第5章机器人控制借鉴教学

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1、第5章 工业机器人控制 5.1 工业机器人控制系统的特点工业机器人控制系统的特点 5.2 5.2 运动控制中的基本概念运动控制中的基本概念5.3 5.3 工业机器人控制系统的主要功能工业机器人控制系统的主要功能5.4 5.4 工业机器人的控制方式工业机器人的控制方式 5.5 5.5 工业机器人的运动控制技术工业机器人的运动控制技术 5.1 工业机器人控制系统的特点工业机器人控制系统的特点 n运动控制是物体在空间、时间中的位置、速度、加速度和力的控制技术。运动控制是物体在空间、时间中的位置、速度、加速度和力的控制技术。n机器人是运动控制的典型代表。机器人是运动控制的典型代表。n工业机器人与传统机

2、械有着很大的差异，主要表现：工业机器人与传统机械有着很大的差异，主要表现：H速度高速度高H精度高精度高H控制范围广（一般速度控制比要求在控制范围广（一般速度控制比要求在1 1：1000010000以上。）以上。）n传传统统的的、有有效效的的单单自自由由度度机机构构的的控控制制技技术术已已远远远远不不能能满满足足机机器器人人这这样样的的特特别对象。新的运动控制思想即在这种背景之下被提出。别对象。新的运动控制思想即在这种背景之下被提出。 5.1 工业机器人控制系统的特点工业机器人控制系统的特点 n不不仅仅高高速速运运动动中中突突然然停停止止时时的的位位置置精精度度要要求求高高，而而且且还还要要求求

3、高高精精度度地地跟跟踪踪时变的速度与空间轨迹时变的速度与空间轨迹，对，对加速度和力加速度和力也要进行高精度的控制。也要进行高精度的控制。n机机构构多多为为开开式式串串联联结结构构，因因此此刚刚性性差差且且具具有有多多个个固固有有振振动动频频带带。与与1kHz1kHz以以上上的的单单体体机机械械和和300Hz300Hz左左右右的的机机床床相相比比，关关节节式式多多自自由由度度机机器器人人的的机机构构共共振振频频率率多多在在5 530Hz30Hz范范围围内内，航航天天机机器器人人仅仅在在1Hz1Hz以以下下并并伴伴有有强强烈烈的的高高频频过过渡振荡现象。渡振荡现象。n负负载载以以及及各各构构件件对

4、对各各个个回回转转轴轴的的转转动动惯惯量量，随随机机器器人人的的位位形形而而变变，其其变变化化幅度很大，一般可达幅度很大，一般可达4 48 8倍。倍。n摩擦、传动间隙、检测精度摩擦、传动间隙、检测精度等对机器人的高速、高精度的运动制约严重。等对机器人的高速、高精度的运动制约严重。 机器人控制上的特殊要求机器人控制上的特殊要求5.1 工业机器人控制系统的特点工业机器人控制系统的特点 机机器器人人的的结结构构是是一一个个空空间间开开链链机机构构, , 需需要要多多关关节节的的运运动动协协调调。 因因此此, , 其其控控制制系统与普通的控制系统相比要复杂得多系统与普通的控制系统相比要复杂得多, ,具

5、体有具体有如下特点如下特点: : (1) (1) 机机器器人人的的控控制制与与机机构构运运动动学学及及动动力力学学密密切切相相关关。 经经常常要要求求正正向向运运动动学学和和反向运动学的解反向运动学的解, , 还要考虑惯性力、还要考虑惯性力、 外力外力( (包括重力包括重力) )、哥氏力及向心力的影响。、哥氏力及向心力的影响。 (2) 简单机器人至少要有简单机器人至少要有35个自由度个自由度, 比较复杂的机器人有十几个甚至几十个比较复杂的机器人有十几个甚至几十个自由度。自由度。 每个自由度包含一个伺服机构每个自由度包含一个伺服机构, 它们必须协调它们必须协调 组成一个组成一个多变量控制系统多变

