3章 控制系统与运动控制

工业机器人控制器

分类:按开放程度,体系结构分类

集中式控制器vs 分布式控制器,原理,比较

 

集中式控制

分布式控制

原理

 

“分散控制,集中管理,为一个开放、实时、精确的机器人控制系统。常采用两级控制方式,由上位机和下位机组成。

优点

硬件成本较低,便于信息的采集和分析,易于实现系统的最优控制,整体性与协调性较好,基于PC 的系统硬件扩展较为方便。

系统灵活性好,控制系统的危险性降低,采用多处理器的分散控制,有利于系统功能的并行执行,提高系统的处理效率,缩短响应时间。

缺点

系统控制缺乏灵活性,控制危险容易集中,一旦出现故障,其影响面广,后果严重;大量数据计算,会降低系统实时性,系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突;系统连线复杂,会降低系统的可靠性。

 

伺服控制的接口形式:脉冲vs 总线,优缺点比较

  • 伺服控制的接口形式
    • 模拟量:多数是要求高速高精度,准确轨迹跟踪等场合。
    • 脉冲/方向式:低成本。缺点是丢步,抗干扰差,同步性靠运气。
    • 总线式: EtherCAT, SERCOS, ProfiBus, ModBus等。优点是接线简单,轴数越多总线控制越方便;高实时高可靠,系统冗余性好。缺点是系统复杂,成本高。

工业机器人的运动控制

正运动学vs 逆运动学;PTP vs CP;插补的概念

正运动学问题:己知各关节角矢量,求末端执行器相对于参考坐标系的位姿,称之为正向运动学(运动学正解或Where 问题),机器人示教时,机器人控制器即逐点进行运动学正解运算。

逆运动学问题:已知末端执行器在参考坐标系中的初始位姿和目标(期望)位姿,求各关节角矢量,称之为逆向运动学(运动学逆解或How 问题),机器人再现时,机器人控制器即逐点进行运动学逆解运算,并将矢量分解到操作机各关节。

点位运动Point to Point, PTP):PTP 运动只关心机器人末端执行器运动的起点和目标点位姿,不关心这两点之间的运动轨迹。

连续路径运动Continuous Path, CP):CP 运动不仅关心机器人末端执行器达到目标点的精度,而且必须保证机器人能沿所期望的轨迹在一定精度范围内重复运动。

关系CP 运动的实现是以PTP运动为基础,通过在相邻两点之间采用满足精度要求的直线或圆弧轨迹插补运算即可实现轨迹的连续化。

PTP

仅保证路径点的位姿精度,控制方法简单,运动速度较快,多用于点焊、物料搬运以及机器人的空行程运动等。

CP

机器人可按规定的速度、规定的路线实现平稳而正确的运动,能够保证所规划的路径上各点的位姿精度,运动平稳,但控制方式相对复杂。多用于弧焊、切割等作业。

 

插补的概念(不确定是不是写这句即可):机器人再现时主控制器(上位机)从存储器中逐点取出各示教点空间位姿坐标值,通过对其进行直线或圆弧或插补运算,生成相应路径规划,然后把各插补点的位姿坐标值通过运动学逆解运算转换成关节角度值,分送机器人各关节或关节控制器(下位机)。

经典的机器人三环控制结构,前馈控制

  • 工业机器人的控制形式(有无反馈)
    • 开环控制:机器人模型不完全,存在噪声、干扰等问题,导致控制精度不高。
    • 闭环控制:需要关节传感器提供位移、速度乃至加速度反馈信号。

 

  • 工业机器人的控制方法
    • 位置控制
    • 速度控制
    • 电流控制,力/力矩控制
    • /位混合控制

  • 经典工业机器人控制环构成:
    • 机器人单轴操作臂的三环(位置、速度、电流)结构,每个环的控制律均采用PID控制完成,且参数已经调定。但一般来说电流环不对外开放,操作人员通常通过示教盒进行位置环控制,或者将位置和速度环合在一起设计相应的控制律。
    • 位置控制是工业机器人的基本控制任务。关节控制器(下位机)是执行计算机,负责伺服电机的闭环控制及实现所有关节的动作协调。

前馈控制:当机器人处于高速运动时,位置、速度反馈的精度大幅降低,此时通过前馈补偿提高跟踪精度。其他非线性项(例如重力、摩擦也可以按照类似方式进行补偿)。

  • 工业机器人控制任务的分类(按期望的控制量)
    • 位置控制:高刚性,或者无接触约束,例如CP控制(弧焊、喷涂等)PTP控制(点焊、搬运、码垛等)
    • (或力位混合)控制:柔性控制,有接触约束,例如打磨去毛刺、切割、轴-孔装配、擦玻璃等任务

4章 手动操作和示教再现

运动轴和坐标系

运动轴定义和分类

本体轴:机器人操作机(本体)的轴,属于机器人本身。

附加轴(工装轴):使被加工工件移动、转动至合适位姿,辅助机器人保持良好的末端执行器姿态。

附加轴(基座轴):模仿人的腿部动作,拓展操作臂的工作空间,实现其在多工位或多设备之间的来回穿梭作业。

应用系统坐标系定义,运动链,任务流程

常见的工业机器人系统坐标系

坐标系名称

坐标系描述

世界坐标系{W}

又称为绝对坐标系、大地坐标系,它是与机器人的运动无关,以地球为参照系的固定坐标系。

移动平台坐标系{M}

参照移动平台某一部件的坐标系。

机座坐标系{B}

又称为基坐标系,参照机座安装面的坐标系,商用工业机器人系统里所说的直角坐标系指的就是机座坐标系。

关节坐标系{J}

参照关节轴的坐标系,每个关节坐标是相对于前一个关节坐标或其它某坐标系来定义的

机械接口坐标系{I}

参照机器人本体末端机械接口的坐标系。

工具坐标系{T}

参照安装在机械接口上的工具或末端执行器的坐标系,它是相对于机械接口坐标系来定义的。

工作台坐标系{G}

参照机器人周边工作台、转台、输送带或托盘等的坐标系。

工件坐标系{U}

又称为目标坐标系,参照某一工件的坐标系。

手动操作

移动方式:点动vs. 连续运动,两者应用场合

手动操作的移动方式

定义

应用场合

点动

(即增量点动)

