第5章机器人控制技术

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1、第5章 機器人控制技術,5.1概述 5.2示教再現控制 5.3運動控制習題,5.1引言,5.1.1 機器人控制特點 5.1.2 機器人控制方式 5.1.3 機器人控制功能 5.1.4 機器人控制系統,第5章 機器人控制技術,5.1引言,5.1.1 機器人控制特點,第5章 機器人控制技術,1、大量的運動學、動力學運算，涉及向量、矩陣、座標變換和微積分等運算。2、機器人的控制不僅是非線性的，而且是多變數耦合的。3、機器人的控制還必須解決優化、決策的問題。,機器人的控制方式主要有以下兩種分類：1、按機器人手部在空間的運動方式分：（1）點位元控制方式PTP點位控制又稱為PTP控制，其特點是只控制機器人

2、手部在作業空間中某些規定的離散點上的位姿。這種控制方式的主要技術指標是定位精度和運動所需的時間。常常被應用在上下料、搬運、點焊和在電路板上插接元器件等定位精度要求不高且只要求機器人在目標點處保持手部具有準確位姿的作業中。,5.1引言,5.1.2 機器人控制方式,第5章 機器人控制技術,1、按機器人手部在空間的運動方式分：（2）連續軌跡控制方式CP連續軌跡控制又稱為CP控制，其特點是連續的控制機器人手部在作業空間中的位姿，要求其嚴格的按照預定的路徑和速度在一定的精度範圍內運動。這種控制方式的主要技術指標機器人手部位姿的軌跡跟蹤精度及平穩性。通常弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業的機器人都採用這種控制方

3、式。有的機器人在設計控制系統時，上述兩種控制方式都具有，如對進行裝配作業的機器人的控制等。,5.1引言,5.1.2 機器人控制方式,第5章 機器人控制技術,2、按機器人控制是否帶回饋分：（1）非伺服型控制方式非伺服型控制方式是指未採用回饋環節的開環控制方式。在這種控制方式下，機器人作業時嚴格按照在進行作業之前預先編制的控制程式來控制機器人的動作順序，在控制過程中沒有回饋信號，不能對機器人的作業進展及作業的品質好壞進行監測，因此，這種控制方式只適用於作業相對固定、作業程式簡單、運動精度要求不高的場合，它具有費用省，操作、安裝、維護簡單的優點。,5.1引言,5.1.2 機器人控制方式,第5章 機器

4、人控制技術,2、按機器人控制是否帶回饋分：（2）伺服型控制方式伺服型控制方式是指採用了回饋環節的閉環控制方式。這種控制方式的特點是在控制過程中採用內部感測器連續測量機器人的關節位移、速度、加速度等運動參數，並回饋到驅動單元構成閉環伺服控制。如果是適應型或智慧型機器人的伺服控制，則增加了機器人用外部感測器對外界環境的檢測，使機器人對外界環境的變化具有適應能力，從而構成總體閉環回饋的伺服控制方式。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.2 機器人控制方式,1、示教再現功能示教再現功能是指示教人員預先將機器人作業的各項運動參數預先教給機器人，在示教的過程中，機器人控制系統的記憶裝置就將所教的操

5、作過程自動地記錄在記憶體中。當需要機器人工作時，機器人的控制系統就調用記憶體中存儲的各項資料，使機器人再現示教過的操作過程，由此機器人即可完成要求的作業任務。機器人的示教再現功能易於實現，程式設計方便，在機器人的初期得到了較多的應用。,5.1引言,5.1.3 機器人控制功能,第5章 機器人控制技術,2、運動控制功能運動控制功能是指通過對機器人手部在空間的位元姿、速度、加速度等項的控制，使機器人的手部按照作業的要求進行動作，最終完成給定的作業任務。它與示教再現功能的區別：在示教再現控制中，機器人手部的各項運動參數是由示教人員教給它的，其精度取決於示教人員的熟練程度。而在運動控制中，機器人手部的各

6、項運動參數是由機器人的控制系統經過運算得來的，且在工作人員不能示教的情況下，通過程式設計指令仍然可以控制機器人完成給定的作業任務。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.3 機器人控制功能,由於機器人的控制過程中涉及大量的座標變換和插補運算以及較低層的即時控制，所以，目前的機器人控制系統在結構上大多數採用分層結構的微型電腦控制系統，通常採用的是兩級電腦伺服控制系統。,5.1引言,5.1.4 機器人控制系統,第5章 機器人控制技術,機器人控制系統具體的工作過程是：主控電腦接到工作人員輸入的作業指令後，首先分析解釋指令，確定手的運動參數，然後進行運動學、動力學和插補運算，最後得出機器人各個關

7、節的協調運動參數。這些參數經過通信線路輸出到伺服控制級作為各個關節伺服控制系統的給定信號。關節驅動器將此信號D/A轉換後驅動各個關節產生協調運動，並通過感測器將各個關節的運動輸出信號回饋回伺服控制級電腦形成局部閉環控制，從而更加精確的控制機器人手部在空間的運動（作業任務要求的）。在控制過程中，工作人員可直接監視機器人的運動狀態，也可從顯示器等輸出裝置上得到有關機器人運動的信息。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成 1、硬體,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成 1、硬體 上位機（個人微機或小型電腦

8、）的功能： 人機對话：人將作業任務給機器人，同時機器人將結果回饋回來，即人與機器人之間的交流。 數學運算：機器人運動學、動力學和數學插補運算。 通信功能：與下位機進行資料傳送和相互交換。 數據存储：存儲編制好的作業任務程式和中間資料。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成 1、硬體 下位機（單片機或運動控制器）的功能： 伺服驅動控制：接收上位機的關節運動參數信號和傳感器的回饋信號，並對其進行比較，然後經過誤差放大和各種補償，最終輸出關節運動所需的控制信號。,30 August 2018,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系

