第5章工业机器人控制

工业机器人技术

TechnologyofIndustryRobots北京联合大学BeijingUnionUniversity章节安排2023年2月4日2第一章绪论第二章工业机器人机械系统设计第三章工业机器人运动学第四章工业机器人静力计算及动力学分析第五章工业机器人控制第六章工业机器人感觉系统第七章工业机器人轨迹规划与编程第八章工业机器人应用第五章工业机器人控制5.1机器人控制系统与控制方式5.2单关节机器人模型和控制5.3基于关节坐标的控制5.4基于作业空间的伺服控制5.5机器人末端操作器的力/力矩控制2023年2月4日35.1机器人控制系统与控制方式

机器人控制的基本目的告诉机器人要做什么;机器人接受命令，并形成作业的控制策略;保证正确完成作业;

通报作业完成情况。

2023年2月4日4机器人的结构组成四大组成部分•执行机构•驱动单元•控制系统•智能系统2023年2月4日5

执行机构

执行机构是机器人完成工作任务的机械实体一般为“机械手臂+末端操作器”

机械手臂manipulator：一般为由杆件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部

末端操作器end-effector

：按作业用途定（是机器人完成特定作业的关键装置）2023年2月4日6

驱动单元

包括驱动器、运动件和传动机构驱动器：电机（步进电机、伺服电机、DD电机）、气缸、液压缸、新型驱动器。传动机构：谐波传动、螺旋传动、链传动、带传动、绳传动、各种齿轮传动及液力传动。运动件：机器人本体上的各运动体。2023年2月4日7

控制系统

一般由控制计算机、驱动装置和伺服控制器（servocontroller）组成

控制计算机：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

伺服控制器：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2023年2月4日8

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种机能

感知机能：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

思维机能：求解问题的认识推理和判断机能——人工智能

人—机通信机能：理解指示命令输出内部状态与人进行信息交换的机能2023年2月4日9机器人控制系统的特点典型的机器人有5至6个关节，每个关节由一个伺服系统控制，关节的运动要求各个伺服系统协同工作。机器人的工作任务是使末端执行器进行空间点位运动或轨迹运动。对于机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算以及矩阵函数的逆运算。机器人数学模型是多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此机器人的控制中常使用前馈、补偿、解耦、自适应等复杂控制技术。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。2023年2月4日1011机器人控制系统的功能(1)伺服控制功能：主要是指机器人的运动控制，实现机器人各关节的位置、速度、加速度等的控制。(2)运算功能：包括机器人运动学正问题和逆问题的运算；连续轨迹控制机器人的直角坐标轨迹插补和一些函数运算。在高速度、高精度的机器人控制系统当中，系统还要完成机器人动力学模型和复杂控制算法等运算功能。(3)系统的管理功能

①方便的人机交互功能。②具有对外部环境(包括作业条件)的检测和感觉功能。⑤系统的监控与故障诊断功能。2023年2月4日1112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动作控制方式和示教控制方式。按照被控对象来分，可以分为位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制等等。

无论是位置控制或速度控制，从伺服反馈信号的形式来看，又可以分为基于关节空间的伺服控制和基于作业空间(手部坐标)的伺服控制。2023年2月4日12132023年2月4日13142023年2月4日1415机器人控制系统的功能组成

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：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。

人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。

传感器接口：位置检测、视觉、触觉、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、动态补偿等。

故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。2023年2月4日1516

机器人控制系统的组成

（1）控制计算机

控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU；（2）示教盒

示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互；（3）操作面板

由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作；（4）硬盘和软盘存储存储机器人工作程序的外围存储器；（5）数字和模拟量输入输出

各种状态和控制命令的输入或输出；（6）打印机接口

记录需要输出的各种信息；（7）传感器接口

用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器；（8）轴控制器

完成机器人各关节位置、速度和加速度控制；（9）辅助设备控制

用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等；（10）通信接口

实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等；（11）网络接口。2023年2月4日1617

机器人控制系统框图2023年2月4日1718

机器人的轨迹控制机械手由初始点(位置和姿态)运动到终止点经过的空间曲线称为路径。轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用多项式函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并产生一系列“控制设定点”。路径端点一般是在笛卡儿坐标中给出的。如果需要某些位置的关节坐标，则可调用运动学逆问题求解程序，进行必要的转换。在给定的两端点之间，常有多条可能的轨迹。而轨迹控制就是控制机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因此，目标轨迹的给定方法和如何控制机器人手臂使之高精度地跟踪目标轨迹的方法是轨迹控制的两个主要内容。给定目标轨迹的方式有示教再现方式和数控方式（离线编程）两种。

