《并联机器人控制》课件

并联机器人控制本课件将介绍并联机器人的控制原理、关键技术及应用领域。课程导言并联机器人简介并联机器人是一种新型的机器人，其机械结构与传统串联机器人不同。学习目标本课程旨在让学生了解并联机器人的原理、结构、控制方法及其应用。课程安排课程内容将涵盖并联机器人的概述、运动学分析、动力学分析、控制方法、应用等方面。并联机器人概述并联机器人是一种新型的机器人，其结构与传统串联机器人不同。它由多个连杆组成，通过多个独立的驱动器控制各个关节运动，从而实现对末端执行器的精确控制。与串联机器人相比，并联机器人具有更高的刚度、更快的速度和更强的承载能力。此外，其工作空间更小，但精度更高。并联机器人的结构特点闭环结构与串联机器人不同，并联机器人具有封闭的运动链，运动副的连接形成了闭环结构。运动平台并联机器人通常有一个固定平台和一个可移动的运动平台，通过连接杆和驱动机构实现运动平台的位姿控制。驱动机构驱动机构通常位于固定平台上，驱动连接杆运动，从而控制运动平台的位置和姿态。并联机器人的运动学分析正运动学分析分析输入的关节角或位移，计算机器人末端执行器的位姿。逆运动学分析根据末端执行器的期望位姿，计算关节角或位移。雅可比矩阵建立关节速度和末端执行器速度之间的关系。奇异性分析分析机器人工作空间中的奇异点，并探讨如何避免奇异性。正运动学问题正运动学问题是根据输入的关节角度或位移，计算出并联机器人的末端执行器的位置和姿态。这是并联机器人控制的核心问题之一。正运动学问题通常需要求解非线性方程组，可以通过解析方法或数值方法进行求解。逆运动学问题逆运动学问题是指给定末端执行器的位姿，求解各个关节的运动参数，即关节角度或位移。解决逆运动学问题是并联机器人控制的关键，为路径规划和运动控制提供依据。刚性并联机器人的动力学11.运动方程刚性并联机器人的动力学模型主要通过拉格朗日方程或牛顿-欧拉方程来建立，并得到机器人系统的运动方程。22.惯性矩阵机器人的惯性矩阵描述了机器人各部件的质量分布和惯性特性，并反映了机器人运动时的惯性力。33.摩擦力并联机器人系统中存在着各种摩擦力，包括关节摩擦、齿轮摩擦和滚动摩擦，需要在模型中考虑摩擦力的影响。44.控制方法根据动力学模型，可以设计不同的控制算法来控制并联机器人的运动，例如PID控制、自适应控制和神经网络控制。并联机器人的控制方法传统控制方法PID控制、自适应控制等方法在传统的并联机器人控制中得到广泛应用，以其稳定性和易实现性著称。这些方法能够有效地跟踪参考轨迹，提高并联机器人的精度和稳定性。智能控制方法模糊控制、神经网络控制等方法以其良好的自学习和自适应能力，可以有效地解决并联机器人的复杂性和不确定性问题。这些方法能够提高并联机器人的鲁棒性和灵活性，更好地应对复杂工作环境的变化。基于PID控制的并联机器人控制1控制目标实现并联机器人末端执行器的精准定位和轨迹跟踪2PID控制器设计根据并联机器人的动力学模型，设计合适的比例、积分和微分参数3控制策略通过调节PID控制器的输出，实现对并联机器人各个关节的精准控制PID控制是一种常用的反馈控制方法，它通过调节比例、积分和微分参数来控制系统的输出，实现对系统状态的稳定跟踪。PID控制方法简单易行，易于实现，在并联机器人控制中应用广泛，特别适用于需要精确控制的应用场景。基于自适应控制的并联机器人控制1自适应控制概述自适应控制是指能够根据环境变化自动调整控制参数的控制方法。它允许系统在不确定的环境中进行学习并优化其性能。2自适应控制在并联机器人中的应用自适应控制可以有效地处理并联机器人的参数变化、负载变化和外部干扰等问题，提高控制精度和鲁棒性。3自适应控制的优势自适应控制能够提高系统的鲁棒性，增强系统对外部干扰和参数变化的适应能力，提高控制精度和稳定性，延长系统寿命。基于神经网络控制的并联机器人控制神经网络控制技术近年来迅速发展，并已应用于并联机器人控制领域。