工业机器人技术基础-第四章-工业机器人驱动控制系统.ppt

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,工业机器人驱动控制系统,第一节：

工业机器人驱动系统,驱动系统,驱动系统是驱使工业机器人机械臂运动的机构。

它按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相当于人的肌肉、筋络。

工业机器人的驱动系统包括和传动机构和驱动装置两部分，他们通常与执行机构连成机器人本体。

传动机构,驱动装置,传动机构,机器人主要的传动机构如图3-1所示，机构主要组成有：

减速器，滚珠丝杠，链、带以及各种齿轮系。

目前工业机器人广泛采用的机械传动机构是减速器，应用在关节型机器人上的减速器主要有两类：

RV减速器和谐波减速器。

一般将RV减速器放置在基座、腰部、大臂等重载荷的位置（主要用于20kg以上的机器人关节）；将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部等轻载荷的位置（主要用于20kg以下的机器关节）。

此外，机器人还采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。

传动机构,传动机构,

（一）谐波减速器通常由3个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承的波发生器，在这3个基本结构中可任意固定一个，其余一个为主动件一个从动件，如图3-2所示。

传动机构,

（二）RV减速器RV减速器如图3-3所示，主要由太阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线轮（RV齿轮）、针齿、刚性盘与输出盘等零部件组成。

它具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，回差精度稳定，高精度机器人传动多采用RV减速器。

传动机构,驱动装置,工业机器人常用的驱动装置有液压驱动装置、气动驱动装置和电动驱动装置三种基本类型。

早期的机械手和机器人中，其操作机多应用连杆机构中的导杆、滑块、曲柄，多采用液压（气压）活塞缸（或回转缸）来实现其直线和旋转运动。

随着控制技术的发展，对机器人操作机各部分动作要求的不断提高，电动驱动在机器人中应用日益广泛。

目前，除个别运动精度不高、重载荷或有防爆要求的机器人采用电液、气动驱动外，工业机器人大多采用电动驱动，而其中属交流伺服电机应用最广，且驱动器布置大多采用一个关节一个驱动器。

驱动装置,

（一）液压驱动装置如图3-4所示是液压驱动装置的组成示意图，它有液压源、驱动器、伺服阀、传感器和控制器等组成。

采用液压驱动的工业机器人，具有点位控制和连续轨迹控制功能，并具有防爆性能。

驱动装置,液压驱动装置的工作特点：

（1）在系统的输出和输入之间存在反馈连接，从而组成闭环控制系统。

（2）系统的主反馈是负反馈。

（3）系统的输入信号的功率很小，而系统的输出功率可以达到很大。

驱动装置,

（二）气动驱动装置气动驱动装置与液压驱动装置相似，传动介质不同，利用气体的抗挤压力来实现力的传递。

气压驱动回路主要由气源装置、执行元件、控制元件及辅助元件四部分组成。

气动驱动装置多用于两位式或有限点位控制的工业机器人，如冲压机器人，作为装配机器人的气动夹具，用于点焊等较大型通用机器人的气动平衡。

机器人气动驱动装置结构框图如图3-6所示。

驱动装置,驱动装置,（三）电动驱动装置电动驱动是利用各种电动机产生的力和力矩，直接或经过减速机构驱动机器人的关节，以获得所要求的位置、速度和加速度的驱动方法。

电动驱动包括驱动器和电动机两部分。

对于电动驱动，第一个解决的问题是，如何让电动机根据要求转动，一般由专门的控制卡和控制芯片来进行控制，将微控制器和控制卡连接起来，就可以用程序来控制电动机，第二个要解决的问题是，控制控制电动机的速度，主要表现在机器人各关节部件实际运动速度。

驱动装置,驱动装置,（四）新型驱动装置1.压电驱动装置压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称为正压电效应）；反之，施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。

压电驱动器是利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，实现微量位移的执行装置。

压电材料具有很多优点：

易于微型化、控制方便、低压驱动、对环境影响小以及无电磁干扰等。

驱动装置,2.形状记忆合金驱动装置形状记忆合金是一种特殊的合金，一旦使它记忆了任何形状，即使产生变形，但当加热到某一适当温度时，它就能恢复到变形前的形状。

利用这种驱动器的技术即为形状记忆合金驱动技术。

3.超声波电动机驱动装置超声波电机（UltrasonicMotor，简称为USM），是20世纪80年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置，它利用压电材料的逆压电效应，将电能转换为弹性体的超声振动，并将摩擦传动转换成运动体的回转或直线运动，超声波电动机驱动装置是指应用这种超声波电机的装置。

驱动装置,4.人工肌肉驱动装置随着机器人技术的发展，驱动器从传统的电机-减速器的机械运动方式，发展为骨架-腱-肌肉的生物运动方式。

为了使机器人手臂能完成比较柔顺的作业任务，实现骨骼-肌肉的部分功能而研制的驱动装置称为人工肌肉驱动器。

归纳总结,传动机构,驱动装置,第二节：

工业机器人控制系统,控制系统,控制系统是通过对驱动系统的控制，使执行机构按照规定的要求进行工作。

一般由控制计算机和伺服控制器组成。

控制计算机发出指令，协调各关节驱动器之间的运动，同时还要完成编程、示教/再现，以及和其他环境状态（传感器信息），工艺要求，外部相关设备（如电焊机）之间的信息传递和协调工作，伺服控制各个关节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度和位置要求进行运动。

