机器学习技术与应用 课件 第11课 机器人控制技术

智能机器人技术与应用“十四五”职业教育人工智能技术应用专业系列教材第11课机器人控制技术231知识目标（1）熟悉机器人控制系统，了解机器人控制技术。（2）了解机器人人机接口、通信、电源等技术。（3）了解机器人控制技术的发展。能力目标（1）掌握专业知识的学习方法，培养阅读、思考与研究的能力。（2）积极参与“研究性学习小组”活动，提高组织和活动能力，具备团队精神。素质目标（1）热爱学习，掌握学习方法，提高学习能力。（2）热爱读书，善于分析，勤于思考，关心智能技术进步。（3）体验、积累和提高“大国工匠”的专业素质。学习目标

愿景

体验

创意

实践重点难点（1）熟悉机器人控制技术。（2）熟悉机器人各项综合技术。目录机器人控制系统01智能控制技术02人机接口技术03机器人通信技术04机器人电源技术05第11课机器人控制技术控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征，则该控制系统称为开环控制系统，反之，则称该控制系统为闭环控制系统。这部分主要由计算机硬件和控制软件组成。软件主要由人机交互系统和控制算法等组成，这部分的作用相当于人的大脑。机器人控制系统0101

机器人控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及传感器的反馈信号来控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。图11-3机器人控制系统示意01

机器人控制系统（1）按机器人有无信息反馈特征，可分为开环控制系统和闭环控制系统。开环精确控制的条件是：精确地知道被控对象模型，并且这一模型在控制过程中保持不变。该部分主要由计算机硬件和控制软件组成。软件主要由人与机器人进行联系的人机交互系统和控制算法等组成。该部分的作用相当于人的大脑。（2）按所期望的控制量分，包括位置控制、力控制和混合控制。位置控制分为：单关节位置控制（包括位置反馈、位置速度反馈和位置速度加速度反馈）；多关节位置控制分为：分解运动控制、集中控制；力控制分为：直接力控制、阻抗控制和力位混合控制。（3）智能化控制方式，包括模糊控制、自适应控制、最优控制、神经网络控制、模糊神经网络控制、专家控制以及其他。控制器位置控制01

机器人控制系统轨迹规划机器人示教原理硬件配置及结构示意01

机器人控制系统11.1.1控制器“控制”的目的是使被控对象产生控制者所期望的行为方式，其基本条件是了解被控对象的特性，实质是对驱动器输出力矩的控制，控制器参与的是计算发送指令和能量供应的整个过程，它根据指令以及传感器信息控制机器人完成

一定的动作或作业任务，是决定机器人功能

和性能的主要因素。

图11-4机器人控制柜01

机器人控制系统除了控制器部件外，机器人的硬件部分还包括：（1）开关电源（SMPS）：提供能量；（2）CPU模块：控制行动；（3）伺服驱动模块：控制电流让机器人关节移动；（4）持续模块：相当于人类的交感神经，掌管机器人的安全、迅速控制机器人以及紧急情况停止等；（5）输入输出模块：相当于检测反应神经，是机器人与外部世界

的接口。01

机器人控制系统11.1.2位置控制从控制本质来看，目前的工业机器人大多数情况下还是处于比较底层的空间定位控制阶段，只是一个相对灵活的机械臂，离“人”还有很

长一段距离。

图11-5机器人的位置控制01

机器人控制系统机器人的位置控制有多种控制方式：（1）点位控制方式（PTP）。只对工业机器人末端执行器在作业空间中某些规定的离散点上的位姿进行控制。在控制时，要求工业机器人能够快速、准确地在相邻各点之间运动，对达到目标点的运动轨迹则不作任何规定。定位精度和运动所需的时间是这种控制方式的两个主要技术指标。这种控制方式具有实现容易、定位精度要求不高的特点，因此，常被应用在上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求目标点处保持末端执行器位姿准确的作业中。这种方式简单，但要达到2~3um的定位精度相

当困难。01

机器人控制系统（2）连续轨迹控制方式（CP）。是对工业机器人末端执行器在作业空间中的位姿进行连续控制，要求其严格按照预定轨迹和速度在一定的精度范围内运动，而且速度可控，轨迹光滑，运动平稳，以完成作业任务。工业机器人各关节连续、同步地进行相应的运动，其末端执行器即可形成连续轨迹。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端执行器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性，通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人都采用这种控制方式。01

机器人控制系统（3）力（力矩）控制方式。机器人在完成一些与环境存在力作用的任务时，比如打磨、装配、抓放物体，除了要求准确定位之外，还要求所使用的力或力矩必须合适，这时要使用（力矩）伺服方式。这种控制方式的原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号，所以该系统中必须有力（力矩）传感器。有时也利用接近、滑动等传感功能进行自适应式控制。01

