第5章机器人控制系统
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第5章5.1机器人驱动系统概述
交式 ➢ c)外部驱动机构驱动臂
部的形式 ➢ d)驱动电机安装在关节
内部
2020/2/27
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第5章 机器人驱动系统
2020/2/27
❖如图5-2所示，耐磨球轴承，a)普通向心球轴承 b）向心力球轴承 c）四点接触球轴承
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第5章 机器人驱动系统
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（2）移动关节
移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直 线导向作用的直线导轨部分组成。
❖为了使关节定位准确，制动器必须有足够的定位 精度。制动器应当尽可能地放在系统的驱动输入端， 这样利用传动链速比，能够减小制动器的轻微滑动 所引起的系统移动，保证了在承载条件下仍具有较 高的定位精度。在许多实际应用中机器人都采用了 制动器。
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工业机器人基础
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驱动系统的性能如下： ➢1.刚度和柔性 ➢2.重量、功率-重量
比和工作压强
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第5章 机器人驱动系统
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5.1.1驱动方式
机器人的驱动方式主要分为直接驱动和间接驱动。 两种无论何种方式，都是对机器人关节的驱动。
1.关节与关节驱动
❖机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有 转动型和移动型，分别称为转动关节移动关节。
1-电动机 2-蜗杆 3-臂架 4-丝杠 5-蜗轮 6-箱体 7-华健套 图5.8丝杠螺母传动的手臂升降机构
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第5章 机器人驱动系统
2020/2/27
4 带传动和链传动
❖带传动和链传动用于传递平行轴之间的回转运动， 或把回转运动转换成直线运动，机器人中的带传动 和链传动分别通过带轮或链轮传递回转运动，有时 还用来驱动平行轴之间的小齿轮。
部的形式 ➢ d)驱动电机安装在关节
内部
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第5章 机器人驱动系统
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❖如图5-2所示，耐磨球轴承，a)普通向心球轴承 b）向心力球轴承 c）四点接触球轴承
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（2）移动关节
移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直 线导向作用的直线导轨部分组成。
❖为了使关节定位准确，制动器必须有足够的定位 精度。制动器应当尽可能地放在系统的驱动输入端， 这样利用传动链速比，能够减小制动器的轻微滑动 所引起的系统移动，保证了在承载条件下仍具有较 高的定位精度。在许多实际应用中机器人都采用了 制动器。
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工业机器人基础
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驱动系统的性能如下： ➢1.刚度和柔性 ➢2.重量、功率-重量
比和工作压强
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第5章 机器人驱动系统
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5.1.1驱动方式
机器人的驱动方式主要分为直接驱动和间接驱动。 两种无论何种方式，都是对机器人关节的驱动。
1.关节与关节驱动
❖机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有 转动型和移动型，分别称为转动关节移动关节。
1-电动机 2-蜗杆 3-臂架 4-丝杠 5-蜗轮 6-箱体 7-华健套 图5.8丝杠螺母传动的手臂升降机构
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第5章 机器人驱动系统
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4 带传动和链传动
❖带传动和链传动用于传递平行轴之间的回转运动， 或把回转运动转换成直线运动，机器人中的带传动 和链传动分别通过带轮或链轮传递回转运动，有时 还用来驱动平行轴之间的小齿轮。
