机器人技术基础考核论文工业机器人的控制及其发展.docx
- 文档编号:5016404
- 上传时间:2022-12-12
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:447.15KB
机器人技术基础考核论文工业机器人的控制及其发展.docx
《机器人技术基础考核论文工业机器人的控制及其发展.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机器人技术基础考核论文工业机器人的控制及其发展.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
机器人技术基础考核论文工业机器人的控制及其发展
HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
《机器人技术基础》课程
考核论文
题目
班级
学号
姓名
成绩
机械与汽车工程学院机械电子工程系
二零一一年十月
工业机器人的控制及其发展
摘要:
随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来,机器人所涵盖的内容越来越丰富。
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。
工业机器人是自动执行工作的机器装置,是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器,很大程度上对一个国家的发展有很大的帮助。
本文从工业机器人的控制方面来阐述工业机器人。
一提到工业机器人,给人既兴奋又会有一种神秘的感觉。
但是,在这种兴奋和神秘背后是无数的科学工作者对工业机器人的辛苦研究,特别是在工业技术人的控制方面,本人主要解决的问题主要有两个:
第一,机器人如何运动才能实现给定的运动轨迹;第二,使用某种控制方法,产生空置量给驱动器,使每个关节按照预期的方式运动。
另外本人对工业机器人的发展做出了比较详细的分析。
下面我们就围绕这些问题进行讨论。
●控制概念简介
什么是控制?
简单地说,控制就是为了达到一定目的而实行的适当操作。
例一个控制过程
(1)记住期望水位值;
(2)测量水池实际水位;
(3)计算期望水位与实际水位的误差;
(4)根据误差正确地调节进水阀门。
另外我还举一个自动控制的系统。
控制的目的是使实际水位的高度恒等于期望值。
另外,下图是一个控制系统的框图。
●机器人控制系统的特点
和一般的伺服系统或过程控制系统相比,机器人控制系统有如下特点:
1)机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。
机器人手足的状态可以在各种坐标下进行描述,应当根据需要,选择不同的参考坐标系,并做适当的坐标变换。
经常要求解运动学正问题和逆问题,除此之外还要考虑惯性力、外力及哥氏力、向心力的影响。
2)一个简单的机器人也至少有3~5个自由度,比较复杂的机器人有十几个、甚至几十个自由度。
每个自由度一般包含一个伺服机构,它们必须协调起来,组成一个多变量控制系统。
3)把多个伺服系统有机地协调起来,使其按照人的意志行动,甚至赋予机器人一定的“智能”,这个任务只能由计算机完。
因此,机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。
同时,计算机软件担负着艰巨的任务。
4)描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型,随着状态的不同和外力的变化,其参数也在变化,各变量之间还存在耦合。
因此,仅仅利用位置闭环是不够的,还要利用速度闭环甚至加速度闭环。
系统中经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。
5)机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成,因此存在一个“最优”的问题。
较高级的机器人可以用人工智能的方法,用计算机建立庞大的信息库,借助信息库进行控制、决策、管理和操作。
根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况,按照给定的指标要求,自动地选择最佳的控制规律。
●机器人控制的基本单元
1.电动机
作为驱动机器人运动的驱动力,常见的有液压驱动、气压驱动、直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。
随着驱动电路元件的性能提高,当前应用最多的是直流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动。
2.减速器
减速器是为了增加驱动力矩、降低运动速度。
3.驱动电路
由于直流伺服电动机或交流伺服电动机的流经电流较大,一般为几安培到几十安培,机器人电动机的驱动需要使用大功率的驱动电路,为了实现对电动机运动特性的控制,机器人常采用脉冲宽度调制(PWM)方式进行驱动。
4.运动特性检测传感器
机器人运动特性传感器用于检测机器人运动的位置、速度、加速度等参数。
5.控制系统的硬件
机器人的控制系统是以计算机为基础的,机器人控制系统的硬件系统采用的是二级结构,第一级为协调级,第二级为执行级。
协调级实现对机器人各个关节的运动,实现机器人和外界环境的信息交换等功能,执行级实现机器人的各个关节的伺服控制,获得机器人内部的运动状态参数等功能。
6.控制系统的软件
机器人的控制系统软件实现对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换等功能。
●机器人控制的方式
1.位置控制
有直角坐标和关节坐标两种控制类型,直角坐标位置控制:
是对机器人末端执行器坐标在参考坐标中的位置和姿态的控制。
通常其空间位置主要由腰关节、肩关节和肘关节确定,而姿态(方向)由腕关节的两个或三个自由度确定。
通过解逆运动方程,求出对应直角坐标位姿的各关节位移量,然后驱动伺服结构使末端执行器到达指定的目标位置和姿态。
关节坐标位置控制:
直接输入关节位移给定值,控制伺服机构。
其中位置控制有两种控制方式组成,一种是直角坐标控制,另外一种是关节坐标控制。
如图
直角坐标控制(上图)关节坐标控制(下图)
位置控制的缺点:
(1)适用于纯运动控制,即机器人与被控对象无接触,因
此只需把持工具按照规定的轨迹运动。
(2)当机械手末端执行器与工作对象之间存在力的作用时,如对铸件进行研磨、去毛刺和抛光。
如果在时不考虑力的因素,将使工具容易磨损、零件的尺寸大小不一,无法保证产品精度。
