机器人控制技术(河南科技大学)

1、第八讲第八讲 机器人控制技术机器人控制技术 v 机器人是什么？机器人是什么？v 机器人是如何工作的？机器人是如何工作的？v 要掌握哪些内容？要掌握哪些内容？8.1 机器人的发展历史机器人的发展历史 古代人们期望生产机器替代人类劳动。古代人们期望生产机器替代人类劳动。 1921年，捷克作家年，捷克作家Karel Capek在其科幻小在其科幻小说说罗素姆的罗素姆的万能劳工万能劳工（Universal Robot） 首次使用机器人词。首次使用机器人词。 Capek梦想着有这样的情况，即生物过程可梦想着有这样的情况，即生物过程可以创造出类人的机器，他们虽然缺乏感情和灵以创造出类人的机器，他们虽然缺乏感

2、情和灵魂，但他们身体强壮并服从主人的命令，而且魂，但他们身体强壮并服从主人的命令，而且这些机器能够快速而廉价地生产出来。这些机器能够快速而廉价地生产出来。 机器人市场很快发展起来，很多国机器人市场很快发展起来，很多国家都想用成百上千的机器人士兵装备家都想用成百上千的机器人士兵装备军队，为他们卖命，即使伤亡也不足军队，为他们卖命，即使伤亡也不足惜。最终机器人认定自己已经比人类惜。最终机器人认定自己已经比人类优越，并试图从人类手中接管这个世优越，并试图从人类手中接管这个世界。这个故事中出现的名字界。这个故事中出现的名字rabota，即即劳动者劳动者，一直沿用到今天。，一直沿用到今天。 机器人主要基

3、于大规模生产考虑主要有以下机器人主要基于大规模生产考虑主要有以下两个原因：两个原因： 1、劳动强度、劳动强度 2、尽量使用机器人完成简单、重复的作业以、尽量使用机器人完成简单、重复的作业以降低成本。降低成本。 1950年，年，Asimov在其出版的在其出版的我，机器我，机器人人一书中，给机器人定下了一书中，给机器人定下了三原则三原则： 1 1、不伤害人类；、不伤害人类； 2 2、在原则一下服从人给出的命令；、在原则一下服从人给出的命令； 3 3、在与上两个原则不矛盾的前提下保护自、在与上两个原则不矛盾的前提下保护自身身 40年代末期美国阿尔贡国家实验室遥控机械手年代末期美国阿尔贡国家实验室遥控

4、机械手的发展用于操作放射性材料的发展用于操作放射性材料(遥控式、双向主从遥控式、双向主从式机械手式机械手) v 1953年：年：MIT研制成功第一台数控铣床研制成功第一台数控铣床v 机械手机械手+NC+NC技术技术 第一台工业机器人的产生第一台工业机器人的产生v 1954年：美国人年：美国人George.C.Devol 申请申请“可编可编程序的关节型搬运装置程序的关节型搬运装置”发明专利发明专利v 1958年：约瑟夫年：约瑟夫 恩格尔伯格购买了德沃尔的恩格尔伯格购买了德沃尔的专利，创造了世界上第一个制造机器人的公专利，创造了世界上第一个制造机器人的公司司Unimationv 1959年：推出了

5、第一台年：推出了第一台示教再现式示教再现式的的(Teaching- Playback)PUMA机器人机器人v 1961年：年：Unimation 公司生产出第一台工业公司生产出第一台工业机器人定名为机器人定名为Unimate，62年在年在GM公司应用公司应用v1967年：丰田和川崎重工引进美国的年：丰田和川崎重工引进美国的Unimate和和Versatran机器人机器人v1968年：通用汽车公司定购年：通用汽车公司定购68台工业机器人台工业机器人v1976年：年：Cincinncti Milacron 公司进入工业公司进入工业机器人市场，广受欢迎机器人市场，广受欢迎v1983 机器人学无论是在