《机器人的控制系统》PPT课件
完整的传感器组成：包括敏感元件、转换元件、基本转 换电路三部分。 A、敏感元件和转换元件的功能：将某种不便测量的物 理量转换为易于测量的物理量，构成传感器的结构部分
B、基本转换电路：将敏感元件产生的易测量小信号进 行变换，使传感器的信号输出符合具体工业系统的要求 (如4～20mA、–5～5V)。
(5.9)
机器人杆件某点的力与用力和力矩传感 器测出的8个应变的关系为
(5.10)
W1
Fx 0
Fy
k21
F
MFzx
0 0
M
y
0
Mz k61
0 0 k32 0 k52 0
k13 0 0 0 0 k63
0 0 k34 k44 0 0
0 k25 0 0 0 k650 0 k36 0 k5 0编辑ppt18
第5章 机器人的控制系统 5.1 机器人传感器
图5.6 机器人速度伺服控制系统
测速发电机线性度好，灵敏度高，输出信号强 ，目前检测范围一般为20～40 r/min，精度为 0.2 %～0.5 %。
编辑ppt
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第5章 机器人的控制系统 5.1 机器人传感器
5.1.2 机器人内部传感器
5.1 机器人传感器
5.1.2 机器人内部传感器
图5.3 绝对式编码器码盘
编辑ppt
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第5章 机器人的控制系统
5.1 机器人传感器
5.1.2 机器人内部传感器
表5.1 循环码(格雷码)与二进制码及真值表
真值 0 1 2 3 4 5 6 7
格雷码 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100
度 ，则编码器在该时间内的平均转速为
(5.8)
B、基本转换电路：将敏感元件产生的易测量小信号进 行变换，使传感器的信号输出符合具体工业系统的要求 (如4～20mA、–5～5V)。
(5.9)
机器人杆件某点的力与用力和力矩传感 器测出的8个应变的关系为
(5.10)
W1
Fx 0
Fy
k21
F
MFzx
0 0
M
y
0
Mz k61
0 0 k32 0 k52 0
k13 0 0 0 0 k63
0 0 k34 k44 0 0
0 k25 0 0 0 k650 0 k36 0 k5 0编辑ppt18
第5章 机器人的控制系统 5.1 机器人传感器
图5.6 机器人速度伺服控制系统
测速发电机线性度好，灵敏度高，输出信号强 ，目前检测范围一般为20～40 r/min，精度为 0.2 %～0.5 %。
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第5章 机器人的控制系统 5.1 机器人传感器
5.1.2 机器人内部传感器
5.1 机器人传感器
5.1.2 机器人内部传感器
图5.3 绝对式编码器码盘
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5.1 机器人传感器
5.1.2 机器人内部传感器
表5.1 循环码(格雷码)与二进制码及真值表
真值 0 1 2 3 4 5 6 7
格雷码 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100
度 ，则编码器在该时间内的平均转速为
(5.8)
工业机器人第五章
（2）在线示教（On －line Teaching）
在机器人工作现场操纵机器人完成全部操作运动，并记录 下位姿等参数的方法，称为～。
条件： 机器人各个关节采用闭环控制（？），具备获得位姿 值的条件（例如利用编码器可以获得关节转角值）。
手把手示教 示教装置示教
手把手示教：
操作员用手直接推动机器人经过一系列示教点。
条件：
编程工具（语言）和显示界面。
机器人控制柜（或示教盒）要含有输入界面（如键盘）和 显示界面（如显示屏）等！ 先进机器人基本采用混和示教方式！
四. 示教－再现原理（Teach－Playback)
借助于示教获得机器人的轨迹参数，然后再依靠控制系统 将运动复现出来的方法，称为示教－再现。 关键在于“示教”！再现功能的实现相对容易。 示教再现机器人：
轨迹参数； 示教再现原理； 关节控制曲线； 多轴协调； 轨迹插补； 学习基础： 电机学 古典控制理论 测试技术
§5.1 轨迹参数
从运动学的角度看，机器人控制的目的就是实现要求的运动！ 问题：如何向机器人描述希望的运动？
一.轨迹参数
轨迹： 机器人末端执行器标架在运动过程中的广义位移、 广义速度和广义加速度，称为～ 轨迹参数： 描述轨迹的参数，称为～ 主要参数 位姿－轨迹上各点位姿
使用机器人语言的目的是为了进行运动编程； 许多通用计算机语言都具备此类功能； 通用计算机语言功能更多； 现在的机器人控制器远比早期时强大。 对通用计算机编程语言进行改造，保留相关功能，剪裁无 用功能，增加新的函数，即可以快速得到一种不错的机器 人语言，例如ROBOC。
§5.2 轨迹实现
一. 控制方式 1. 点到点控制（PTP-Point To Point）
第五章
第5章 机器人的控制系统
2．从使用的角度：