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示教再现方式示教再现方式是在机器工作之前，让机器人手端沿目标轨迹移动，同时将位置及速度等数据存入机器人控制计算机中。在机器人工作时再现所示教的动作，使手端沿目标轨迹运动。示教时使机器人手臂运动的方法有两种：一种是用示教盒上的控制按钮发出各种运动指令；另一种是操作者直接用手抓住机器人手部，使其手端按目标轨迹运动。轨迹记忆再现的方式有点位控制(PTP)和连续路径控制(CP)。点位控制主要用于点焊作业、更换刀具或其他工具等情况。连续路径控制主要用于弧焊、喷漆等作业。2023年2月4日1920

数控方式数控方式与数控机床的控制方式一样，是把目标轨迹用数值数据的形式给出。这些数据是根据工作任务的需要设置的。无论是采用示教再现方式还是用数值方式，都需要生成点与点之间的目标轨迹。此种目标轨迹要根据不同的情况要求生成。但是也要遵循一些共同的原则。例如，生成的目标轨迹应是实际上能实现的平滑的轨迹；要保证位置、速度及加速度的连续性。保证手端轨迹、速度及加速度的连续性，是通过各关节变量的连续性实现的。2023年2月4日2021位置和力控制系统结构具有力反馈的控制系统如图其工作过程为：机器人开始工作时，机器人手端(或安装在手臂端部的工具)按指令要求沿目标轨迹和给定速度运动。当手端与环境接触时，安装在机器人上的接触传感器或力传感器感觉到接触的发生。机器人控制程序按新的自然约束和人工约束来执行新的控制策略，即位置与力的混合控制。2023年2月4日215.2单关节机器人模型和控制机器人对关节驱动电机的主要要求归纳如下：①快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。②启动转矩惯量比大。③控制特性的连续性和直线性。④调速范围宽。能使用于1:1000至1:10000的调速范围。⑤体积小、质量小、轴向尺寸短。⑥能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。222023年2月4日22驱动电动机机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1~10kW。工业机器人驱动系统中所采用的电动机，可细分为以下几种：①交流伺服电动机。包括同步型交流伺服电动机等。②直流伺服电动机。包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。③步进电动机。包括永磁感应步进电动机。232023年2月4日23直流电机的结构及其工作原理直流电机由永磁钢构成的定子、绕有线圈的转子、转向器及电刷等构成。当电流通过电刷和转向器流过线圈时产生转子磁场，这时转子成为一个电磁铁，在转子与定子之间产生吸引力或推斥力使转子旋转。由电刷和转向器来切换电流方向，使电机按同一方向旋转并带动负载做功。2023年2月4日24直流电机的特征

启动转矩大、体积小、质量轻、转矩和转速容易控制及效率高等十分优良的特性。但是，由于有电刷和换向器，在其寿命、噪声等方面必然存在不足。为了克服这一缺点，开发研制出了无刷直流电机。在进行位置控制和速度控制时，需要使用转速传感器，实现位置、速度负反馈的闭环控制方式。2023年2月4日25

直流电机的基本特性由图可知直流电机产生的转矩与电机电流成比例。当电机转速为零时电流为最大值，同时产生最大转矩（启动转矩），随着转速的升高，线圈的反电动势相应增大，电流逐渐减小，转矩也随之变小。2023年2月4日26直流电机的线性控制也可称为电阻控制方式。在电机与电源之间插入晶体三极管，这个晶体三极管相当于一个可变电阻器，也就相当于控制了加于电机上的电压，从而改变电机的转速和转矩。晶体管工作于不饱和区，基本上与低频功率放大器的电路结构相同2023年2月4日27直流电机的PWM控制

晶体三极管作为一个开关，使加到电机上电压的ON与OFF的时间比（占空比，dutytatio）发生变化，从而控制电机电压的平均值。由于三极管工作于饱和状态，几乎不消耗功率，因此PWM控制方式比较经济。但由于电机供电电压处于开关状态，因此会有噪声、振动以及电刷、换向器损伤等问题。2023年2月4日28步进电机的分类

PM型(PermanentMagnet)VR型(VariableReluctance)HB型（HyBrid）2023年2月4日29PM型步进电机的工作原理转子为圆筒形永磁钢，定子位于转子的外侧。定子线圈中流过电流时产生定子磁场。定子和转子磁场间相互作用，产生吸引力或排斥力从而使转子旋转。步距角为90°或45°。