6、量控制系统。 (3) 机机器器人人的的协协调调控控制制以以及及“智智能能”, 只只能能由由计计算算机机来来完完成成。 因因此此, 机机器器人人控控制制系统必须是一个计算机控制系统。系统必须是一个计算机控制系统。 (4) 描述机器人描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型状态和运动的数学模型是一个非线性模型, 随着状态的变化随着状态的变化,参数参数也在变化也在变化, 变量间存在耦合。因此变量间存在耦合。因此还要利用速度甚至加速度闭环。还要利用速度甚至加速度闭环。(5) 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成, 因此因此存在一个存在一个“

7、最优最优”的问题的问题。 根据传感器和模式识别的方法获得的工况根据传感器和模式识别的方法获得的工况, 自动选择最佳的控制规律。自动选择最佳的控制规律。 n精度、分辨率与位置重复精度精度、分辨率与位置重复精度 n位置与轨迹位置与轨迹n点位点位(PTP)(PTP)与连续与连续(CP)(CP)控制控制n多轴协调控制多轴协调控制nT TP P方式工业机器人的基本控制思想方式工业机器人的基本控制思想5.2 运动控制中的基本概念n精精度度常常常常容容易易和和分分辨辨率率、位位置置重重复复精精度相混淆。度相混淆。n实际是三个不同的概念。实际是三个不同的概念。精度、分辨率与位置重复精度精度、分辨率与位置重复精

8、度 n机机器器人人的的分分辨辨率率是是由由系系统统设设计计参参数数所所决决定定，并并受到位置反馈检测单元性能的影响受到位置反馈检测单元性能的影响。n分辨率又分为分辨率又分为编程分辨率编程分辨率与与控制分辨率控制分辨率。n当当编编程程分分辨辨率率与与控控制制分分辨辨率率相相等等时时，系系统统性性能能达到最高。上述两个分辨率统称达到最高。上述两个分辨率统称系统分辨率系统分辨率。分辨率分辨率 n编编程程分分辨辨率率是是指指程程序序中中可可以以设设定定的的最最小小距距离离单位单位，又称基准分辨率。，又称基准分辨率。n例例如如：当当电电机机旋旋转转0.10.1度度，机机器器人人腕腕点点( (手手臂臂尖尖

9、端端点点) )移移动动的的直直线线距距离离为为0 0.01mm01mm时时，其其基基准分辨率为准分辨率为001mm01mm。编程分辨率n控控制制分分辨辨率率是是位位置置反反馈馈回回路路能能够够检检测测到到的的最最小位移量小位移量n例例如如：若若每每周周( (转转)1000)1000个个脉脉冲冲的的增增量量方方式式的的光光码码盘盘与与电电机机同同轴轴安安装装的的话话，则则电电机机每每旋旋转转0.360.36度度(360(360度度1000rpm)1000rpm)，光光码码盘盘就就发发出出一一个个脉脉冲冲，因因此此，0.360.36度度以以下下的的角角度度变变化化无无法法检测，该系统的控制分辨率为

10、检测，该系统的控制分辨率为0.360.36度。度。控制分辨率n机机器器人人的的最最终终精精度度主主要要依依存存于于机机械械误误差差、控制算法控制算法与与系统分辨率系统分辨率。精精 度度 n机机械械误误差差主主要要产产生生于于传传动动误误差差、关关节节间间隙隙与与联联杆杆机构的机构的挠性挠性。4传动误差是由传动误差是由轮齿误差轮齿误差、螺距误差螺距误差等等; ;4关节间隙是关节处关节间隙是关节处轴承间隙轴承间隙、谐波齿隙谐波齿隙等等; ;4连连杆杆的的挠挠性性，随随机机器器人人的的位位形形、负负载载的的变变化化而而变化。变化。精度精度机械误差n控控制制算算法法误误差差，主主要要指指能能否否得得到