多轴运动的协调控制，以产生要求的工作轨迹： 机器人的手部的运动是所有关节运动的合成 运动，要使手部按照规定的规律运动，就必 须很好地控制各关节协调动作。 较高的位置精度，很大的调速范围： 除直角坐标式机器人外，机器人关节上的位 置检测元件通常安装在各自的驱动轴上，构 成位置半闭环系统。机器人以极低的作业速 度工作；空行程时，又能以极高的速度移动。 系统的静差率要小：即要求系统具有较好的刚性。 位置无超调，动态响应快：避免与工件发生碰撞， 在保证系统适当响应能力的前提下增加系统的阻 尼。 需采用加减速控制：为了增加机器人运动平稳性， 运动启停时应有加减速装置。
二、机器人控制方式分类：
机器人位置控制：
定位控制方式：固定位置方式，多点位置方式，伺 服控制方式 。 路径控制方式 ：连续轨迹控制 ，点到点控制 。 速度控制方式，加速度控制方式。 固定力控制，可变力控制。
机器人速度控制：
机器人力控制：
三、 机器人的传感器
传感器是一种以一定精度将被测量(如位移、力、加速度、 温度等)转换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量 的某种物理量 (如电量 )的测量部件或装置。根据一般传感 器在系统中所发挥的作用，完整的传感器应包括敏感元件、 转换元件、基本转换电路三部分。敏感元件的基本功能是 将某种不便测量的物理量转换为易于测量的物理量，转换 元件与敏感元件一起构成传感器的结构部分，而基本转换 电路是将敏感元件产生的易测量小信号进行变换，使传感 器的信号输出符合具体工业系统的要求 ( 如 4 ～ 20mA 、 – 5～5V)。 给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要求， 这是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器人 传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点。
第五章 机器人控制方法
2
2.机器人控制系统的组成 (如下图) . 如下图)
(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
3
4
3.机器人控制系统结构 机器人控制系统按其控制方式可分为三类. 集中控制方式:用一台计算机实现全部控制功能,结 构简单,成本低,但实时性差,难以扩展,其构成框图 如图2所示. 主从控制方式:采用主,从两级处理器实现系统的全 部控制功能.主CPU实现管理,坐标变换,轨迹生成和 系统自诊断等;从CPU实现所有关节的动作控制.其构 成框图如图3所示.主从控制方式系统实时性较好,适于 高精度,高速度控制,但其系统扩展性较差,维修困难. 分散控制方式:按系统的性质和方式将系统控制分成 几个模块,每一个模块各有不同的控制任务和控制策略, 各模式之间可以是主从关系,也可以是平等关系.这种 方式实时性好,易于实现高速,高精度控制,易于扩展, 可实现智能控制,是目前流行的方式,其控制框图如图4 所示.
第5章机器人控制系统
5.2.3 力(力矩)控制方式
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
第5章-机器人控制
5.4 机器人的智能控制
–4.遗传算法
•遗传算法（Genetic Algorithm）是模拟达尔文生物进 化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模 型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。 •主要特点：直接对结构对象进行操作，不存在求导和函 数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局寻 优能力；采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优 化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要确定的 规则。
k0
Vf s s 1es1ms
电气时间常数
机械时间常数
m s Vf s
s
k0
1 m s
5.2 机器人的位置控制
–因为转子转速ω=dθm/dt，所以：
m s Vf s
k0
s 1ms
m s Vf s
k0
1ms
–电枢控制直流电动机的传递函数：
S
1
22
S
2
S2
22
1
5.2 机器人的位置控制
机器人为串续连杆式机械手，其动态特性具有高 度的非线性。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。
–3. 主要控制层次
•（3）伺服系统级 •解决机器人的一般实际问题。主要包括伺服电机的控 制、液压缸伺服控制、电-液伺服控制等。
5.1 机器人的基本控制原则
–液压缸伺服传动系统
•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 除齿隙和磨损问题。 •结构简单、比较便宜，在工业机 器人机械手的往复运动装置和旋转 运动装置上都获得了广泛应用。
第5章--手动操纵工业机器人
5.4 手动移动工业机器人
一、机器人系统的启动和关闭
