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1、第第5章章 机器人控制系统机器人控制系统v5.1 控制系统概述控制系统概述v5.2 工业机器人控制的分类工业机器人控制的分类v5.3 工业机器人的位置控制工业机器人的位置控制v5.4 工业机器人运动轨迹控制工业机器人运动轨迹控制v5.5 智能控制技术智能控制技术5.1 5.1 控制系统概述控制系统概述 机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。间中的运
2、动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。 机器人控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。机器人控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。 5.1.1 机器人控制系统的基本功能机器人控制系统的基本功能 （1）记忆功能）记忆功能 （2）示教功能）示教功能 （3）与外围设备联系功能）与外围设备联系功能 （4）坐标设置功能）坐标设置功能 （5）人机接口）人机接口 （6）传感器接口）传感器接口 （7）位置伺服功能）位置伺服功能 （8）故障诊断安全保护功能）故障诊断安全保护功能5.1.2 机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成 （1）控制计算机）控制计算机 （2）示教盒）示教盒
3、 （3）操作面板）操作面板 （4）硬盘和软盘存储）硬盘和软盘存储 （5）数字和模拟量输入输出）数字和模拟量输入输出 （6）打印机接口）打印机接口 （7）传感器接口）传感器接口 （8）轴控制器）轴控制器 （9）辅助设备控制）辅助设备控制 （10）通信接口）通信接口 （11）网络接口）网络接口5.1.3 机器人控制的关键技术机器人控制的关键技术1. 关键技术关键技术 (1) 开放性模块化的控制系统体系结构开放性模块化的控制系统体系结构 (2) 模块化层次化的控制器软件系统模块化层次化的控制器软件系统 (3) 机器人的故障诊断与安全维护技术机器人的故障诊断与安全维护技术 (4) 网络化机器人控制器技
4、术网络化机器人控制器技术2. 机器人示教机器人示教 (1) 直接示教直接示教 手把手示教，由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教，手把手示教，由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教，如示教盒示教或操作杆示教等。如示教盒示教或操作杆示教等。 (2) 离线示教离线示教 不对实际作业的机器人直接进行示教，而是脱离实际作业环境不对实际作业的机器人直接进行示教，而是脱离实际作业环境生成示教数据，间接地对机器人进行示教。生成示教数据，间接地对机器人进行示教。 典型的微机控制系统框图如图所示。图中的输入量一般由程序给定，也典型的微机控制系统框图如图所示。图中的输入量一般由程序给定，也可以由输入装置给定。
5、可以由输入装置给定。典型的微机控制系统框图典型的微机控制系统框图微机控制系统的输出通道微机控制系统的输出通道 微机控制系统的输入通道微机控制系统的输入通道 在工业机器人控制中，进行轨迹规划等需要完成大量的计算工作，在工业机器人控制中，进行轨迹规划等需要完成大量的计算工作，因此，一般采用监督控制系统（因此，一般采用监督控制系统（SCCSupervisory Computer Control）。其组成如图所示）。其组成如图所示 SCC+模拟调节节器模拟调节节器 SCC+DDC 5.1.4 工业机器人控制的特点工业机器人控制的特点 1) 传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统则更
6、传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统则更着重本体与操作对象的相互关系。着重本体与操作对象的相互关系。 2) 工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。 3) 每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协调起来，组成一个多变量的控制系统。调起来，组成一个多变量的控制系统。 4) 描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因
7、此，仅仅是位置闭环是不变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅仅是位置闭环是不够的，还要利用速度、甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比够的，还要利用速度、甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比如使用重力补偿、前馈、解耦、基于传感信息的控制和最优如使用重力补偿、前馈、解耦、基于传感信息的控制和最优PID控制等。控制等。 5) 工业机器人还有一种特有的控制方式工业机器人还有一种特有的控制方式示教再现控制方式。示教再现控制方式。 总之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原总之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制
8、系统。理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。5.2 工业机器人控制的分类工业机器人控制的分类 工业机器人控制结构的选择，是由工业机器人所执行的任务决定工业机器人控制结构的选择，是由工业机器人所执行的任务决定的，对不同类型的机器人已经发展了不同的控制综合方法。工业机器的，对不同类型的机器人已经发展了不同的控制综合方法。工业机器人控制的分类，没有统一的标准。人控制的分类，没有统一的标准。 按运动坐标控制的方式来分：有关节空间运动控制、直角坐标空按运动坐标控制的方式来分：有关节空间运动控制、直角坐标空间运动控制间运动控制 按控制系统对工作环境变化的适应程度来分：有程序控制系统、按控制系统对