11、到直直接接解解的的算算法法和和算算法法在在计计算算机机内内的的运运算算字字长长所所造造成成的的“bit”(比比特特)误差误差。n因因为为16位位以以上上CPU可可达达到到82位位以以上上浮浮点点运运算算，所所以以“bit”误误差差与与机机构构误误差差相相比比，基基本本可可以以忽忽略略不不计计。精度精度控制算法误差n分辨率的分辨率的系统误差可取系统误差可取1/21/2基准分辨率基准分辨率。n理理由由是是基基准准分分辨辨率率以以下下的的变变位位我我们们既既无无法法编编程程又又无无法法检检测测，故误差的平均值可取故误差的平均值可取1/21/2基准分辨率。基准分辨率。n机器人的精度机器人的精度1/21

12、/2基准分辨率十机构误差。基准分辨率十机构误差。n如如果果做做到到使使机机构构的的综综合合误误差差达达到到1/21/2基基准准分分辨辨率率，则则精精度度分辨率。分辨率。精度精度系统分辨率n位置重复精度是关于位置重复精度是关于精度的统计数据精度的统计数据。n位置重复精度位置重复精度不受负载变化的影响不受负载变化的影响；n通通常常用用位位置置重重复复精精度度这这一一指指标标作作为为示示教教再再现现方方式工业机器人水平的式工业机器人水平的重要精度指标重要精度指标。位置重复精度位置重复精度 位置重复精度位置重复精度 R=0.1mm位置重复精度位置重复精度=0.1mm精度与位置重复精度的关系精度与位置重

13、复精度的关系 机型与精度等的关系机型与精度等的关系 直角坐标形机器人 其直线距离可表示为其直线距离可表示为：精度可以很高精度可以很高 n设设回回转转轴轴分分辨辨率率为为时时，则则腕腕点分辨率为点分辨率为r r n例例如如：回回转转轴轴的的位位置置检检测测单单元元采采用用6000P周周的的增增量量方方式式光光码码盘盘与与电电机机同同轴轴联联接接，水水平平腕腕最最长长为为1m的的话话，则则腕腕点点位位置置分分辨率是最坏的情况，辨率是最坏的情况， 圆柱坐标形机器人 其分辨率不定，其分辨率不定，随随r的变化而变化的变化而变化 n例例如如：3 3个个1000P1000P周周增增量量式式光光码码盘盘，一一

14、个个装装在在与与螺螺距距为为10mm10mm的的滚滚珠珠丝丝杠杠同同轴轴驱驱动动伸伸缩缩臂臂的的电电机机轴轴上上，2 2个个安安装装在在通通过过1 1：2222速速比比的的减减速速器器驱驱动动2 2个个旋旋转转轴轴的的电电机机上上，腕腕的的臂臂长长为为500mm500mm。此此时时，3 3个个轴轴的的分分辨辨率率分分别为：别为： 极坐标机器人手腕长度的变化，将造成手腕长度的变化，将造成3个轴中的个轴中的2个轴分辨率的下降个轴分辨率的下降 伸缩轴：伸缩轴：10/1000=0.01mm旋转轴：旋转轴：(1/22)x(360/1000)x500x/180=0.14mm n机机器器人人的的精精度度将将

15、由由各各个个回回转转关关节节的的误误差之和来决定差之和来决定 n关节形机器人精度最差。关节形机器人精度最差。n由由于于它它占占地地面面积积最最小小，而而动动作作范范围围最最大大，空空间间速速度度快快，灵灵活活，通通用用性性好好等等优点，而成为机器人发展的主流。优点，而成为机器人发展的主流。 多关节机器人机器人的精度将由各个回转关节的误差之和来决定机器人的精度将由各个回转关节的误差之和来决定 n1 1个个脉脉冲冲正正好好对对应应各各个个动动作作轴轴的的位位置置分分辨辨率率，因因此此，1 1个个脉脉冲与对应动作轴的最小位移量是等价的。冲与对应动作轴的最小位移量是等价的。H例例如如：当当某某个个回回

