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工业机器人的轨迹规划和控制.doc
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2022-06-20
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工业机器人的轨迹规划和控制
S. R. Munasinghe and Masatoshi Nakamura
1.简介
工业机器人操作臂被用在各种应用中来实现快速、精
确和高质量的生产。在抓取和放置操作,比如对部分的操
作,聚合等,操作臂的末端只执行器必须在工作空间中两
个特定的位置之间移动,而它在两者之间的路径却不被关
心。在路径追踪应用中,比如焊接,切削,喷涂等等,末
端操作器必须在尽可能保持额定的速度下,在三维空间中
遵循特定的轨迹运动。在后面的事例中,在对末端操作器
的速度、节点加速度、轨迹有误等限订的情况下轨迹规划
可能会很复杂。在没有对这些限制进行充分考虑的情况下
进行轨迹规划,通常会得到很差的表现,比如轨迹超调,末
端操作器偏离给定轨迹,过度的速度波动等。机器人在笛
卡尔轨迹中的急弯处的的表现可能会更加恶化。到目前为
止很多轨迹规划算法己经被提出,从笛卡尔轨迹规划到时
间最优轨迹规划。然而,工业系统无法适应大多数的这些
方法,有以下两点原因:(1)这些技术经常需要进行在目
前机构中进行硬件的移动,生产过程必须被打断以进行系
统重新配置,而这往往需要很长时间。(2)这些方法中很
多通常只考虑到一种约束,而很少关注工业的需求和被请
求的实际的约束。因此,它们很难在工业中实现。
在本文的观点中,我们提出了一种新的轨迹规划算法,
考虑到了末端操作器的速度限制,节点加速度限制,应用
中的容错度。这些是在工业应用中实际的约束。其他工业
操作臂中的技术问题是他们的动力学延迟,这导致末端操
作臂在轨迹中的拐角处出轨。为了补救这个问题,我们设
计了前向补偿,稍稍改变了拐角处的路径,使得即使在延
迟动力学环节存在的情况下依然确保末端操作臂的实际跟
踪轨迹。结合了前向补偿新的轨迹规划算法在控制系统中
表现为单一的前向阻塞。它可以轻松地适应目前的工业操
作臂系统,不冒风险,不花费时间重新配置硬件。
轨迹规划算法可以为所有操作臂的节点产生位置,速
度和加速度的大体规划。在大多数工业操作臂中,系统输
入是节点的位置数据,这在工业中是作为被给定的数据而
广为人知的。为了用笛卡尔轨迹规划来控制操作臂,Paul
描述了同类型的转换是怎样可以被用来代表一系列操作臂
连杆的位置和原点的。Shin et.al.的工作和我们的很相似,
但是实现在工业控制系统中的应用是很困难的,因为它需
要知道很多操作臂的连杆和节点的参数。在大多数工业操
作比系统中,这些参量并不能被精确的获知。
在我们之前的工作中我们解决了在二维空间中加速度
和速度的约束,在目前的工作中,当我们考虑到容差度,
我们把他延伸到三维空间。我提出的方法已经在 MK-3s 工
业机器人上测试过了,它的效果已经被实验证实了。
2.工业机器人操作臂
2.1 系统体系结构
工业机器人操作臂执行器 MK-3s 如下图。
参考输入发生器是专用的,或者是一个通过 DA 转换器
和 AD 转换器连接到伺服控制器的联网计算机。伺服控制器
有功率驱动板来单独的控制操作臂节点,如 Fig1 所示。参
考输入发生器组成了数据序列 ,j=1,2,3 代表节点。节点
位置 从伺服控制器反馈到参考输入发生器。
参考输入发生器决定了每一个节点的控制命令,发送
这些命令给伺服控制器,使节点原动机有根据的运动。参
考 Fig1,操作臂运动学方程如下
(x,y,z)是末端操作器的位置坐标, , , 是相应的节点
结构位置。 是连杆长度。通过对(1)式微分可
以得到笛卡尔速度和节点速度之间的关系如下:
雅克比矩阵为:
其中 = [ , , ] 是操作臂的位置。
2.2 工业机器人操作臂节点动力学
工业机器人操作臂被设计来满足需求,比如焊接,切削,
部分操纵等。特定的规格一般被限制在确定的准确性,速
度和复杂性上。因此,大多数工业机器人操作臂经常被设
计加入带有限流电源放大器的 PID 控制器。电流的限度决
定了节点加速的限制。此外,不管未知的惯性力矩,科里
奥利力矩,离心力矩,节点是被独立控制的,摩擦力矩和
重力矩被视作控制器的干扰。为了支持这个假设,操作臂
连杆被设计为低惯性,节点被尽可能少的传动装置驱动。
这些控制器很简单,也提供很有效的鲁棒性。图 2 举例说明
了一个工业机器人操作臂的三自由度解耦节点动力学模型。
这个模型也包括了节点加速饱和特性功率放大器,
和 是伺服控制器在位置环和速度环的节点 j 的增益,这
些增益被训练好的操作员定期的调整来保持良好的表现水
平。因为只涉及到两个调整的变量,所以控制调整过程是
很简单的。节点线性加速度,动力学方程如下:
当节点加速度饱和时节点动力学方程如下:
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