6、工业生产还是在学术机器人学无论是在工业生产还是在学术上都是一门受欢迎的学科，开始列入教学计划上都是一门受欢迎的学科，开始列入教学计划v80年代日本机器人在世界占主要地位，占世界年代日本机器人在世界占主要地位，占世界总产量的一半以上总产量的一半以上v1994年底全世界工业机器人已发展到年底全世界工业机器人已发展到60万台万台v2001年底全世界实际装备工业机器人年底全世界实际装备工业机器人102万台万台有关机器人重要术语有关机器人重要术语v机器人（机器人（robotrobot）：）：可编程的多功能操作可编程的多功能操作装置，通过可变的、预先编程的运动完装置，通过可变的、预先编程的运动完成各种任务

7、。成各种任务。v遥控手（遥控手（teleoperatorteleoperator）：）：远程操作控远程操作控制进行工作的机器人叫遥操作机器人。制进行工作的机器人叫遥操作机器人。v可行走机器人（可行走机器人（mobile robotmobile robot）：）：机座机座可运动的机器人。可运动的机器人。v机器人学（机器人学（roboticsrobotics）：）：关于设计、制关于设计、制造和应用机器人的一门学科。造和应用机器人的一门学科。（a a）KuhnezugKuhnezug车载起重机；车载起重机；(b)Fanuc(b)Fanuc S-500 S-500机器人在卡车上执行焊缝任务机器人在卡车

8、上执行焊缝任务 机器人操作手与起重机进行比较：机器人操作手与起重机进行比较：相似之处（结构、驱动、负载、控制器）相似之处（结构、驱动、负载、控制器）v具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接；具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接；v这些关节由驱动器驱动（电机）；这些关节由驱动器驱动（电机）；v操作机的操作机的“手手”都能在空中运动，达到工作空都能在空中运动，达到工作空间的任何位置，并承载一定的负荷；间的任何位置，并承载一定的负荷；v都用一个中央控制器控制驱动器。都用一个中央控制器控制驱动器。不同之处（控制源、名称）不同之处（控制源、名称）v起重机是由人来控制驱动器起重机是由人来控制驱动器v机器

9、人操作手是由计算机编程控制。动作受计机器人操作手是由计算机编程控制。动作受计算机监控的控制器所控制，该控制器本身也运算机监控的控制器所控制，该控制器本身也运行某种类型程序。程序改变，机器人动作就会行某种类型程序。程序改变，机器人动作就会相应改变。相应改变。v一个称为机器人，一个称为操作机。一个称为机器人，一个称为操作机。8.2 机器人的特点、结构及分类机器人的特点、结构及分类 一、机器人的主要特点（一、机器人的主要特点（通用性、适应性通用性、适应性） 机器人的特点包括如下两方面内容：机器人的特点包括如下两方面内容： 1通用性通用性机器人的通用性取决于它的几机器人的通用性取决于它的几何特性和机械

10、能力。即指执行不同功能完成同何特性和机械能力。即指执行不同功能完成同一任务的能力和完成多样不同简单任务的能力。一任务的能力和完成多样不同简单任务的能力。或者说在机械结构上允许机器人或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任执行不同的任务务或或以不同的方式完成同一任务以不同的方式完成同一任务。 决定通用性有两方面因素：一个是机器决定通用性有两方面因素：一个是机器人人自由度自由度；另一个是；另一个是末端执行器末端执行器的结构和操作的结构和操作能力。能力。 2适应性适应性机器人的适应性是指其机器人的适应性是指其对对环境的自适应能力环境的自适应能力，即要求所设计的机，即要求所设计的机器人能够自我执行并适

11、应未经完全指定器人能够自我执行并适应未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中是否发的任务，而不管任务执行过程中是否发生了所没有预计到的环境变化。这一能生了所没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人具有人工知觉，即能力要求机器人具有人工知觉，即能感知感知周围环境周围环境。在这个层次上，机器人运用。在这个层次上，机器人运用它的下述能力：它的下述能力： (1) 使用传感器感测环境的能力；使用传感器感测环境的能力； (2) 分析任务空间和执行操作规划的能分析任务空间和执行操作规划的能力；力； (3) 自动指令模式的能力。自动指令模式的能力。 根据具体作业对象不同，机器人适根据具体作业对象不同，机器人适