16、转转轴轴的的分分辨辨率率为为0.050.05度度时时，3.053.05度度则则可可用用3.05/0.053.05/0.056161个个脉脉冲冲来来表表示示。如如果果是是8bit 8bit CPUCPU，则则计计算算机机内部的表现为：内部的表现为：00llll0l00llll0l。n如如果果是是16bit 16bit CPUCPU的的计计算算机机控控制制系系统统，则则可可以以表表示示2 216166553665536个位置个位置H例例如如：在在分分辨辨率率为为0 01mm1mm时时，这这个个值值最最大大表表示示655365536mm6mm或或土土327632768mm8mm的的位位移移量量，这这

17、就就是是位位置置( (或或称称位位移移) )脉脉冲冲与与分分辨辨率的关系。率的关系。 位置与轨迹位置与轨迹 n分辨率越高，曲线精度越好。分辨率越高，曲线精度越好。n分辨率越高，对计算机的要求也就越高。分辨率越高，对计算机的要求也就越高。例例如如：如如果果分分辨辨率率为为0.1mm0.1mm，对对6 6自自由由度度机机器器人人来来讲讲，要要完完成成1000mm1000mm弧长的空间曲线，则至少需要以下内存容量：弧长的空间曲线，则至少需要以下内存容量： 6 6自由度自由度2B(2B(字节字节) )1000010000点点120kB120kBn曲曲线线再再稍稍微微复复杂杂一一点点，计计算算机机容容量

18、量就就不不够够了了。因因此此，有有必必要要在在计计算算机机控控制制系系统统的的体体系系结结构构与与控控制制算算法法上上想想办法解决。办法解决。 位置与轨迹位置与轨迹 点位点位(PTP)(PTP)与连续与连续(CP)(CP)控制控制 n过过去去是是数数控控机机床床中中的的技技术术用用语语，而而现现在在用用其其表表达达机机器器人人的的控控制制功功能，含意是不大相同的，主要区别在于：能，含意是不大相同的，主要区别在于：1) 机机器器人人中中的的“PTP”可可以以是是1-5各各种种动动作作,而而数数控控机机床床是是指指图图310中中的的那那样样的的动动作作，即即直直线线插插补补运运动动(也也是是两两点

19、点之之间间的的最最短短距距离离的的控控制制运动运动)。2) 数数控控机机床床中中的的CP控控制制，一一般般是是“全全路路径径指指定定”的的控控制制方方式式，而而机机器器人中的人中的CP控制通常是控制通常是“多点指定多点指定” 控制方式。控制方式。点位点位(PTP)(PTP)与连续与连续(CP)(CP)控制控制 点位点位(PTP)(PTP)与连续与连续(CP)(CP)控制控制 分时控制分时控制 同时控制同时控制 多轴协调控制多轴协调控制 5.3 工业机器人控制系统的主要功能工业机器人控制系统的主要功能 1. 1. 示教再现功能示教再现功能2. 运动控制功能运动控制功能 5.3.1 5.3.1 示

20、教再现控制示教再现控制1. 1. 示教及记忆方式示教及记忆方式1) 示教的方式示教的方式总的可分为集中示教方式和分离示教方式。 集中示教方式就是指同时对位置、速度、操作顺序等进行的示教方式。 分离示教方式是指在示教位置之后, 再一边动作, 一边分别示教位置、 速度、 操作顺序等的示教方式。 示教方式中经常会遇到一些数据的编辑问题, 其编辑机能有如图5.1所示的几种方法。 在图中, 要连接A与B两点时, 可以这样来做: (a) 直接连接; (b) 先在A与B之间指定一点x, 然后用圆弧连接; (c) 用指定半径的圆弧连接; (d) 用平行移动的方式连接。图 5.1 示教数据的编辑机能 当对PTP