控制系统的特点,控制系统的分类,控制系统的主要功能,控制系统的组成,工业机器人的控制方式,控制系统的特点,控制系统是工业机器人的重要组成部分，它的机能类似于人脑。

工业机器人要与外围设备协调动作，共同完成作业任务，就必须具备一个功能完善、灵敏可靠的控制系统。

工业机器人的控制系统总体来讲可以分为两大部分：

一部分是对其自身运动的控制，另一部分是工业机器人与其周边设备的协调控制。

工业机器人控制研究的重点是对其自身的控制。

控制系统的特点,工业机器人控制系统的主要任务是控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等项目，其中有些项目的控制是非常复杂的，这就决定了工业机器人的控制系统应具有以下特点：

（1）是传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统则更着重本体与操作对象的相互关系。

（2）是工业机器人的控制与其机构运动学和动力学有密不可分的关系，因而要使工业机器人的臂、腕及末端执行器等部位在空间具有准确无误的位姿，就必须在不同的坐标系中描述它们，并且随着基准坐标系的不同而要做适当的坐标变换，同时要经常求解运动学和动力学问题。

控制系统的特点,（3）是描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，因此随着工业机器人的运动环境的改变，其参数也在改变。

又因为工业机器人往往具有多个自由度，所以引起运动变化的变量不止一个，而且各个变量之间一般都存在耦合问题，这就使得工业机器人的控制系统不仅是一个非线性系统，而且是一个多变量系统，（4）是工业机器人还有一种特有的控制方式示教再现控制方式。

总之，工业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。

控制系统的分类,工业机器人控制结构的选择，是由工业机器人所执行的任务决定的，对不同类型的机器人已经发展了不同的控制综合方法。

工业机器人控制系统的分类，没有统一的标准。

（1）按运动坐标控制的方式来分：

有关节空间运动控制、直角坐标空间运动控制。

（2）按控制系统对工作环境变化的适应程度来分：

有程序控制系统、适应性控制系统、人工智能控制系统。

（3）按同时控制机器人数目的多少来分：

可分为单控系统、群控系统。

（4）按作业任务的不同来分：

可分为点位控制方式、连续轨迹控制方式、力（力矩）控制方式和智能控制方式等。

控制系统的主要功能,机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下：

1、记忆功能：

存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。

2、示教功能：

离线编程，在线示教，间接示教。

在线示教包括示教器和导引示教两种。

3、与外围设备联系功能：

输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。

4、坐标设置功能：

有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。

5、人机接口：

示教器、操作面板、显示屏。

控制系统的主要功能,6、传感器接口：

位置检测、视觉、触觉、力觉等。

7、位置伺服功能：

机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。

8、故障诊断安全保护功能：

运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。

控制系统的组成,1、控制计算机：

控制系统的调度指挥机构。

一般为微型机、微处理器有32位、64位等如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。

2、示教器：

示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。

3、操作面板：

由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。

4、硬盘和软盘存储存：

储机器人工作程序的外围存储器。

5、数字和模拟量输入输出：

各种状态和控制命令的输入或输出。

控制系统的组成,6、打印机接口：

记录需要输出的各种信息。

7、传感器接口：

用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。

8、轴控制器：

完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。

9、辅助设备控制：

用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。

10、通信接口：

实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。

11、网络接口,控制系统的组成,工业机器人的控制方式,工业机器人的控制方式有多种多样，根据作业任务的不同，主要可分为点位控制方式（PTP）、连续轨迹控制方式、力（力矩）控制方式和智能控制方式等。

工业机器人的控制方式,

（一）点位控制方式点位控制方式又称PTP控制，其特点是只控制工业机器人末端执行器在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。

控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻个点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹（包括移动的路径和运动的姿态）则不作任何规定，如图311（a）所示。

这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需时间。

由于其具有控制方式易于实现、定位精度要求不宜过高的特点，因而常被应用在上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求目标点处保持末端执行器位姿准确的作业中。

工业机器人的控制方式,

（二）连续轨迹控制方式连续轨迹控制又称CP控制，其特点是连续控制工业机器人末端执行器在作业空间中的位置，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳，以完成作业任务。

工业机器人各关节连续、同步地进行相应的运动，期末端执行器即可形成连续的轨迹，如图312（b）所示。

工业机器人的控制方式,这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端执行器位势的轨迹跟踪精度及平稳性。

通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人都采用这种控制方式。

（三）力（力矩）控制方式在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力或力矩控制方式。

这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号，所以，系统中必须有力（力矩）传感器。

工业机器人的控制方式,（四）智能控制方式机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部和知识库做出相应的决策。

