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控制系统 - 运动控制技术社区

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    机器人的运动学问题

    GeorgeEllis 2010-01-14 11:04

    机器人的运动学问题
         就机器人结构坐标系特点来说,工业机器人可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型等。图14. 11为一个具有腰、肩、肘和腕等4个关节(joint)的机器人,每个关节可以由一个力矩电动机驱动。关节之间的刚性部分为肢体(link)。一个完整的可以运动自如的机器人除了关节和肢体外,还需要如下几个组成部分:


        (1)控制器;
        (2)驱动器;
        (3)末端执行器;
        (4)传感器。
         所谓末端执行器是机器人与工作对象接触的部件,例如喷漆机器人和焊接机器人的喷枪和焊枪,装配机器人的手爪等。
         机器人的运动学(kinematics)分析涉及末端执行器空间与关节坐标间的变换,需要考虑以下两个问题:
         前向分析:由机器人的几何尺寸(如肢体长度等)和各关节的角位移、速度和加速度求锵末端执行器的位置、方向、速度和加速度;
         逆向分析:由机器人的几何尺寸和末端执行器的位置、运动方向、速度和加速度求解各关节相应的角位移、速度和加速度。
         前向分析一般比较容易解决,然而逆向问题则不是那么简单。例如在工业应用中末端执行器必须遵循某特定轨迹,那么我们必须对于轨迹中每一个位置求解各关节的角度。在矢量控制中我们对坐标变换已有所了解,在机器人的逆向分析中不仅要涉及多个相互依赖的坐标之间的变换,也许还要考虑动力学问题,得到的解也许还不是唯一的。求解的过程涉及大量的高阶矩阵的运算,俗称“计算爆炸”,给控制器带来沉重的负担。
         当代的工业机器人起源于数控机床和遥控操作器,根据受控运动方式,工业机器人可分为点位控制型和连续控制型。点位控制为从一个点位目标移向另一个点位目标,只在目标点上完成操作,且要求在目标点上有足够定位精度;而在相邻目标点间的运动方式是各关节驱动以最快速度趋近终点;各关节视其转动角位移大小不同,到达终点有先有后。点位控制主要用于点焊、搬运机器人。
         连续控制的运动方式是各关节同时趋近终点,由于各关节运动时间相同,所以角位移大的,运动速度最高。机器人各关节同时作受控运动,使机器人终端按预期的轨迹和速度运动,为此各关节控制系统需要通过逆向分析获取驱动机的角位移和角速度信号。连续控制主要用于弧焊、喷漆、打飞边毛刺和检测机器人等。
        连续控制机器人的控制有如下特点:
        (1)多轴运动协调控制,以产生要求的工作轨迹。
        (2)较高的位置精度,很大的调速范围。除直角坐标式机器人(如数控机床)以外,机器人关节上的位置检测元件,不能安放在机器人末端执行器上,而是放在各自驱动轴上,因此是位置半闭环系统。此外;由于开链式传动机构的间隙等,使得机器人总的位置精度降低,与数控机床比,约降低一个数量级。一般机器人位置重复精度为±0. Imm。但机器人的调速范围很大,通常超过几千。这是由于工作时,机器人可能要求以极低的速度加工工件,而空行程时,为提高效率,以极高速度运动。
        (3)系统的静差率要小。由于机器人工作时要求运动平稳,不受外力干扰,为此系统应具有较好的刚性,即有较小的静差率,否则将造成位置误差。例如,机器人某个关节不动,但由于其他关节运动时形成的动力矩作用在这个不动的关节上,使其在外力矩作用下产生滑动,形成机器人位置误差。
        (4)各关节的速度误差系数应尽量一致。机器人手臂在空间移动,是各关节联合运动的结果,尤其是当要求沿空间直线或圆弧运动时。即使系统有跟踪误差(跟踪误差是系统速度放大系数的倒数),应要求各轴关节伺服系统的速度放大系数尽可能一致,而且在不影响稳定性前提下,尽量取较大的数值。
        (5)位置无超调,动态响应尽量快。机器人不允许有位置超调,否则将与工件发生碰撞,加大阻尼可以减少超调,但却牺牲了系统的快速性。所以设计系统时要很好地对这两者进行折衷。
        (6)需采用加减速控制。大多数机器人具有开链式结构,它的机械刚度很低,过大的加(减)速度都会影响它的运动平稳(抖动),因此在机器人启动或停止时应有加(减)速控制,通常采用匀加(减)速运动指令来实现。

  • 举报 #1
    韩斐 2011-10-04 10:30
    连续控制机器人的控制有如下特点
  • 举报 #3
    韩斐 2011-10-04 10:31
    机器人的运动学问题
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