1.机器人系统的启动 在确认机器人工作范围内无人后，合上机器人控制柜上的电源主开关，系统自动检查 硬件。检查完成后若没有发现故障，启动系统。正常启动后，机器人系统通常保持最 后一次关闭电源时的状态，且程序指引位置保持不变，全部数字输出都保持断电以前 的值或者置为系统参数指定的值，原有程序可以立即执行。
H 切换增量（增益）控制模式，开启或者关闭机器人增量运动。
J
后退按键，使程序逆向运动，程序运行到上一条指令。
K
启动按键，机器人正向连续运行整个程序。
L 前进按键，使程序正向单步运行程序，按一次，执行一条指令。
M
暂停按钮，机器人暂停运行程序。
5.2 认识和使用示教器
二、工业机器人的坐标系 2. ABB机器人示教器的手持方式
5.3 工业机器人安全操作规程
三、安全守则
81.在万手一动发模生火式灾下，调请试使机用器二人氧，化如碳果灭不火需器要。移动机器人时，必须及时释放使能器(Enable D2.e急vi停ce开)。关(E-Stop)不允许被短接。 93.在得任到何停情电况通下知，时不，要要使预用先机关器断人机原器始人启的动主盘电，源用及复气制源盘。 140.机.突器然人停停电机后时，，要夹赶具在上来不电应之置前物预，先必关须闭空机器。人的主电源开关，并及时取下夹具上 的5.机工器件人。在发生意外或运行不正常等情况下，均可使用E-Stop键，停止运行。 161.因.维为修机人器员人必在须自保动管状好态机下器，人即钥使匙运，行严速禁度非非授常权低人，员其在动手量动仍模很式大下，进所入以机在器进人行软编件程 系、统测，试随及意维翻修阅等或工修作改时程，序必及须参将数机。器人置于手动模式。 172.气.严路格系执统行中生的产压现力场可6S达管0.理6M规P定，和任安何全相制关度检。修都要切断气源。 13.严格按照机器人的标准化操作流程进行操作，严禁违规操作。
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典型的微机控制系统框图
微机控制系统的输入通道 微机控制系统的输出通道
在工业机器人控制中，进行轨迹规划等需要完成大量的计算工作，因此， 一般采用监督控制系统（SCC——Supervisory Computer Control）。其组 成如图所示
SCC+模拟调节节器
SCC+DDC
5.1.4 工业机器人控制的特点
机器人的规划是分层 次的，从高层的任务规划， 动作规划到手部轨迹规划 和关节轨迹规划，最后才 是底层的控制 。
5.4.1 路径和轨迹
所谓轨迹、是指操作臂在运动过程中的位移、速度和加速度。路径是机器人位 姿的一定序列,而不考虑机器人位姿参数随时间变化的因素。
对于点位作业，需要描述它的起始状态和目标状态，对于曲面加工，不仅要规 定操作臂的起始点和终止点，而且要指明两点之间的若干中间点（称路径点）、 必须沿特定的路径运动（路径约束）。这类称为连续路径运动或轮廓运动。
总之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原 理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。
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 ➢ 按控制系统对工作环境变化的适应程度来分：有程序控制系统、适 应性控制系统、人工智能控制系统 ➢ 按同时控制机器人数目的多少来分：可分为单控系统、群控系统 ➢ 按运动控制方式的不同：将机器人控制分为位置控制、速度控制、 力控制(包括位置/力混合控制)三类
5.5.2 模糊控制的相关知识
模糊控制是在模糊数学的基础发上展起来的。只有掌握了模糊数学相关的 知识，才能实现模糊控制。
1．普通集合及其运算规则
（1）普通集合的基本概念 ➢ 论域：被讨论的对象的全体称作论域。论域常用大写字母U、X、Y、Z等来表示。 ➢ 元素：论域中的每个对象称为元素。元素常用小写字母a、b、x、y等来表示。 ➢ 集合：给定一个论域，论域中具有某种相同属性的元素的全体称为集合。集合常 用大写字母A、B、C等来表示，集合的元素可用列举法（枚举法）和描述法表示。 ➢ 全集：若某集合包含论域里的全部元素，则称该集合为全集。全集常用E来表示。 ➢ 空集：不包含论域中任何元素的集合称作空集。空集用Φ来表示。 ➢ 子集：设A、B是论域U上的两个集合，若集合A上的所有元素都能在集合B中找到， 则称集合A是集合B的子集。 ➢ 集合相等：设A、B为同一论域上的两个集合，若A是 B的子集，且B 是A的子集， 则称集合A与集合B相等。记作A=B。
假设机器人的初始位姿是已知的,通过求解逆运动学方程可以求得机器人期望的 手部位姿对应的形位角。若考虑其中某一关节的运动开始时刻ti的角度为θi, 希望 该关节在时刻tf运动到新的角度θf。轨迹规划的一种方法是使用多项式函数以使 得初始和末端的边界条件与已知条件相匹配,这些已知条件为θi和θf及机器人在运 动开始和结束时的速度,这些速度通常为0或其他已知值。这四个已知信息可用来 求解下列三次多项式方程中的四个未知量:
5.2.1 位置控制方式
工业机器人位置控制分为点位控制（如图a）和连续轨迹控制（如图b）两类。
(1) 点位控制 这类控制的特点是仅控制离散点上工业机器人末端执行器的位姿，要求尽快而
无超调地实现相邻点之间的运动，但对相邻点之间的运动轨迹一般不作具体规定。 (2) 连续轨迹控制 这类运动控制的特点是连续控制工业机器人末端执行器的位姿，使某点按规定
