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2、二級第三級第四級第五級*機器人的控制系統（PPT163頁)*單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級*機器人的控制系統（PPT163頁)*單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級*機器人的控制系統（PPT163頁)*單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級*機器人的控制系統（PPT163頁)*單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級*機器人的控制系統（PPT163頁)*單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級*機器人的控制系統（PPT1

3、63頁)*單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級*機器人的控制系統（PPT163頁)*單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級工業機器人應用技術機器人的控制系統（PPT163

4、頁)模塊五機器人的控制系統機器人控制系統概述1機器人控制系統的分類與組成2機器人控制系統的結構與位置控制3機器人的力控制4機器人控制的示教再現4 本模塊主要介紹機器人的控制系統，內容包括機器人控制系統的特點、機器人控制系統的基本功能和控制方式、機器人控制系統的分類與組成、機器人控制系統的結構與位置控制、機器人控制的示教方式、關節運動的指令生成、控制軟件與機器人示教實例、MOTOMAN UP6機器人控制系統。單元提要 學習完本模塊的內容后，學生應能夠了解機器人控制系統的特點，掌握機器人控制系統的控制功能與基本單元；掌握控制系統的種類、分類，能夠運用這些知識解釋機器人控制系統的技術內容，能夠解讀機

5、器人的控制框圖；了解機器人控制系統的結構；熟悉機器人控制的示教方式；能夠讀懂控制機器人示教實例；具有實際操作MOTOMAN UP6機器人示教控制系統的能力。學習要求學習單元一機器人的控制系統概述 多數機器人的結構是一個空間開鏈結構，各個關節的運動是相互獨立的，為了實現機器人末端執行器的運動，需要多關節協調運動，因此，機器人控制系統與普通的控制系統比較，要復雜一些。具體來講，機器人控制系統主要具有以下特點。 (1)機器人控制系統是一個多變量控制系統，即使簡單的工業機器人也有35個自由度，比較復雜的機器人有十幾個自由度，甚至幾十個自由度，每個自由度一般包含一個伺服機構，多個獨立的伺服系統必須有機地

6、協調起來。例如，機器人的手部運動是所有關節的合成運動，要使手部按照一定的軌跡運動，就必須控制各關節協調運動，包括運動軌跡、動作時序等多方面的協調。 一、機器人控制系統的特點 (2)運動描述復雜，機器人的控制與機構運動學及動力學密切相關。描述機器人狀態和運動的數學模型是一個非線性模型，隨著狀態的變化，其參數也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，僅僅考慮位置閉環是不夠的，還要考慮速度閉環，甚至加速度閉環。在控制過程中，根據給定的任務，應當選擇不同的基準坐標系，并做適當的坐標變換，求解機器人運動學正問題和逆問題。此外，還要考慮各關節之間慣性力、哥氏力等的耦合作用和重力負載的影響，因此，系統中還經常采

7、用一些控制策略，如重力補償、前饋、解耦或自適應控制等。 一、機器人控制系統的特點 (3)具有較高的重復定位精度，系統剛性好。除直角坐標機器人外，機器人關節上的位置檢測元件不能安裝在末端執行器上，而應安裝在各自的驅動軸上，構成位置半閉環系統。但機器人的重復定位精度較高，一般為0.1 mm。此外，由于機器人運行時要求運動平穩，不受外力干擾，為此系統應具有較好的剛性。 (4)信息運算量大。機器人的動作住往可以通過不同的方式和路徑來完成，因此存在一個最優的問題，較高級的機器人可以采用人工智能的方法，用計算機建立起龐大的信息庫，借助信息庫進行控制、決策管理和操作。根據傳感器和模式識別的方法獲得對象及環境

8、的工況，按照給定的指標要求，自動選擇最佳的控制規律。 一、機器人控制系統的特點 (5)需采用加（減）速控制。過大的加（減）速度會影響機器人運動的平穩性，甚至使機器人發生抖動，因此在機器人起動或停止時采取加（減）速控制策略。通常采用勻加（減）速運動指令來實現。此外，機器人不允許有位置超調，否則將可能與工件發生碰撞。因此，要求控制系統位置無超調，動態響應盡量快。 一、機器人控制系統的特點 (6)工業機器人還有一種特有的控制方式示教再現控制方式。當要工業機器人完成某作業時，可預先移動工業機器人的手臂來示教該作業順序、位置及其他信息，在此過程中把相關的作業信息存儲在內存中，在執行任務時，依靠工業機器人