21、(点位控制方式)控制的工业机器人示教时, 可以分步编制程序,且能进行编辑、修改等工作。但是在作曲线运动而且位置精度要求较高时,示教点数一多,示教时间就会拉长, 且在每一个示教点都要停止和启动, 因而很难进行速度的控制。图 5.2CP控制示教举例 对需要控制连续轨迹的喷漆、电弧焊等工业机器人进行连续轨迹控制对需要控制连续轨迹的喷漆、电弧焊等工业机器人进行连续轨迹控制的示教时的示教时, 示教操作一旦开始示教操作一旦开始, 就不能中途停止就不能中途停止, 必须不中断地进行到完必须不中断地进行到完, 且且在示教途中很难进行局部修正在示教途中很难进行局部修正. 在在CP(连续轨迹控制方式连续轨迹控制方式

22、)控制的示教中控制的示教中, 由于由于CP控制的示教是多轴同控制的示教是多轴同时动作时动作, 因此与因此与PTP控制不同控制不同,它几乎必须在点与点之间的连线上移动它几乎必须在点与点之间的连线上移动, 故有故有如图如图5.2所示的两种方法。所示的两种方法。2) 记忆的方式工业机器人的记忆方式随着示教方式的不同而不同。又由于记忆内容的不同, 故其所用的记忆装置也不完全相同。通常, 工业机器人操作过程的复杂程序取决于记忆装置的容量。容量越大, 其记忆的点数就越多, 操作的动作就越多, 工作任务就越复杂。 2. 2. 示教编程方式示教编程方式1) 手把手示教编程手把手示教编程方式主要用于喷漆、弧焊等

23、要求实现连续轨迹控制的工业机器人示教编程中。具体的方法是人工利用示教手柄引导末端执行器经过所要求的位置,同时由传感器检测出工业机器人各关节处的坐标值,并由控制系统记录、存储下这些数据信息。实际工作当中, 工业机器人的控制系统重复再现示教过的轨迹和操作技能。 手把手示教编程也能实现点位控制,与CP控制不同的是, 它只记录各轨迹程序移动的两端点位置, 轨迹的运动速度则按各轨迹程序段对应的功能数据输入。 2) 示教盒示教编程示教盒示教编程方式是人工利利用用示示教教盒盒上上所所具具有有的的各各种种功功能能的的按按钮钮来来驱驱动动工工业业机机器器人人的的各各关关节节轴轴, 按作业所需要的顺序单轴运动或多

24、关节协调运动, 从而完成位置和功能的示教编程。示教盒通常是一个带有微处理器的、可随意移动的小键盘, 内部ROM中固化有键盘扫描和分析程序。其功能键一般具有回零、示教方式、自动方式和参数方式等。 示示教教编编程程控控制制由由于于其其编编程程方方便便、装装置置简简单单等等优优点点, ,在在工工业业机机器器人人的的初初期期得得到到较较多多的的应应用用。同时, 又由于其编程精度不高、 程序修改困难、示教人员要熟练等缺点的限制,促使人们又开发了许多新的控制方式和装置, 以使工业机器人能更好更快地完成作业任务。 5.2.2 5.2.2 工业机器人的运动控制工业机器人的运动控制工业机器人的运动控制是指工业机

25、器人的末端执行器从一点移动到另一点的过程中, 对其位置、速度和加速度的控制。 由于工业机器人末端操作器的位置和姿态是由各关节的运动引起的,因此,对其运动控制实际上是通过控制关节运动实现的。 工工业业机机器器人人关关节节运运动动控控制制一一般般可可分分为为两两步步进进行行。第第一一步步是是关关节节运运动动伺伺服服指指令令的的生生成成, 即指将末端执行器在工作空间的位置和姿态的运动转化为由关节变量表示的时间序列或表示为关节变量随时间变化的函数。这一步一般可离线完成。第第二二步步是是关关节节运运动动的的伺伺服服控控制制, ,即即跟跟踪踪执执行行第第一一步步所所生生成成的的关关节节变变量量伺伺服指令。