5.3 工业机器人的位置控制
工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的 运动，最终保证工业机器人终端(手爪)沿预定的轨迹运行。
下图所示表示机器人本身、控制器和轨迹规划器之间的关系。图中的轨 迹规划器由监督计算机来完成，控制器则由模拟调节器或DDC计算机来完成。
工业机器人接受控制器发出的关节驱动力矩矢量，装于机器人各关节上的 传感器测出关节位置矢量和关节速度矢量，再反馈到控制器上，因此，工业机 器人每个关节的控制系统都是一个闭环控制系统。
5.4 工业机器人的运动轨迹控制
由机器人的运动学和动力学可知，只要知道机器人的关节变量，就能根据其运动 方程确定机器人的位置，或者已知机器人的期望位姿，就能确定相应的关节变量和速 度。路径和轨迹规划与受到控制的机器人从一个位置移动到另一个位置的方法有关。
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 。
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 变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅仅是位置闭环是不 够的，还要利用速度、甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比 如使用重力补偿、前馈、解耦、基于传感信息的控制和最优PID控制等。 5) 工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现控制方式。
3）第三类问题：起始点和目标点有多重解。问题在于起始点与目标点若 不用同一个反解，这时关节变量的约束和障碍约束便会产生问题。
5.5 智能控制技术
5.5.1 概述
控制的本意是为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监 督、镇压。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置 （称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作 状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统是由控制 装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体， 并对被控对象进行自动控制。
第5章 机器人控制系统
❖5.1 控制系统概述 ❖5.2 工业机器人控制的分类 ❖5.3 工业机器人的位置控制 ❖5.4 工业机器人运动轨迹控制 ❖5.5 智能控制技术
5.1 控制系统概述
机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。 工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、 姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。
5.1.2 机器人控制系统的组成
（1）控制计算机 （2）示教盒 （3）操作面板 （4）硬盘和软盘存储 （5）数字和模拟量输入输出 （6）打印机接口 （7）传感器接口 （8）轴控制器 （9）辅助设备控制 （10）通信接口 （11）网络接口
5.1.3 机器人控制的关键技术
1. 关键技术
(1) 开放性模块化的控制系统体系结构 (2) 模块化层次化的控制器软件系统 (3) 机器人的故障诊断与安全维护技术 (4) 网络化机器人控制器技术
(1) 传统的控制理论
传统控制理论都是建立在以微分和积分为工具的精确模型之上的。从工程技 术用于到数学描述的映射过程中丢失了很多信息。而新型的复杂系统要求会“思 考”，会“推理”，能部分的实现人的“智能”，用传统的数学语言去分析和设 计已无能为力。
(2) 自适应控制理论
自适应控制是以补偿的方法来克服干扰和不确定性的，只适合于慢变化情况 。
在关节空间中进行轨迹规划，需要给定机器人在起始点、终止点手臂的 形位。对关节进行插值时，应满足一系列约束条件。在满足所有约束条件下， 可以选取不同类型的关节插值函数，生成不同的轨迹。插值方法有：
1）三次多项式插值 2）过路径点的三次多项式插值 3）高阶多项式插值 4）用抛物线过渡的线性插值 5）过路径点的用抛物线过渡的线性插值
2. 机器人示教
(1) 直接示教 手把手示教，由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教， 如示教盒示教或操作杆示教等。 (2) 离线示教 不对实际作业的机器人直接进行示教，而是脱离实际作业环境 生成示教数据，间接地对机器人进行示教。
典型的微机控制系统框图如图所示。图中的输入量一般由程序给定，也可以由输 入装置给定。
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 （8）故障诊断安全保护功能
（5.1）
初始和末 端条件
（5.2）
对式(5.1)求一阶导数得到:
将初始和末端条件代入式(5.1)和(5.3)得到:
（5.3）
（5.4）
