工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

1、1第一章緒論1.1工業(yè)機器人的發(fā)展及分類1.1.1工業(yè)機器人的發(fā)展工業(yè)機器人的發(fā)展通?？梢?guī)劃分為三代：第一代工業(yè)機器人：通常是指目前國際上商品化與使用化的“可編程的工業(yè)機器人”，又稱“示教再現(xiàn)工業(yè)機器人”，即為了讓工業(yè)機器人完成某項作業(yè)，首先由操作者將完成該作業(yè)所需要的各種知識（如運動軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序和作業(yè)時間等），通過直接或間接手段，對工業(yè)機器人進行“示教”，工業(yè)機器人將這些知識記憶下來后，即可根據(jù)“再現(xiàn)”指令，在一定精度范圍

2、內(nèi)，忠實的重復(fù)再現(xiàn)各種被示教的動作。1962年美國萬能自動化公司的第一臺Unimate工業(yè)機器人在美國通用汽車公司投入使用，標(biāo)志著第一代工業(yè)機器人的誕生。第二代工業(yè)機器人：通常是指具有某種智能（如觸覺、力覺、視覺等）功能的“智能機器人”。即有傳感器得到觸覺、力覺和視覺等信息計算機處理后，控制機器人的操作機完成相應(yīng)的適當(dāng)操作。1982年美國通用汽車在裝配線上為工業(yè)機器人裝備了視覺系統(tǒng)，從而宣布了新一代智能工業(yè)機器人的問世。第三代工業(yè)機器人

3、：即所謂的“只治式工業(yè)機器人”。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)機器人目前仍處在實驗室研究階段。工業(yè)機器人經(jīng)歷了誕生成長成熟期后，已成為制造業(yè)中不可缺少的核心裝備，世界上有約75萬臺工業(yè)機器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在個條生產(chǎn)線上，特種機器人作為機器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿人機器人、農(nóng)業(yè)機器人、服務(wù)機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、娛樂機器人等各種用途發(fā)特種機器人紛紛面世，

4、而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人的操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)、生產(chǎn)了部分機器人的關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、焊弧、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺配套噴漆機器人在二十與家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我

5、國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、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)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。1.1.2工業(yè)機器人的分類工業(yè)機器人按不同的方法可分下述類型工業(yè)機器人按操作機坐標(biāo)形式分以下幾類：（坐標(biāo)形式是指操作機的手臂在運動時所取的參考坐標(biāo)系的形式。）（1）直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人3工業(yè)機器人的控制技術(shù)是在傳統(tǒng)機械系統(tǒng)的控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此兩者之間并無根本的不同但工業(yè)機器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處。其特點如下：（1）工業(yè)機器人有若干個關(guān)節(jié)，

7、典型工業(yè)機器人有五六個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制，多個關(guān)節(jié)的運動要求各個伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。（2）工業(yè)機器人的工作任務(wù)是要求操作機的手部進行空間點位運動或連續(xù)軌跡運動，對工業(yè)機器人的運動控制，需要進行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運算，以及矩陣函數(shù)的逆運算。（3）工業(yè)機器人的數(shù)學(xué)模型是一個多變量、非線性和變參數(shù)的復(fù)雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此工業(yè)機器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。（4）較高級的工業(yè)機器人要求對環(huán)境

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

9、環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測和感覺功能。為使工業(yè)機器人具有對外部狀態(tài)變化的適應(yīng)能力，工業(yè)機器人應(yīng)能對諸如視覺、力覺、觸覺等有關(guān)信息進行測量、識別、判斷、理解等功能。在自動化生產(chǎn)線中，工業(yè)機器人應(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)機器人控制系統(tǒng)的分類：工業(yè)機器人控制系統(tǒng)可以從不同角度分類，如控制運動的方式不同，可為關(guān)節(jié)控制、笛卡爾空間運動控制和自適應(yīng)控制；按軌跡控制方式的不同，可分為點位控制和連續(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)：給每個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機器人就可實現(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，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作