2、力控制
它是由于由于机械手末端执行器与工作对象之间存在力的作用,通过力传
感器提供的反馈信号,控制机器人运动。
(1)以位移为基础的力控制
是在位置闭环之外加上一个力的闭环。
力传感器检测输出力,并与设定的力目标值进行比
较,力值误差经过力/位移变化环节转换成目标位移,参与位移控制。
(2)以广义力为基础的力控制
在力闭环的基础上加上位置闭环。
通过传感器检测手部的位移,经位移/力变换环节转
换为输入力,与力的设定值合成之后作为力控制的给定量。
(3)力控制的应用
在离合器装配的例子中,安装了IRB4400机器人的工作单元把部件插入的时间平均只需要5.7s(如果用手工装配,插入时间一般需要15~20s),最
初接触时的反作用力小于100N,在装配时小于80N。
另一个例子是F/N液力变矩器的装配,平均需要时间6.98s,接触力限制在200N。
值得注意的是,该装配过程允许的定位误差仅为±2mm。
2.力/位混合控制
有两
个独立的闭环来分别实施力和位置控制。
●机器人控制的方法
PID控制(比例、积分、微分控制)
●工业机器人的发展
一提到工业机器人,给人既兴奋又会有一种神秘的感觉。
其实现实生活中很多与之有关的。
工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。
它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。
它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。
在我国,
工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了,已经基本实现
了试验、引进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。
随着我国门户的逐渐开放,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人研究的相关进展,显得十分重要。
它可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行,现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。
机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。
国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4
个重点发展方向,机器人技术就是其中之一。
中国的工业机器人的发展:
我国工业机器人起步于70年代初期,经过20多年的发展,大致经历了3个阶段:
70年代的萌芽期,80年代的开发期和90年代的适用化期。
70年代是世界科技发展的一个里程碑:
人类登上了月球,实现了金星、火星的软着陆。
我国也发射了人造卫星。
世界上工业机器人应用掀起一个高潮,尤其在日本发展更为迅猛,它补充了日益短缺的劳动力。
在这种背景下,我国于1972年开始研制自己的工业机器人;
进入80年代后,在高技术浪潮的冲击下,随着改革开放的不断深入,我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。
“七五”期间,国家投入资金,对工业机器人及其零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发,研制出了喷涂、点焊弧焊和搬运机器人。
1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施,智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿,经过几年的研究,取得了一大批科研成果,成功地研制出了一批特种机器人;从90年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变时期,掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮,我国的工业机器人又在实践中迈进一大步,先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中,但和国际同行相比,差距依旧明显。
从市场占有率来说,更无法相提并论。
工业机器人很多核心技术,目前我们尚未掌握,这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。
近几年,我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。
目前国内市场年需求量在3000台左右,年销售额在20亿元以上。
统计数据显示,中国市场上工业机器人总共拥有量近万台,占全球总量的0.56%,其中完全国产工业机器人(行业内规模比较大的前三家工业机器人企业)行业集中度占30%左右,其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。
国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主,年出口量为100台左右,年出口额为0.2亿以上。
我国未来工业机器人技术发展的重点有:
第一,危险、恶劣环境作业机器人:
主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二,医用机器人:
主要有脑外科手术辅助机器人,遥控操作辅助正骨等;第三,仿生机器人:
主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。
其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。
工业机器人市场竞争越来越激烈,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。
因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况:
第一,工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径,政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持,参考国外先进经验,加大技术投入与改造;第二,在国家的科技发展计划中,应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持,形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面;第三,部分国产工业机器人已经与国外相当,企业采购工业机器人时不要盲目进口,应该综合评估,立足国产。