12、应性主要考虑三种适应性：应性主要考虑三种适应性： (1) 点适应性：点适应性：即如何找到点的位置。即如何找到点的位置。 (2) 曲线适应性：曲线适应性：即如何利用传感器得即如何利用传感器得到的信息到的信息(或特殊结构、材料等或特殊结构、材料等)沿曲面工沿曲面工作。作。 (3) 速度适应性：速度适应性：选择最佳运动速度。选择最佳运动速度。（与倒立摆类似的两轮机器人）（与倒立摆类似的两轮机器人）工业机器人系统组成执行系统驱动系统控制系统人工智能系统工业机器人臂部腕部机身手部行走机构各种电、液、气装置运动控制装置位置检测装置示教再现装置语音识别装置逻辑判断装置学习装置触觉、听觉、嗅觉、视觉装置二、机

13、器人的结构组成二、机器人的结构组成 四大组成部分四大组成部分 执行机构执行机构 驱动单元驱动单元 控制系统控制系统 智能系统智能系统 执行机构执行机构 执行机构是执行机构是机器人机器人完成工作任务的机完成工作任务的机械实体一般为械实体一般为“机械手臂机械手臂+末端操作器末端操作器”v 机械手臂机械手臂manipulator： 一般为由杆件一般为由杆件机构和关节机构组成的空间开链机构常机构和关节机构组成的空间开链机构常常进一步细分为机座腰部臂部肩和肘腕常进一步细分为机座腰部臂部肩和肘腕部部v 末端操作器末端操作器end-effector ：按作业用途：按作业用途定（是机器人完成特定作业的关键装置

14、）定（是机器人完成特定作业的关键装置） 驱动单元驱动单元 包括驱动器、运动件和传动机构包括驱动器、运动件和传动机构v驱动器：驱动器：电机（步进电机、伺服电机、电机（步进电机、伺服电机、DD电机）、气缸、液压缸、新型驱动器。电机）、气缸、液压缸、新型驱动器。v传动机构：传动机构：谐波传动、螺旋传动、链传动、谐波传动、螺旋传动、链传动、带传动、带传动、绳传动绳传动、各种齿轮传动及液力传、各种齿轮传动及液力传动。动。v运动件：运动件：机器人本体上的各运动体。机器人本体上的各运动体。 控制系统控制系统 一般由控制计算机、驱动装置和伺服控制一般由控制计算机、驱动装置和伺服控制器（器（servo cont

15、roller ）组成）组成 控制计算机：控制计算机：根据作业要求接受编程发出根据作业要求接受编程发出指令控制协调运动并根据环境信息协调运动指令控制协调运动并根据环境信息协调运动 伺服控制器：伺服控制器：控制各关节的驱动器使其按控制各关节的驱动器使其按一定的速度加速度和轨迹要求进行运动一定的速度加速度和轨迹要求进行运动 智能系统智能系统 正在发展中智能机器人除运动机能外还有如下三正在发展中智能机器人除运动机能外还有如下三种机能种机能v 感知机能：感知机能：获取外部环境信息以便进行自我行动决获取外部环境信息以便进行自我行动决策和监视的机能，视觉传感器是当前发展的重点策和监视的机能，视觉传感器是当前

16、发展的重点v 思维机能：思维机能：求解问题的认识推理和判断机能求解问题的认识推理和判断机能 人工智能人工智能v 人人机通信机能：机通信机能：理解指示命令输出内部状态与人理解指示命令输出内部状态与人进行信息交换的机能进行信息交换的机能取一个杯子取一个杯子 找到水壶找到水壶 打开水壶打开水壶把水倒入杯中把水倒入杯中 把水送给主人把水送给主人给主人倒一杯水给主人倒一杯水 提起水壶到杯口上方提起水壶到杯口上方 把水壶倾斜把水壶倾斜 把水壶竖直把水壶竖直 把水壶放回原处把水壶放回原处 手部从手部从A点移到点移到B 点点 关节从关节从A点移到点移到B点点智能机器人动作规划智能机器人动作规划 动作规划的目的

