机器人控制复习

1、机器人的分类机器人的分类机器人的基本结构机器人的基本结构。 机器人的机器人的执行机构执行机构，包括手部、腕部、腰部和基座，它与，包括手部、腕部、腰部和基座，它与人身结构基本上相对应，其中基座相对于人的下肢。其中人身结构基本上相对应，其中基座相对于人的下肢。其中有仿人形的有仿人形的“可动关节可动关节”。机器人的关节，保证了机器人。机器人的关节，保证了机器人各部位的可动性。各部位的可动性。机器人的机器人的驱动驱动传动系统传动系统 机器人的驱动机器人的驱动传动系统，是将能源传送到执行机传动系统，是将能源传送到执行机构的装置。构的装置。通常由通常由4 4大部分组成，即执行机构、驱动系统、控制系大部分组

2、成，即执行机构、驱动系统、控制系统和智能系统。统和智能系统。机器人的机器人的控制系统控制系统 是由控制计算机及相应的控制软件和伺服控制器组成，是由控制计算机及相应的控制软件和伺服控制器组成，它对机器人的执行机构发出如何动作的命令。它对机器人的执行机构发出如何动作的命令。机器人的机器人的智能系统智能系统 机器人智能系统由两部分组成：感知系统和分析机器人智能系统由两部分组成：感知系统和分析- -决策决策智能系统。智能系统。 感知系统主要靠具有感知不同信息的传感器构成，属感知系统主要靠具有感知不同信息的传感器构成，属于硬件部分，包括视觉、听觉、触觉以及味觉、嗅觉等传于硬件部分，包括视觉、听觉、触觉以

3、及味觉、嗅觉等传感器。感器。 在视觉方面，目前多是利用摄像机作为视觉传感器，在视觉方面，目前多是利用摄像机作为视觉传感器，它与计算机相结合，并采用电视技术，使机器人具有视觉它与计算机相结合，并采用电视技术，使机器人具有视觉功能，可以功能，可以“看到看到”外界的景物，经过计算机对图像的处外界的景物，经过计算机对图像的处理，就可对机器人下达如何动作的命令。这类视觉传感器理，就可对机器人下达如何动作的命令。这类视觉传感器在工业机器人中，多用于识别、监视和检测。在工业机器人中，多用于识别、监视和检测。 机器人机械结构的功能是实现机器人的运机器人机械结构的功能是实现机器人的运动机能，完成规定的各种操作，

4、包含手臂、手动机能，完成规定的各种操作，包含手臂、手腕、手爪和行走机构等部分。机器人的腕、手爪和行走机构等部分。机器人的“手手”则是多节杠杆机械则是多节杠杆机械机械手，机械手，用于搬运物品、用于搬运物品、装卸材料、组装零件等，或握住不同的工具，装卸材料、组装零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如让机械手握住焊枪，可进完成不同的工作，如让机械手握住焊枪，可进行焊接；握住喷枪，可进行喷漆。使用机械手行焊接；握住喷枪，可进行喷漆。使用机械手处理高温、有毒产品的时候，它比人手更能适处理高温、有毒产品的时候，它比人手更能适应工作。应工作。机器人机械结构机器人机械结构 用在工业上的机器人的手一般称之

5、为末端用在工业上的机器人的手一般称之为末端操作器，它是机器人直接用于抓取和握紧专用操作器，它是机器人直接用于抓取和握紧专用工具进行操作的部件。它具有模仿人手动作的工具进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。机械手能功能，并安装于机器人手臂的前端。机械手能根据电脑发出的命令执行相应的动作，不仅是根据电脑发出的命令执行相应的动作，不仅是一个执行命令的机构，它还应该具有识别的功一个执行命令的机构，它还应该具有识别的功能，也就是能，也就是“感觉感觉”。末端操作器大致可分为以下几类：末端操作器大致可分为以下几类： (1)夹钳式取料手；夹钳式取料手； (2)吸附式取料手；吸附式