2023年2月4日30VR型步进电机的工作原理转子由齿轮状的低碳钢构成。转子在通电相定子磁场的作用下，旋转到磁阻为最小的位置。通常使用的步距角为0.9°、1.8°及3.6°等。2023年2月4日31HB型步进电机的工作原理是VR型和PM型的复合型步进电机，能获得与VR型相同的很小的步距角。因具有较大转矩而得到广泛应用2023年2月4日32步进电机的转矩特性2023年2月4日33步进电机驱动电路单极型驱动方式和双极型驱动方式两类。单极型驱动方式为标准驱动方式，电路构成较为简单。双极型驱动方式与单极型驱动方式相比，可以产生2倍的转矩，但驱动电路比较复杂。应根据控制对象的不同，适当选择不同的驱动方式。2023年2月4日34单极型驱动方式定子线圈中流过电流进行磁场切换时，线圈的中点与两端点之间，无论哪一边都只流过一个方向的电流2023年2月4日35双极型驱动方式定子线圈的中点不接线。定子线圈中通过电流进行磁场切换时，线圈两端所加电压作正、负切换，从而使线圈中电流方向改变。与单极型驱动方式相比，可以产生2倍的转矩，因此电机效率较高2023年2月4日36交流电机驱动器

感应电机（inductionmotor）同步电机（synchronousmotor）无刷直流电机（brushlessDCmotor）2023年2月4日37感应电机（inductionmotor）感应电机的定子和转子均由铁心线圈构成，可分为单相电机或三相电机。转子铁心是硅钢片叠压而制成，由定子产生的旋转磁场带动转子转动。定子线圈称为一次线圈，转子线圈称为二次线圈。由于转子的质量轻、惯性小，因此响应速度非常快。2023年2月4日38同步电机（synchronousmotor）同步电机的转子由永久磁钢成磁极，定子与感应电机一样由铁心线圈构成，可分为单相同步电机和三相同步电机两种。这种永磁同步电机可以做得很小，因此响应速度很快，其主要应用于中功率以下的工业机器人中2023年2月4日39无刷直流电机霍尔元件或旋转编码器等构成的位置传感器和逆变器（inverter）取代了直流电机的电刷和换向器部分。无刷直流电机具有与普通直流电机相同的特性，并且不需要维护，噪声小。由于转子的转动惯量很小，所以快速响应性能好。转子磁极采用永久磁钢，没有励磁损耗，提高了电机的工作效率。2023年2月4日40无刷直流电机的控制电路

由霍尔元件和晶体三极管构成的逆变器电路。其中转子旋转时，由霍尔元件控制三极管导通，按顺序反复给线圈励磁，使电机旋转。2023年2月4日41液压驱动器液压缸

液压马达2023年2月4日42液压缸工作原理

高压油从A口进入缸体内并推动活塞，排油侧的油通过B口排出，这样在活塞两侧产生压力差，使活塞向前移动；如果从B口供油，从A口排油，则活塞将向相反方向移动。2023年2月4日43液压马达（径向活塞式）

工作时，各活塞和曲轴通过连杆连接起来，与曲轴连接的旋转阀门把从A口进入的压力油依次共给各个活塞，受液压驱动的活塞推动曲轴产生力矩；另一侧的B口为排油口，如果从B口供油，则液压马达向相反方向旋转，此时A口变为排油口。2023年2月4日44摆动式液压马达由两个在机壳内滑动的叶片、与叶片固联的轴及两块靴状瓦等构成。当从A口供油时，通过转轴上的通路也同时向另一侧的腔内供油，排油腔内的油由B口排出，这时液压马达向顺时针方向旋转。当叶片碰到制动器时，液压马达停止转动；当从B口供油时，A口为排油口，液压马达则逆时针旋转。2023年2月4日45气动驱动器

气缸

气马达

两种方式：(1)气缸内供给压缩空气，使活塞做往复运动，由活塞杆将动力传出，带动机械做功。(2)向机体的封闭腔内供给压缩空气，带动叶轮旋转，从而获得旋转运动。2023年2月4日46单向驱动气缸

从A口供给压缩空气，推动活塞前进，使活塞杆上产生推力；当停止供给压缩空气后，依靠内部安装的弹簧力使活塞复位。2023年2月4日47双向驱动气缸

从A口供给压缩空气，推动活塞移动，排气室的压缩空气从B口排出。从而使活塞杆上产生推力，向前运动。若从B口供给压缩空气，从A口排出空气，则使活塞向后移动。2023年2月4日48径向活塞式气动马达

工作时，各活塞与曲轴由连杆连接，与转轴为一体的旋转阀门把从A口进入的压缩空气一次供给各活塞；由压缩空气驱动的活塞推动曲轴产生旋转力矩，另一侧的B口作为排气口；若从B口供给压缩空气，则气动马达反向旋转，此时A口变为排气口。2023年2月4日49摆动气动执行装置（叶片式）

在机壳内侧滑动的叶片、与叶轮相连的轴及限位器等构成。工作时，从A口供给压缩空气，推动叶片转动，在轴上产生力矩，排气室的压缩空气从B口排出，转轴向顺时针方向旋转，叶轮碰到限位器后停止；若从B口供给压缩空气，则气动马达向逆时针方向旋转2023年2月4日50摆动气动执行装置（齿条齿轮式）