17、是动作规划的目的是将操作人员输入的将操作人员输入的简单的简单的任务描述任务描述变为详细的变为详细的运动轨迹描述运动轨迹描述。 例如，对一般的工业机器人来说，操作员可能只例如，对一般的工业机器人来说，操作员可能只输入机械手末端的目标位置和方位，而规划的任务便输入机械手末端的目标位置和方位，而规划的任务便是要确定出达到目标的关节轨迹的形状、运动的时间是要确定出达到目标的关节轨迹的形状、运动的时间和速度等。这里所说的轨迹是指随时间变化的位置、和速度等。这里所说的轨迹是指随时间变化的位置、速度和加速度。速度和加速度。 简言之，机器人的工作过程，就是通过规划，将要求的任简言之，机器人的工作过程，就是通过

18、规划，将要求的任务变为期望的运动和力，由控制环节根据期望的运动和力的信务变为期望的运动和力，由控制环节根据期望的运动和力的信号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的运动和力，号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的运动和力，从而完成期望的任务。这一过程表述如下图所示。这里，机器从而完成期望的任务。这一过程表述如下图所示。这里，机器人实际运动的情况通常还要反馈给规划级和控制级，以便对规人实际运动的情况通常还要反馈给规划级和控制级，以便对规划和控制的结果做出适当的修正。划和控制的结果做出适当的修正。人人机机接接口口规规划划控控制制机机器器人人本本体体要求的任务要求的任务 期望的期望的运动和

19、力运动和力 实际的实际的运动和力运动和力控制作用控制作用机器人的工作原理示意图机器人的工作原理示意图 上图中，要求的任务由操作人员输入给机器人，上图中，要求的任务由操作人员输入给机器人，为了使机器人操作方便、使用简单，必须允许操作人为了使机器人操作方便、使用简单，必须允许操作人员给出尽量简单的描述。员给出尽量简单的描述。 上图中，期望的运动和力是进行机器人控制所必上图中，期望的运动和力是进行机器人控制所必需的输入量，它们是机械手末端在每一个时刻的位姿需的输入量，它们是机械手末端在每一个时刻的位姿和速度，对于绝大多数情况，还要求给出每一时刻期和速度，对于绝大多数情况，还要求给出每一时刻期望的关节

20、位移和速度，有些控制方法还要求给出期望望的关节位移和速度，有些控制方法还要求给出期望的加速度等。的加速度等。对于对于PTPPTP控制控制: : 通常只给出机械手末端的起点和终点，有时也通常只给出机械手末端的起点和终点，有时也给出一些中间经过点，所有这些点统称为路径点。给出一些中间经过点，所有这些点统称为路径点。应注意这里所说的应注意这里所说的“点点” ” 不仅包括机械手末端的不仅包括机械手末端的位置，而且包括方位，因此描述一个点通常需要位置，而且包括方位，因此描述一个点通常需要6 6个量。通常希望机械手末端的运动是光滑的，即它个量。通常希望机械手末端的运动是光滑的，即它具有连续的一阶导数，有时

21、甚至要求具有连续的二具有连续的一阶导数，有时甚至要求具有连续的二阶导数。不平滑的运动容易造成机构的磨损和破坏阶导数。不平滑的运动容易造成机构的磨损和破坏，甚至可能激发机械手的振动。因此规划的任务便，甚至可能激发机械手的振动。因此规划的任务便是要根据给定的路径点规划出通过这些点的光滑的是要根据给定的路径点规划出通过这些点的光滑的运动轨迹。运动轨迹。三、机器人的分类三、机器人的分类 1、按机器人结构形式、按机器人结构形式 一般工业机器人为一般工业机器人为6个自由度前三个称为手个自由度前三个称为手臂机构后三个称为手腕臂机构后三个称为手腕机构。根据手臂机构的机构。根据手臂机构的运动付不同形式的组合运动

