摘要:随着现代工业生产的快速发展,机器人技术在制造业中的应用得以广泛推广。本论文针对工业机器人控制原理进行了研究,针对不同控制方法进行了分析,并以ABB机器人为例进行实验验证,探究机器人运动操作的过程和机器人控制系统的设计方法。
通过对PID控制、自适应控制和模糊控制等多业机器人控制方法进行比较,分析每种控制方法的优缺点后,本文选择采用PID控制方法来控制机器人的位置和姿态,同时使用基于Visual Basic的运动控制软件来进行机器人控制系统的设计,最终成功实现了机器人在三个坐标轴上的运动控制,并完成了对圆环物体的自动识别与抓取。
关键词:工业机器人;控制原理;PID控制;Visual Basic;控制系统设计;实验验证
一、引言
在现代制造业生产中,工业机器人因其高速、高精度和可编程性而得到广泛应用,并且随着工业机器人技术的不断升级,机器人的应用领域也不断扩大。工业机器人需要高精度的运动控制系统来完成各种任务,因此对于工业机器的控制原理进行研究具有重要意义。
二、相关技术
2.1 工业机器人基本构成
工业机器人由机械部分、电子部分和软件部分组成。其中,机械部分包括执行部分、驱动部分和传输部分;电子部分包括控制器、传感器和执行器;软件部分包括机器人控制软件、上位机软件等。
2.2 控制方法
常见的工业机器人控制方法有PID控制方法、自适应控制和模糊控制等。PID控制方法是一种基于反馈的控制方法,经常用于机器人的位置和姿态控制。自适应控制能够根据环境的变化调整控制参数,在机器人控制中应用广泛。
三、实验设计与实现
3.1硬件设计
机器构成本次实验中所选的ABB机械臂,主要由运动基座、臂连接杆、手腕和末端工具等组成。
机器人控制器是指用于控制机器人执行器和传感器的设备,本实验采用的是机器人厂商提供的ABB IRC5控制器。该控制器通过可编程逻辑控制(PLC)和监视器等功能,可以对机器人进行远程控制和监控。
3.2软件设计
3.2.1.Visual Basic集成开发环境
Visual Basic是一种基于Windows的应用程序开发工具,支持多种编程语言,如Visual Basic、C#等。在本次实验中,我们采用Visual Basic 6.0作为机器人的控制软件的编程环境。
3.2.2.PID控制算法
PID控制是一种经典的控制方法,可应用于工业机器人的运动控制中。PID控制器根据反馈信号不断调整目标值与实际输出值之间的误差,自适应地计算出输出信号的大小,并在预定的样本时间内周期性地进行控制,以保证控制质量和稳定性。
3.2.3运动规划
运动规划是指根据机器人所处环境的情况设置机器人的行动路线及速度、加速度等参数,使其能够按照设计好的路线完成任务。在本次实验中,运动规划的
主要步骤如下:
(1) 坐标转换:将欧拉角和位置向量转化为齐次矩阵。
(2) 插补算法:采用三次插值算法对机器人的运动曲线进行平滑处理。
(3) 转动关节角度:将所得到的位置姿态通过反解计算出每个关节的转角,以控制机械运动。
四、机器人运动控制的过程
4.1运动控制系统架构
在该控制系统中,Visual Basic作为上位机软件,负责与用户交互和机械控制逻辑;将指令发送给ABB IRC5控制器,由控制器完成对机器人的正向运动学求解和PID控制算法的执行。机械臂工具配备视觉传感器,能够自动识别物体并进行抓取。
该系统包括三个主要组成部分:上位机软件、ABB IRC5控制器以及机械臂工具和传感器。上位机软件为用户提供交互式界面,使用户能够通过软件控制机械臂的运动轨迹和速度等参数。
ABB IRC5控制器作为机械主要控制器,接受来上位机的指令并执行正向运动学求解和PID控制算法。
机械臂装备有视觉传感器,能够感知物体的位置信息,从而支持精准抓取。
4.2系统控制流程
机器人运动控制系统的流程如下:
上位机软件设定机械臂的目标位置和姿态。用户通过上位机软件输入机械臂需要执行的任意运动轨迹、位姿等指令。
(1)控制器接收上位机数据并进行正向运动学求解,根据机械臂几何结构和公式计算出每个关节的转角和末端执行器(工具)的位置及姿态信息。
(2)控制器利用PID控制算法对机械位置和姿态进行封闭控制。控制器不断采集机械臂各关节当前的位置和姿态信息,并和目标值求差,计算出比例响应、积分响应和微分响应,进而得到PID控制量。
(3)通过步进电机控制器,控制器将PID控制量转变为驱动电压输出。控制器通过发送电流命令来控制电机运动,以此来实现机械运动。
(4)在机械运动过程中,视觉传感器不断获取物体的位置信息,并将其发送回上位机。控制器将反馈信号与目标值进行比较,从而实现精准的抓取任务。
(5)当机械臂到达目标点后,控制器将退出PID闭环控制模式,并以寸动模式提供用户多种接口参数,以实现对机械臂的手动控制。
总之,机器人运动控制系统利用上位机、控制器和机械臂等重要组成部分,完成输入指令、位置规划、姿态反馈、PID控制输出,最终实现精准运动的过程。
四、实验结果与分析
本次实验在ABB机械臂平台上进行,通过Visual Basic软件实现了对机械运动控制,并采用PID控制算法实现了精准的位置和姿态控制。实验结果表明,通过该方法可以实现高精度的机器人运动控制。
五、总结
本文以ABB机械臂为实验平台,基于PID控制算法设计了一套适合工业机器人运动控制的控制系统。实验结果验证了PID控制算法的高精度和稳定性,同时揭示了在实际应用中可能会遇到的问题。作为未来机器人技术发展的重要方向,机器人运动控制的研究还有大量的问题和挑战等待我们去探索。
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原文链接:http://xueshu.qikan.com.cn/preview/1/102/3489258