1神经网络模型建立神经网络模型以模拟并联机器人动力学特性。2学习训练利用大量数据对神经网络进行训练，使其学习并联机器人的控制规律。3实时控制训练后的神经网络能够实时预测并联机器人的运动轨迹，并输出控制指令。4误差补偿神经网络能够学习并补偿并联机器人系统中的各种误差，提高控制精度。神经网络控制技术在并联机器人控制中具有强大的自适应能力和鲁棒性。基于模糊控制的并联机器人控制模糊控制概述模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，其利用语言变量来描述系统的不确定性。并联机器人控制中，模糊控制能够有效地处理环境干扰、参数变化以及传感器噪声。模糊控制系统设计模糊控制系统的设计包括模糊化、模糊推理和解模糊三个阶段。模糊化将精确的数值转换为模糊语言变量，模糊推理根据模糊规则进行推理，解模糊将模糊输出转换为精确控制信号。模糊控制应用模糊控制在并联机器人控制中具有广泛应用，例如姿态控制、轨迹跟踪、力控制等。模糊控制能够提高并联机器人的鲁棒性、适应性和安全性。基于自主控制的并联机器人控制自主控制是未来并联机器人控制方向，能使机器人更加智能化，自主学习，自主决策。1环境感知机器人需要感知周围环境，并进行数据处理。2路径规划机器人需要根据任务目标规划最优路径。3运动控制机器人需要精确地控制自身运动，实现任务目标。4人机交互机器人需要与人类进行自然交互，完成任务指令。自主控制需要结合人工智能、机器学习、深度学习等技术，为并联机器人赋予更加强大的能力。并联机器人的误差补偿精度误差机械结构误差、传感器精度、控制系统误差等因素导致的误差。校准补偿通过校准过程获取误差模型，对机器人进行误差补偿。软件补偿利用软件算法对误差进行补偿，如基于模型的补偿、基于学习的补偿等。维护保养定期维护保养机器人，及时更换磨损部件，减小误差积累。并联机器人的故障诊断11.识别故障信号传感器数据和控制信号的变化可以提示故障的发生。22.故障诊断模型建立机器人的故障诊断模型，例如专家系统或神经网络。33.故障诊断方法使用推理规则或机器学习算法诊断故障，确定故障类型和位置。44.故障修复根据诊断结果，采取相应的维修或更换措施。并联机器人的可靠性设计元器件选型选择高品质、耐用性高的元器件，如电机、传感器、控制器等，减少故障发生率。结构设计采用合理的结构设计，提高机器人的抗冲击能力和抗振能力，保证结构的稳定性。冗余设计对关键部件进行冗余设计，如双电机驱动、双传感器备份等，提高系统的可靠性。故障诊断配备完善的故障诊断系统，及时识别和处理故障，避免故障蔓延，提高维修效率。并联机器人的建模与仿真1建立模型使用CAD软件创建并联机器人三维模型，定义关节类型、运动范围和尺寸。2仿真软件选择合适的仿真软件，例如Adams、MATLAB、Simulink等，导入模型并配置参数。3虚拟测试在虚拟环境中进行运动学、动力学仿真，测试并验证机器人性能和控制策略。并联机器人的工艺流程并联机器人的工艺流程是设计、制造和应用并联机器人的关键步骤。这些步骤确保了机器人的性能、可靠性和安全性。1设计机械结构设计、运动学分析2制造零部件加工、组装、测试3控制软件开发、控制算法实现4集成与其他系统集成、调试5应用部署、维护、优化并联机器人的机械结构设计平台结构移动平台由高强度材料制成，可承受高负载并提供平稳的运动。支架结构支架结构提供了稳定的基础，确保机器人的稳定性和精度。驱动机构驱动机构通常使用电机和传动机构，确保机器人高效的运动。传感系统传感器系统提供反馈信息，确保机器人精确的控制和运动。并联机器人执行器的选型负载能力根据负载大小选择合适的执行器，确保执行器能够满足机器人负载要求。负载能力过低会导致机器人无法完成工作，负载能力过高会增加成本。精度和速度高精度和高速执行器适合对运动精度和速度要求较高的应用。