点动机器人就是点按/ 微动【轴操作键】来移动机器人手臂的方式。每点按或微动【轴操作键】一次机器人移动一段距离。

主要用在示教时离目标位置较近的场合,为精细调整

连续运动

(即连续点动)

连续移动机器人则是长按/ 拨动【轴操作键】来移动机器人手臂的方式。

主要用在示教时离目标位置较远的场合,为粗调整。

 

TCP的设定,六点法标定步骤

TCP的触碰标定方法分类

外部基准标定法

只需要使工具对准某一测定好的外部基准点,便可完成标定,标定过程快捷简便。但这类标定方法依赖于机器人外部基准。

多点标定法

TCP 位置标定

使几个标定点TCP 位置重合,从而计算出TCP ,如四点法(又称为定点变姿方法)。

TCF 姿态标定

使几个标定点之间具有特殊的方位关系,从而计算出工具坐标系相对于末端关节坐标系的姿态,如五点法、六点法。

 

TCP 六点法操作步骤

1 )在机器人动作范围内找一个精确的固定点作为参考点。

2 )在工具上确定一个参考点(最好是工具中心点TCP )。

3 )移动工具参考点,以四种不同的工具姿态尽可能与固定点刚好碰上。注意第4个点需要垂直于固定点。

4 )机器人控制柜通过前4 个点的位置数据即可计算出TCP 的位置,通过后2 个点即可确定TCP 的姿态。

5 )根据实际情况设定工具的质量和重心位置数据。

1 六点法TCP 标定过程

注意

1 )TCP 标定操作要以次轴(腕部轴)为主;

2 )在参考点附近要降低速度,以免相撞;

3 )TCP 标定后,可通过在关节坐标系以外的坐标系中进行控制点不变动作检验标定效果。

示教操作基础

编程方式:示教,离线编程,智能编程。概念

三种编程方式与三代工业机器人技术相对应!

编程语言:动作级,对象级,任务级。概念。区别

1)动作级:以机器人末端执行器的动作为中心来描述各种操作,要在程序中说明每个动作。这是一种最基本的描述方式;

2)对象级:允许较粗略地描述操作对象的动作、操作对象之间的关系等。使用这种语言时,必须明确地描述操作对象之间的关系和机器人与操作对象之间的关系,它特别适用于组装作业;

3)任务级:只要直接指定操作内容即可,为此,机器人必须一边思考一边工作。这是一种水平很高的机器人程序语言。

目前大部分商用机器人的编程语言为动作级的,且各家机器人语言均不统一(但基本相似),而对象级和任务级尚处于实验室研究阶段,或者仅针对特定应用。

示教和再现的概念,示教三要素

示教”:也称导引,即由操作者直接或间接导引机器人,一步步按实际作业要求告知机器人应该完成的动作和作业的具体内容,机器人在导引过程中以程序的形式将其记忆下来,并存储在机器人控制装置内;

再现”:通过存储内容的回放,机器人就能在一定精度范围内按照程序展现所示教的动作和赋予的作业内容程序是把机器人的作业内容用机器人语言加以描述的文件,用于保存示教操作中产生的示教数据和机器人指令。

    • 示教的三要素:
    • 运动轨迹:
      • 从运动方式分类:
        • 点到点(PTP)运动
        • 连续路径(CP)运动:直线、圆弧两种路径,任意复杂路径均可由直线和圆弧组合而成
      • 作业条件(工艺条件)
      • 作业顺序(动作次序)

三种插补方式,区别

示教点的五个属性,具体定义

  • 示教点(或称程序点)的属性
    • 位置坐标:描述机器人TCP 6 个自由度(3 个平动自由度和3 个转动自由度)
    • 插补方式:机器人再现时从前一程序点移动到当前程序点的动作类型
    • 再现速度:机器人再现时,从前一程序点移动到当前程序点的速度
    • 空走点:从当前程序点移动到下一程序点的整个过程不需要实施作业,用于示教除作业开始点和作业中间点之外的程序点。
    • 作业点:从当前程序点移动到下一程序点的整个过程需要实施作业,用于作业开始点和作业中间点。空走点和作业点决定从当前程序点移动到下一程序点是否实施作业。

示教器示教再现操作

示教步骤实例(重点是示教点定义和插补方式)

步骤1:示教前的准备

步骤2:新建作业程序

步骤3:程序点的登录

步骤4:设定作业条件

步骤5:检查试运行

步骤6:再现施焊

示教新技术

牵引示教概念,局限性

手把手示教:又称人工牵引示教(也称直接示教或手把手示教)。即由操作人员牵引装有力-力矩传感器的机器人末端执行器对工件实施作业,机器人实时记录整个示教轨迹与工艺参数,然后根据这些在线参数就能准确再现整个作业过程。

局限性:精度,传感器成本,示教工件尺寸的限制等等。

遥操作示教概念,主从式,(了解)三种遥操作方式,问题