9、的動作再現功能，可重復進行該作業。此外，從操作的角度來看，要求控制系統具有良好的人機界面，盡量降低對操作者的要求。因此，多數情況要求控制器的設計人員不僅要完成底層伺服控制器的設計，還要完成規劃算法的編程。 總之，工業機器人控制系統是一個與運動學和動力學密切相關的、緊耦合的、非線性的多變量控制系統。隨著實際工作情況的不同，可以采用各種不同的控制方式。 一、機器人控制系統的特點 一、機器人控制系統的特點 機器人控制系統是機器人的主要組成部分，用于控制操作機來完成特定的工作任務，其基本功能有示教再現功能、坐標設置功能、與外圍設備的聯系功能、位置伺服功能。 (1)示教-再現功能。機器人控制系統可實現離

10、線編程、在線示教及間接示教等功能，在線示教又包括示教盒示教和導引示教兩種情況。在示教過程中，可存儲作業順序、運動路徑、運動方式、運動速度及與生產工藝有關的信息，在再現過程中，能控制機器人按照示教的加工信息執行特定的作業。 二、機器人控制系統的功能 (2)坐標設置功能。一般的工業機器人控制器設置有關節坐標、絕對坐標、工具坐標及用戶坐標4種坐標系，用戶可根據作業要求選用不同的坐標系并進行坐標系之間的轉換。 (3)與外圍設備的聯系功能。機器人控制器設置有輸入/輸出接口、通信接口、網絡接口和同步接口，并具有示教盒、操作面板及顯示屏等人機接口。此外，還具有多種傳感器接口，如視覺、觸覺、接近覺、聽覺、力覺

11、（力矩）傳感器等多種傳感器接口。 (4)位置伺服功能。機器人控制系統可實現多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、力控制及動態補償等功能。在運動過程中，還可以實現狀態監測、故障診斷下的安全保護和故障自診斷等功能。 二、機器人控制系統的功能 1.點到點控制方式 點到點控制方式用于實現點的位置控制，其運動是由一個給定點到另一個給定點，而點與點之間的軌跡卻無關緊要。因此，這種控制方式的特點是只控制工業機器人末端執行器在作業空間中某些規定的離散點上的位姿。控制時只要求工業機器人快速、準確地實現相鄰各點之間的運動，而對達到目標點的運動軌跡則不做任何標記，如自動插件機，在貼片機上安插元件、點焊、搬運、裝配等

12、作業。這種控制方式的主要技術指標是定位精度和運動所需的時間，控制方式比較簡單，但要達到較高的定位精度則較難。 三、機器人的控制方式 2.連續軌跡控制方式 連續軌跡控制方式用于指定點與點之間的運動軌跡所要求的曲線，如直線或圓弧。這種控制方式的特點是連續地控制工業機器人末端執行器在作業空間中的位姿，使其嚴格按照預先設定的軌跡和速度在一定的精度要求內運動，速度可控，軌跡光滑，運動平穩，以完成作業任務。工業機器人各關節連續、同步地進行相應的運動，其末端執行器可形成連續的軌跡。這種控制方式的主要技術指標是機器人末端執行器的軌跡跟蹤精度及平穩性。在用機器人進行弧焊、噴漆、切割等作業時，應選用連續軌跡控制方

13、式。 三、機器人的控制方式 3.速度控制方式 三、機器人的控制方式 4.力（力矩）控制方式 在進行抓放操作、去毛刺、研磨和組裝等作業時，除了要求準確定位之外，還要求使用特定的力或力矩傳感器對末端執行器施加在對象上的力進行控制。這種控制方式的原理與位置伺服控制原理基本相同，但輸入量和輸出量不是位置信號，而是力（力矩）信號，因此系統中必須有力（力矩）傳感器。 三、機器人的控制方式 5.智能控制方式 在不確定或未知條件下作業，機器人需要通過傳感器獲得周圍環境的信息，根據自己內部的知識庫做出決策，進而對各執行機構進行控制，自主完成給定任務。若采用智能控制技術，機器人會具有較強的環境適應性及自學習能力。

