机器人控制基础与系统特点
机器人控制系统的设计与实现
机器人控制系统的设计与实现在现代科技的发展下，机器人已经成为工业生产和日常生活中不可或缺的一部分。
为了更好地控制机器人的运动和操作，人们需要设计和实现一个高效可靠的机器人控制系统。
本文将介绍机器人控制系统的基本原理、设计步骤以及系统组成。
一、机器人控制系统的基本原理机器人控制系统的基本原理是通过输入控制指令，经过数据处理和运算，控制机器人执行相应动作。
机器人控制系统通常由硬件和软件两部分组成。
硬件部分包括感知装置、执行器和控制器。
感知装置用于实时获取机器人所处环境的信息，如距离、视觉、温度等数据。
执行器用于将控制信号转化为机械运动，例如驱动电机、执行臂等。
控制器是硬件部分的核心，用于接收和处理输入信号，并产生相应的控制信号给执行器。
软件部分通常包括系统软件和应用软件。
系统软件主要负责机器人的运行管理和数据处理，如操作系统、传感器驱动程序等。
应用软件则根据机器人的不同功能和任务进行开发，如工业自动化、医疗护理等领域的应用软件。
二、机器人控制系统的设计步骤1.需求分析：根据机器人的应用场景和功能需求，对控制系统的性能要求进行分析和规划。
2.系统设计：根据需求分析的结果，设计系统的硬件和软件框架。
确定感知装置、执行器和控制器的选择和集成方案，以及系统软件和应用软件的开发方案。
3.系统集成：将硬件和软件组件进行集成，并进行各组件之间的接口测试和调试。
确保硬件和软件的相互兼容和稳定性。
4.系统优化：在集成调试的基础上，对系统进行性能优化和功能增强。
通过算法优化、控制参数调整等方法，提高机器人的响应速度和运动精度。
5.系统测试：进行全面的系统测试，模拟各种工作场景和极端情况，验证控制系统的性能和可靠性。
对测试结果进行分析和修正，直到系统能够满足预期要求。
6.系统部署和维护：将经过测试和优化的机器人控制系统部署到实际应用中，并进行长期的维护和支持。
及时处理系统故障和性能下降问题，保证系统的可持续运行。
三、机器人控制系统的组成1.感知装置：包括传感器、摄像头、激光雷达等，用于获取机器人周围环境的信息，为控制系统提供输入数据。
机器人的控制系统详解-精
一、机器人控制系统的特点
(3)具有较高的重复定位精度，系统刚性好。除直角坐标机器 人外，机器人关节上的位置检测元件不能安装在末端执行器上，而 应安装在各自的驱动轴上，构成位置半闭环系统。但机器人的重复 定位精度较高，一般为±0.1 mm。此外，由于机器人运行时要求 运动平稳，不受外力干扰，为此系统应具有较好的刚性。
一、机器人控制系统的特点
(2)运动描述复杂，机器人的控制与机构运动学及动 力学密切相关。描述机器人状态和运动的数学模型是一个 非线性模型，随着状态的变化，其参数也在变化，各变量 之间还存在耦合。因此，仅仅考虑位置闭环是不够的，还 要考虑速度闭环，甚至加速度闭环。在控制过程中，根据 给定的任务，应当选择不同的基准坐标系，并做适当的坐 标变换，求解机器人运动学正问题和逆问题。此外，还要 考虑各关节之间惯性力、哥氏力等的耦合作用和重力负载 的影响，因此，系统中还经常采用一些控制策略，如重力 补偿、前馈、解耦或自适应控制等。
(6)工业机器人还有一种特有的控制方式—— 制方式。当要工业机器人完成某作业时，可预先移动工业机器人 的手臂来示教该作业顺序、位置及其他信息，在此过程中把相关 的作业信息存储在内存中，在执行任务时，依靠工业机器人的动 作再现功能，可重复进行该作业。此外，从操作的角度来看，要 求控制系统具有良好的人机界面，尽量降低对操作者的要求。因 此，多数情况要求控制器的设计人员不仅要完成底层伺服控制器 的设计，还要完成规划算法的编程。
第七章机器人控制新 72页PPT文档
驱动控制器2
驱动控制器3
驱动控制器4
机器人本体
机器人控制系统的构成
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第七章 机器人控制
分析各层（级）的关系与区别
知识粒度 数据处理 功能类别
作业控制级
粗
模糊
决策
运动控制级
中
精确 任务分解
驱动控制级
细
精确
控制
通过分层递阶的组织形式才能完成复杂任务
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第七章 机器人控制
Θ为表示旋转关节或平移关节位移的n×1向量;
为表示旋转关节力矩或平移关节力的n×1向量
