工业机器人组成及工作原理..

±（0.05~1) ±1
±0.1~ ±3 2
±(0.01 ±(0.01 ~0.5) ~0.5)
• 分辨率
是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。
精度和分辨率不一定相关。
实
际
位
置 给定位置
反馈尺
重复 精度 精度
TBRU 分辨率
分辨率、精度、重复精度的关系
1.3 工业机器人控制技术综述
点上的姿态，通常总称为位姿（POSE）。
• 时间信息：各顺序动作所需时间，即机器人完成各 个动作的速度。
二、工业机器人的技术参数
表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、 运动精度、运动特性、动态特性等。 (1)工作空间（Work space） 工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定 条件下所能到达空间的位置集合。工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力 的大小。理解机器人的工作空间时，要注意以下几点： (2)有效负载(Payload) 有效负载是指机器人操作机在工作时臂端可能搬运 的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。 (3)运动精度(Accurucy) 机器人机械系统的精度主要涉及位姿精度、重复 位姿精度、轨迹精度、重复轨迹精度等。 (4)运动特性（Sped） 速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。 (5)动态特性 结构动态参数主要包括质量、惯性矩、刚度、阻尼系数、固 有频率和振动模态。
例：库卡工业机器人控制器KRC4
KRC4性能参数： 全部采用总线形式 处理器库卡(工业)PC（2.6GHZ ） 操作系统微软WINDOWS XP 控制轴数8个 AC伺服马达驱动 与外围设备通讯接口: Profinet, Profibus,Interbus,EtherCAT, Ethernet 编程及控制库卡SmartPAD
• Others
机器人的位置控制
1．机器人位置控制任务分类：
点位控制－PTP（Point to Point）：只考虑起始点 和目的点的位置，而不考虑两点之间的移动路径的 控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等； 连续路径控制－CP（Continuous Path）：不但要 求机器人以一定的精度到达目标点，而且对其移动 的轨迹形式有一定精度范围的要求。 （如弧焊、喷 漆机器人）
工业机器人通常远离人，当人进入其工作范围，会造成意外伤害
与人交互需求
• 安全性是第一位的
从仿人的角度
• 变刚度
人体关节构造
• 前臂肘关节
仿生机器人关节
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示教再现
– 示教－再现 即分为示教－存储－再现-操作四步进行。
• 示教：方式有两种：(1) 直接示教－手把手；
(2) 间接示教－示教盒控制。
• 存储：保存示教信息。 • 再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发 出重复动作的命令。

控制信息 • 顺序信息：各种动作单元（包括机械手和外围设备） 按动作先后顺序的设定、检测等。 • 位置信息：作业之间各点的坐标值，包括手爪在该
最常用的评价标准就是输入与输出（期望的输出 与实际输出）之间的偏差
例如：
• 按照期望控制量分为：位置控制和力控制
单关节位置控制（位置反馈，速度反馈，加速度反馈） 位置控制 多关节位置控制 集中控制 (centralized control) 分解运动控制（decentralized control）
●S 轴（回旋） ●L 轴（下臂倾动） ●U 轴（上臂倾动） ●R 轴（手臂横摆） ●B 轴（手腕俯仰） ●T 轴（手腕回旋）
机器人关节
？
机器人控制器
控制器是根据指令以及传感器信息控制机器人完成一定动作或作业任务的 装置，是决定机器人功能和性能的主要因素，也是机器人系统中更新和发展 最快的部分。 其基本功能有：示教、记忆、位置伺服、坐标设定。 开发程度：封闭型、开放性和混合型。 【目前基本上都是封闭型系统（如日系）或混合型系统（如欧系）】 控制方式：集中式控制和分布式控制。
集中式控制系统结构
？ ？ ？
组织层 (作业控制) 协调层 (运动控制) 执行层 (驱动控制)
工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。一般情况下，对于交流伺服 驱动器，可通过对其内部功能参数进行设定而实现位置控制、速度控制、转矩控制等多种功能。
分布式控制系统结构
如果被控对象的模型能够精确知道，但模型是 变化的，怎么办？
如果模型的变化是可以 预测的
如果模型的变化是可 以实时辩识的
辨识器
X
1/ P（T）
P（T）
Y
X
1/ P（T）
P（T）
Y
开环预测控制
开环辨识控制
被控对象的特性（数学模型）不能完全确定或完全不能 确定的情况下，怎么办？
以被控对象的实际输出构成某种评价标准来修正控制 器的输入信号，以使对象的输出接近期望值----闭环反 馈控制
特点：直接力控制具有力回路，直接控制期望力
间接力控制
• 分类：主动柔顺-阻抗控制；被动柔顺-变刚度
特点：间接力控制（阻抗控制、力/位混合控制） 【通过控制位置实现力控制，没有明确的力回路】
阻抗控制分类
区别在内环
被动柔顺控制
• 目的：基于安全性考虑 • 阿西莫夫三定律：