由气缸、在缸体内滑动的两个活塞、位于两活塞之间的齿条及转轴等构成。工作时，从A口供给压缩空气，推动活塞A，通过齿条齿轮副在齿轮轴上产生力矩，排气室的压缩空气从B口排出，转轴顺时针方向旋转，当活塞B碰到端盖停止时，转轴也停止转动；若从B口供给压缩空气，则转轴向逆时针方向旋转。2023年2月4日51新型的驱动器

超声波驱动器磁致伸缩驱动器形状记忆金属驱动器静电驱动器2023年2月4日52超声波驱动器通过超声波使压电体振动，在定子表面产生行波，驱动与它接触的转子转动，从而得到力矩的电机。这种电机不需要减速机构就能够得到大的转矩、在电源关断的状态下也有保持力、响应速度快、能够进行高精度的速度控制和位置控制、无噪音、无磁场产生、体积小、重量轻。2023年2月4日53超声波电机的结构示意

由与压电体连接的定子和与定子表面加压接触的转子构成。2023年2月4日54超声波电机的原理

施加与压电体相位不同的大于20kHz的交流电压，产生超声波的振动，与压电体连接的金属是弹性体，它随着超声波的振动而变形。这种变形是弹性体表面的起伏向一个方向连续的行进，使弹性体的表面形成行波。在弹性体表面形成的行波的各顶点与转子接触的同时按椭圆曲线运动。转子随着椭圆形的运动，向与定子表面产生的行波的反方向转动。2023年2月4日55磁致伸缩驱动

铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩。研究发现，TbFe2、SmFe2、DyFe2、HoFe2、TbDyFe2（铽铁、钐铁、镝铁、钬铁、铽镝铁）等稀土－铁系化合物不仅磁致伸缩值高，而且居里点高于室温，室温磁致伸缩值为1000～2500×10-6，是传统磁致伸缩材料如铁、镍等的10～100倍，这类材料被称为稀土超磁致伸缩材料，已经用于制造微型电机。2023年2月4日56形状记忆金属是一种专利合金，在达到特定温度时缩短大约4％。通过改变合金的成分可以设计合金的转变温度，但标准样品都将温度设在90˚C左右。这种线的主要缺点在于它的总应变仅发生在一个很小的温度范围内，因此除了在开关情况下以外，要精确控制它的拉力很困难，同时也很难控制位移。

2023年2月4日57静电驱动器在图（b）中，表示了当把电压施加到定子的电极上时，在移动子中会感应出极性与其相反的电荷来；在图（c）中，当外加电压变化时，因为移动子上的电荷不能立即变化，所以由于电极的作用，移动子会受到右上方向的合力作用，驱动其向右方移动。反复进行上述操作，移动子就会连续地向右方移动。2023年2月4日585.3基于关节坐标的控制软硬件协同设计具体实现人机界面这些功能与运动控制没有直接关系，绝大多数使用软件来实现。逻辑处理机器人控制器中的PLC功能相对简单，一般使用CPU来实现。2023年2月4日59软硬件协同设计具体实现运动控制及伺服处理粗插补将由CPU负责，而细插补理所当然由硬件来实现。伺服算法部分由CPU实现，信号检测等由硬件实现。辅助控制几乎与硬件没有任何关系，所以用CPU来实现。数据处理几乎与硬件没有任何关系，所以用CPU来实现。2023年2月4日60机器人基本插补类型直线：必须支持圆弧：必须支持连续小线段：最好支持宏指令编程：最好支持专用曲线：根据需要NURBS曲线：终极要求2023年2月4日61

机器人插补技术插补器是机器人控制系统最核心的组件模块。插补器算法分为两个主要组成部分。轨迹插补算法和插补速度控制算法。轨迹插补算法用于确定机器人末端运动的轨迹。加减速控制算法用于确定机器人末端运动的速度。2023年2月4日62

插补技术难点复杂曲线的计算，如NURBS曲线。加减速控制，基本要求速度连续，最好加速度连续，终极要求加加速度连续，原因：驱动的三闭环中最内环是电流环或者叫做力矩环，该环直接影响的是加速度。误差控制，插补概念本身就涉及误差，一方面要尽量缩小误差，另一方面要提高工作效率。插补段之间的圆滑过渡（PL），在适当放弃精度的前提下保证速度连续，需要前瞻技术配合。机械间隙、变形等的补偿。2023年2月4日63NURBS曲线——非均匀有理B样条NURBS（Non-UniformRationalB-Spline，非均匀有理B样条）曲线、曲面。

最核心的问题是B样条基函数的求解。基本的方法是通过迭代算法直接求解，计算量较大。另一种是基于Cox-deBoor算法的插补算法，该算法可避免迭代求解B样条基函数，因此可极大的简化插补求解过程。2023年2月4日64