通过联立求解这四个方程, 得到方程中的四个未知的数值, 便可算出任意时刻的 关节位置, 控制器则据此驱动关节到达所需的位置。 尽管每一关节是用同样步 骤分别进行轨迹规划的, 但是所有关节从始至终都是同步驱动。
的轨迹运动。
5.2.2 速度控制方式
工业机器人，在位置控制的同时，有时还要 进行速度控制。例如，在连续轨迹控制方式的情 况下，工业机器人按预定的指令，控制运动部件 的速度和实行加、减速，以满足运动平稳、定位 准确的要求，如图5.7所示。由于工业机器人是 一种工作情况(行程负载)多变、惯性负载大的运 动机械，要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制 起动加速和停止前的减速这两个过渡运动区段。
5.2.3 力(力矩)控制方式
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。
微机控制系统的输入通道 微机控制系统的输出通道
在工业机器人控制中，进行轨迹规划等需要完成大量的计算工作，因此， 一般采用监督控制系统（SCC——Supervisory Computer Control）。其组 成如图所示
SCC+模拟调节节器
SCC+DDC
5.1.4 工业机器人控制的特点
机器人的规划是分层 次的，从高层的任务规划， 动作规划到手部轨迹规划 和关节轨迹规划，最后才 是底层的控制 。
5.4.1 路径和轨迹
所谓轨迹、是指操作臂在运动过程中的位移、速度和加速度。路径是机器人位 姿的一定序列,而不考虑机器人位姿参数随时间变化的因素。
对于点位作业，需要描述它的起始状态和目标状态，对于曲面加工，不仅要规 定操作臂的起始点和终止点，而且要指明两点之间的若干中间点（称路径点）、 必须沿特定的路径运动（路径约束）。这类称为连续路径运动或轮廓运动。
总之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原 理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。
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 ➢ 按控制系统对工作环境变化的适应程度来分：有程序控制系统、适 应性控制系统、人工智能控制系统 ➢ 按同时控制机器人数目的多少来分：可分为单控系统、群控系统 ➢ 按运动控制方式的不同：将机器人控制分为位置控制、速度控制、 力控制(包括位置/力混合控制)三类
5.5.2 模糊控制的相关知识
模糊控制是在模糊数学的基础发上展起来的。只有掌握了模糊数学相关的 知识，才能实现模糊控制。
1．普通集合及其运算规则
（1）普通集合的基本概念 ➢ 论域：被讨论的对象的全体称作论域。论域常用大写字母U、X、Y、Z等来表示。 ➢ 元素：论域中的每个对象称为元素。元素常用小写字母a、b、x、y等来表示。 ➢ 集合：给定一个论域，论域中具有某种相同属性的元素的全体称为集合。集合常 用大写字母A、B、C等来表示，集合的元素可用列举法（枚举法）和描述法表示。 ➢ 全集：若某集合包含论域里的全部元素，则称该集合为全集。全集常用E来表示。 ➢ 空集：不包含论域中任何元素的集合称作空集。空集用Φ来表示。 ➢ 子集：设A、B是论域U上的两个集合，若集合A上的所有元素都能在集合B中找到， 则称集合A是集合B的子集。 ➢ 集合相等：设A、B为同一论域上的两个集合，若A是 B的子集，且B 是A的子集， 则称集合A与集合B相等。记作A=B。
假设机器人的初始位姿是已知的,通过求解逆运动学方程可以求得机器人期望的 手部位姿对应的形位角。若考虑其中某一关节的运动开始时刻ti的角度为θi, 希望 该关节在时刻tf运动到新的角度θf。轨迹规划的一种方法是使用多项式函数以使 得初始和末端的边界条件与已知条件相匹配,这些已知条件为θi和θf及机器人在运 动开始和结束时的速度,这些速度通常为0或其他已知值。这四个已知信息可用来 求解下列三次多项式方程中的四个未知量:
5.2.1 位置控制方式
工业机器人位置控制分为点位控制（如图a）和连续轨迹控制（如图b）两类。
(1) 点位控制 这类控制的特点是仅控制离散点上工业机器人末端执行器的位姿，要求尽快而
无超调地实现相邻点之间的运动，但对相邻点之间的运动轨迹一般不作具体规定。 (2) 连续轨迹控制 这类运动控制的特点是连续控制工业机器人末端执行器的位姿，使某点按规定
5.3 工业机器人的位置控制
工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的 运动，最终保证工业机器人终端(手爪)沿预定的轨迹运行。
下图所示表示机器人本身、控制器和轨迹规划器之间的关系。图中的轨 迹规划器由监督计算机来完成，控制器则由模拟调节器或DDC计算机来完成。
工业机器人接受控制器发出的关节驱动力矩矢量，装于机器人各关节上的 传感器测出关节位置矢量和关节速度矢量，再反馈到控制器上，因此，工业机 器人每个关节的控制系统都是一个闭环控制系统。
5.4 工业机器人的运动轨迹控制
由机器人的运动学和动力学可知，只要知道机器人的关节变量，就能根据其运动 方程确定机器人的位置，或者已知机器人的期望位姿，就能确定相应的关节变量和速 度。路径和轨迹规划与受到控制的机器人从一个位置移动到另一个位置的方法有关。
