工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

1、1第一章緒論1.1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及分類(lèi)1.1.1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展通常可規(guī)劃分為三代：第一代工業(yè)機(jī)器人：通常是指目前國(guó)際上商品化與使用化的“可編程的工業(yè)機(jī)器人”，又稱(chēng)“示教再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人”，即為了讓工業(yè)機(jī)器人完成某項(xiàng)作業(yè)，首先由操作者將完成該作業(yè)所需要的各種知識(shí)（如運(yùn)動(dòng)軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序和作業(yè)時(shí)間等），通過(guò)直接或間接手段，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行“示教”，工業(yè)機(jī)器人將這些知識(shí)記憶下來(lái)后，即可根據(jù)“再現(xiàn)”指令，在一定精度范圍

2、內(nèi)，忠實(shí)的重復(fù)再現(xiàn)各種被示教的動(dòng)作。1962年美國(guó)萬(wàn)能自動(dòng)化公司的第一臺(tái)Unimate工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)通用汽車(chē)公司投入使用，標(biāo)志著第一代工業(yè)機(jī)器人的誕生。第二代工業(yè)機(jī)器人：通常是指具有某種智能（如觸覺(jué)、力覺(jué)、視覺(jué)等）功能的“智能機(jī)器人”。即有傳感器得到觸覺(jué)、力覺(jué)和視覺(jué)等信息計(jì)算機(jī)處理后，控制機(jī)器人的操作機(jī)完成相應(yīng)的適當(dāng)操作。1982年美國(guó)通用汽車(chē)在裝配線(xiàn)上為工業(yè)機(jī)器人裝備了視覺(jué)系統(tǒng)，從而宣布了新一代智能工業(yè)機(jī)器人的問(wèn)世。第三代工業(yè)機(jī)器人

3、：即所謂的“只治式工業(yè)機(jī)器人”。它不僅具有感知功能，而且還有一定的決策及規(guī)劃能力。第一代工業(yè)機(jī)器人目前仍處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。工業(yè)機(jī)器人經(jīng)歷了誕生成長(zhǎng)成熟期后，已成為制造業(yè)中不可缺少的核心裝備，世界上有約75萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在個(gè)條生產(chǎn)線(xiàn)上，特種機(jī)器人作為機(jī)器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來(lái)居上之勢(shì)，仿人機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等各種用途發(fā)特種機(jī)器人紛紛面世，

4、而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人的操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)、生產(chǎn)了部分機(jī)器人的關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、焊弧、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)配套噴漆機(jī)器人在二十與家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(xiàn)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線(xiàn)上。但總的來(lái)看，我

5、國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求，“一客戶(hù)，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期

6、的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。1.1.2工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)工業(yè)機(jī)器人按不同的方法可分下述類(lèi)型工業(yè)機(jī)器人按操作機(jī)坐標(biāo)形式分以下幾類(lèi)：（坐標(biāo)形式是指操作機(jī)的手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式。）（1）直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人3工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因此兩者之間并無(wú)根本的不同但工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處。其特點(diǎn)如下：（1）工業(yè)機(jī)器人有若干個(gè)關(guān)節(jié)，

7、典型工業(yè)機(jī)器人有五六個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)伺服系統(tǒng)控制，多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)要求各個(gè)伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。（2）工業(yè)機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的手部進(jìn)行空間點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)或連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算，以及矩陣函數(shù)的逆運(yùn)算。（3）工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、非線(xiàn)性和變參數(shù)的復(fù)雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此工業(yè)機(jī)器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補(bǔ)償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。（4）較高級(jí)的工業(yè)機(jī)器人要求對(duì)環(huán)境

8、條件、控制指令進(jìn)行測(cè)定和分析，采用計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫(kù)，用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動(dòng)選擇最佳控制規(guī)律。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)發(fā)基本要求有：（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的位置、速度、加速度等控制功能，對(duì)于連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。（2）方便的人機(jī)交互功能，操作人員采用直接指令代碼對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行作用指示。使用工業(yè)機(jī)器人具有作業(yè)知識(shí)的記憶、修正和工作程序的跳轉(zhuǎn)功能。（3）具有對(duì)外部

9、環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測(cè)和感覺(jué)功能。為使工業(yè)機(jī)器人具有對(duì)外部狀態(tài)變化的適應(yīng)能力，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)能對(duì)諸如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等有關(guān)信息進(jìn)行測(cè)量、識(shí)別、判斷、理解等功能。在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與其它設(shè)備交換信息，協(xié)調(diào)工作的能力。1.2.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類(lèi)：工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)可以從不同角度分類(lèi)，如控制運(yùn)動(dòng)的方式不同，可為關(guān)節(jié)控制、笛卡爾空間運(yùn)動(dòng)控制和自適應(yīng)控制；按軌跡控制方式的不同，可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式的

10、不同，可分為速度控制、加速度控制、力控制。程序控制系統(tǒng)：給每個(gè)自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)要求的空間軌跡。自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過(guò)程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線(xiàn)性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變。人工智能系統(tǒng)：事先無(wú)法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)所獲得的周?chē)鸂顟B(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作