机器人控制系统机器人的力控制泛指机器人应用领域中，利用力传感器作为反馈装置，将力反馈信号与位置控制（或速度控制）输入信号相结合，通过相关的力/位混合算法，实现的力/位混合控制技术。也称力/位混合控制技术。力控制技术是机器人技术发展的主要方向之一，目的是为机器人增加触觉，与机器人视觉技术相结合组成机器人的视觉和触觉。力控制技术主要分为关节力控制技术和末端力控制技术。其中关节力控制指机器人各关节均具备一个力/力矩传感器，而末端力控制指机器人末端装有一个力传感器（1~6维传感器）。单纯的位置控制会由于位置误差而引起过大的作用力，从

而会伤害零件或机器人。在这类受限环境中运动时，往往

需要配合力控制来使用。01

机器人控制系统在位置控制下，机器人会严格按照预先设定的位置轨迹进行运动。若运动过程中遭遇到障碍物的阻拦，导致机器人位置追踪误差变大时，机器人会努力去追踪预设轨迹，最终导致机器人与障碍物之间产生巨大的内力。而在力控制下，以控制机器人与障碍物间的作用力为目标。当机器人遭遇障碍物时，会智能地调整预设位置轨迹，从而消除内力。01

机器人控制系统11.1.3轨迹规划轨迹规划方法分为两个方面。（1）工业机器人轨迹。常用的轨迹规划包括机械臂末端行走的曲线轨迹（点位作业），或是操作臂在运动过程中的位移、速度和加速度的曲

线轮廓（连续路径作业，或称轮廓运动）。轨迹规

划既可以在关节空间也可以在直角空间中进行。

图11-6轨迹规划01

机器人控制系统（2）移动机器人路径轨迹。指移动的路径轨迹规划，如机器人是在有地图条件或是没有地图的条件下，按什么样的路径轨迹来行走，是基于模型和基于传感器的路径规划，还是全局路径规划和局部路径规划。自主移动机器人的导航问题要解决的是：①“我现在何处？”，②“我要往何处去？”和③“我要如何到该处去？”。局部路径规划主要解决问题①和③，即机器人定位和路径跟踪问题；方法主要有：人工势

场法、模糊逻辑算法等。全局路径规划主要解决②，即全局目标分解为局部目标，

再由局部规划实现局部目标。主要有可视图法、环境分割法（自由空间法、栅格法）

等。01

机器人控制系统离线路径规划是基于环境先验完全信息的路径规划。完整的先验信息只能适用于静态环境，这种情况下，路径是离线规划的。在线路径规划是基于传感器信息的不确定环境的路径规划。在这种情况下，路径必须是在线规划的。01

机器人控制系统（3）移动机器人动作规划。一般来讲，移动机器人有三个自由度（X，Y，θ），机械手有6个自由度（3个位置自由度和3个姿态自由度）。因此，移动机器人的动作规划不是在2个位置自由度（X，Y）构成的2维空间，而是要搜索位置和姿态构成的3维空间。01

机器人控制系统11.1.4机器人示教原理机器人的基本工作原理是示教再现。示教也称导引，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教中每个动作的位置、姿态、运动参数/工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作。01

机器人控制系统机器人的一大优点就是它的程序可以很容易修改，这一点可以让它们在不同的场景切换使用。为了能够使人们操控机器人，就必须依靠示教器来进行。在示教器的显示界面上可以看到机器人的编程语言以及机器人的各项状态，可以通过示

教器来完成机器人的编程。

图11-7机器人示教01

机器人控制系统控制技术可以绘制表格，然后根据图表来控制机器人的运动。可以使用计算出的力学数据来完成对机器人的规划和动作控制。此外，机器视觉以及沉浸式深度学习及分类等都属于控制技术的范畴。01

机器人控制系统11.1.5硬件配置及结构示意由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制，所以机器人控制系统在结构上大多数采用分层结构的微型计算机控制系统，通常采用的是两级计算机伺服控制系统。

图11-8控制系统工作原理01

机器人控制系统其具体流程是：主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手的运动参数。然后，进行运动学、动力学和插补运算，最后得出机器人各个关节的协调运动参数。这些参数经过通信线路输出到伺服控制级，作为各个关节伺服控制系统的给定信号。关节驱动器将此信号D/A转换后驱动各个关节产生协调运动。传感器将各个关节的运动输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制，从而更加精确的控制机器人手部在空间的运动。基于PLC（可编程控制器）的运动控制两种控制方式是：（1）利用PLC的某些输出端口使用脉冲输出指令来产生脉冲驱动电机，同时使用通用I/O或者计数部件来实现电机的闭环位置控制。（2）使用PLC外部扩展的位置控制模块来实现电机的闭环位置控制主要是以发高速脉冲方式控制，属于位置控制方式，一般点到点的位置控制方式较多。智能控制技术0202