14、智能控制方法與人工神經網絡、模糊算法、遺傳算法、專家系統等人工智能的發展密切相關。 三、機器人的控制方式學習單元二機器人控制系統的分類與組成 一、機器人控制系統的分類圖5-1 機器人控制系統的分類圖5-2 機器人控制系統組成框圖 二、機器人控制系統的組成 (1)控制計算機。控制計算機是控制系統的調度指揮機構，一般為微型機，微處理器分為32位、64位等，如奔騰系列CPU等。 (2)示教編程器。示教機器人的工作軌跡、參數設定和所有人機交互操作擁有自己獨立的CPU及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現信息交互。 (3)操作面板。操作面板由各種操作按鍵、狀態指示燈構成，只完成基本功能操作。 (4

15、)磁盤存儲。機器人主要用存儲機器人工作程序的外圍存儲器來存儲程序。 二、機器人控制系統的組成 (10)通信接口。通信接口用于實現機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。 (11)網絡接口。網絡接口包括Ethernet接口和Fieldbus接口。 Ethernet接口。Ethernet接口可通過以太網實現數臺或單臺機器人的直接PC通信，數據傳輸速率高達10 Mb/s，可直接在PC上用Windows庫函數進行應用程序編程，支持TCP/IP通信協議，通過Ethernet接口將數據及程序裝入各個機器人控制器中。 Fieldbus接口。Fieldbus接口支持多種流行的現場總線規格，如D

16、evice net、AB Remote I/O、Interbuss、profibusDP、MNET等。 二、機器人控制系統的組成 (5)數字量和模擬量輸入/輸出。數字量和模擬量輸入/輸出指各種狀態和控制命令的輸入或輸出。 (6)打印機接口。打印機接口用于記錄需要輸出的各種信息。 (7)傳感器接口。傳感器接口用于信息的自動檢測，實現機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。 (8)軸控制器。軸控制器用于完成機器人各關節位置、速度和加速度控制。 (9)輔助設備控制。輔助設備控制用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。 二、機器人控制系統的組成學習單元三機器人控制系統的結構與位置控制 2

17、. 集中控制方式 集中控制方式用一臺計算機實現全部控制功能，結構簡單，成本低；但實時性差，難以擴展。在早期的機器人中常采用這種結構，其構成框圖如圖5-3所示。 一、機器人控制系統的結構圖5-3 集中控制方式的構成框圖 在基于計算機的集中控制系統中，充分利用了計算機資源開放性的特點，可以實現很好的開放性，多種控制卡、傳感器設備等都可以通過標準PCI插槽或標準串口、并口集成到控制系統中。集中式控制系統的優點為：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現系統的最優控制，整體性與協調性較好。其缺點為：系統控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現故障，其影響面廣，后果嚴重；由于工業機器人的實時性要求

18、很高，當系統進行大量數據計算時，會降低系統實時性，系統對多任務的響應能力也會與系統的實時性相沖突；系統連線復雜，會降低系統的可靠性。 一、機器人控制系統的結構 2.主從控制方式 主從控制方式采用主、從兩級處理器實現系統的全部控制功能。主CPU實現管理、坐標變換、軌跡生成和系統自診斷等，從CPU實現所有關節的動作控制。其構成框圖如圖5-4所示。主從控制方式系統實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統擴展性較差，維修困難。 一、機器人控制系統的結構圖5-4 主從控制方式的構成框圖 一、機器人控制系統的結構 3.分布控制方式 分布控制方式按系統的性質和方式將系統控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不

19、同的控制任務和控制策略，各模式之間可以是主從關系，也可以是平等關系。這種方式實時性好，易于實現高速、高精度控制，易于擴展，可實現智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖5-5所示。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統對其總體目標和任務可以進行綜合協調和分配，并通過子系統的協調工作來完成控制任務。整個系統在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以DCS系統又稱為集散控制系統或分散控制系統。在這種結構中，子系統由控制器、不同被控對象或設備構成，各個子系統之間通過網絡等相互通信。分布式控制結構提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統。分布式系統中常采用兩級控制方式。 一、機器人控制系統的結構

