机器人技术及其应用第2版 张宪民第5章 机器人的控制基础

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1、,主编 张宪民,机器人技术及其应用,Theory and Application of Robotics,机器人的控制基础,第五章,概述,第一节,伺服电机的原理与特性,第二节,伺服电机调速的基本原理,第三节,电动机驱动及其传递函数,第四节,单关节机器人的伺服系统建模与控制,第五节,交流伺服电动机的调速,第六节,机器人控制系统的硬件结构及接口,第七节,机器人控制系统举例,第八节,小结,第九节,1,概述,概述,机器人控制系统通常是多轴运动协调控制系统， 包括高性能的主控制器及相应的硬件和控制算法及相应的软件。,如图 所示， 机器人控制系统分为四部分： 机器人及其感知器、环境、任务、控制器。机器人是

2、由各种机构组成的装置， 它通过感知器实现本体和环境状态的检测及信息交互， 也是控制的最终目标；环境是指机器人所处的周围环境，包括几何条件、相对位置等， 如工件的形状、位置、障碍物、焊缝的几何偏差等；,图 机器人控制系统结构,概述,任务是指机器人要完成的操作， 它需要适当的程序语言来描述， 并把它们存入主控制器中，随着系统的不同， 任务的输入可能是程序方式， 或文字、图形或声音方式； 控制器包括软件（控制策略和算法以及实现算法的软件程序）和硬件两大部分， 相当于人的大脑， 它是以计算机或专用控制器运行程序的方式来完成给定任务的。,图 机器人控制系统结构,概述,机器人主控制器是控制系统的核心部分，

3、 直接影响机器人性能的优劣。在控制器中，控制策略和算法主要是指机器人控制系统结构、控制信息产生模型和计算方法、控制信息传递方式等。根据对象和要求不同， 可采用多种不同的控制策略和算法， 如控制系统结构可以采用分布式或集中式； 控制信息传递方式可以采用开环控制或 伺服关节运动控制； 控制信息产生模型可以是基于模型或自适应等。目前，机器人控制技术与系统的研究已经由专用控制系统发展到采用通用开放式计算机控制体系结构， 并逐渐向智能控制技术及其实际应用发展， 技术特点归纳起来主要在两个方面： 智能控制、多算法融合和性能分析的功能结构； 实时多任务操作系统、多控制器和网络化的实现结构。,概述,控制系统硬

4、件一般包括三个部分：,（） 传感部分 用来收集机器人的内部和外部信息， 如位置、速度、加速度传感器可检测机器人本体运动的状态， 而视觉、触觉、力觉传感器可感受机器人和外部工作环境的状态信息。 （） 控制装置 用来处理各种信息， 完成控制算法， 产生必要的控制指令， 它包括计算机及相应的接口， 通常为多 层次控制模块化结构。 （） 伺服驱动部分 为了使机器人完成操作及移动功能， 机器人各关节的驱动器视作业要求不同可为气动、液压、交流伺服和直流伺服等。,概述,与一般的伺服系统或过程控制系统相比， 机器人控制系统有如下特点： ） 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。机器人手足的状态可以在各种坐

5、标下进行描述， 应当根据需要， 选择不同的参考坐标系， 并做适当的坐标变换。经常要求解运动学正问题和逆问题， 除此之外还要考虑惯性力、外力（包括重力）、哥氏力、向心力的影响。 ） 一个简单的机器人也至少有 个自由度， 比较复杂的机器人有十几个、甚至几十个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构， 它们必须协调起来， 组成一个多变量控制系统。,概述,） 把多个独立的伺服系统有机地协调起来， 使其按照人的意志行动， 甚至赋予机器人一定的“智能”， 这个任务只能由计算机来完成。因此， 机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。同时， 计算机软件担负着艰巨的任务。 ） 描述机器人状态和运动的数学模型是一个