我国机器人技术应用研究进展及发展趋势
中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划863计划的支持已经取得了较大进展,工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业,但进口机器人占了绝大多数。
我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。
目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高精密、高速与高效的关键部件。
我国目前取得较大进展的机器人技术有:
数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器
人相关技术、装配自动化机器人相关技术。
现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。
我国机器人技术主题发展的战略目标是:
根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。
未来工业机器人技术发展的重点有:
第一,危险、恶劣环境作业机器人:
主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;
第二,医用机器人:
主要有脑外科手术辅助机器人,遥控操作辅助正骨等;
第三,仿生机器人:
主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。
其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。
随着科学与技术的发展,工业机器人的应用领域也不断扩大。
目前,工业
机器人不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域,同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。
如,水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压线作业机器人、服装裁剪机器人、制衣机器人、管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人、作战机器人、侦察机器人、哨兵机器人、排雷机器人、布雷机器人等军用机器人都广泛应用于各行各业。
而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。
随着计算机技术的不断向智能化方向发展,机器人应用领域的不断扩展和深化以及在系统(FMS、CIMS)中的群体应用,工业机器人也在不断向智能化方向发展,以适应“敏捷制造”(AgileManufacturing),满足多样化、个性化的需要,并适应多变的非结构环境作业,向非制造领域进军。
(1)感觉功能。
感觉功能方面将实现多传感器信息的融合,以检测多变的外部环境,做出判断和决策,其实质类似于人的五官和身体的综合感觉功能,包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、味觉、臭觉、温觉等。
研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器与驱动器一体化技术、感觉功能继承模块等。
(2)控制智能化。
由引导教向NC,离线编程发展,进而发展到进一步应用。
随着系统化、集成化生产的发展,基于PC的开放式控制系统将机器人控制和车间一级控制的发展方向,国外专家预测,2007年它将占30%。
(3)移动功能的智能化。
为解决长距离搬运作业、大作业对象、多作业对象及极限作业等问题,需开发自主移动系统(包括滑动、滚动、行走、爬行、跳跃、飞行等)。
(4)系统应
用与集成化。
支持以人为核心的生产系统,实现生产系统中机器人群体协调功能、群智能和多机通讯协议,开发能理解人的意志的“同事机器人”。
国外专家预测,2000你后有可能IMS要走向MA(R)S(多智能体系统),而该系统中的“同事机器人”(Cobot)将成为操作人员不可或缺的伙伴。
围绕着各种机器人与人共存的诸多课题,正在兴起一门新学科“软机器人学”。
(5)安全可靠性。
由于大量不确定因素的存在,要实现智能化的安全可靠性,机器人必须具有对各种意外情况的应变能力,及时采取预防措施和安全对策,包括硬件级软件级、应用级和人机系统级的自诊断和自修复故障。
(6)微型化。
向微型化发展,
开发毫米级机器人,用于微加工、医学、宇宙和海洋开发等领域。
就使用性和成本来看,毫米级最可行。
(7)多传感器信息融合与配置技术。
①机器人的感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用,包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术;采用智能传感器的现场总线技术;面向工艺要求的新型传感器研制。
②机电一体化智能传感器。
包括具有感知、自主运动、自清污(自调整、自适应)的机电一体化传感器研究;面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动;调节控制系统;机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。
总结:
工业机器人市场竞争越来越激烈,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要是当今世界是一个快速发展的世界,科技在迅速的发展,唯有抓住好这个机遇,才能使国家的技术发展快点。
而工业机器人的发展是一个很主要的方
面。
必须要搞好工业机器人的工作。
随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。
而作为感兴趣的学生,可以好好的专研关于工业机器人的知识,将来为国家的工业机器人做出贡献。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 机器人 技术 基础 考核 论文 工业 控制 及其 发展