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機(jī)器人控制入門ppt課件-wenkub.com

2025-04-27 22:10 本頁(yè)面
   

【正文】 通常這種系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 為了產(chǎn)生作用力 F就必須具有關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力 ?, , 加在手端上的力和位移間的關(guān)系為 。 剛性控制是將位置和力聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行控制,即在純粹的位置控制和力控制之間采用能實(shí)現(xiàn)彈簧特性的控制,并用作業(yè)坐標(biāo)系表示控制規(guī)律。 機(jī)器人的力控制 位置和力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機(jī)器人的力控制 位置和力混合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是位置和力是獨(dú)立控制的以及控制規(guī)律是以關(guān)節(jié)坐標(biāo)給出的。 主動(dòng)式順應(yīng)控制是在位量控制中,通過(guò)力傳感器引入力信號(hào),通過(guò)數(shù)據(jù)處理,采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗援a(chǎn)生控制指令驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。被動(dòng)式順應(yīng)控制實(shí)質(zhì)上是設(shè)計(jì)一種特殊的機(jī)械,這種裝置是由 DRAP實(shí)驗(yàn)室 Whitnev等人制作的,稱做 RCC(Remote Center Compliance),見(jiàn) 下圖 。由選擇矩陣 S確定約束坐標(biāo)系 6個(gè)自由度中的哪個(gè)自由度受力控制,哪個(gè)自由度受位置控制。 對(duì)應(yīng)在位置約束方向上關(guān)節(jié)的位移將產(chǎn)生機(jī)器人桿件和接觸表面的變形,微小的變形將產(chǎn)生較大的力作用,所以不能以位移作為控制量,必須直接對(duì)力的大小進(jìn)行控制,也就必須對(duì)力進(jìn)行檢測(cè)和反饋。 位置和力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機(jī)器人的力控制 具有力反饋的控制系統(tǒng)如右圖所示。 圖 (d)表示銷子插入孔底的情況 ,當(dāng) 方向上的力達(dá)到一定值時(shí)即可察覺(jué)此情況的發(fā)生。a)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄; (b)轉(zhuǎn)動(dòng)螺絲刀 機(jī)器人的力控制插銷入孔的過(guò)程圖(s)處在空中; (b)平滑移動(dòng); (c)掉人孔中; (d)插入孔底 右圖表示將一個(gè)銷于插入孔中的裝配過(guò)程:首先把銷放在孔左側(cè)平面上,然后在平面上平移滑動(dòng),直到掉入孔 L中,再將銷向下插入孔底。但人為力約束在法線方向上,人為位置約束在切線方向上.以保證與自然約束相容。如果假設(shè)螺釘與被擰入材料無(wú)摩擦,則在 方向的力矩為零也作為約束條件之一。 其中 軸總指向曲柄的轉(zhuǎn)軸。按這兩類約束確定各自的控制準(zhǔn)則。在這種情況下,位置控制與力控制組成一個(gè)有機(jī)整體,力控制是在正確的位置控制基礎(chǔ)上進(jìn)一步的控制內(nèi)容。 軌跡控制 作業(yè)約束與力控制 機(jī)器人擦玻璃或擦飛機(jī)以及轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄、擰螺絲等都屬于機(jī)器人手端與環(huán)境接觸而產(chǎn)生的同時(shí)具有位置控制和力控制的問(wèn)題。 由于機(jī)器人手端的位移、速度及加速度與關(guān)節(jié)變量間不是線性關(guān)系,通過(guò)生成平滑的關(guān)節(jié)軌跡不能保證生成平滑的手端路徑,因此有必要首先直接生成手端的平滑路徑,然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題求解關(guān)節(jié)位移、速度及加速度變化規(guī)律。先選擇加減速時(shí)間參數(shù) ?, 然后確定中間輔助點(diǎn)知 ?02, ?f1:首先讓 ?01= ?0 , ?f2= ?f , 連接 ?01, ?f2, 在連線上取 ?02, ?f1 。所以設(shè) 軌跡控制其中的待定系數(shù)可求出如下:當(dāng) , 這時(shí) ?(t)變?yōu)樗拇味囗?xiàng)式。( a) PTP控制 ( b) CP控制 設(shè)手端在點(diǎn) r0和 rf間運(yùn)動(dòng)。此種目標(biāo)軌跡要根據(jù)不同的情況要求生成。一種是在連續(xù)路徑上示教許多點(diǎn),使機(jī)器人按這些點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),基本上使實(shí)際路徑與目標(biāo)路徑吻合;另一種是在示教點(diǎn)之問(wèn)用直線或圓弧線插補(bǔ)。