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前馈控制和超前控制 前馈控制：从给定信号中提取速度、加速度信号。把它加在伺服系统 的适当部位，以消除系统的速度和加速度跟踪误差。 超前控制：估计下一时刻的位置误差，并把这个估计量加到下一时刻 的控制量中。
2019/9/514 Nhomakorabea第七章 机器人控制
各种智能控制策略
记忆－修正控制 (迭代学习控制 ) 记忆前一次的运动误差，改进后一次的控制量；适用于 重复操作的场合。 听觉控制 有的机器人可以根据人的口头命令做出回答或执行任务， 这是利用了声音识别系统。 视觉控制 常将视觉系统用于判别物体形状和物体之间的关系，也 可以用来测量距离、选择运动途径。 递阶控制（组织级、协调级、执行级） 最低层是各关节的伺服系统，最高层是管理（主）计算 机；大系统控制理论可以用在机器人系统中。
解耦控制(decoupling control) 鲁棒控制(robustness control) 容错控制(fault tolerant control)
第七章 机器人控制
多变量控制系统的一般结构 传递函数矩阵：开环传递函数矩阵，闭环传递函数矩 阵 多变量系统分析和计算的特殊性：变量是向量，传函 是矩阵（矩阵的计算不满足交换律） 多变量系统控制的发展： 1.状态空间法：
工业机器人的基础知识
图1-1 Unimate 机器人
2）初级阶段（20世纪60—70年代） 1961年，德沃尔的Unimation公司为通用汽车生产线安装了第一台用于生产的工
业机器人，它主要用于生产门窗把手、换挡旋钮、灯具和其他汽车内饰用五金件。 1978年，日本山梨大学牧野洋发明SCARA机器人（见图1-2），该机器人具有
将串联机器人和并联机器人有机结合起来的工业机器人，称为混联机 器人。混联机器人既有并联机器人刚度好的优点，又有串联机器人工作范 围大的优点，进一步扩大了机器人的应用范围。
2．按操作机坐标形式分类
工业机器人按操作机坐标形式的不同，可分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、 球坐标机器人和多关节机器人等。
四个轴和四个运动自由度，特别适合于装配工作，如今被广泛应用于汽车工业、电 子产品工业、药品工业和食品工业等领域。
图1-2 SCARA机器人
3）迅速发展阶段（20世纪80—90年代）
1981年，通用汽车公司第一次将CONSIGHT机器视觉系统成功地应用在了一个 恶劣的制造环境中，利用三台工业机器人以每小时1400个的速度分拣出六种不同的 铸件。
工业机器人基础
工业机器人的基础知识
1.1 工业机器人的定义及特点
用来进行搬运机械部件或工件的、可编程序的多功能操作器，或通过 改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置。
工业机器人有以下几个特点：
1．可编程
生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境 变化的需要而再编程。因此，它在小批量、多品种、均衡、高效的柔性制 造过程中能发挥很好的作用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。
1）高性能 2）机械结构向模块化、可重构化发展 3）本体结构更新加快 4）控制技术的开放化、PC化和网络化 5）多传感器融合技术的实用化 6）多智能体协调控制技术
机器人控制系统分类与基本功能
机器人控制系统分类与基本功能
机器人控制系统是一种智能控制系统，它提供了一种智能的、有效的
控制方法，以实现机器人系统的运动控制、任务控制和其他自动化控制，
从而实现完成特定任务的智能化。
目前，它正在被广泛应用于工厂自动化、家庭机器人、建筑自动化等智能系统中，以提高机器人系统的智能程度和
可控性。
根据机器人控制系统的功能特点，可以将机器人控制系统分为以下几类：
一、位移控制系统：这类控制系统通常是用来控制机器人在世界坐标
系中的位置、速度和加速度的，它可以指导机器人达到目的地或者运动路
径上的处，也可以控制机器人运动的轨迹，使机器人在规定的范围内可以
控制自己的位置和运动。
二、运动控制系统：它主要负责机器人的关节运动控制，包括关节的
位置、速度、加速度、力等等，可以帮助机器人达到规定位置，并实现规
定运动轨迹，即使是复杂的机械操作也能得到及时有效的控制。
三、任务控制系统：这类控制系统指的是机器人执行一些任务的控制
