机器人课程总结

这种控制方式称为局部线性PD反馈控制，对于非线性多变量的机 器人动态性而言，可以证明该控制方法是有效的，其闭环系统的 平衡点qd达到渐进稳定。即当
t
q(t) qd
即经过无限长的时间，保证关节角度收敛于各自的目标值(global asymptotic stability)，机器人末端也收敛于位置目标。对工业机器 人而言，多数情况下用该种控制方法已足够。如MOTOMAN系列 机器人重复定位精度为±0.03mm。
工业机器人课程总结
一、机械结构 二、伺服驱动 三、传感器 四、机器人控制技术 五、轨迹规划与编程
硬件技术 软件技术
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一、机械结构
五种 类型
直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 关节型 SCARA型
六自由度的关节型应用最广泛
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6DOF机器人的机身、臂部、手腕的典型结构
U轴为肘关节：交流伺服电机---RV摆线针 轮传动减速器---小臂相对于大臂摆动。
L轴为肩关节：交流伺服电机---谐波齿 轮减速器---大臂相对于腰部摆动。
S轴为腰关节：交流伺服电机--RV摆线针轮传动减速器---机身回转 运动。
LL轴
U+
U轴
R轴 R+
B+ B轴
T+
U- R- B- T- T轴
L+
S-
S+
S轴
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应用的最多
主要用于喷涂作业
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总结：
目前各大工业机器人厂商提供的6 轴关节机器人结构从外观上看大同 小异，相差不大，从本质上来说， 其结构应该都是一致的，结构特点 如下：
由电池记忆而成为“绝对值”的，而并非每个位置有一一对应 的代码表示，因此也称为伪绝对值编码器。
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微硅陀螺仪
微硅陀螺仪（Micro-silicon gyroscope）是一 种新型的电子式陀螺仪（角速度传感器）， 可以检测移动平台绕车轴倾斜的角速度。
用微硅陀螺仪和电子倾角传感器的组 合构成姿态传感器，来检测机器人行 走过程中的运行姿态，在步行机器人、 平行双轮电动车等方面得到了广阔的 应用。
半闭环系统：其测量反馈信号是从驱动装置（常用伺服电机）或 从传动中端引出的，间接测量运动部件的移动量。误差补偿消除 传动环节的误差，机器人与数控机床中广泛应用。
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三、传感器技术 光电编码器/Encoder
旋转编码器
绝对式编码器/absolute encoder 增量式编码器/increasing encoder
第n关节伺服系统
第1轴 第i轴 第n轴
图 基于关节坐标的伺服控制系统框图
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作为一种简单的线性PD控制规律可表示为
KP (qd q(t)) KV q(t) G(q)
q (t)：关节角控制变量， q(t) [q1, q2 , , qn ]T
：关节驱动力， [1, 2 ,, n ]T
z
y
o0
x
运动学问题
y6 作业空间
z6 末端操作器的位姿
o6
x6
X [x,y,z,x ,y ,z ]
…
T-1 T
关节空间
一组关节变量
q [q1,q2 q6 ]
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关节速度、静力的求解
关节空间
雅雅雅雅
q= [q1, q2, …, qn]T
雅雅雅
τ= [τ1, τ2, …, τn]T
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增量式编码器 每转过一个单位，编码器就输出一个脉冲，故称之为增量式。 组成：多路光源、光敏元件、码盘。
沿码盘的径向均匀刻上透明和不透明的狭 缝。
光源：A相、B相、C相（Z） 其旋转方向的判别和脉冲数量 的增减需借助后部的判向电路 和计数器来实现。
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如何解决增量式编码器断电不能记忆问题？
答案：增加后备电池 ----伪绝对值编码器
液压驱动 气压驱动 电气驱动
3种基本类型
❖ 步进电机（Stepping Motor） ❖ 直流伺服电机（DC Servo Motor） ❖ 交流伺服电机（AC Servo Motor
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谐波齿轮减速器 交流伺服电机+
RV(Rot-Vector)摆线针轮传动减速器 最广泛
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单关节伺服系统----半闭环系统
h(q,-q-)--离心力和科氏力的向量；
B-----粘性摩擦系数矩阵；
G(q)---重力项的向量；
[1, 2 ,----,关 n节]驱T 动力向量。
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+
+
+
qdi
-
Kpi +
-
G(q) qi
Kvi
.
qi
i
第i轴
驱动器
Fra Baidu bibliotekqd1
目标值 （轨迹） qdi
的生成
第1关节伺服系统 第i关节伺服系统
qdn
J4 J3
J1、 J2和J3：3个基本轴---位置 J4、 J5和J6：3个辅助轴---姿态
J1、 J4和J6：3个回转轴 J2、 J3和J5：3个摆动轴
J2 J1
J5 J6
J4、 J5和J6:3轴轴线相交于一点； J2轴线前置； J3和J4轴线十字垂直，而不是平行，因J4轴电机要尽量后移。
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二、关节伺服驱动技术
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对于CP控制问题，即关节角目标值随着时间变化。这时机器人末端
的目标位置是随着时间变化的位置目标轨迹Xd(t) ，相应的关节角目 标值也成为随着时间变化的角度目标轨迹qd(t)，此时描述机器人全
部关节的伺服控制系统为：
(t) KP (qd (t) q(t)) Kv (qd (t) q(t)) G(q)
传感器
电池
控制器 电路
车 轮
电机 安全轮
驱 平动 台器
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六维力觉传感器
电阻应变片 式6维力和力 矩传感器
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视觉传感器
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四、机器人控制技术
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机器人控制系统的特点（与一般自动化设备比较）
机器人的动力学方程式
..
.
.
M (q) q h(q, q) b q G(q)
式中
M(q)----惯性矩阵； .
式称为轨迹追踪控制（Trajectory Tracking Control）的力矩方程式。
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机器人位姿、速度、静力计算----理论推导部分 机器人空间位置、姿态的计算
姿态 位置
nx ox ax px
T60
T1T2T3T4T5T6
ny
nz 0
oy oz 0
ay az 0
p
y
pz 1
齐次坐标变换矩阵Ti的计算 按D-H参数法进行。
KP为位置反馈增益矩阵，KP=diag(kpi)，其中kpi为第i轴的位置反馈增 益；KV为速度反馈增益矩阵，KV=diag(kvi)，其中kvi为第i轴的速度反 馈增益；G(q)为重力项补偿。
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这种关节伺服系统把每一个关节作为单纯的单输入单输出系统来 处理，所以结构简单，现在的工业机器人大部分都由这种关节伺 服系统来控制。