9、工作环境变化的适应程度来分：有程序控制系统、适应性控制系统、人工智能控制系统适应性控制系统、人工智能控制系统 按同时控制机器人数目的多少来分：可分为单控系统、群控系统按同时控制机器人数目的多少来分：可分为单控系统、群控系统 按运动控制方式的不同：将机器人控制分为位置控制、速度控制、按运动控制方式的不同：将机器人控制分为位置控制、速度控制、力控制力控制(包括位置包括位置/力混合控制力混合控制)三类三类5.2.1 位置控制方式位置控制方式 工业机器人位置控制分为点位控制（如图工业机器人位置控制分为点位控制（如图a）和连续轨迹控制（如图）和连续轨迹控制（如图b）两类。）两类。 (1) 点位控制点位控
10、制 这类控制的特点是仅控制离散点上工业机器人末端执行器的位姿，要求尽快而这类控制的特点是仅控制离散点上工业机器人末端执行器的位姿，要求尽快而无超调地实现相邻点之间的运动，但对相邻点之间的运动轨迹一般不作具体规定。无超调地实现相邻点之间的运动，但对相邻点之间的运动轨迹一般不作具体规定。 (2) 连续轨迹控制连续轨迹控制 这类运动控制的特点是连续控制工业机器人末端执行器的位姿，使某点按规定这类运动控制的特点是连续控制工业机器人末端执行器的位姿，使某点按规定的轨迹运动。的轨迹运动。 5.2.2 速度控制方式速度控制方式 工业机器人，在位置控制的同时，有时还要工业机器人，在位置控制的同时，有时还要进行
11、速度控制。例如，在连续轨迹控制方式的情进行速度控制。例如，在连续轨迹控制方式的情况下，工业机器人按预定的指令，控制运动部件况下，工业机器人按预定的指令，控制运动部件的速度和实行加、减速，以满足运动平稳、定位的速度和实行加、减速，以满足运动平稳、定位准确的要求，如图准确的要求，如图5.7所示。由于工业机器人是所示。由于工业机器人是一种工作情况一种工作情况(行程负载行程负载)多变、惯性负载大的运多变、惯性负载大的运动机械，要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制动机械，要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制起动加速和停止前的减速这两个过渡运动区段。起动加速和停止前的减速这两个过渡运动区段。机器人行程的速度机
12、器人行程的速度/时间曲线时间曲线 5.2.3 力力(力矩力矩)控制方式控制方式 在进行装配或抓取物体等作业时，工业机器人末端操作器与环境或作业对象在进行装配或抓取物体等作业时，工业机器人末端操作器与环境或作业对象的表面接触，除了要求准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这的表面接触，除了要求准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要采取力时就要采取力(力矩力矩)控制方式。力控制方式。力(力矩力矩)控制是对位置控制的补充，这种方式的控控制是对位置控制的补充，这种方式的控制原理与位置伺服控制原理也基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，制原理与位置伺服控制原理也基本相同
13、，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力而是力(力矩力矩)信号，因此，系统中有力信号，因此，系统中有力(力矩力矩)传感器。传感器。5.3 工业机器人的位置控制工业机器人的位置控制 工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的运动，最终保证工业机器人终端运动，最终保证工业机器人终端(手爪手爪)沿预定的轨迹运行。沿预定的轨迹运行。 下图所示表示机器人本身、控制器和轨迹规划器之间的关系。图中的轨下图所示表示机器人本身、控制器和轨迹规划器之间的关系。图中的轨迹规划器由监督计算机来完成，控制器则由模拟调节器或迹规划器由监督
14、计算机来完成，控制器则由模拟调节器或DDC计算机来完成。计算机来完成。 工业机器人接受控制器发出的关节驱动力矩矢量工业机器人接受控制器发出的关节驱动力矩矢量 ，装于机器人各关节上的，装于机器人各关节上的传感器测出关节位置矢量传感器测出关节位置矢量 和关节速度矢量，再反馈到控制器上，因此，工业机和关节速度矢量，再反馈到控制器上，因此，工业机器人每个关节的控制系统都是一个闭环控制系统。器人每个关节的控制系统都是一个闭环控制系统。 5.4 工业机器人的运动轨迹控制工业机器人的运动轨迹控制 路径和轨迹规划与受到控制的机器人从一个位置移动到另一路径和轨迹规划与受到控制的机器人从一个位置移动到另一个位置的
15、方法有关。路径和轨迹规划既要用到机器人的动力学个位置的方法有关。路径和轨迹规划既要用到机器人的动力学又要用到运动学。又要用到运动学。 轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用多轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用多项式函数来项式函数来“逼近逼近”给定的路径，并产生一系列给定的路径，并产生一系列“控制设定控制设定点点”。 路径端点一般是在笛卡尔坐标中给出的，如果需要某些位置路径端点一般是在笛卡尔坐标中给出的，如果需要某些位置的关节坐标，则可调用运动学的逆问题求解程序，进行必要的的关节坐标，则可调用运动学的逆问题求解程序，进行必要的转换。转换。 轨迹控制就是控制机器人手端沿
16、着一定的目标轨迹运动。因轨迹控制就是控制机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因此，目标轨迹的给定方法和如何控制机器人手臂使之高精度地此，目标轨迹的给定方法和如何控制机器人手臂使之高精度地跟踪目标的方法是轨迹控制的两个主要内容。跟踪目标的方法是轨迹控制的两个主要内容。 机器人的规划是分层次的，从高层的任务规划，动作规机器人的规划是分层次的，从高层的任务规划，动作规划到手部轨迹规划和关节轨迹规划，最后才是底层的控制划到手部轨迹规划和关节轨迹规划，最后才是底层的控制 。 5.4.1 路径和轨迹路径和轨迹 路径是机器人位姿的一定序列路径是机器人位姿的一定序列,而不考虑机器人位姿参数随而不考虑机器人位姿参数随时间变化的因素。时间变化的因素。所谓轨迹、是指操作臂在运动过程中的位所谓轨迹、是指操作臂在运动过程中的位移、速度和加速度。移、速度和加速度。 路径控制通常只给出机械手末端的起点和终点，有时也给路径控制通常只给出机械手末端的起点和终点，有时也给出一些中间经过点，所有这些点统称为路径点，要注意这些出一些中间经过点，所有这些点统称为路径点，要注意这些点不仅包括位置，还要包括方向。点不仅包括位置，还要