1950年,美国作家埃萨克· 阿西莫夫在科幻小说《I，Robot》中首 次使用了“Robotics” ，即“机器人学”。阿西莫夫提出了 “机器人三定律”： 1）机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观； 2）机器人应遵守人类Βιβλιοθήκη Baidu命令，与第一条违背的命令除外； 3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。
（Direct force control）
PID控制
主动柔顺 （阻抗控制）
分类
间接力控制
（Indirect force control）
被动柔顺（变刚度）
为什么采用力控制 ？
轴孔配合
形状适应性
接触碰撞
直接力控制
• 作用：实现机器人与环境作用力的精确控制 • 实例：力的PI控制方法
o
o
精度和重复精度，哪个重要
• 精度
？
机器人到达指定点的精确程度（与驱动和传感的分辨 率有关）。 （可预测可校正）
• 重复精度
机器人动作重复多次，到达同样位置的精确程度。 （随机误差的范围，无法消除）
任务 重复 性 机床上下 料 冲床上下料 点焊 ±1 模锻 喷漆 装配 测量 弧焊 ±(0.2~ 0.5)
“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运 动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器， 起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去 完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵 活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。
“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以 到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机 器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。 “自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方 式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自 主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。
• 系统组成
例：电装（DENSO）机械手
感知系统
1
感受系统由内部传感器 模块和外部传感器模块 组成, 用以获取内部和 外部环境状态中有意义 的信息。
4
对于一些特殊的信息, 传 感器比人类的感受系统 更有效。
2
智能传感器的使用提高 了机器人的机动性、适 应性和智能化的水准。 智能传感器的使用提高了 机器人的机动性、适应性 和智能化的水准。
工业机器人组成与工作原理（控制概述）
1.1 工业机器人的基本组成
1.2 工业机器人工作原理与技术参数
1.3 工业机器人控制技术综述
工业机器人控制系统
1.1 工业机器人的基本组成
主要由机器人本体、控制器、示教器三大部件组成
六轴垂直多关节机器人
R轴
B轴
T轴
U轴
L轴 S轴
Motoman工业机器人
机械结构简图
3
1.2 工业机器人工作原理与技术参数
一、机器人的工作原理
机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。简单地说，机器人 的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。从 控制的角度，机器人可以通过如下四种方式来达到这一目标。 “示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方 式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器 人就按照记忆周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。
直接力控制 （direct force control） 力控制 阻抗控制 (impedance control) 力位混合控制 (Hybrid force/Motion control)
智能化的控制方式
• • • • • • 模糊控制(fuzzy control ) 自适应控制（ adaptive control ） 最优控制(optimal control) 神经网络控制(neuro control ) 模糊神经网络控制 专家控制(expert control)
控制的目的 是使被控对象产生控制者所期望的行为方式 控制的基本条件 是了解被控对象的特性 控制的实质 是对驱动器输出力矩的控制
？ ？ ？
输入X
被控对象的模型 目 输入X 的 输出Y
输出Y
机器人控制的两个问题：
1）求机器人的动态模型（动力学问题） 2）根据动态模型设计控制规律
机器人技术与控制学科的关系
定位精度（Positioning accuracy）：指 机器人末端参考点实际到达的位置与 所需要到达的理想位置之间的差距。
可以用精密度、正确度、和准确度三个参数来衡量。 重复性（ Repeatability ）或重复精度：
指机器人重复到达某一目标位置 的差异程度。或 在相同的位置指令
下，机器人连续重复若干次其位置的 分散情况。它是衡量一列误差值的密 集程度，即重复度。
2. 位置控制方法：
关节空间控制结构 直角坐标空间控制结构
机器人的力控制
• 力控制简介 • 直接力控制（Direct force control） • 间接力控制（Indirect force control）
1.力控制简介
• 目的: 控制机器人各关节使其末端表现出一定 的力或力矩特性。
直接力控制