第三部分 机器人控制技术

1、机器人控制技术主要内容机器人控制特点机器人控制特点控制系统组成控制系统组成机器人控制方式机器人控制方式机器人控制特点机器人控制特点1 1、大量的运动学、动力学运算，涉及矢量、矩阵、大量的运动学、动力学运算，涉及矢量、矩阵、 坐标变换坐标变换和微积分等运算。和微积分等运算。 2 2、机器人的控制不仅是非线性的，而且是多变量、机器人的控制不仅是非线性的，而且是多变量 耦合耦合的。的。 3 3、机器人的控制还必须解决优化、决策的问题。、机器人的控制还必须解决优化、决策的问题。1、硬件、硬件 参参数数变变化化检检测测外外部部传传感感器器：外外部部环环境境运运动动状状态态检检测测内内部部传传感感器器：自

2、自身身关关节节检检测测传传感感器器伺伺服服驱驱动动控控制制器器下下位位机机：单单片片机机、运运动动数数据据存存储储通通信信数数学学运运算算人人机机对对话话型型计计算算机机上上位位机机：个个人人微微机机、小小控控制制器器机器人机器人控制系统组成控制系统组成程序实时监视、故障报警等监控软件程序作业任务程序编制环境编程软件程序运动学、动力学和插补运算软件实时动作解释执行程序动作控制软件应用软件单片机、运动控制器系统初始化程序个人微机、小型计算机计算机操作系统系统软件2、软件、软件两种分类两种分类方式方式： 1、按机器人手部在空间的运动方式分：、按机器人手部在空间的运动方式分： （1）点位控制方式）点

3、位控制方式PTP 点位控制点位控制又称为又称为PTP控制，其特点是只控制机器控制，其特点是只控制机器人手部在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。人手部在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。 这种这种控制方式的主要技术指标是控制方式的主要技术指标是定位精度定位精度和和运动运动所需的时间所需的时间。 常应用上下常应用上下料、搬运、点焊和在电路板上插接元料、搬运、点焊和在电路板上插接元器件等器件等定位精度要求不高定位精度要求不高且只要求机器人在目标点且只要求机器人在目标点处保持手部具有准确位姿的作业中。处保持手部具有准确位姿的作业中。机器人控制方式机器人控制方式 1、按机器人手部在空间的运动方式分：

4、按机器人手部在空间的运动方式分： （2）连续轨迹控制方式）连续轨迹控制方式CP 连续连续轨迹控制又称为轨迹控制又称为CP控制，其特点是连续的控控制，其特点是连续的控制机器人手部在作业空间中的位姿，要求其严格的按制机器人手部在作业空间中的位姿，要求其严格的按照预定的路径和速度在一定的精度范围内运动。照预定的路径和速度在一定的精度范围内运动。 这种这种控制方式的主要技术指标机器人手部位姿的控制方式的主要技术指标机器人手部位姿的轨迹跟踪精度轨迹跟踪精度及及平稳性平稳性。 通常通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业的机器人都弧焊、喷漆、去毛边和检测作业的机器人都采用这种控制方式。采用这种控制方式。 有有的机

5、器人在设计控制系统时，上述两种控制方的机器人在设计控制系统时，上述两种控制方式都具有，如对进行装配作业的机器人的控制等。式都具有，如对进行装配作业的机器人的控制等。 2、按机器人控制是否带反馈分：按机器人控制是否带反馈分： （1）非伺服型控制方式）非伺服型控制方式 非伺服型控制方式是指非伺服型控制方式是指未采用反馈环节的开未采用反馈环节的开环控制方式环控制方式。 在这种控制方式下，机器人作业时严格按照在这种控制方式下，机器人作业时严格按照在进行作业之前预先编制的控制程序来控制机器在进行作业之前预先编制的控制程序来控制机器人的动作顺序，在控制过程中没有反馈信号，不人的动作顺序，在控制过程中没有反