20、圖5-5 分散控制方式的控制框圖 一、機器人控制系統的結構 兩級分布式控制系統通常由上位機、下位機和網絡組成。上位機可以進行不同的軌跡規劃和算法控制，下位機用于進行插補細分、控制優化等。上位機和下位機通過通信總線相互協調工作。這里的通信總線可以是RS232、RS485、EEE488及USB總線等形式。現在，以太網和現場總線技術的發展為機器人提供了更快速、穩定、有效的通信服務，尤其是現場總線。現場總線應用于生產現場，在微機化測量控制設備之間實現雙向多結點數字通信，從而形成了新型的網絡集成式全分布控制系統現場總線控制系統(fieldbus control system，FCS)。在工廠生產網絡中，

21、將可以通過現場總線連接的設備統稱為現場設備/儀表。從系統論的角度來說，工業機器人作為工廠的生產設備之一，也可以歸納為現場設備。在機器人系統中引入現場總線技術后，更有利于機器人在工業生產環境中的集成。 一、機器人控制系統的結構 分布式控制系統的優點為：系統靈活性好，控制系統的危險性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統功能的并行執行，提高系統的處理效率，縮短響應時間；對于具有多自由度的工業機器人而言，集中控制對各個控制軸之間的耦合關系處理得很好，可以很簡單地進行補償。其缺點為：當軸的數量增加到使控制算法變得很復雜時，其控制性能會惡化；當系統中軸的數量或控制算法變得很復雜時，可能會導致系統的重新

22、設計；分布式結構的每一個運動軸都由一個控制器處理，這意味著系統有較少的軸間耦合和較高的系統重構性。 一、機器人控制系統的結構 機器人控制柜用于安裝各種控制單元，進行數據處理及存儲，并執行程序，是機器人系統的大腦，如圖5-6所示。 1. ABB工業機器人控制柜系統 二、機器人典型控制柜系統圖5-6 ABB工業機器人控制柜1）ABB工業機器人控制柜系統的特點 (1)靈活性強。IRC5控制器由一個控制模塊和一個驅動模塊組成，可選增一個過程模塊以容納定制設備和接口，如點焊、弧焊和膠合等。配備這3種模塊的靈活型控制器完全有能力控制一臺6軸機器人外加伺服驅動工件定位器及類似設備。若需增加機器人的數量，只需

23、為每臺新增機器人增裝一個驅動模塊，還可選擇安裝一個過程模塊，最多可控制4臺機器人在 MultiMove 模式下作業。各模塊間只需要兩根連接電纜，一根為安全信號傳輸電纜，另一根為以太網連接電纜，供模塊間通信使用，模塊連接簡單易行。 二、機器人典型控制柜系統 二、機器人典型控制柜系統 (4)通信便利。完善的通信功能是ABB機器人控制系統的特點，其IRC5控制器的PCI擴展槽中可以安裝幾乎任何常見類型的現場總線板卡，包括滿足ODVA標準，可使用眾多第三方裝置的單信道DeviceNet，支持最高速率為12 Mb/s的雙信道profibusDP及可使用銅線和光纖接口的雙信道Interbus通信。 二、機

24、器人典型控制柜系統 （1）主電源開關。主電源開關是機器人系統的總開關。 （2）緊急停止按鈕。在任何模式下，按下緊急停止按鈕，機器人立即停止動作。要使機器人重新動作，必須使緊急停止按鈕恢復至原來位置。 （3）電動機上電/失電按鈕。電動機上電/失電按鈕表示機器人電動機的工作狀態。當按鍵燈常亮時，表示上電狀態，機器人的電動機被激活，準備好執行程序；當按鍵燈快閃時，表示機器人未同步（未標定或計數器未更新），但電動機已激活；當按鍵燈慢閃時，表示至少有一種安全停止生效，電動機未激活。2）ABB工業機器人的控制柜按鍵 二、機器人典型控制柜系統 （4）模式選擇按鈕。ABB工業機器人模式選擇按鈕一般分為兩位選擇