26、服指令。 这一步是在线完成的。这一步是在线完成的。 5.4 工业机器人的控制方式工业机器人的控制方式 5.4.1 5.4.1 点位控制方式点位控制方式(PTP)(PTP)这种控制方式的特特点点是是只只控控制制工工业业机机器器人人末末端端执执行行器器在在作作业业空空间间中中某某些些规规定定的的离离散散点点上上的的位位姿姿。控制时只要求工业机器人快速、 准确地实现相邻各点之间的运动,而对达到目标点的运动轨迹则不作任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间。由于其控制方式易于实现、定位精度要求不高的特点, 因而常被被应应用用在在上上下下料料、搬搬运运、点点焊焊和和在在电电路路板板

27、上上安安插插元元件件等等只只要要求求目目标标点点处处保保持持末末端端执执行行器器位位姿姿准准确确的的作作业业中中。一般来说, 这种方式比较简单, 但是, 要达到23m的定位精度是相当困难的。 5.4.2 5.4.2 连续轨迹控制方式连续轨迹控制方式(CP)(CP)这种控制方式的特特点点是是连连续续地地控控制制工工业业机机器器人人末末端端执执行行器器在在作作业业空空间间中中的的位位姿姿, , 要要求求其其严严格格按按照照预预定定的的轨轨迹迹和和速速度度在在一一定定的的精精度度范范围围内内运运动动, , 而而且且速速度度可可控控, , 轨轨迹迹光光滑滑， 运运动动平平稳稳, , 以以完完成成作作业

28、业任任务务。工业机器人各关节连续、同步地进行相应的运动, 其末端执行器即可形成连续的轨迹。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端执行器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人都采用这种控制方式。 图 5.3 点位控制与连续轨迹控制(a) 点位控制； (b) 连续轨迹控制 5.4.3 5.4.3 力力( (力矩力矩) )控制方式控制方式在完完成成装装配配、 抓抓放放物物体体等等工工作作时时, , 除除要要准准确确定定位位之之外外, , 还还要要求求使使用用适适度度的的力力或或力力矩矩进进行行工工作作, , 这这时时就就要要利利用用力力( (力力矩矩) )伺伺服服方方

29、式式。 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。 5.4.4 5.4.4 智能控制方式智能控制方式机器人的智能控制是是通通过过传传感感器器获获得得周周围围环环境境的的知知识识, , 并并根根据据自自身身内内部部的的知知识识库库作作出出相相应应的的决决策策。 采用智能控制技术, 使机器人具有了较强的环境适应性及自学习能力。智能控制技术的发展有赖于近年来人人工工神神经经网网络络、基基因因算算法法、遗遗传算法、专家系统等传算法、专家系统等人工智能的迅速

30、发展。 5.5 工业机器人的运动控制技术工业机器人的运动控制技术5.5.1 5.5.1 机器人控制系统的分类机器人控制系统的分类机器人控制系统的分类机器人控制系统的分类 n非伺服型控制系统非伺服型控制系统 控制器驱动单元操作机外界作业对象与环境开关反馈控制器驱动单元操作机外界作业对象与环境机器人控制系统的分类机器人控制系统的分类 n伺服型控制系统伺服型控制系统 控制器驱动单元操作机外界作业对象与环境内部传感器外部传感器控制器驱动单元操作机外界作业对象与环境内部传感器控制系统的组成控制系统的组成 控制系统的组成控制系统的组成 控制系统的组成控制系统的组成 5.5.2 5.5.2 5.5.2 5.

