工业机器人技术基础课件(最全).ppt

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1、汇川技术,2016年12月,工业机器人技术基础（2）,目录,1,机器人位姿变换,2,机器人运动学,3,机器人坐标系,4,机器人动力学,5,机器人性能指标,在分析机器人时会牵涉诸多坐标系，一些是操作者不须关心的，另外一些却是和工艺相关的。常见的坐标系有：关节坐标系基座坐标系工具坐标系用户坐标系,1 机器人坐标系,关节坐标系主要描述各关节相对于标定零点的绝对位置，旋转轴常用表示，线性轴的常用mm描述。作用：单轴点动：单轴示教机器人，常用于调试时验证关节的旋转方向、软限位；解除机器人奇异位置，当机器人出现奇异报警时，只能在关节坐标系下通过单轴点动解除奇异报警；轴正负极限报警：只能在关节坐标系下通过单

2、轴点动解除正负超限报警；关节坐标系下的坐标值均为机器人关节的绝对位置，方便用户调试点位时观察机器人的绝对位置，避免机器人出现极限位置或奇异位置,1 机器人坐标系,工业机器人基础知识,直角坐标系，包括很多种，但我们常常狭隘的将基座坐标系称为直角坐标系。直角坐标系的Z轴即第一轴的Z轴，X轴为回零后的正前方，Y轴由右手定则确定。原点随着df参数的大小上下变动。直角坐标系下，用户可控制机器人末端沿坐标系任一方向移动或旋转，常用于现场点位示教。,机器人末端,右手定则,直角坐标系:,1 机器人坐标系,工业机器人基础知识,（2）直角坐标系由于轨迹为空间插补，所以会遇到指定的位置和姿态不能到达，即奇异现象。常

3、见的奇异有：a）4、6轴共线附件，即5轴角度0附件。b）2、3、5轴关节坐标系原点接近共线，即已经到达工作范围边界。c）5轴关节坐标系原点在Z轴正上方附近。右图就处于a）的奇异状态，直角下示教会报警。,1 机器人坐标系,工业机器人坐标系,关节坐标系,基坐标系,两者关系？,机器人系统,1 机器人坐标系,y,x,工业机器人坐标系,z,用户坐标系（工件坐标系）:用于描述各个物体或工位的方位的需要。用户常常在自己关心的平面建立自己的坐标系，以方便示教。作用：方便示教；基于用户坐标系的点位，方便生产线复制，减少调试工作量；离线仿真软件提取的基于定义坐标系轨迹控制点，可直接用于实际程序中，只需定义匹配的用

4、户坐标系,1 机器人坐标系,工业机器人坐标系,工具坐标系:在未加工具参数时，工具坐标系在机器人末端的法兰盘上，但方向与基座坐标系不同。如右上图所示。安装工具后，需加入工具参数，可以看作在机器人末端连杆的延长，此时工具坐标系为表示新的工况需向末端延长，形成新的坐标系。如右下图所示。在示教时，也可以沿着工具坐标系的X、Y、Z轴平行的方向平移，也可以末端不动绕工具坐标系的X、Y、Z轴转动。,1 机器人坐标系,工业机器人坐标系,工具坐标系:建立工具坐标系方法：直接输入法三点法（工具末端对一固定点示教三个不同姿态的点）五点法（工具末端对一固定点示教五个不同姿态的点）,三点法,五点法,1 机器人坐标系,点

5、的位置描述,机器人点的位置描述：在选定的直角坐标系A,空间任一点P的位置可用31的位置矢量AP表示,2 机器人位姿变换,如用四个数组成(41)列阵,表示三维空间直角坐标系A中点p，则列阵px py pz 1T称为三维空间点p的齐次坐标。,齐次坐标：,2 机器人位姿变换,i、j、k分别是直角坐标系中x、y、Z坐标轴的单位向量。若用齐次坐标来描述x、y、z轴的方向，则,(41)列阵a b c oT中第四个元素为零，且a2+b2+c2=1，则表示某轴(某矢量)的方向；(4x1)列阵a b c wT中第四个元素不为零，则表示空间某点的位置。,坐标轴方向的描述：,2 机器人位姿变换,动坐标系位姿的描述就

