第5章 工业机器人控制系统

工业机器人控制系统机器人控制系统概述机器人单关节控制机器人多关节控制机器人力控制主要内容机器人控制系统概述按机器人控制系统的控制方式可以分为三类，分别为以单片机、可编程控制器以及工业控制计算机+运动控制卡为核心的控制系统。目前主流的工业机器人控制系统硬件采用工业控制计算机+运动控制卡的形式。控制系统的组成工业机器人的操作系统是管理工业机器人硬件和软件的程序，是控制系统的核心部分，通常工业机器人的操作系统是采用嵌入式实时操作系统。机器人控制系统概述操作系统工业机器人的控制方式根据划分规则可分为多种不同方式，最常见的可分为动作控制方式和示教控制方式。此外，按照运动轨迹控制方式，可分为点位控制和连续轨迹控制。机器人控制系统概述控制方式按照对运动物理量的控制方式，机器人控制方式可分为位置控制、速度控制和力（力矩）控制等方式。示教控制是工业机器人一种最常见的控制方式。在示教过程中机器人将作业的轨迹和速度等信息存储起来，在执行过程中再现示教过程。机器人控制系统概述控制方式串联工业机器人由多关节及连杆组成，是一个耦合的非线性系统。以直流伺服电机为驱动源的单关节为例，讨论机器人单关节的数学模型及其控制问题。机器人单关节控制机器人单关节数学模型已知，传动比n=z2/z1，负载轴的转矩，M2=nM1建立电机驱动轴的转矩平衡方程

负载轴的转矩平衡方程为

电枢绕组电压平衡方程为

u为电枢电压，L为电枢电感，R为电枢电阻，I为电枢电流，Ki为电机的反电动势常数。机器人单关节控制机器人单关节数学模型直流伺服电机驱动的单关节简化模型进一步分析电机输出转矩和绕组电流的关系

式中Kn为电机的转矩常数。由于电感L数值很小，为简化计算，将其近似为0，则推导出如公式5-5的反映控制对象的输入电压和输出角位移的关系。

式中，Kc=nKn/R，J=n2J1+J2，Kd=(n2Kd1+Kd2)+n2KnKi，θ(t)=θ2(t)进行拉普拉斯变换，整理得到其传递函数为机器人单关节控制机器人单关节数学模型PID控制是目前自动化控制过程中广泛使用的反馈控制方式。对于机器人单关节而言，其直流伺服电机带有编码器，可以反馈关节的回转角度，进而形成负反馈控制系统。机器人单关节控制机器人单关节PID控制不使用积分调节仅有比例和微分的调节称为PD控制。其控制方程可表示为考虑实际的目标值为定值，且KD为速度反馈增益，通常用KV表示，则式可表示为上式即表示该负反馈PD控制系统为带有速度反馈的位置闭环控制系统。由于速度负反馈的引入使得系统的阻尼比增加，使得系统具有更好的位置控制性能。机器人单关节控制机器人单关节PID控制不考虑阻尼和摩擦效应，机器人的多关节动力学模型为：式中，分别表示机器人关节的位移、速度和加速度输出向量；而

表示广义力输入向量。可进一步得：机器人多关节控制机器人的动力学模型离心与科氏力矩阵-重力向量-惯性力矩阵-

为实现机器人的轨迹跟踪控制，需要考虑机器人动力学内非线性项的处理问题。这里介绍一种非线性控制方法-计算力矩控制。

以下将分别从控制律设计和控制器参数选择两个方面介绍计算力矩控制的设计思路。计算力矩控制机器人多关节控制（1）计算力矩控制的控制律设计计算力矩控制在控制律设计上采取内/外环控制架构，内环控制器实现机器人模型的反馈线性化处理，而外环控制器可采用线性控制方法，以实现轨迹规划器生成的期望轨迹。计算力矩控制机器人多关节控制（1）计算力矩控制的控制律设计内环-逆动力学控制:外环-前馈+PD控制:计算力矩控制角位移误差-角速度误差-角加速度误差-机器人多关节控制（2）计算力矩控制的控制参数选择

将式(5-15)代入到式(5-11)中可得机器人轨迹误差的动力学模型进一步可得其特征方程1）从稳定性方面看，由劳斯-赫尔维茨判据可知，如果比例增益和微分增益

都取正值，则系统稳定。计算力矩控制角位移误差-角速度误差-角加速度误差-机器人多关节控制（2）计算力矩控制的控制参数选择机器人轨迹误差的动力学模型可得其特征方程为2）从动态性能方面看，为了避免碰撞，机器人手臂一般不允许有超调，故一般取。则：。PD增益矩阵可选择方案为计算力矩控制无阻尼固有频率（自然频率）越大，机器人响应速度越快机器人多关节控制（2）计算力矩控制的控制参数选择机器人轨迹误差的动力学模型可得其特征方程为3）从避免共振方面看，太高的无阻尼固有频率会导致机构共振。其中谐振频率等效计算为：计算力矩控制---手臂连杆的刚性系数---手臂连杆的转动惯量机器人多关节控制当机器人从事如打磨、抛光、装配等任务时，需要同时考虑机器人位置控制和力控制。此时机器人末端的任务空间就包含了一对对偶空间-运动空间和力空间。机器人力控制对偶空间和约束-自然约束：设定环境中，已自然施加于机器人末端坐标系上的或运动约束或力约束。-人工约束：设定环境中，可人为指定于机器人末端坐标系上的或运动约束或力约束。机器人沿z向的直线运动被限制。而可人为指定于机器人末端坐标系z轴上的为力约束对偶空间和约束机器人力控制机器人夹持轴零件完成轴孔装配任务力/位混合控制机器人力控制(1)直角坐标机器人力/位混合控制对偶空间和约束机器人力控制(2)关节机器人力/位混合控制对偶空间和约束机器人力控制机器人阻抗控制是通过控制位移与力的动态关系间接控制期望的力和位置，达到柔顺控制的目的。环境表面刚度k越大，就越“阻碍”机器人末端执行器运动。阻抗控制机器人力控制例:研磨作业阻抗控制期望惯量-期望阻尼-期望刚度-机器人力控制机器人动力学方程阻抗控制机器人力控制基于逆动力学的阻抗控制器设计内