6、取料手； (3)专用操作器及转换器；专用操作器及转换器； (4)仿生多指灵巧手。仿生多指灵巧手。仿生多指灵巧手最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。如图所最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。如图所示，多指灵巧手有多个手指，示，多指灵巧手有多个手指，每个手指有每个手指有3 3个回转个回转关节关节，每一个关节的自由度都是独立控制的。，每一个关节的自由度都是独立控制的。机器人控制系统的特点机器人控制系统的特点 机器人的结构一般采用空间开链结构，其各个关节的机器人的结构一般采用空间开链结构，其各个关节的运动是独立的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关节运动是独立的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关节的

7、运动协调。因此，机器人控制系统与普通的控制系统相的运动协调。因此，机器人控制系统与普通的控制系统相比要复杂的多，具有以下几个特点：比要复杂的多，具有以下几个特点：（1 1）机器人的控制与结构运动学及动力学密切相关）机器人的控制与结构运动学及动力学密切相关, ,除此除此之外还要考虑惯性力、外力（包括重力）及哥氏力之外还要考虑惯性力、外力（包括重力）及哥氏力 、向心、向心力的影响。力的影响。（2 2）一个简单的机器人也至少有）一个简单的机器人也至少有3535个自由度，比较复杂个自由度，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

8、个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量包含一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。控制系统。（3 3）把多个独立的伺服系统有机的协调起来，使其按照人）把多个独立的伺服系统有机的协调起来，使其按照人的意志行动，甚至赋予机器人一定的的意志行动，甚至赋予机器人一定的“智能智能”，这个任务，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。计算机控制系统。（4 4）描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线）描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在性模型，随着状态

9、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。变化，各变量之间还存在耦合。（5 5）机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径）机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在一个来完成，因此存在一个“最优最优”的问题，较高级的机的问题，较高级的机器人可以根据传感器和模式识别的方法获得对象及环器人可以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，自动选择最佳的控境的工况，按照给定的指标要求，自动选择最佳的控制规律。制规律。地面移动机器人地面移动机器人1 1地面移动机器人的概念、结构形式地面移动机器人的概念、结构形式 针对不同的应用领域、不同的操作需要针对

10、不同的应用领域、不同的操作需要, ,移动机器移动机器人系统的结构形式也大相径庭。但基本上人系统的结构形式也大相径庭。但基本上, ,可以分为可以分为轮式轮式移动机器人、履带式移动机器人、仿生足式移动移动机器人、履带式移动机器人、仿生足式移动机器人和蠕动爬行移动机器人几种结构形式机器人和蠕动爬行移动机器人几种结构形式。 轮式移动机器人轮式移动机器人 履带式移动机器人履带式移动机器人地面移动机器人实例地面移动机器人实例（1 1）地面侦察机器人）地面侦察机器人地面侦察机器人地面侦察机器人: :广泛应用于军事领域广泛应用于军事领域, ,警用领域，具有警用领域，具有比较强的地形适应能力及通过能力。比较强的

11、地形适应能力及通过能力。 空中机器人关键技术空中机器人关键技术（1 1）隐身技术）隐身技术在现代化的战争中，无人机主要是在敌方上空完成作战任务，在现代化的战争中，无人机主要是在敌方上空完成作战任务，生存环境恶劣、易于被发现。因此，隐身技术的应用对生存环境恶劣、易于被发现。因此，隐身技术的应用对提高无人机的战场生存能力具有至关重要的作用。无人提高无人机的战场生存能力具有至关重要的作用。无人机主要通过对机身表面材料的改进和对机体构造的设计机主要通过对机身表面材料的改进和对机体构造的设计来降低雷达信号的反射。通常，无人机机体表面采用降来降低雷达信号的反射。通常，无人机机体表面采用降低反射雷达信号波能

