第12讲控制-5.l机器人的基本控制原则-机器人教学课件

5.l机器人的基本控制原则

1．控制器分类5.1.1基本控制原则本节将讨论工业机器人常用控制器的基本控制原则及控制器的设计问题。从关节（或连杆）角度看，可把工业机器人的控制器分为单关节（连杆）控制器和多关节（连杆）控制器两种。对于前者，设计时应考虑稳态误差的补偿问题；对于后者，则应首先考虑耦合惯量的补偿问题。5.l机器人的基本控制原则

3．主要控制层次5.1.1基本控制原则

图5．2表示机器人的主要控制层次。从图可见，它主要分为三个控制级，即人工智能级、控制模式级和伺服系统级。现对它们进一步讨论如下。5.l机器人的基本控制原则

3．主要控制层次5.1.1基本控制原则

（1）第一级：人工智能级如果命令一台机器人去“把工件A取过来”，那么如何执行这个任务呢；首先必须确定，该命令的成功执行至少是由于机器人能为该指令产生矢量X（t）。X（t）表示末端执行装置相对工件A的运动。它还表示机器人所具有的指令和产生矢量X（t）以及这两者间的关系，是建立第一级（即最高级）控制的工作。它包括与人工智能有关的所有可能问题：如词汇和自然语言理解、规划的产生以及任务描述等。5.l机器人的基本控制原则

3．主要控制层次5.1.1基本控制原则

（2）第二级：控制模式级在工业上一般不采用复杂的模型，而采用两种控制模型。这些控制模型是以稳态理论为基础的，即认为机器人在运动过程中依次通过一些平衡状态。这两种模型分别称为几何模型和运动模型。前者利用X和Θ间的坐标变换，后者则对几何模型进行线性处理，并假定X和Θ变化很小。属于几何模型的控制有位置控制和速度控制等；属于运动模型的控制有变分控制和动态控制等。5.l机器人的基本控制原则

3．主要控制层次5.1.1基本控制原则

（3）第三级：伺服系统级第三级所关心是机器人的一般实际问题。我们将在本节后一部分举例介绍机器人伺服控制系统。在此，必须指出下列两点：①控制第一级和第二级并非总是截然分开的。是否把传动机构和减速齿轮包括在第二级，更是一个问题。这个问题涉及解决下列问题5.l机器人的基本控制原则

3．主要控制层次5.1.1基本控制原则

当前的趋向是研究具有组合减速齿轮的电动机，它能直接安装在机器人的关节上。不过，这样做的结果又产生惯性力矩和减速比的问题。这是需要进一步解决的。②一般的伺服系统是模拟系统，但它们已越来越普遍地为数字控制伺服系统所代替。5.l机器人的基本控制原则

5.1.2伺服控制系统举例对于直流电动机的伺服控制，我们将在位置控制等节中仔细讨论。这里，对液压伺服控制系统加以分析。液压传动机器人具有机构简单、机械强度高和速度快等优点。这种机器人一般采用液压伺服控制阀和模拟分解器实现控制和反馈。一些最新的液压伺服控制系统还应用数字译码器和感觉反馈控制装置，因而其精度和重复性通常与电气传动机器人相似。当在伺服阀门内采用伺服电动机时，就构成电一液压伺服控制系统。

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5.1.2伺服控制系统举例

1．液压缸伺服传动系统采用液压缸作为液压传动系统的动力元件，能够省去中间动力减速器，从而消除了齿隙和磨损问题。加上液压缸的结构简单、比较便宜，因而使它在工业机器人机械手的往复运动装置和旋转运动装置上都获得广泛应用。5.l机器人的基本控制原则

5.1.2伺服控制系统举例

1．液压缸伺服传动系统为了控制液压缸或液压马达，在机器人传动系统中使用惯量小的液压滑阀，应用在电一液压随动系统中的滑阀装有正比于电信号的位移量电一机变换器。图5.3就是这种系统的一个方案。其中，机器人的执行机构由带滑阀的液压缸带动，并用放大器控制滑阀。放大器输入端的控制信号由三个信号叠加而成。主反馈回路（外环）

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5.1.2伺服控制系统举例5.l机器人的基本控制原则

5.1.2伺服控制系统举例

1．液压缸伺服传动系统由位移传感器把位移反馈信号送至比较元件，与给定位置信号比较后得到误差信号，经校正后再与另两个反馈信号比较。第二个反馈信号是由速度反馈回路（速度环）取得的。它包括速度传感器和校正元件。第三个反馈信号是加速度反馈，它是由液压缸中的压力传感器和校正元件实现的。5.l机器人的基本控制原则

5.1.2伺服控制系统举例

2．电一液压伺服控制系统当采用力矩伺服电动机作为位移给定元件时，液压系统的方框如图5．4所示。5.l机器人的基本控制原则

5.1.2伺服控制系统举例

2．电一液压伺服控制系统在图5.4中，控制电流I与配油器输入信号U的关系可由下列传递函数表示：同样可得活塞位移X与配油器输入信号（位移误差信号）U间的关系为：

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5.1.2伺服控制系统举例

2．电一液压伺服控制系统据式（5.5）、（5.6）和图5.4可得系统的传递函数:

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5.1.2伺服控制系统举例

2．电一液压伺服控制系统当采用力矩电动机作为位移给定元件时式中，

1很小而又可以忽略时

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5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统图5．5表示出一个简单的滑阀控制液压传动系统的结构框图。其中所用的控制阀为四通滑阀。

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5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统据液压传动原理，四通滑阀具有下列关系式式中，Q1和Q2为控制滑阀的输出流量，即传动活塞的输入控制流量；Ps为液压源压力；P1和P2为油缸内两部分的液压；X为滑阀的输入位移；k1为增益。

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5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统令q1、q2、p1、p2和x表示在Q1、Q2、p1、p2和X条件下某一稳态位置变量，则可得滑阀液流方程式中，c1为液流增益或灵敏度，c2为液流压力系数。它们可由稳态工作点求得。

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5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统从图5.5可知，P1和V1分别表示油缸左部的压力和体积，P2和V2则表示油缸右部的压力和体积。据图5.5可列出油缸左部的功能守恒表达式

式中，QL为活塞漏损流量，M1为油缸左部所储存的功能，而dM1／dt则为功率变化。因为M1＝P1V1，所以有

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5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统令B表示流体的容体弹性模数，则因为dV1／dt＝AdY／dt，其中，Y为活塞的位移，A为活塞左侧面积。代入式（5.15）得

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5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统油缸的扰动方程如下

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5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统式中，qL为漏损扰动流量其中，Lm为油液的漏损系数。在活塞推力作用下，负载的运动方程式为：式中，m和mp分别为负载质量和活塞质量，b为粘性摩擦系数。联立以上方程，可得阀控油缸的开环传递函数为：

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5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统式中：

n为自然振荡角频率，

1为时间常数，

为阻尼系数。且：5.l机器人的基本控制原则

5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统从式（5．22）可知，此系统的开环传递函数等价于一积分环节与一个二阶环节的串联。再求整个传动系统的闭环函数G（S）。5.l机器人的基本控制原则

5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统当反馈系数为1时，系统的简化结构图如图5．6所示。5.l机器人的基本控制原则

5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统因为：

联立得：5.l机器人的基本控制原则

5.1.2伺服控制系统举例

3．滑阀控制液压传动系统式中，

c＝k1

n为闭环系统的自然角振荡频率；为闭环系统的阻尼系数：为闭环系统的第二时间常数；另一时间常数为

1。式（5.25）即为所求闭环系统的传递函数。从此式可见，此闭环系统为一等价三阶系统。我们往往把它简化为一个一阶环节与一个二阶环节串联的系统。这样，便于对系统进行分析与研究。5.2机器人的位置控制

机器人为连杆式机械手，其动态特性具有高度的非线性。要控制这种由马达驱动的操作机器人，用适当的数学方程式来表示其运动是十分重要的。这种数学表达式就是数学模型，或简称模型。控制机器人运动的计算机，运用这种数学模型来预测和控制将要进行的运动过程。

由于机械零部件比较复杂，例如，机械部件可能因承受负载而弯曲，关节可能具有弹性以及机械摩擦（它是很难计算的）等等，所以在实际上不可能建立起准确的模型一般采用近似模型。尽管这些模型比较简单，但却十分有用。5.2机器人的位置控制

在设计模型时，提出下列两个假设：（1）机器人的各段是理想刚体，因而所有关节都是理想的，不存在摩擦和间隙。

（2）相邻两连杆间只有一个自由度，要么为完全旋转的．要么是完全平移的。5.2机器人的位置控制l．传递函数与等效方框图5.2.1直流传动系统的建模在研究机械手的位置控制器之前，首先建立直流电动机伺服控制系统的数学模型。图5．7表示具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图。5.2机器人的位置控制5.2.1直流传动系统的建模5.2机器人的位置控制5.2.1直流传动系统的建模5.2机器人的位置控制5.2.1直流传动系统的建模2直流电动机的转速调整

图5.10表示一个励磁控制直流电动机的闭环位置控制结构图。5.2机器人的位置控制5.2.1直流传动系统的建模从稳定性和精度的观点看，要获得满意的伺服传动性能，必须在伺服电路内引入补偿网络。5.2.2位置控制的基本结构1．基本控制结构

许多机器人的作业是控制机械手末端工具的位置和姿态，以实现点到点的控制(PTP控制，如搬运、点焊机器人)或连续路径的控制（CP控制，如弧焊、喷漆机器人）。因此实现机器人的位置控制是机器人的最基本的控制任务5.2机器人的位置控制5.2.2位置控制的基本结构机器人位置控制有时也称位姿控制或轨迹控制。对于有些作业，如装配、研磨等，只有位置控制是不够的．还需要力控制。机器人的位置控制结构主要有两种形式，即关节空间控制结构和直角坐标空间控制结构，分别见图5.11（a）和（b）所示。5.2机器人的位置控制5.2.2位置控制的基本结构5.2机器人的位置控制5.2.2位置控制的基本结构运行中的工业机器人一般采用图5.11(a)所示控制结构。该控制结构的期望轨迹是关节的位置、速度和加速度，因而易于实现关节的伺服控制。这种控制结构的主要问题是：由于往往要求的是在直角坐标空间的机械手末端运动轨迹，因而为实现轨迹跟踪，需将机械手末端的期望轨迹经逆运动学计算变换为在关节空间表示的期望轨迹