22、付不同形式的组合得到不同的机器人机构得到不同的机器人机构形式。形式。(1) 直角坐标式直角坐标式(Cartesian) 符号表示符号表示PPP(2) 圆柱坐标式圆柱坐标式( (Cylindrical)符号表示符号表示RPP (3) 球坐标式球坐标式( (Spherical) 符号表示符号表示RRP (4) 多关节式多关节式( (Jointed) 符号表示符号表示RRR (5) SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) 关节轴线全平行关节轴线全平行由日本山梨大学牧野洋教授首先提出由日本山梨大学牧野洋教授首先提出 2、按机器人控制方式、按机器人

23、控制方式 (1) 非伺服控制机器人：非伺服控制机器人：这种机器人按照这种机器人按照事先编好的程序进行工作，使用限位开关、制事先编好的程序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器控制机器人的工作。主动器、插销板和定序器控制机器人的工作。主要涉及要涉及“终点终点”、“抓放抓放”或或“开关开关”式机器式机器人，尤其是有限顺序机器人。人，尤其是有限顺序机器人。 (2) 伺服控制机器人：伺服控制机器人：通过反馈传感器取通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置的给定信号，用得的反馈信号与来自给定装置的给定信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以

24、激发机器人的驱动装置，并带动末端执后用以激发机器人的驱动装置，并带动末端执行装置以一定的运动规律运动，实现所要求的行装置以一定的运动规律运动，实现所要求的作业。作业。 伺服控制分为点位伺服控制和连续伺服控制分为点位伺服控制和连续轨迹伺服控制两种。轨迹伺服控制两种。 点位伺服控制：点位伺服控制：机器人以最快和最机器人以最快和最直接的路径（省时省力）从一个端点移直接的路径（省时省力）从一个端点移到另一个端点。通常用于重点考虑终点到另一个端点。通常用于重点考虑终点位置，而对中间的路径和速度不做主要位置，而对中间的路径和速度不做主要限制的场合。实际工作路径可能与示教限制的场合。实际工作路径可能与示教时

25、不一致。时不一致。 连续轨迹伺服控制：连续轨迹伺服控制：机器人能够平机器人能够平滑地跟踪某个规定的路径。滑地跟踪某个规定的路径。3按机器人的信息输入方式按机器人的信息输入方式日本工业机器人协会把机器人分为六类：日本工业机器人协会把机器人分为六类：1) 手动操作手手动操作手：由操作人员直接进行操作的有几个自由度的加工装：由操作人员直接进行操作的有几个自由度的加工装置；置；2) 定序机器人定序机器人：按预定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定：按预定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作业任务，其预定信息难以修改；的作业任务，其预定信息难以修改；3) 变序机器人变序机器人：和第二类一样，但预

26、定信息易于修改；：和第二类一样，但预定信息易于修改；4) 示教式机器人示教式机器人：能够按照记忆装置存储的信息复现事先由人示教：能够按照记忆装置存储的信息复现事先由人示教的动作，且这些示教的动作能够自动重复地进行；的动作，且这些示教的动作能够自动重复地进行；5) 程控机器人程控机器人：能够通过提供的运动程序，执行给定的任务；：能够通过提供的运动程序，执行给定的任务；6) 智能机器人智能机器人：通过感知信息：通过感知信息独立独立检测工作环境或工作条件的变化，检测工作环境或工作条件的变化，借助机器人本身的自我决策能力，进行相应的工作。它不受工作借助机器人本身的自我决策能力，进行相应的工作。它不受工