6、是对动坐标系原点位置的描述以及对动坐标系各坐标轴方向的描述：机器人的一个连杆可以看成一个刚体。若给定了刚体上某一点的位置和该刚体在空间的姿态，则这个刚体在空间上是完全确定的。,刚体Q在固定坐标系OXYZ中的位置可用齐次坐标形式的一个(41)列阵表示为：,刚体的姿态可由动坐标系的坐标轴方向来表示。令n、o、a分别为X、y、z 坐标轴的单位方向矢量，每个单位方向矢量在固定坐标系上的分量为动坐标系各坐标轴的方向余弦，用齐次坐标形式的(41)列阵分别表示为：,动坐标系姿态的描述：,2 机器人位姿变换,刚体的位姿可用下面(44)矩阵来描述：,对刚体Q位姿的描述就是对固连于刚体Q的坐标系OXYZ位姿的描述

7、。,2 机器人位姿变换,运动学：机器人运动学的研究对象是机器人各关节位置和机器人末端位姿之间的关系,机器人运动学包含两个基本问题：1.已知机器人各关节的位置，求机器人末端的位姿；2.已知机器人末端的位姿，求机器人各关节的位置.,3 机器人运动学,工业机器人基础知识,为什么要研究运动学：机器人的运动无非有两种：PTP(点到点)及CP(连续运动),3 机器人运动学,工业机器人基础知识,运动学的实用方式：,位置反馈,3 机器人运动学,关节坐标系,D-H参数：,两个关节轴线沿公垂线的距离an，称为连杆长度；另一个是垂直于an的平面内两个轴线的夹角n，称为连杆扭角，这两个参数为连杆的尺寸参数；是沿关节n

8、轴线两个公垂线的距离，称为dn，n是垂直于关节n轴线的平面内两个公垂线的夹角。,3 机器人运动学,用一个变换矩阵An来综合表示,连杆坐标系之间的矩阵变换：,建立了各连杆坐标系后，n-1系与n系间的变换关系可以用坐标系的平移、旋转来实现。从n-1系到n系的变换，可先令以n-1系绕Z n-1轴旋转n角，再沿Z n-1轴平移dn，然后沿Xn轴平移an，最后绕Xn轴旋转n角，使得n-1系n系重合。上述四次变换时应注意到坐标系在每次旋转或平移后发生了变动，后一次变换都是相对于动系进行的，因此在运算中变换算子应该右乘。,3 机器人运动学,工业机器人基础知识,6自由度机器人运动学D-H参数表：,3 机器人运

9、动学,工业机器人基础知识,逆运动学计算：,如何选取某个解,3 机器人运动学,工业机器人基础知识,逆动学应注意的问题：奇异性奇异性：造成机器人运动能力缺失（缺少自由度）的特性。工具坐标系常见的奇异有：a）4、6轴共线附件，即5轴角度0附件。b）2、3、5轴关节坐标系原点接近共线，即已经到达工作范围边界。c）5轴关节坐标系原点在Z轴正上方附近。,3 机器人运动学,定义：动力学(dynamics)是研究作用于物体的力和物体运动之间的一般关系，它包括两个基本问题 1).已知作用在机器人各关节的力，求该关节对应的运动轨迹，即求加速度，速度和位置；2).已知机器人关节当前的加速度，速度和位置，求此时关节上

10、的受力大小。,动力学标准方程：,简单讲，动力学是解决机器人各关节受力大小和它运动之间的关系已知运动的特性能够求出对应的力的大小，反之，已知受力的大小，可以计算出机器人的运动特性。,4 机器人动力学,工业机器人基础知识,动力学 应用1).机器人最优控制：优化性能指标和动态性能、调整伺服增益*；2).机器人的优化设计：算出实现预定运动所需的力/力矩，选择合适的伺服及电机*；3).机器人碰撞检测：比较实际电流和计算的预定电流之差，判定撞击是否发生*；4).机器人零力控制：机器人顺应外力作用运动，其仿佛处于一个不受重力和摩擦力的环境（ing）；5).机器人的仿真：根据连杆质量、负载、传动特征的动态性能