軌跡記憶再現(xiàn)的方式有點(diǎn)位控制 (PTP)和連續(xù)路徑控制 (CP), 如下圖所示;點(diǎn)位控制主要用于點(diǎn)焊作業(yè)、更換刀具或其他工具等情況。 軌跡控制就是控制機(jī)器人手端沿著一定的目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)。路徑端點(diǎn)一般是在笛卡兒坐標(biāo)中給出的。 在編制機(jī)器人工作程序時(shí),了解在其路徑上有無(wú)障礙 (障礙約束)以及它是否必須沿特定路徑運(yùn)動(dòng),是必須的。這是個(gè)估計(jì)的重力矩信號(hào),并由下式計(jì)算式中 為重力矩 的估計(jì)值。在多關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)的情況下,存在有關(guān)節(jié)間耦合慣量的作用。 ( 1).動(dòng)態(tài)方程的拉格朗日公式 動(dòng)態(tài)方程式表示一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征。這種工作過(guò)程使執(zhí)行規(guī)定任務(wù)的時(shí)間變得過(guò)長(zhǎng),因而是不經(jīng)濟(jì)的。 這些物理量表示實(shí)際附加負(fù)載對(duì)機(jī)器人的作用。要做到這一點(diǎn),可以采用測(cè)速發(fā)電機(jī),或者計(jì)算一 定時(shí)間間隔內(nèi)傳動(dòng)軸角位移的差值。如果多個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng),那么各關(guān)節(jié)間力的互相作用會(huì)產(chǎn)生耦合,使控制系統(tǒng)變得復(fù)雜。 如果不存在路徑約束,那么控制器只要知道夾手要經(jīng)過(guò)路徑上所有指定的轉(zhuǎn)彎點(diǎn)就夠了。為了減少計(jì)算工作量,補(bǔ)償信號(hào)往往是近似的,或者采用簡(jiǎn)化計(jì)算公式。 控制器設(shè)計(jì)的目的是使控制系統(tǒng)具有良好的伺服性能。多軸運(yùn)動(dòng)控制器的各軸伺服控制也是獨(dú)立的,每個(gè)軸對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)。由于機(jī)器人的非線性特點(diǎn),即慣性力、關(guān)節(jié)間的耦聯(lián)及重力均與機(jī)器人的位姿 (或位姿和速度 )有關(guān),是變化的,但伺服系統(tǒng)的反饋系數(shù)是確定不變的,因此這種控制方法難于保證在高速、變速或變載荷情況下的精度。下位機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。上位機(jī)軟件為系統(tǒng)編程軟件,下位機(jī)軟件為伺服軟件。 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 PUMA562機(jī)器人控制器硬件還包括一塊 C接口板、一塊高壓控制板和六塊功率放大器板,這幾塊板插在另外的一個(gè)專門設(shè)計(jì)的功率放大器總線 (Power Amp Bus)上。用于檢測(cè)位置的光電碼盤與電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)。 下位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由六塊以 6503CPU為核心的單扳機(jī)組成,每塊板負(fù)責(zé)一個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng),構(gòu)成 6個(gè)獨(dú)立的數(shù)字伺服控制回路。 接口板 A、 B是上、下位機(jī)通信的橋梁。 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 PUMA562控制器硬件配置及結(jié)構(gòu) 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 PUMA562控制器原理框圖如左圖所示。 PUMA機(jī)器人都有腰旋轉(zhuǎn)、肩旋轉(zhuǎn)和肘旋轉(zhuǎn)等 3個(gè)基本軸,加上手腕的回轉(zhuǎn)、彎曲和旋轉(zhuǎn)軸 , 構(gòu)成六自由度的開(kāi)鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。構(gòu)成機(jī)器人控制系統(tǒng)的要素主要有:計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟件;輸入 /輸出設(shè)備;驅(qū)動(dòng)器;傳感器系統(tǒng)。2.電 — 液壓伺服控制系統(tǒng) 當(dāng)采用力矩伺服電動(dòng)機(jī)作為位移給定元件時(shí),液壓系統(tǒng)的方框如下圖所示 機(jī)器人系統(tǒng)通常分為機(jī)構(gòu)本體和控制系統(tǒng)兩大部分。