27、作环境或工作条件变化的影响。环境或工作条件变化的影响。 美国只将后四种定义为机器人。美国只将后四种定义为机器人。8.3 机器人自由度、关节及坐标系机器人自由度、关节及坐标系一、机器人的自由度一、机器人的自由度 确定点在空间位置确定点在空间位置三个坐标。三个坐标。 确定刚体（三维物体，不是一个点）确定刚体（三维物体，不是一个点）在空间位置在空间位置六个坐标（三个确定空间位六个坐标（三个确定空间位置，三个确定空间姿态）。置，三个确定空间姿态）。 需要六个自由度才能将物体放到空间需要六个自由度才能将物体放到空间任意指定位姿（即位置和姿态）。任意指定位姿（即位置和姿态）。 少于六个自由度，机器人的能力

28、将受少于六个自由度，机器人的能力将受到相应限制（自由度越少，限制越多）。到相应限制（自由度越少，限制越多）。 1） 三自由度机器人三自由度机器人 只能只能 沿沿X、Y、Z轴运动轴运动 不能指定机械手姿态不能指定机械手姿态 2）五自由度机器人）五自由度机器人 X、Y、Z移动和绕移动和绕X、Y的转动的转动 （焊接、磨削机器人，不要求（焊接、磨削机器人，不要求Z轴转动）轴转动） 3）七自由度机器人）七自由度机器人 解无穷多，要有附加决策程序使机器人从这解无穷多，要有附加决策程序使机器人从这些解中选择一个。（检验所有解，根据决策找些解中选择一个。（检验所有解，根据决策找出所求解，实际生产不用）出所求解

29、，实际生产不用）二、机器人的关节二、机器人的关节 1、直线移动关节、直线移动关节 2、转动关节、转动关节（驱动方式）（驱动方式）三、机器人的坐标系三、机器人的坐标系 机器人运动学中通常定义以下三种坐机器人运动学中通常定义以下三种坐标系：标系： 1、全局参考坐标系、全局参考坐标系： 此时，机器人是通过此时，机器人是通过各关节的组合运动产生各关节的组合运动产生沿沿X、Y、Z三个坐标轴三个坐标轴直线运动和绕他们的转直线运动和绕他们的转动。动。 2、关节参考坐标系：、关节参考坐标系：此时，机器人此时，机器人是通过各关节独立运动产生期望运动。是通过各关节独立运动产生期望运动。 3、工具参考坐标系：、工具

30、参考坐标系：是一个活动坐是一个活动坐标系，随机器人手运动而随之运动，在标系，随机器人手运动而随之运动，在机器人控制中，它便于对机器人靠近、机器人控制中，它便于对机器人靠近、离开物体或安装零件进行编程。离开物体或安装零件进行编程。机器人控制系统的特点1)机器人有若干个关节，典型工业业机器人有5至6个关节。每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。v2)机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器进行空间点位运动或轨迹运动。对机器人运动的控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。v3)机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合

31、，因此机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦、自适应等复杂控制技术。v4)较高级的机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求自动选择最佳控制规律。机器人控制系统的功能机器人控制的特点v机器人的控制问题是与其运动学和动力学问题密切相关v从控制观点看，机器人系统代表冗余的、多变量和本质上非线性的控制系统，同时又是复杂的耦合动态系统。每个控制任务本身就是一个动力学任务。v在实际研究中，往往把机器人控制系统简化为若干个低阶子系统来描述。机器人控制方法的分类 根据不同的分类方法，机器人控制方式可以有根据不同的分类方

32、法，机器人控制方式可以有不同的分类。下图是一种常用的分类方法。从总体不同的分类。下图是一种常用的分类方法。从总体上，机器人的控制方式可以分为上，机器人的控制方式可以分为动作控制方式动作控制方式和和示示教控制方式教控制方式。 按照被控对象来分，可以分为按照被控对象来分，可以分为位置控制、速度位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制混合控制等等。等等。 无论是位置控制或速度控制，从伺服反馈信号无论是位置控制或速度控制，从伺服反馈信号的形式来看，又可以分为的形式来看，又可以分为基于关节空间的伺服控制基于关节空间的伺服控制和和基于作业空间基于作业空间( (手部坐标手部坐标) )的伺服控制的伺服控制。机器人控制系统的功能、组成 基本功能构成 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。 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。 与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 坐标设置功能：有关