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 。
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 变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅仅是位置闭环是不 够的，还要利用速度、甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比 如使用重力补偿、前馈、解耦、基于传感信息的控制和最优PID控制等。 5) 工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现控制方式。
3）第三类问题：起始点和目标点有多重解。问题在于起始点与目标点若 不用同一个反解，这时关节变量的约束和障碍约束便会产生问题。
5.5 智能控制技术
5.5.1 概述
控制的本意是为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监 督、镇压。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置 （称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作 状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统是由控制 装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体， 并对被控对象进行自动控制。
第5章 机器人控制系统
❖5.1 控制系统概述 ❖5.2 工业机器人控制的分类 ❖5.3 工业机器人的位置控制 ❖5.4 工业机器人运动轨迹控制 ❖5.5 智能控制技术
5.1 控制系统概述
机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。 工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、 姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。
5.1.2 机器人控制系统的组成
（1）控制计算机 （2）示教盒 （3）操作面板 （4）硬盘和软盘存储 （5）数字和模拟量输入输出 （6）打印机接口 （7）传感器接口 （8）轴控制器 （9）辅助设备控制 （10）通信接口 （11）网络接口
5.1.3 机器人控制的关键技术
1. 关键技术
(1) 开放性模块化的控制系统体系结构 (2) 模块化层次化的控制器软件系统 (3) 机器人的故障诊断与安全维护技术 (4) 网络化机器人控制器技术
(1) 传统的控制理论
传统控制理论都是建立在以微分和积分为工具的精确模型之上的。从工程技 术用于到数学描述的映射过程中丢失了很多信息。而新型的复杂系统要求会“思 考”，会“推理”，能部分的实现人的“智能”，用传统的数学语言去分析和设 计已无能为力。
(2) 自适应控制理论
自适应控制是以补偿的方法来克服干扰和不确定性的，只适合于慢变化情况 。
在关节空间中进行轨迹规划，需要给定机器人在起始点、终止点手臂的 形位。对关节进行插值时，应满足一系列约束条件。在满足所有约束条件下， 可以选取不同类型的关节插值函数，生成不同的轨迹。插值方法有：
1）三次多项式插值 2）过路径点的三次多项式插值 3）高阶多项式插值 4）用抛物线过渡的线性插值 5）过路径点的用抛物线过渡的线性插值
2. 机器人示教
(1) 直接示教 手把手示教，由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教， 如示教盒示教或操作杆示教等。 (2) 离线示教 不对实际作业的机器人直接进行示教，而是脱离实际作业环境 生成示教数据，间接地对机器人进行示教。
典型的微机控制系统框图如图所示。图中的输入量一般由程序给定，也可以由输 入装置给定。
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 （8）故障诊断安全保护功能
（5.1）
初始和末 端条件
（5.2）
对式(5.1)求一阶导数得到:
将初始和末端条件代入式(5.1)和(5.3)得到:
（5.3）
（5.4）
通过联立求解这四个方程, 得到方程中的四个未知的数值, 便可算出任意时刻的 关节位置, 控制器则据此驱动关节到达所需的位置。 尽管每一关节是用同样步 骤分别进行轨迹规划的, 但是所有关节从始至终都是同步驱动。
的轨迹运动。
5.2.2 速度控制方式
工业机器人，在位置控制的同时，有时还要 进行速度控制。例如，在连续轨迹控制方式的情 况下，工业机器人按预定的指令，控制运动部件 的速度和实行加、减速，以满足运动平稳、定位 准确的要求，如图5.7所示。由于工业机器人是 一种工作情况(行程负载)多变、惯性负载大的运 动机械，要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制 起动加速和停止前的减速这两个过渡运动区段。
5.2.3 力(力矩)控制方式
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。