6、非线性模型， 随着状态的不同和外力的变化， 其参数也在变化， 各变量之间还存在耦合。因此， 仅仅利用位置闭环是不够的，还要利用速度闭环， 甚至加速度闭环。系统中经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。,概述,） 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成， 因此存在一个“最优” 的问题。较高级的机器人可以用人工智能的方法， 用计算机建立起庞大的信息库， 借助信息库进行控制、决策、管理和操作。根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况， 按照给定的指标要求， 自动地选择最佳的控制规律。 总而言之， 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系

7、统。由于它的特殊性， 经典控制理论和现代控制理论都不能照搬使用。然而到目前为止， 机器人控制理论还是不完整的、不系统的。相信随着机器人事业的发展， 机器人控制理论必将日趋成熟。,概述,机器人的运动主要是位置的移动， 移动位置的控制可以分为以定位为目标的定位控制和以路径跟踪为目标的路径控制两种方式。,定位控制中最简单的是靠开关控制的两端点定位控制， 而这些端点可以是完全被固定而不能由控制装置的指令来移动的固定端点， 也可以是靠手动调节挡块等在预置的特定点中有选择地设定或任意设定的半固定端点。,1.定位控制方式,概述,很多机器人要求能准确地控制末端执行器的工作位置， 而路径却无关紧要， 即点位式（

8、） 控制。例如， 在印制电路板上安插元件、点焊、装配等工作， 都属于点位式工作方式。一般来说， 这种方式比较简单， 但是要达到 的定位精度也是相当困难的。 比上述方式更进一步的是多点位置设定方式， 它是离散地设置多点， 可由控制指令有选择地定位的控制方式， 这些离散点可以是固定的， 也可以是靠挡块调节在预先设置的点中选择。 定位控制中最高级的是连续设定方式， 它由伺服控制方式来实现， 可以由控制指令自由地定位于任意点上， 柔性最强， 只需要改变控制指令就可以实现机器人的动作变更。,概述,路径控制中点点间的移动是由机器人的多个工作轴动作来完成的， 控制多个（几个） 轴同时协调地工作被称为“多轴控

9、制”。 路径控制中最简单的是点位式控制， 它只是把到达路径中的目的地作为目标， 而对于路径轨迹不做任何要求。点位式控制中有相互间毫不同步的各轴独立动作方式和其他同步于移动量最大的轴的长轴同步动作方式。由于点位式控制系统价格低， 应用最为广泛， 但是必须很好地理解机器人的特性， 尤其注意路径中有无障碍物或者干涉等， 以及关键部件的定位。,.路径控制方式,概述,连续轨迹控制（） 与点位式控制（） 的本质差别在于它的路径可以连续地来控制。通常， 复杂的动作路径可以由直线、圆弧、抛物线、椭圆以及其他函数用插补的方式按时序组合来得到。 在弧焊、喷漆、切割等工作中， 要求机器人末端执行器按照示教的轨迹和速

10、度运动。如果偏离预定的轨迹和速度， 就会使产品报废。在函数插补中， 对于目标点和到达点的路径是由数学式子来给出的， 若路径是作为机器人各动作轴的时序信息来给出的， 即为“跟踪插补” 方式， 它可以是以实时在线方式跟踪外部动作的“实时跟踪插补”， 也可以是在线预先示教动作的“间隙跟踪插补”， 一般都是以外部位移作为被跟踪的输入。,概述,适应控制也是跟踪控制的一种， 它是基于来自外部的速度、加速度、力及其他输入信息， 按照预先给定的算法来确定机器人的动作路径， 或者对原路径进行修改。它常被应用于对外界环境有反应的适应（顺应） 行走机器人中。 速度控制中有以各轴速度分量为给定速度的， 也有以路径的切

11、向速度为给定速度的。外部同步速度控制中速度给定是可变的， 它是以相对速度为一定的控制速度来跟踪外界对象的速度， 在速度控制中还应广义地包括加速度控制， 它同样可以分为外部同步和内部同步两种。,概述,在完成装配、抓放物体等工作时， 除要准确定位之外， 还要求使用适度的力或力矩进行工作， 这时就要利用力（力矩） 伺服方式。这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同， 只不过输入量和反馈量不是位置信号， 而是力（力矩） 信号， 因此系统中必须有力（力矩） 传感器。有时也利用接近、滑动等传感功能进行自适应式控制。,机器人智能控制不同于传统的经典控制和现代控制， 它是实现机器人智能化的主要手段。机器人