方法，它可以通过多种功能模块，如机器视觉、语音识别、人机交互等实
现机器人完成各种任务的控制，为用户提供更多的服务。
机器人控制系统设计
机器人控制系统设计机器人控制系统设计是机器人研发的关键环节之一。
一个优秀的控制系统可以确保机器人能够准确地感知环境、自主决策、有效地执行任务，提高机器人的整体性能和智能化水平。
本文将从以下几个方面探讨机器人控制系统设计。
一、引言随着人工智能技术的不断发展，机器人已经广泛应用于生产、生活、医疗等诸多领域。
机器人控制系统是机器人的核心部分，它负责接收传感器输入的信息，根据预设的程序或算法进行处理，并产生相应的控制信号，以控制机器人的行动。
因此，设计一个性能优良的机器人控制系统，对于提高机器人的智能化水平和工作效率具有至关重要的意义。
二、系统架构机器人控制系统的架构通常包括以下几个主要组成部分：1、传感器接口：用于接收来自传感器的信息，包括环境感知、自身状态等传感器数据。
2、信息处理单元：对接收到的传感器数据进行处理和分析，提取有用的信息以供控制系统使用。
3、决策单元：根据信息处理单元输出的信息，做出相应的决策和控制指令。
4、执行器：接收决策单元发出的控制信号，驱动机器人执行相应的动作。
5、电源管理单元：负责整个控制系统的电源供应，确保系统的稳定运行。
这些组成部分通过一定的通信协议和接口相互连接，形成一个完整的控制系统架构。
三、算法设计机器人控制系统的算法设计是实现系统功能的核心环节。
根据不同的控制需求，需要选择和设计合适的算法。
以下是一些常用的算法：1、决策算法：根据机器人的感知数据和预设规则，做出相应的决策和控制指令。
常见的决策算法包括基于规则的推理、模糊逻辑等。
2、路径规划算法：在给定起点和终点的情况下，计算出机器人从起点到终点的最优路径。
常用的路径规划算法包括基于搜索的方法（如A*算法）、基于网格的方法（如Dijkstra算法）和基于启发式的方法（如遗传算法）等。
3、运动控制算法：根据机器人的运动学模型和动力学模型，控制机器人的运动轨迹和姿态。
常用的运动控制算法包括PID控制、鲁棒控制、自适应控制等。
第5章机器人控制系统
机器人行程的速度 /时间曲线
在进行装配或抓取物体等作业时，工业机器人末端操作器与环境或作业对象
的表面接触，除了要求准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时 就要采取力 (力矩)控制方式。力(力矩)控制是对位置控制的补充，这种方式的控制 原理与位置伺服控制原理也基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是 力 (力矩 )信号，因此，系统中有力 (力矩)传感器。
5.1.4 工业机器人控制的特点
1) 传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统则更 着重本体与操作对象的相互关系。
2) 工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。
3) 每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协
调起来，组成一个多变量的控制系统。
4) 描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的
姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。 机器人控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。
5.1.1 机器人控制系统的基本功能
机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以 完成特定的工作任务，其基本功能如下：
（1）记忆功能 （ 2）示教功能 （ 3）与外围设备联系功能 （ 4）坐标设置功能 （ 5）人机接口 （ 6）传感器接口 （ 7）位置伺服功能
第八页，编辑于星期二：二十点 二十一分。
5.2 工业机器人控制的分类
工业机器人控制结构的选择，是由工业机器人所执行的任务决定的，对不 同类型的机器人已经发展了不同的控制综合方法。工业机器人控制的分类，
没有统一的标准。
? 按运动坐标控制的方式来分：有关节空间运动控制、直角坐标空间 运动控制
机器人的控制系统
机器人的控制系统1. 引言机器人的控制系统是指对机器人进行实时控制和指导的软硬件系统。