31、5.2 位置控制的基本结构位置控制的基本结构位置控制的基本结构位置控制的基本结构 n机器人的位置控制结构主要有两种形式，机器人的位置控制结构主要有两种形式，H关节空间控制结构关节空间控制结构H直角坐标空间控制结构直角坐标空间控制结构， q qd dqqd1d1，q qd2d2，q qdndn T T是期望的关节位置矢量是期望的关节位置矢量 w wd dPPd dT T，d dT T T T是期望的工具位姿是期望的工具位姿 5.5.3 5.5.3 5.5.3 5.5.3 工业机器人的计算机控制工业机器人的计算机控制工业机器人的计算机控制工业机器人的计算机控制 n计算机控制系统的结构形式 H计算机

32、控制系统有三种结构：计算机控制系统有三种结构：4集中控制集中控制4主从控制主从控制4分布式控制分布式控制 集中控制n集中控制是用集中控制是用一台功能较强的计算机一台功能较强的计算机实现全部控制功能。实现全部控制功能。n这在早期的机器人中采用这种结构，因为当时的计算机造价较高，这在早期的机器人中采用这种结构，因为当时的计算机造价较高，当时的机器人功能不多，因此实现容易，也比较经济当时的机器人功能不多，因此实现容易，也比较经济. .控制过程中控制过程中需要许多计算（如坐标变换），因此这种需要许多计算（如坐标变换），因此这种控制速度较慢控制速度较慢。n随着计算机技术的进步，和机器人控制质量的提高，要

33、完成各种随着计算机技术的进步，和机器人控制质量的提高，要完成各种运算，如轨迹控制的插补计算、坐标变换、伺服系统中补偿量的运算，如轨迹控制的插补计算、坐标变换、伺服系统中补偿量的计算等。这里包括了矩阵、三角函数等大量的实时运算，通常需计算等。这里包括了矩阵、三角函数等大量的实时运算，通常需在在5015ms之内完成，之内完成，要在一个微型计算机上实现是困难的，往要在一个微型计算机上实现是困难的，往往集中式控制不能满足需要往集中式控制不能满足需要， 主从式控制主从式控制 n日本于日本于70年代生产的年代生产的Motoman机器人（五关节，直流机器人（五关节，直流电动机驱动）和电动机驱动）和PT600

34、及我国于及我国于80年代中期研制的年代中期研制的“天天龙一号龙一号”、“上海一号上海一号”等弧焊机器人属于主从式结构。等弧焊机器人属于主从式结构。 终端键盘示教盒焊机外存一 级 计 算 机公 共 内 存D/A速度单元位置反馈机 器 人二 级 计 算 机主从式控制主从式控制 n一一级级计计算算机机（一一级级机机）为为主主机机，它它担担当当系系统统管管理理、机机器器人人语语言言编编译译和和人人机机接接口口功功能能，同同时时也也利利用用它它的的运运算算能能力力完完成成坐坐标标变变换换、轨轨迹迹插插补补，并并定定时时地地把把运运算算结结果果作作为为关关节节运运动动的的增增量量值值送送到到公公共内存，供

35、二级计算机（二级机）读取它。共内存，供二级计算机（二级机）读取它。n二二级级机机完完成成全全部部关关节节位位置置数数字字控控制制，它它从从公公共共内内存存读读给给定定值值，也把各关节实际位置送回到公共内存中，供一级机使用。也把各关节实际位置送回到公共内存中，供一级机使用。n公公共共内内存存是是由由容容量量为为几几KB的的双双口口RAM或或普普通通静静态态RAM加加上上总总线线控控制制逻逻辑辑电电路路组组成成。由由于于功功能能分分散散，控控制制质质量量较较集集中中式式控控制制明明显显提提高高。这这类类系系统统的的控控制制效效率率较较快快，一一般般可可达达15ms，即即每每15ms刷新一次给定，并