12、智能控制方式的介绍详见本书第 章。,.力（力矩） 控制方式,.智能控制方式,概述,要使机器人按照操作者的要求去完成特定的作业任务， 需要下面四个过程：第一个过程在机器人控制中称为示教。即通过计算机可接受的方式告诉机器人去做什么， 给定机器人的作业命令。 第二个过程是机器人控制系统的计算部分。它负责整个机器人系统的管理、信息获取及处理、控制策略的制订、作业轨迹的规划等任务， 这是机器人控制系统中的核心过程。,. 机器人控制系统的基本原理,概述,第三个过程是机器人控制中的伺服驱动部分。它根据不同的控制算法， 将机器人控制策略转化为驱动信号， 驱动伺服电动机等驱动部分， 实现机器人的高速、高精度运动

13、，去完成指定的作业。 第四个过程是机器人控制中的传感部分。通过传感器的反馈， 保证机器人去正确地完成指定的作业， 同时将各种信息反馈到计算机中， 以便使计算机实时监控整个系统的运行情况。,概述,机器人控制系统的主要功能是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务， 实现位置、速度、姿态、轨迹、力及动作时间等的控制， 主要包括示教和运 动控制两大功能。机器人控制系统是机器人的重要组成部分， 其基本功能如下： ） 记忆功能： 存储作业顺序、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 ） 示教功能： 离线编程、在线示教、间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教 两种。,. 机器人控制系统的

14、主要功能,概述,） 坐标设置功能： 有关节、绝对用户自定义坐标等。 ） 人机接口： 示教盒、操作面板和显示屏。 ） 与外围设备联系功能： 输入输出接口、通信接口、网络接口和同步接口。 ） 传感器接口： 位置检测、视觉、触觉和力觉等。 ） 位置伺服功能： 机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制以及动态补 偿等。 ） 故障诊断安全保护功能： 系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。,概述,构成机器人控制系统的基本单元包括电动机、减速器、运动特性检测传感器、驱动电路、控制系统的硬件和软件。,. 电动机,作为驱动机器人运动的驱动力， 常见的有液压驱动、气压驱动、直流伺服电动机驱动、交流伺服

15、电动机驱动和步进电动机驱动。随着驱动电路元件的性能提高， 当前应用最多的是直流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动。,概述,. 减速器,减速器是为了增加驱动力矩， 降低运动速度。目前， 机器人常用的减速器有 减速器和谐波减速器。,. 驱动电路,由于直流伺服电动机或交流伺服电动机的流经电流较大， 一般为几安培到几十安培，机器人电动机的驱动需要使用大功率的驱动电路， 为了实现对电动机运动特性的控制，机器人常采用脉冲宽度调制（） 方式进行驱动。,.运动特性检测传感器,机器人运动特性检测传感器用于检测机器人运动的位置、速度、加速度等参数， 常见的传感器将在本书的第 章讨论。,概述,. 控制系统的硬件,机

16、器人控制系统是以计算机为基础的， 其硬件系统采用二级结构， 第一级为协调级，第二级为执行级。协调级实现对机器人各个关节的运动、机器人和外界环境的信息交换等功能； 执行级实现机器人各个关节的伺服控制， 获得机器人内部的运动状态参数等功能。,. 控制系统的软件,机器人的控制系统软件实现对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换等功能。,2,伺服电机的原理与特性,伺服电机的原理与特性,电动机是一种机电能量转换的电磁装置。将直流电能转换为机械能的称为直流电动机， 将交流电能转换为机械能的称为交流电动机， 将脉冲步进电能转换成机械能的称为步进电机。本节将主要介绍这几种用于机器人上的电动机的基本结构、原理和特性。,伺服电机的原理与特性,图 所示为一台最简单的直流电动机的模型， 和 是一对固定的磁极（一般是电磁铁， 也可以是永久