11、仿真,较之运动学仿真更接近真实情况*。,4 机器人动力学,工业机器人基础知识,动力学模型的计算：动力学的计算有很多方法，如Lagrange、Newton-Euler、Gauss、Kane、Screw、Roberson-Wittenburg。其中以Lagrange、Newton-Euler最为常用。,第一关节动力学方程,第二关节动力学方程,4 机器人动力学,工业机器人基础知识,动力学动力学的部署将经（正向，逆向？）动力学计算出的力矩，以前馈的方式，加入到伺服的电流控制环路,4 机器人动力学,工业机器人基础知识,动力学 动力学控制器的评价指标,控制性能的好坏主要通过位置跟踪偏差，速度跟踪偏差以及力

12、矩波动来判定,a)位置跟踪偏差对比,b)速度跟踪偏差对比,4 机器人动力学,工业机器人基础知识,动力学 动力学方程,惯性力,离心力,哥氏力,粘摩擦,静摩擦,重力,外力,关节力矩,角加速度,速度,速度,速度方向,位置,4 机器人动力学,工业机器人基础知识,动力学 生活中的哥氏力:,在地球上的摆动会受到地球自转的影响。只要摆面方向与地球自转的角速度方向存在一定的夹角，摆面就会受到哥氏的影响，而产生一个与地球自转方向相反的扭矩，从而使得摆面发生转动。1851年法国物理学家傅科预言了这种现象的存在，并且以实验证明了这种现象，他用一根长67米的钢丝绳和一枚27千克的金属球组成一个单摆，在摆垂下镶嵌了一个

13、指针，将这个巨大的单摆悬挂在教堂穹顶之上，实验证实了在北半球摆面会缓缓向右旋转,4 机器人动力学,工业机器人基础知识,动力学 动力学参数辨识作用：解决因机器人本体生产商无法提供动力学参数或因在机械安装过程中引起动力学参数与标称不一致的问题。方法：通过控制机器人按特定方式运动，可以自动辨识出包括质量、转动惯量、摩擦力等在内的动力学参数。,利用机械厂家提供参数算得力矩,通过自动辨识算得力矩,4 机器人动力学,工业机器人基础知识,机器人性能指标 重复定位精度：表示对同一指令位姿从一方向重复响应次后实到位姿的一致程度。定位精度：表示指令位姿和从同一方向接近该指令位姿时的实到位姿平均值之间的偏差。,位置

14、定位精度,姿态定位精度,姿态重复定位精度,位置重复定位精度,5 机器人性能指标,工业机器人基础知识,机器人性能指标:最小定位时间：机器人在点位控制方式下从静态开始移动一预定距离或摆动一预定角度到达稳定状态所经历的时间。一般行业内以机器人额定负载下执行25mm300mm25mm门形轨迹所需最小时间。,25mm,300mm,25mm,5 机器人性能指标,工业机器人基础知识,机器人性能指标测量工具：Compugauge机器人性能测试系统，价格约80万人民币（Dynalog，美国公司，一直从事机器人性能研究）位姿准确度和位姿重复性；多方位位姿准确度变动；距离准确度和距离重复性；位置稳定时间和位置超调量；互换性；轨迹准确度和轨迹重复性；拐角偏差；轨迹速度特性；最小定位时间；静态柔顺性；摆动偏差；,5 机器人性能指标,工业机器人基础知识,机器人性能指标:测量工具：激光位移传感器，价格约16万人民币（基恩士，日本公司）用于测量机器人的重复定位精度；测量精度高，可精确到0.001mm；莱卡激光跟踪仪：180万,5 机器人性能指标,1.ADM绝对测距仪测距精度：全量程80m半径内不超过10um；2.预热时间冷启动：不超过8分钟，热启动不超过5分钟。3.横向跟踪速度4米/秒4.径向跟踪速度6米/秒5.横向加速度2g6.径向加速度无限大,