36、实现位置控制一次。刷新一次给定，并实现位置控制一次。 分布式结构n现代机器人控制系统中几乎无例外地采用分布式结构现代机器人控制系统中几乎无例外地采用分布式结构n上上一一级级主主控控计计算算机机负负责责整整个个系系统统管管理理以以及及坐坐标标变变换换和和轨轨插插补补运运算算等，等，n下下一一级级由由许许多多微微处处理理器器组组成成，每每一一个个微微处处理理器器控控制制一一个个关关节节运运动动，它它们们分分别别接接收收主主控控制制微微型型计计算算机机向向各各关关节节发发出出的的位位置置、速速度等运动指令信号，用以实时控制操作机各关节运行。度等运动指令信号，用以实时控制操作机各关节运行。n由由于于下

37、下一一级级微微处处理理器器并并行行地地完完成成控控制制任任务务，因因而而提提高高了了工工作作速速度度和和处处理理器器能能力力。这这些些微微处处理理器器和和主主控控级级联联系系是是通通过过总总线线形形式式的紧耦合的紧耦合 操作机伺服控制级 主控制级终端键盘示教盒磁带机主 控 制 计 算 机接 口位置控制处理器 1位置反馈交流或直流伺服关节 1驱动位置控制处理器 n位置反馈交流或直流伺服关节 n驱动工业机器人的伺服控制系统工业机器人的伺服控制系统 n具有位置和速度反馈的典型伺服控制系统，它有以下结具有位置和速度反馈的典型伺服控制系统，它有以下结构组成。构组成。 伺服控制系统输出轴驱动器关节运动参数

38、输入功率放大器传感器制动器伺服电动机速度反馈位置反馈工业机器人的伺服控制系统工业机器人的伺服控制系统n伺服控制器伺服控制器H伺服控制器基本部件是伺服控制器基本部件是比较器、误差放大器和各种补偿器比较器、误差放大器和各种补偿器。H输输入入信信号号除除参参考考信信号号外外，还还有有各各种种反反馈馈信信号号，从从而而构构成成具具有有位位置、速度反馈回路的伺服系统。置、速度反馈回路的伺服系统。H控控制制器器可可以以采采用用模模拟拟器器件件组组成成。主主要要用用集集成成运运算算放放大大器器和和阻阻容容网络实现比较、补偿和放大等功能网络实现比较、补偿和放大等功能，构成模拟伺服系统。，构成模拟伺服系统。H控

39、控制制器器也也可可以以采采用用数数字字器器件件，如如采采用用微微处处理理器器组组成成数数字字伺伺服服系系统统。其其中中比比较较、补补偿偿、放放大大等等功功能能由由软软件件完完成成，这这种种系系统统灵灵活活，便于实现各种复杂的控制，获得较高的性能指标便于实现各种复杂的控制，获得较高的性能指标。工业机器人的伺服控制系统工业机器人的伺服控制系统n功率放大器功率放大器H功功率率放放大大器器的的作作用用是是将将控控制制器器输输出出的的控控制制信信号号放放大大，驱驱动动伺伺服服机构运动。机构运动。H由于机器人伺服驱动功率不大，但快速性要求较高。由于机器人伺服驱动功率不大，但快速性要求较高。H常常采采用用脉

40、脉宽宽调调制制（PWM）放放大大原原理理，选选用用双双极极型型大大功功率率管管或或功功率率场场效效应应管管。在在一一些些大大型型电电力力驱驱动动机机器器人人中中可可采采用用可可控控硅硅功功率放大。率放大。工业机器人的伺服控制系统工业机器人的伺服控制系统n伺服驱动器伺服驱动器H电电伺伺服服驱驱动动器器通通常常由由电电动动机机、位位置置传传感感器器、速速度度传传感感器器和和制制动动器器组成。组成。H其其输输出出轴轴直直接接和和操操作作机机关关节节轴轴相相连连接接，以以完完成成关关节节运运动动的的控控制制和和关关节节位位置置、速速度度的的检检测测，失失电电时时制制动动器器能能自自行行制制动动，保保持持关关节原位静止不动。节原位静止不动。