6、馈信号，不能对机器人的作业进展及作业的质量好坏进行能对机器人的作业进展及作业的质量好坏进行监监测测.因此因此，这种控制方式只适用于作业相对固定、，这种控制方式只适用于作业相对固定、作业程序简单、运动精度要求不高的场合，它具作业程序简单、运动精度要求不高的场合，它具有费用省，操作、安装、维护简单的优点。有费用省，操作、安装、维护简单的优点。2、按机器人控制是否带反馈分：按机器人控制是否带反馈分： （2）伺服型控制方式）伺服型控制方式 伺服型控制方式是指伺服型控制方式是指采用了反馈环节的闭环控采用了反馈环节的闭环控制方式制方式。 这种控制方式的特点是在控制过程中采用内部这种控制方式的特点是在控制过

7、程中采用内部传感器连续测量机器人的关节位移、速度、加速度传感器连续测量机器人的关节位移、速度、加速度等运动参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服控制。等运动参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服控制。 如果是适应型或智能型机器人的伺服控制，则如果是适应型或智能型机器人的伺服控制，则增加了机器人用外部传感器对外界环境的检测，使增加了机器人用外部传感器对外界环境的检测，使机器人对外界环境的变化具有适应能力，从而构成机器人对外界环境的变化具有适应能力，从而构成总体闭环反馈的伺服控制方式。总体闭环反馈的伺服控制方式。 1、示教再现功能、示教再现功能 示教示教人员预先将机器人作业的各项运动参数预先人员预先将机器

8、人作业的各项运动参数预先教给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统的教给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统的记忆装置记忆装置就将所教的操作过程自动地记录在存储器就将所教的操作过程自动地记录在存储器中。当需要机器人工作时，机器人的控制系统就调中。当需要机器人工作时，机器人的控制系统就调用存储器中存储的各项数据，使机器人再现示教过用存储器中存储的各项数据，使机器人再现示教过的操作过程，由此机器人即可完成要求的作业任务。的操作过程，由此机器人即可完成要求的作业任务。 机器人机器人的示教再现功能易于实现，编程方便，的示教再现功能易于实现，编程方便，在机器人的初期得到了较多的应用。在机器人的初期得到

9、了较多的应用。 机器人控制功能机器人控制功能2、运动控制功能、运动控制功能 运动控制功能是指通过对机器人手部在空间运动控制功能是指通过对机器人手部在空间的位姿、速度、加速度等项的控制，使机器人的手的位姿、速度、加速度等项的控制，使机器人的手部按照作业的要求进行动作，最终完成给定的作业部按照作业的要求进行动作，最终完成给定的作业任务。任务。 它与示教再现功能的它与示教再现功能的区别区别：在示教再现控制中，：在示教再现控制中，机器人手部的各项运动参数是由示教人员教给它的，机器人手部的各项运动参数是由示教人员教给它的，其精度取决于示教人员的熟练程度。而在运动控制其精度取决于示教人员的熟练程度。而在运

10、动控制中，机器人手部的各项运动参数是由机器人的控制中，机器人手部的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算得来的，且在工作人员不能示教的情系统经过运算得来的，且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完成给定况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完成给定的作业任务。的作业任务。机器人控制功能机器人控制功能控制过程控制过程： 示教人员将机器人作业任务中要求手的运动预示教人员将机器人作业任务中要求手的运动预先教给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统先教给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统就将关节运动状态参数记忆存储在存储器中。当需就将关节运动状态参数记忆存储在存储器中。当需要

11、机器人工作时，机器人的控制系统就调用存储器要机器人工作时，机器人的控制系统就调用存储器中存储的各项数据，驱动关节运动，使机器人再现中存储的各项数据，驱动关节运动，使机器人再现示教过的手的运动，由此完成要求的作业任务。示教过的手的运动，由此完成要求的作业任务。 作业任务作业任务手的运动手的运动关节产生运动关节产生运动关节运动参数关节运动参数控制系统控制系统驱动装置驱动装置关节产生运动关节产生运动示教示教记忆记忆再现再现驱动驱动反馈反馈示教再现控制示教再现控制示教方式示教方式 机器人示教的方式种类繁多，总的可以分为机器人示教的方式种类繁多，总的可以分为集中集中示教方式示教方式和和分离示教方式分离示

12、教方式。 1、集中示教方式、集中示教方式 将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数同时进行示教的方式，示教一次即可生成关节运参数同时进行示教的方式，示教一次即可生成关节运动的伺服指令。动的伺服指令。2、分离示教方式、分离示教方式 将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数分开单独进行示教的方式，一般需要示教多次才参数分开单独进行示教的方式，一般需要示教多次才可生成关节运动的伺服指令，但其效果要好于集中示可生成关节运动的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。教方式。 示教方式示教方式 当对用当对用点位（