放大器輸入端的控制信號(hào)由三個(gè)信號(hào)疊加而成。 為了控制液壓缸或液壓馬達(dá),在機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)中使用慣量小的液壓滑閥。一些最新的液壓伺服控制系統(tǒng)還應(yīng)用數(shù)字譯碼器和感覺(jué)反饋控制裝置,因而其精度和重復(fù)性通常與電氣傳動(dòng)機(jī)器人相似。 (3)第三級(jí):伺服系統(tǒng)級(jí) 第三級(jí)所關(guān)心是機(jī)器人的一般實(shí)際問(wèn)題。 主要采用幾何模型和運(yùn)動(dòng)模型。 考慮上式,式中四個(gè)矢量之間的關(guān)系可建立四種模型T(t)傳動(dòng)裝置模型C(t)關(guān)節(jié)式機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)器人模型任務(wù)空間內(nèi)的關(guān)節(jié)變量與被控制值間的關(guān)系模型X(t)實(shí)際空間內(nèi)的機(jī)器人模型 第一個(gè)問(wèn)題是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。 它包括與人工智能有關(guān)的所有可能問(wèn)題:如詞匯和自然語(yǔ)言理解、規(guī)劃的產(chǎn)生以及任務(wù)描述等。從圖可見(jiàn),它主要分為三個(gè)控制級(jí),即 人工智能級(jí)、控制模式級(jí)和伺服系統(tǒng)級(jí) 。 各關(guān)節(jié)在力矩 Cl至 C6作用下而運(yùn)動(dòng),這些力矩構(gòu)成矢量 C(t)。 末端執(zhí)行裝置的狀態(tài)是由這組坐標(biāo)軸的許多數(shù)值或參數(shù)表示的,而這些參數(shù)是矢量 X的分量。2.主要控制變量 右圖表示一臺(tái)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)控制變量。隨著實(shí)際工作情況的不同,可以采用各種不同的控制方式,從簡(jiǎn)單的編程自動(dòng)化、小型計(jì)算機(jī)控制到微處理機(jī)控制等。 本節(jié)將討論 工業(yè)機(jī)器人常用控制器的基本控制原則及控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。 機(jī)器人控制器的選擇,是由機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)決定的。 對(duì)于右圖中的負(fù)反饋結(jié)合, G1= KcKm KP / s(1十 Tms),故負(fù)反饋結(jié)合后的傳遞函數(shù)為 這樣一來(lái),用直流電動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行置控制時(shí),給定目標(biāo)位置的電壓 ei與 給出實(shí)際位置的電壓 e0二者之間的關(guān)系就可以傳遞函數(shù)來(lái)表示了。由電位器將負(fù)荷位置變換成電壓信號(hào)作為輸出。一般采用永久磁鋼產(chǎn)生磁場(chǎng)的他激式直流電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力源。由于電壓放大器和驅(qū)動(dòng)電路都是比例環(huán)節(jié),由此可知它們的傳遞函數(shù)為常數(shù) Kl, K2, 由表可知 Kl, K2串聯(lián)結(jié)合后可以合并為二者的乘積 Kl 當(dāng)反饋電壓 e0與目標(biāo)電壓 ei相等時(shí),直流電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。例如,當(dāng)負(fù)載向左移動(dòng)時(shí)電刷電位 e0下降,向右移動(dòng)時(shí)電刷電位 e0升高。整個(gè)控制系統(tǒng)如下圖所示。反饋環(huán)節(jié)的符號(hào)必須為負(fù),并與目標(biāo)值相比較。執(zhí)行部分產(chǎn)生控制量作用于控制對(duì)象。浮球位于水槽的水面上,隨著水面上升浮球上升,閥門開(kāi)始關(guān)閉,到達(dá)目標(biāo)水位時(shí),閥門將完全關(guān)閉。由上圖 (b)和左圖 (b)可以得到方框圖如下圖所示。 方框圖 在底部無(wú)孔的水槽中 (右圖 (a))流入槽中的水的流量為變量 (隨時(shí)間而變化的量 ),那么水槽中的水量和水位亦為變量。流量減少,水位會(huì)隨之下降;流入的流量增加,水位也會(huì)隨之升高。如果此時(shí)上水管的 但是,也會(huì)有不能將水槽水位穩(wěn)定控制在某一定值的情況。 這種用時(shí)間來(lái)管理程序順序的方式,稱為限時(shí)程序控制方式。點(diǎn)焊機(jī)器人反復(fù)進(jìn)行位置控制和焊接作業(yè)控制。這種控制不是位置控制,而是力的控制。這樣一來(lái),這個(gè)機(jī)器人的手就成為一個(gè)位置變動(dòng)很小的剛性手。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 力與剛性控制 下圖示出
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