12、量的复合材料构造，使用雷达吸波低反射雷达信号波能量的复合材料构造，使用雷达吸波材料。目标向雷达接受方散射电磁波的能力就越弱，目材料。目标向雷达接受方散射电磁波的能力就越弱，目标的生存性能就越好。同时，无人机也尽量采用减小电标的生存性能就越好。同时，无人机也尽量采用减小电磁波反射的机身构造，即在机身各部分的连接处进行光磁波反射的机身构造，即在机身各部分的连接处进行光滑处理，避免形成角度增强反射，并在凹口处采取相应滑处理，避免形成角度增强反射，并在凹口处采取相应的隐身措施。的隐身措施。 （2 2）飞控技术）飞控技术（3 3）动力技术）动力技术（4 4）数据链技术）数据链技术智能控制系统的典型结构智

13、能控制系统的典型结构工业机器人的控制方式工业机器人的控制方式按运动控制方式的不同，将工业机器人控制分为位置控制、按运动控制方式的不同，将工业机器人控制分为位置控制、速度控制、力控制速度控制、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。1 1位置控制方式位置控制方式工业机器人位置控制又分为点位控制和连续轨迹控制两类工业机器人位置控制又分为点位控制和连续轨迹控制两类: : 点位控制点位控制仅控制离散点上工业机器人手爪或工具的位姿，要求尽快仅控制离散点上工业机器人手爪或工具的位姿，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而无超调地实现相邻点之间的运动，但

14、对相邻点之间的运动轨迹一般不做具体规定。这种方式比较简单，但是要达动轨迹一般不做具体规定。这种方式比较简单，但是要达到到23um23um的定位精度也是相当困难的。的定位精度也是相当困难的。连续轨迹控制连续轨迹控制连续控制工业机器人手爪连续控制工业机器人手爪( (或工具或工具) )的位姿轨迹。轨迹控制的位姿轨迹。轨迹控制的技术指标是轨迹精度和平稳性。的技术指标是轨迹精度和平稳性。3 3力（力矩）控制方式力（力矩）控制方式在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，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，这时就要利用还要求使用适度的力或力矩进行工作，这

15、时就要利用力（力矩）伺服方式。因此系统中必须有力（力矩）力（力矩）伺服方式。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。应式控制。 2 2速度控制方式速度控制方式在连续轨迹控制方式的情况下，工业机器人按预定在连续轨迹控制方式的情况下，工业机器人按预定的指令，控制运动部件的速度和实行加、减速，以的指令，控制运动部件的速度和实行加、减速，以满足运动平稳、定位准确的要求。为了实现这一要满足运动平稳、定位准确的要求。为了实现这一要求，机器人的行程要遵循一定的速度变化曲线，如求，机器人的行程要遵循一定的速度变化曲线，如图

16、所示。图所示。启动启动加速加速tv快速快速运动运动停止停止减速减速工业机器人控制系统结构和工作原理工业机器人控制系统结构和工作原理一个工业机器人系统通常分为机构本体和控制系统两大部分。一个工业机器人系统通常分为机构本体和控制系统两大部分。控制系统的主要作用是根据用户的指令对机构本体进行操作控制系统的主要作用是根据用户的指令对机构本体进行操作和控制，完成作业的各种动作。控制系统的性能在很大程度和控制，完成作业的各种动作。控制系统的性能在很大程度上决定了机器人系统的性能。一个良好的控制器要有灵活、上决定了机器人系统的性能。一个良好的控制器要有灵活、方便的操作方式，多种形式的运动控制方式和安全可靠地

17、运方便的操作方式，多种形式的运动控制方式和安全可靠地运行。行。工业机器人控制系统是机器人的重要组成部分，以完成特定工业机器人控制系统是机器人的重要组成部分，以完成特定的工作任务，其基本功能如下：的工作任务，其基本功能如下：记忆功能。存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速记忆功能。存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。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。括示教盒和导引示教两种。与外围设备联系功能。输人和输出接口、通信接口、网络与外围设备联系功能。输人和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。接口、同步接口。坐