采用智能控制技术，机器人就能具有较强的环境适应性及自觉能力。

智能控制技术的发展依靠于近年来人工神经网络、基因算法、遗传算法等人工智能技术的迅速发展。

归纳总结,控制系统的特点,控制系统的分类,控制系统的主要功能,控制系统的组成,工业机器人的控制方式,第三节：

工业机器人人机交互系统,认识和使用示教器,对于前者，人们借助键盘，鼠标，操纵杆，数据服装，眼动跟踪器，位置跟踪器，数据手套，压力笔等设备，用手，脚，声音，姿态或身体的动作，眼睛甚至脑电波等向计算机传递信息；对于后者，计算机通过打印机，绘图仪，显示器，头盔式显示器（HMD），音响等输出或显示设备给人提供信息。

机器人中最典型的人机交互装置就是示教器，示教器亦称示教编程器或示教器，主要由液晶屏幕和操作按键组成。

可由操作者手持移动，机器人的所有操作基本上都是通过它来完成的。

示教器实质上就是一个专用的智能终端。

认识和使用示教器,示教器使用时注意事项,计算机人语言,人机交互（Human-CompterInteraction,HCI）是关于设计，评价和实现供人们使用的交互式计算机系统，且围绕这些方面主要现象进行研究的科学。

狭义的讲，人机交互技术主要是研究人和计算机之间的信息交换，它主要包括人到计算机和计算机到人的信息交换两部分。

机器人示教器是工业机器人主要组成部分，其设计与研究均有各厂家自行研制，下图3-13所示为工业机器人四大家族典型的示教器产品：

ABB、库卡（KUKA）、发那科（FANUC）、安川电机（YASKAWA）。

认识和使用示教器,认识和使用示教器,不同家族的示教器虽然在外形，功能和操作上都有不同，但也有很多共同之处，结构上主要由显示屏和各种操作按键组成，显示屏主要有4个显示区组成，见表3-1示教器功能健说明。

菜单显示区：

显示操作屏主菜单和子菜单。

通用显示区：

在通用显示区，可对作业程序、特性文件、各种设定进行显示和编辑。

显示区：

显示系统当前状态，如动作坐标系、机器人移动速度等。

显示的信息根据控制柜的模式（示教或再现）不同而改变。

认识和使用示教器,人机对话显示区：

在机器人示教或自动运行过程中，显示功能图标以及系统错误信息等。

示教器按键设置主要包括“急停键”、“安全开关”、“坐标选择键”、“轴操作键”/“Jog键”、“速度键”、“光标键”、“功能键”、“模式旋钮”等。

认识和使用示教器,示教器编程使用时注意事项,1、禁止用力摇晃机械臂及在机械臂上悬挂重物。

2、示教时请勿戴手套。

穿戴和使用规定的工作服、安全鞋、安全帽、保护用具等。

3、未经许可不能擅自进入机器人工作区域。

调试人员进入机器人工作区域时，需随身携带示教器，以防他人误操作。

4、示教前，需仔细确认示教器的安全保护装置是否能够正确工作，如【急停键】、【安全开关】等。

5、在手动操作机器人时要采用较低的倍率速度以增加对机器人的控制机会。

6、在按下示教器上的【轴操作键】之前要考虑到机器人的运动趋势。

7、要预先考虑好避让机器人的运动轨迹，并确认该路径不受干涉。

8、在察觉到有危险时，立即按下【急停键】，停止机器人运转。

示教器编程使用时注意事项,机器人语言都是机器人公司自己开发的针对用户的语言平台，它是给用户示教编程使用的,力求通俗易懂。

C语言、C+语言、基于IEC61141标准语言等语言是机器人公司做机器人系统开发时所使用的语言平台，这一层次的语言平台可以编写翻译解释程序，针对用户示教的语言平台编写的程序进行翻译解释成该层语言所能理解的指令，该层语言平台主要进行运动学和控制方面的编程，最底层就是机器语言，如基于Intel硬件的汇编指令等。

机器人语言,机器人语言,1.VAL语言。

VAL语言是美国Unimation公司于1979年推出的一种机器人编程语言，主要配置在PUMA和UNIMATION等型机器人上，是一种专用的动作类描述语言。

2.SIGLA语言。

SIGLA是一种仅用于直角坐标式SIGMA装配型机器人运动控制时的一种编程语言，是20世纪70年代后期由意大利Olivetti公司研制的一种简单的非文本语言。

这种语言主要用于装配任务的控制，它可以把装配任务划分为一些装配子任务，,机器人语言,3.IML语言。

IML也是一种着眼于末端执行器的动作级语言，由日本九州大学开发而成。

IML语言的特点是编程简单，能人机对话，适合于现场操作，许多复杂动作可由简单的指令来实现，易被操作者掌握。

4.AL语言。

AL语言是20世纪70年代中期美国斯坦福大学人工智能研究所开发研制的一种机器人语言，它是在WAVE的基础上开发出来的，也是一种动作级编程语言，但兼有对象级编程语言的某些特征，使用于装配作业。

归纳总结,认识示教器编程,示教器使用时注意事项,机器人语言,课后作业,回顾本节课知识要点，熟记关键概念,完成课后习题,END,54,