13、点位（PTPPTP）控制）控制的点焊、搬运机器人的点焊、搬运机器人进行示教时，可以分开编制程序，且能进行编辑进行示教时，可以分开编制程序，且能进行编辑、修改等工作，但是机器人手部在作曲线运动而、修改等工作，但是机器人手部在作曲线运动而且位置精度要求较高时，示教点数就会较多，示且位置精度要求较高时，示教点数就会较多，示教时间就会拉长，且在每一个示教点处都要停止教时间就会拉长，且在每一个示教点处都要停止和启动，因此就很难进行速度的控制。和启动，因此就很难进行速度的控制。 示教方式示教方式 当对用当对用连续轨迹（连续轨迹（CPCP）控制）控制的弧焊、喷漆机器的弧焊、喷漆机器人进行示教时，示教操作一旦

14、开始就不能中途停止人进行示教时，示教操作一旦开始就不能中途停止，必须不中断的连续进行到底，且在示教途中很难，必须不中断的连续进行到底，且在示教途中很难进行局部的修改。示教时，可以是手把手示教，也进行局部的修改。示教时，可以是手把手示教，也可通过示教盒示教。可通过示教盒示教。记忆过程记忆过程示教示教关节产生运动关节产生运动变换装置变换装置控制系统控制系统传感装置传感装置存储器存储器检测检测转换转换保保 存存 在示教的过程中，机器人关节运动状态的变在示教的过程中，机器人关节运动状态的变化被传感器检测到，经过转换，再通过变换装置化被传感器检测到，经过转换，再通过变换装置送入控制系统，控制系统就将这些

15、数据保存在存送入控制系统，控制系统就将这些数据保存在存储器中，作为再现示教过的手的运动时所需要的储器中，作为再现示教过的手的运动时所需要的关节运动参数数据。关节运动参数数据。 1、记忆速度、记忆速度 取决于传感器的取决于传感器的检测速度检测速度、变换装置的、变换装置的转换转换速度速度和控制系统存储器的和控制系统存储器的存储速度存储速度。2、记忆容量、记忆容量 取决于控制系统存储器的容量。取决于控制系统存储器的容量。 记忆过程记忆过程示教示教关节产生运动关节产生运动变换装置变换装置控制系统控制系统传感装置传感装置存储器存储器检测检测转换转换保保 存存机器人示教 机器人的机器人的运动控制运动控制是

16、指机器人是指机器人手部在空间从一点手部在空间从一点移动到另一点的过程中或沿某一轨迹运动时，对其位移动到另一点的过程中或沿某一轨迹运动时，对其位姿、速度和加速度等运动参数的控制姿、速度和加速度等运动参数的控制。 由机器人运动学可知，机器人手部的运动是由各由机器人运动学可知，机器人手部的运动是由各个关节的运动引起的，所以个关节的运动引起的，所以控制机器人手部的运动实控制机器人手部的运动实际上是通过控制机器人各个关节的运动实现的际上是通过控制机器人各个关节的运动实现的。 运动控制运动控制控制过程控制过程： 通过通过运动学逆解和数学插补运算得到机器人各个运动学逆解和数学插补运算得到机器人各个关节运动的

17、位移、速度和加速度，再根据动力学正解关节运动的位移、速度和加速度，再根据动力学正解得到各个关节的驱动力（矩）。机器人控制系统根据得到各个关节的驱动力（矩）。机器人控制系统根据运算得到的关节运动状态参数控制驱动装置，驱动各运算得到的关节运动状态参数控制驱动装置，驱动各个关节产生运动，从而合成手在空间的运动，由此完个关节产生运动，从而合成手在空间的运动，由此完成要求的作业任务。成要求的作业任务。 驱动驱动动力学动力学正解正解运动学运动学逆解逆解作业任务作业任务手的运动手的运动关节位移、关节位移、速度、加速度速度、加速度关节驱动力关节驱动力（矩）（矩）驱动装置驱动装置关节产生运动关节产生运动控制系统