25、開關和三位選擇開關，如圖5-7所示。圖5-7 ABB工業機器人模式選擇按鈕A自動模式； B手動差速模式； C手動全速模式 二、機器人典型控制柜系統其用于在與實際情況相近的情況下調試程序。機器人只能以低速、手動控制運行，必須按住使能器才能激活電動機。機器人運行時使用，在此狀態下，操縱搖桿不能使用。手動全速模式手動差速模式自動模式。 二、機器人典型控制柜系統 KUKA機器人被廣泛應用于汽車制造、造船、冶金、娛樂等領域。機器人配套的設備有KRC2控制器柜、KCP控制盤，如圖5-8所示。 2. KUKA機器人控制柜系統圖5-8 KUKA工業機器人控制柜 二、機器人典型控制柜系統 二、機器人典型控制柜系

26、統 (1)采用標準的工業控制計算機處理器。 (2)基于Windows平臺的操作系統，可在線選擇多種語言。 (3)支持多種標準工業控制總線，包括Interbus、Profibus、Devicenet、Canbus、Controlnet、EtherNet、Remote I/O等，其中，Devicenet、Ethernet為標準配置。 (4)配有標準的ISA、PCI插槽，方便擴展，可直接插入各種標準調制解調器接入高速 Internet，實現遠程監控和診斷。 (5)采用高級語言編程，程序可方便、快速地進行備份及恢復。 (6)集成了標準的控制軟件功能包，可適應各種應用。 二、機器人典型控制柜系統 (7）

27、配有6D運動控制鼠標，方便運動軌跡的示教。 (8)具有斷電自動重啟功能，不需要重新進入程序。 (9)具有示波器功能，可方便進行錯誤診斷和系統優化。 (10)可直接外接顯示器、鼠標和鍵盤，方便程序的讀/寫。 (11)可隨時進行系統的更新。 (12)配有大容量硬盤，對程序指令基本無限制，并可長期存儲相關操作和系統日志。 (13)可方便進行聯網，易于監控和管理。 (14)拆卸方便，易于維護。 二、機器人典型控制柜系統 如圖5-9所示，OTC機器人控制柜系統在FD11控制柜的前面配備電源開關及操作面板，連接示教編程器。其主要包括斷路器、示教編程器、操作面板(操作盒)等。 3. OTC機器人控制柜系統圖

28、5-9 OTC機器人FD11控制柜 二、機器人典型控制柜系統圖5-11 操作面板A運轉準備按鈕； B起動按鈕； C停止按鈕； D模式轉換開關； E緊急停止按鈕 二、機器人典型控制柜系統 （1）斷路器。斷路器用于控制裝置的電源開與關。 （2）示教編程器。示教編程器上裝有按鍵和按鈕，以便執行示教、文件操作、各種條件設定等。 （3）操作面板。操作面板(操作盒)上裝有執行最低限度的操作所需的按鈕，以便執行運轉準備投入、自動運行的起動和停止、緊急停止、示教/再生模式的切換等，如圖5-10和圖5-11所示。圖5-10 操作面板A運轉準備按鈕； B起動按鈕； C停止按鈕； D模式轉換開關； E緊急停止按鈕

29、二、機器人典型控制柜系統 運轉準備按鈕：使其進入運轉準備投入的狀態。一旦進入投入狀態，移動機器人的準備就完成了。 起動按鈕：在再生模式下起動指定的作業程序。 停止按鈕：在再生模式下停止起動指定的作業程序。 模式轉換開關：切換模式，可切換到示教再生模式，此開關與示教器的TP選擇開關組合使用。 緊急停止按鈕：按下此按鈕，機器人緊急停止。不論按操作盒或示教器上的哪一個，都使機器人緊急停止。若要解除緊急停止，可向右旋轉按鈕（按鈕回歸原位）。 二、機器人典型控制柜系統主電源開關位于FS100控制柜的面板上。 4.MOTOMAN FS100控制柜 二、機器人典型控制柜系統 工業機器人位置控制的目的就是要使