例如：精密组装、高精度加工等应用。工作环境选择耐高温、防腐蚀、防尘等特性的执行器，确保其能够适应工作环境。例如：高温、潮湿、高粉尘等恶劣环境。性价比考虑执行器的价格、性能和可靠性，选择性价比高的执行器。选择合适的执行器可以提升机器人性能，降低成本。并联机器人传感器的选型位置传感器位置传感器用于测量机器人末端执行器的位置，如线性位移、角度、姿态等。常用的位置传感器包括线性编码器、旋转编码器、角度传感器、加速度计等。速度传感器速度传感器用于测量机器人关节的角速度、线速度等。常用的速度传感器包括增量式编码器、差动式编码器、速度传感器等。力矩传感器力矩传感器用于测量机器人关节的力矩，包括力矩传感器、应变片、力传感器等。温度传感器温度传感器用于测量机器人关节的温度，包括热电偶、热敏电阻、热电阻等。并联机器人的马达驱动11.驱动类型并联机器人通常使用伺服电机，根据应用场景，可选择交流伺服电机或直流伺服电机。22.功率选择马达功率应与机器人负载、运动速度和加速度相匹配，确保机器人平稳、高效地运行。33.控制模式常见的控制模式包括位置控制、速度控制和力矩控制，根据应用需求选择合适的控制模式。44.驱动器选择可靠的驱动器，确保马达的稳定运行，并提供过载保护功能。并联机器人的电气控制系统控制电路设计包括控制单元、驱动单元和传感器单元，负责接收指令、驱动电机并采集反馈信息。软件编程需要进行运动控制、轨迹规划、安全监测等软件开发，实现对机器人的控制和管理。系统集成将各个子系统进行集成测试，确保电气控制系统能够与机械系统、传感器系统配合工作。并联机器人的安全保护系统安全防护措施安全防护措施是保证操作人员和设备安全的重要环节。并联机器人安全保护系统包括急停按钮、安全围栏、传感器等。这些措施能够在发生紧急情况时及时停止机器人运行，防止意外事故发生。安全监控系统安全监控系统实时监控机器人的运行状态，监测可能出现的安全隐患。例如，系统可以监测机器人运动速度、负载重量、工作区域等参数，并及时提醒操作人员采取相应的安全措施。安全评估与验证定期进行安全评估和验证，确保安全保护系统能够有效地保障操作人员和设备的安全。安全评估可以包括安全风险评估、安全测试等内容。安全验证可以通过模拟故障、进行安全测试等方法进行。并联机器人的CAD/CAM集成CAD/CAM集成在并联机器人设计和制造中至关重要，它可以实现设计、制造和控制过程的无缝衔接。通过CAD软件进行虚拟仿真，可以验证机器人运动轨迹、关节空间和工作空间，并优化机器人设计。CAM软件可以根据CAD模型生成机器人加工路径，并控制机器人进行精确的加工，提高生产效率和产品质量。并联机器人的虚拟仿真虚拟仿真在并联机器人设计和应用中发挥着重要作用。通过仿真软件，可以模拟并联机器人的运动、动力学、控制等方面的行为，帮助设计人员进行优化和验证，降低成本，提高效率。虚拟仿真还可以用于培训操作人员，提高操作技能，减少实际操作中的风险。此外，虚拟仿真还可以帮助用户直观地了解并联机器人的工作原理和应用场景，促进并联机器人的推广应用。并联机器人的标准与国标ISO9001国际标准化组织颁布的质量管理体系标准，适用于并联机器人制造商。安全标准例如，ISO10218和IEC61508，规定了并联机器人的安全设计和操作规范。国标例如，GB/T17480-1998，规定了工业机器人的通用技术条件。并联机器人的应用前景高精度制造并联机器人具有高精度、高刚度和高速度的优点，适用于精密加工、装配和检测等应用。医疗手术并联机器人能够进行精细操作，并在医疗领域发挥越来越重要的作用，例如微创手术、辅助康复等。航空航天并联机器人可以用于航空航天制造、检测和维护，帮助提高效率和安全性。物流仓储并联机器人可用于自动化物流仓储系统，进行货物搬运、分拣和包装。并联机器人发展趋势1智能化并联机器人将更加智能，可以自主学习和适应环境变化，并进行更复杂的操控