 机器人控制系统的基本结构机器人控制系统的基本结构机器人单元技术特点及先进性机器人控制系统的基本结构工业机器人控制系统构成
10、方案比较分析21机器人单元技术特点及先进性22机器人控制系统的基本结构机器人控制系统的基本结构从基本机构上看一个典型的机器人电气控制系统,主从基本机构上看一个典型的机器人电气控制系统,主要由要由上位计算机上位计算机、运动控制器运动控制器、驱动器驱动器、电动机电动机、执执行机构行机构和和反馈装置反馈装置构成。构成。23工业机器人控制系统构成方案比较工业机器人控制系统构成方案比较n基于PLC的运动控制n基于PC+运动控制卡的运动控制n纯PC机控制24工业机器人控制系统构成方案比较工业机器人控制系统构成方案比较基于基于PLCPLC的运动控制的运动控制PLC进行运动控制有两种:1、利用PLC的某些输出
11、端口使用脉冲输出指令来产生脉冲驱动电机,同时使用通用I/O或者计数部件来实现电机的闭环位置控制;2、使用PLC外部扩展的位置模块来进行电机的闭环位置控制25工业机器人控制系统构成方案比较工业机器人控制系统构成方案比较基于基于PLCPLC的运动控制的运动控制26工业机器人控制系统构成方案比较工业机器人控制系统构成方案比较基于基于PC+PC+运动控制卡的运动控制运动控制卡的运动控制27工业机器人控制系统构成方案比较工业机器人控制系统构成方案比较单纯的单纯的PCPC控制控制完全采用PC机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
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