9、統,機器人控制系統的組成 1、硬體單片機應用,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成 1、硬體運動控制器介紹運動控制器核 心由ADSP2181數 字信號處理器及 其週邊部件組成， 可以實現高性能的 控制計算，同步 控制多個運動軸， 實現多軸協調運動。 應用領域包括機器人、數控機床等。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成 1、硬體運動控制器介紹運動控制器以PC為主機，提供標準的ISA、 PCI及通用的串口匯流排和數位I/O介面。運動控制器提 供高階語言函式程式庫和Windows動態連接庫，可以實 現複

10、雜的控制功能。使用者能夠將這些控制函數與自己控制系統所需的 資料處理、介面顯示、使用者介面等應用程式模組集成 在一起，建造符合特定應用要求的控制系統，以適應 各種應用領域的要求。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成 1、硬體運動控制器應用,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成 1、硬體 內部感測器的功能：內部感測器的主要目的是對自身的運動狀態進行 檢测，即檢測機器人各個關節的位移、速度和加速度 等運動參數，為機器人的控制提供回饋信號。機器人 使用的內部感測器主要包括位置、位移、速度和加速 度等感測

11、器。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成 1、硬體 外部感測器的功能：機器人要能在變化的作業環境中完成作業任務， 就必須具備類似於人類對環境的感覺功能。將機器人 用于對工作環境變化的檢测的感測器稱為外部傳感 器，有時也擬人的稱為環境感覺感測器或環境感覺器 官。目前，機器人常用的環境感覺技術主要有視覺、 聽覺、觸覺、力覺等。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成 2、軟體,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,控制過程：示教人員將機器人作業任務中要求手的運動預先教給機器人，

12、在示教的過程中，機器人控制系統就將關節運動狀態參數記憶存儲在記憶體中。當需要機器人工作時，機器人的控制系統就調用記憶體中存儲的各項資料，驅動關節運動，使機器人再現示教過的手的運動，由此完成要求的作業任務。,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,5.2.1 示教方式 5.2.2 記憶過程,5.2.1 示教方式機器人示教的方式種類繁多，總的可以分為集中示教方式和分離示教方式。 1、集中示教方式將機器人手部在空間的位元姿、速度、動作順序等參數同時進行示教的方式，示教一次即可生成關節運動的伺服指令。 2、分離示教方式將機器人手部在空間的位元姿、速度、動

13、作順序等參數分開單獨進行示教的方式，一般需要示教多次才可生成關節運動的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,5.2.1 示教方式當對用點位（PTP）控制的點焊、搬運機器人進行示教時，可以分開編制程式，且能進行編輯、修改等工作，但是機器人手部在作曲線運動而且位置精度要求較高時，示教點數就會較多，示教時間就會拉長，且在每一個示教點處都要停止和啟動，因此就很難進行速度的控制。,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,5.2.1 示教方式當對用連續軌跡（CP）控制的弧焊、噴漆機器人進行示教時，示教操作一旦開始就不能中途停止，必須不中斷的連續進行到底，且

14、在示教途中很難進行局部的修改。示教時，可以是手把手示教，也可通過示教盒示教。,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,30 August 2018,5.2.2 記憶過程,在示教的過程中，機器人關節運動狀態的變化被感測器檢測到，經過轉換，再通過變換裝置送入控制系統，控制系統就將這些資料保存在記憶體中，作為再現示教過的手的運動時所需要的關節運動參數資料。,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,1、記憶速度取決於感測器的檢測速度、變換裝置的轉換速度和控制系統記憶體的存儲速度。 2、記憶容量取決於控制系統記憶體的容量。,5.2.2 記憶過程,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,機器人

15、的運動控制是指機器人手部在空間從一點移動到另一點的過程中或沿某一軌跡運動時，對其位元姿、速度和加速度等運動參數的控制。由機器人運動學可知，機器人手部的運動是由各個關節的運動引起的，所以控制機器人手部的運動實際上是通過控制機器人各個關節的運動實現的。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,控制過程：根據機器人作業任務中要求的手的運動，通過運動學逆解和數學插補運算得到機器人各個關節運動的位移、速度和加速度，再根據動力學正解得到各個關節的驅動力（矩）。機器人控制系統根據運算得到的關節運動狀態參數控制驅動裝置，驅動各個關節產生運動，從而合成手在空間的運動，由此完成要求的作業任務。,5.3運動控制,第

16、5章 機器人控制技術,控制步驟：第一步：關節運動伺服指令的生成，即將機器人手部在空間的位姿變化轉換為關節變數隨時間按某一規律變化的函數。這一步一般可離線完成。第二步：關節運動的伺服控制，即採用一定的控制演算法跟蹤執行第一步所生成的關節運動伺服指令，這是線上完成的。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成 5.3.2 關節運動的伺服控制 5.3.3機器人語言,5.3.1 關節運動伺服指令的生成 1、軌跡規劃機器人關節運動伺服指令的軌跡規劃生成方法是指根據作業任務要求的機器人手部在空間的位元姿、速度等運動參數的變化，通過機器人運動學方程的求解和各種插補運算等數學方法最終生成相應的關節運動伺服指令。*示教再現控制生產方法示教生成,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成 2、軌跡規劃的實現過程在對機器人進行軌跡規劃時，首先要對機器人的作業任務進行描述，得到機器人手部在空間的位元姿變化，然後根據機器人運動學方程及其逆解並通過適當的插補運算求出機器人各個關節的位移、速度等運動參數的變化，再通過動力學運算最終生成機器人關節運動所需的伺服指令。PTP下的軌跡規劃是在關節座標空间進行。CP下的軌跡規劃是在直角坐標空间進行。,