它是机器人技术中的重要组成部分，负责控制机器人的运动、感知和决策。
机器人的控制系统需要具备高效、准确和可靠的特点，以实现机器人在不同环境和任务下的自主、智能运行。
本文将介绍机器人的控制系统的基本原理和主要功能。
2. 控制系统的基本原理机器人的控制系统通常采用分层控制结构，包括感知层、决策层和执行层。
感知层负责采集机器人周围环境的信息，决策层负责根据感知数据制定运动策略和任务计划，执行层负责控制机器人的运动和动作执行。
控制系统的基本原理如下：2.1 感知层感知层的主要任务是通过传感器采集机器人周围环境的信息。
常用的传感器包括摄像头、激光雷达、红外传感器等。
感知层通过感知和识别环境中的物体、障碍和目标，提供给决策层进行处理。
2.2 决策层决策层的主要任务是根据感知数据制定运动策略和任务计划。
决策层利用感知数据进行环境分析和目标识别，然后根据预先设定的算法和规则进行决策。
决策层可以根据情况调整机器人的运动策略和行为。
2.3 执行层执行层的主要任务是根据决策层的指令控制机器人的运动和动作执行。
执行层通过控制机器人的关节和执行器，实现机器人的运动、抓取和操作等动作。
执行层需要根据任务需求实时调整机器人的运动参数，保证机器人能够完成所要执行的任务。
3. 控制系统的主要功能机器人的控制系统具有多种功能，包括自主导航、路径规划、避障和交互等。
以下将介绍控制系统的主要功能：3.1 自主导航自主导航是控制系统的基本功能之一，机器人需要通过感知环境和决策运动策略，在未知环境中实现自主导航。
自主导航需要进行环境建模、路径规划和运动控制等步骤，以实现机器人的安全、高效移动。
3.2 路径规划路径规划是指根据机器人的起点、终点和环境信息，确定机器人的移动路径。
路径规划需要考虑避障、优化路径和实时调整等因素，以确保机器人能够按照预定路线安全、高效地移动。
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交流伺服电机 • 结构简单，制造方便，价格低廉，而且
坚固耐用，惯量小，运行可靠，很少需 要维护，可用于恶劣环境等优点，目前 在机器人领域逐渐有代替直流伺服电机 的趋势。
机器人的控制基础和系统特点
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1. 交流伺服电机的结构 交流伺服电机为两相异步电动机，一相为励
磁绕组，另一相为控制绕组，转子为鼠笼型。 交流伺服电机也必须具有宽广的调速范围、
机器人的控制基础和系统特点
三、直流伺服电机 机器人对直流伺服电机的基本要求：
•宽广的调速范围 •机械特性和调速特性均为线性 •无自转现象（控制电压降到零时，伺服电动机 能立即自行停转） •快速响应好
直流伺服电机：传统型和低惯量型两种类型。 传统型按定子磁极的种类分为两种，永磁式和 电磁式。永磁式的磁极是永久磁铁；电磁式的磁 极是电磁铁，磁极外面套着励磁绕组。
机器人的控制基础和系统特点
在电枢控制方式下，直流伺服电机的主 要静态特性是机械特性和调节特性。 1．机械特性 直流伺服电机的机械特性公式，
nC U Ta C eC R T2n0C eC R T2T
n 0 ——电机的理想空载转速；R——电枢电阻；
C e ——直流电机电动势结构常数； ——磁通；T——转矩。 C T ——转矩结构常数； 机器人的控制基础和系统特点
线性的机械特性和快速响应等性能，除此以外， 还应无“自转”现象。
当 U c =0时，电机应当停止旋转，而实际情况是，
当转子电阻较小时，两相异步电机运转起来后，
若控制电压 =0U，c 电动机便成为单项异步电机
继续运行，并不停转，出现了所谓的“自转”现 象，使自动控制系统失控。
机器人的控制基础和系统特点
随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，各 变量之间还存在耦合。 5）机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成， 因此存在一个“最优”的问题。
机器人的控制基础和系统特点
二、机器人的控制方式
1. 点位式 很多机器人要求能准确地控制末端执行
器的工作位置，而路径却无关紧要。例如， 在印刷电路板上安插元件、点焊、装配等 工作，都属于点位式工作方式。
2. 交流伺服电机的转子有三种结构型式： （1）高电阻率导条的鼠笼转子
机器人的控制基础和系统特点