智能控制技术机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库作出相应的决策。采用智能控制技术，使机器人具有较强的环境适应性及自学习能力。智能控制技术的发展有赖于人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能技术的迅速发展。机器人的智能控制方法有模糊控制、神经网络控制、智能

控制技术的融合（包括模糊控制和变结构控制的

融合、神经网络和变结构控制的融合、模糊控制

和神经网络控制的融合、基于遗传算法的模糊控

制方法）等。

图11-9智能城市照明系统示意02

智能控制技术智能控制方法提高了机器人的速度及精度，但也有其自身的局限性，例如机器人模糊控制的规则库如果过于庞大，则推理过程时间会过长；如果规则库简单，控制的精确性又会受到限制。无论是模糊控制还是变结构控制，抖振现象都会存在，这将给控制带来严重的影响。神经网络的隐层数量和隐层内神经元数的合理确定，是神经网络在控制方面所遇到的问题。另外，神经网络易陷于局部极小值等问题，也是智能控制设计中要解决的问题。人机接口技术0303

人机接口技术智能机器人的研究目标并不是完全取代人，复杂的智能机器人系统仅仅依靠计算机来控制是有一定困难，即使可以做到，也由于缺乏对环境的适应能力而并不实用。智能机器人系统需要借助人机协调来实现系统控制。因此，设计良好

的人机接口就成为智能机器人研究的重点问题

之一。

图11-10机器人人机接口03

人机接口技术人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。为了实现这一目标，除了要求机器人控制器有友好的、灵活方便的人机界面之外，还要求计算机能够看懂文字、听懂语言、说话表达，甚至能够进行不同语言之间的翻译，而这些功能的实现又依赖于知识表示方法的研究。因此，研究人机接口技术既有巨大的应用价值，又有基础理论意义。人机接口技术已经取得了显著成果，文字识别、语音合成与识别、图像识别与处理、机器翻译等技术开始实用化。另外，人机接口装置和交互技术、监控技术、远程操作技术、通讯技术等

也是人机接口技术的重要组成部分，其中远程操作技术是

一个重要的研究方向。机器人通信技术0404

机器人通信技术工业机器人的运动性能直接决定了机器人是否能够用于特定的工艺，比如精度和速度。机器人的通信方式则直接决定了机器人能否集成到系统中以及支持的控制复杂度。普通IO现场总线网络04

机器人通信技术04

机器人通信技术11.4.1普通IO本地IO模块是机器人控制柜上最常见的或者说是必备的模块之一。最常见的有8输入和8输出，或者16输入和16输出；以模拟量的0V和24V作为数字控制中的0和1。在小型系统中，用来方便快速地连接电磁阀以及传感器，实现夹具等控制。在较复杂的IO应用中，可以使用cross-function

（跨职能）将数个IO信号通过固定的逻辑关系组合

在一起，通过一个IO信号来控制。在较少的情况下，

可以将数个单独的IO信号合并为一个组，用于传输

较为复杂的信号。

图11-11机器人IO接口04

机器人通信技术11.4.2现场总线从系统的角度看，工业总线是用于不同工业设备之间通信的可靠接口，比如机器人和PLC的通信；从控制方式的角度，工业总线是作为普通IO的扩展。是否使用总线以及使用何种总线，一般取决于系统中除机器人系统之外的设备能够支持的通信方式。比如电气控制系统中的PLC支持网路，而且PLC和机器人系统有控制系统的交互，则机器人也一般会选配网路通信功能。工业机器人提供的现场总线（见图11-12）通讯方式包括网路、现场总线、设备网、以太网IP

等，如果通讯方式与主控设备不符，还可以通过使用通讯

转换器来转换将主控设备与工业机器人连接。04

机器人通信技术

图11-12机器人工作场景的现场总线示意04

机器人通信技术现场总线主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的全数字、双向、多站的通信系统信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。04

机器人通信技术11.4.3网络以太网技术一直在各个领域改变着行业的游戏规则，从早期的局域网到后来的宽带网络，再到如今的互联网。以太网技术的关键组件正在被用于工业控制现场总线，推动着整个制造业生态系统的演变和进化。

图11-13以太网用于工业控制现场总线04

机器人通信技术（1）Socket。非常好用的通信方式，能够以字符串的形式发送各种数据，甚至可以一次将各种数据以特定的形式打包后发送。比如让机器人1在工位2抓取后在工位3位置放下，就可以表示为：“robot1;pickPosition2;placePosition3”。信息的具体格式，可以自定义，从而具有极强的柔性。（2）PCSDK。这是对机器人的远程通信和控制的控制接口