18、控制系统反馈反馈运动控制运动控制控制步骤控制步骤： 第一步第一步：关节运动伺服指令的生成关节运动伺服指令的生成，即将机器，即将机器人手部在空间的位姿变化转换为关节变量随时间按人手部在空间的位姿变化转换为关节变量随时间按某一规律变化的函数。这一步一般可某一规律变化的函数。这一步一般可离线完成离线完成。 第二步第二步：关节运动的伺服控制关节运动的伺服控制，即采用一定的，即采用一定的控制算法跟踪执行第一步所生成的关节运动伺服指控制算法跟踪执行第一步所生成的关节运动伺服指令，这是令，这是在线完成在线完成的。的。 第一步第一步第二步第二步驱动驱动动力学动力学正解正解运动学运动学逆解逆解作业任务作业任务手

19、的运动手的运动关节位移、关节位移、速度、加速度速度、加速度关节驱动力关节驱动力（矩）（矩）驱动装置驱动装置关节产生运动关节产生运动控制系统控制系统反馈反馈关节运动伺服指令的生成关节运动伺服指令的生成1、轨迹规划、轨迹规划 机器人关节运动伺服指令的轨迹规划生成方法是机器人关节运动伺服指令的轨迹规划生成方法是指根据作业任务要求的机器人手部在空间的位姿、指根据作业任务要求的机器人手部在空间的位姿、速度等运动参数的变化，通过机器人运动学方程的速度等运动参数的变化，通过机器人运动学方程的求解和各种插补运算等数学方法最终生成相应的关求解和各种插补运算等数学方法最终生成相应的关节运动伺服指令节运动伺服指令。

20、关节运动伺服指令的生成关节运动伺服指令的生成2、轨迹规划的实现过程、轨迹规划的实现过程 在对机器人进行轨迹规划时，首先要对机器人在对机器人进行轨迹规划时，首先要对机器人的作业任务进行描述，得到机器人手部在空间的位的作业任务进行描述，得到机器人手部在空间的位姿变化，然后根据机器人运动学方程及其逆解并通姿变化，然后根据机器人运动学方程及其逆解并通过适当的插补运算求出机器人各个关节的位移、速过适当的插补运算求出机器人各个关节的位移、速度等运动参数的变化，再通过动力学运算最终生成度等运动参数的变化，再通过动力学运算最终生成机器人关节运动所需的伺服指令。机器人关节运动所需的伺服指令。 PTP下的轨迹规划

21、是在下的轨迹规划是在关节坐标空间关节坐标空间进行。进行。 CP下的轨迹规划是在下的轨迹规划是在直角坐标空间直角坐标空间进行。进行。 关节运动伺服指令的生成关节运动伺服指令的生成（1） PTP下的轨迹规划下的轨迹规划步骤：步骤：第一步第一步：由手的位姿得到对应关节的位移；：由手的位姿得到对应关节的位移；第二步第二步：不同点对应关节位移之间的运动规划；：不同点对应关节位移之间的运动规划；第三步第三步：由关节运动变化计算关节驱动力（矩）。：由关节运动变化计算关节驱动力（矩）。关节运动伺服指令的生成关节运动伺服指令的生成2、轨迹规划的实现过程、轨迹规划的实现过程（1） PTP下的轨迹规划下的轨迹规划第

22、一步：已知机器人起点和终点的位姿第一步：已知机器人起点和终点的位姿得到机器人对应的关节变量的取值。得到机器人对应的关节变量的取值。 机器人运动学逆解机器人运动学逆解BAMMiBiAqq实现方法实现方法 关节运动伺服指令的生成关节运动伺服指令的生成2、轨迹规划的实现过程轨迹规划的实现过程（1） PTP下的轨迹规划下的轨迹规划第二步：已知机器人起点和终点的关节变量取值第二步：已知机器人起点和终点的关节变量取值iBiAqqt0第二步：已知机器人起点和终点的关节变量取值第二步：已知机器人起点和终点的关节变量取值 若按线性变化，则有：若按线性变化，则有：iBiAqqt0)(tq)(tq )(tq t00 )(tq)(tq )(tq t00 运动控制运动控制第二步：已知机器人起点和终点的关节变量取值第二步：已知机器人起点和终点的关节变量取值若加速度无冲击，则有：若加速度无冲击，则有：iBiAqqt02、轨迹规划的实现