三、机器人控制的基本单元
机器人控制系统的基本要素包括电动机、 减速器、运动特性检测的传感器、驱动电 路、控制系统的硬件和软件。 1．电动机
驱动机器人运动的驱动力，常见的有液 压驱动、气压驱动、直流伺服电机驱动、 交流伺服电机驱动和步进电机驱动。 2．减速器 减速器是为了增加驱动力矩，降低运动速 度
机器人的控制基础 和系统特点
机器人的控制基础和系统特点
第一节 概 述 一、机器人控制系统的特点 1）机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。 2）机器人有多个自由度。每个自由度一般包含一个伺服
机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。 3）机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。同时，
计算机软件担负着艰巨的任务。 4）描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，
2. 轨迹式 在弧焊、喷漆、切割等工作中，要求机
器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运 动。如果偏离预定的轨迹和速度，就会使 产品报废。可称之为轨迹伺服控制。
机器人的控制基础和系统特点
3. 力（力矩）控制方式 在完成装配、抓放物体等工作时，除要
准确定位之外，还要求使用适度的力或力 矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺 服方式。 4. 智能控制方式 详见第六章。
对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制 和机器人与人的信息交换等功能。
机器人的控制基础和系统特点
第二节 伺服电机的原理与特性
机器人的控制基础和系统特点
一、直流电机的工作原理
机器人的控制基础和系统特点
二、直流电机的结构和额定值 1．直流电机的结构
1－电枢绕组；2－电枢铁心；3－机座；4－主磁极铁心； 5－励磁绕组；6－换向极绕组；7－换向极铁心；8－主磁极
机器人的控制基础和系统特点
低惯量分为盘形电枢直流伺服电机、 空心杯电枢永磁式直流伺服电机及无槽电 枢直流伺服电机。
1一定子；2一转子 图5－3 盘型直流电机结构
机器人的控制基础和系统特点
• 1一转子(导线绕6空心杯1)；2一内定子； 3一外定子；4一磁极；5一气隙；6—导 线；7一内定子中的磁路 • 图5－4 杯型直流电机结构
极靴；9－机座底脚； 直流电机横剖面示意图
机器人的控制基础和系统特点
2．直流电机的额定值 （1）额定功率：是指轴上输出的机械功率，单 位为kW。 （2）额定电压：安全工作的最大外加电压或输 出电压，单位为V(伏)。 （3）额定电流：允许流过的最大电流，单位为 A(安)。 （4）额定转速：额定转速是指电机在额定电压、 额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机 的旋转速度，单位为rpm(转/分)。
(a) 机械特性
当U 一a 定时，随着转矩T的
增加，转速n成正比下降。 随着控制电压U a的降低，机 械特性平行地向低速度、小
转矩方向平移，其斜率保持 不变。
机器人的控制基础和系统特点
2．调节特性
当T一定时，控制电 压高则转速也高，转速 的增加于控制电压的增 加成正比，这是理想的 调节特性。
调节特性
机器人的控制基础和系统特点
3．驱动电路 由于直流伺服电机或交流伺服电机的流经电流
较大，机器人常采用脉冲宽度调制（PWM）方 式进行驱动。 4．运动特性检测的传感器
机器人运动的特性传感器用于检测机器人运动 的位置、速度、加速度等参数。 5．控制系统的硬件
机器人的控制系统是以计算机为基础的，机器 人控制系统的硬件系统采用的是二级结构——协 调级和执行级。 6．控制系统的软件
T T1时，始动电压为 U 1
一般把调节特性曲线上横坐标从零到始动电
压这一范围称为失灵区。在失灵区以内，即使 电枢有外加电压，电机也不能转动。
机器人的控制基础和系统特点
四、交流伺服电机 直流电机本身存在不足
•机械接触式换向器结构复杂； •在运行中容易产生火花； •换向器的机械强度不高； •电刷易于磨损； •不适于有粉尘、腐蚀性气体和易燃易爆气 体的场合； •对于一些大功率的输出要求不能满足要求。