30、機器人各關節實現預先所規劃的運動，最終保證工業機器人末端執行器沿預定的軌跡運行。對于機器人的位置控制，可將關節位置給定值與當前值相比較得到的誤差作為位置控制器的輸入量，經過位置控制器的運算后，將輸出作為關節速度控制的給定值，如圖5-12所示。三、機器人的位置控制圖5-12 機器人位置控制示意圖 因此，工業機器人每個關節的控制系統都是閉環控制系統。此外，對于工業機器人的位置控制，位置檢測元件是必不可少的。關節位置控制器常采用PID算法，也可采用模糊控制算法等智能方法。三、機器人的位置控制 位置控制分為點位控制和連續軌跡控制兩類。點位控制的特點是僅控制在離散點上機器人末端的位置和姿態，要求盡快且無

31、超調地實現機器人在相鄰點之間的運動，但對相鄰點之間的運動軌跡一般不做具體規定。點位控制的主要技術指標是定位精度和完成運動所需要的時間。連續軌跡控制的特點是連續控制機器人末端的位置和姿態軌跡。一般要求速度可控、運動軌跡光滑且運動平穩。連續軌跡控制的技術指標是軌跡精度和平穩性。三、機器人的位置控制三、機器人的位置控制 速度控制通常用于對目標跟蹤的任務中，機器人的關節速度控制框圖如圖5-13所示。對于機器人末端笛卡兒空間的位置、速度控制，其基本原理與關節空間的位置和速度控制類似。圖5-13 機器人的關節速度控制框圖三、機器人的位置控制 工業機器人的結構多為串接的連桿形式，其動態特性為具有高度的非線性

32、。但在其控制系統設計中，通常把機器人的每個關節當作一個獨立的伺服機構來考慮。這是因為工業機器人運動速度不快（通常小于1.5 m/s），由速度變化引起的非線性作用可以忽略。另外，由于交流伺服電動機都安裝有減速器，其減速比往往接近100，那么當負載變化時，折算到電動機軸上的負載變化值則很小（除以速度比的平方），所以可以忽略負載變化的影響，而且各關節之間的耦合作用也因減速器的存在而極大地削弱了。因此，工業機器人系統就變成了一個由多關節組成的各自獨立的線性系統。應用中的工業機器人幾乎都采用反饋控制，利用各關節傳感器得到的反饋信息，計算所需的力矩，發出相應的力矩指令，以實現所要求的運動。三、機器人的位置

33、控制 單關節控制器是指不考慮關節之間的相互影響，只根據一個關節獨立設置的控制器。在單關節控制器中，機器人的機械慣性影響常常被作為擾動項考慮。把機器人看作剛體結構，圖5-14給出了單關節電動機的負載模型。下面研究負載轉角s與電動機的電樞電壓U之間的傳遞函數。 1.單關節位置控制1)單關節位置控制的基本原理三、機器人的位置控制圖5-14 單關節電動機的負載模型Ja單關節驅動電動機轉動慣量； Tm直流伺服電動機輸出轉矩；Jm單關節夾手負載在傳動端的轉動慣量； Bm傳動端的阻尼系數；齒輪減速比；m傳動端角位移；s負載端角位移；Ti負載端總轉矩； Ji負載端總轉動慣量；Bi負載端阻尼系數三、機器人的位置

34、控制三、機器人的位置控制三、機器人的位置控制三、機器人的位置控制 為了構成對負載軸的角位移控制器，必須進行負載軸的角位移反饋，即用某一時刻t所需要的角位移d與實際角位移s之差所產生的電壓來控制該系統。用光學編碼器作為實際位置傳感器，可以求取位置誤差，誤差電壓為 U(t) = K( d -s) （5-10） 同時，令 e(t）= d (t）- s (t)， s (t）=m (t)，對這3個表達式分別進行拉氏變換可得三、機器人的位置控制 從理論上講，式（5-9）表示的二階系統是穩定的。要提高響應速度，可以調高系統的增益（如增大K）及電動機傳動軸速度負反饋，把某些阻尼引入系統中來，以加強反電動勢的作

35、用效果。要做到這一點，可以采用測速發電機，或計算一定時間間隔內傳動軸角位移的差值。單關節位置控制器如圖5-15（a）所示。圖5-15（b）所示為具有速度反饋功能的位置控制系統，其中，Kt為測速發電機的傳遞系數，K1為速度反饋信號放大器的增益。由于電動機電樞回路的反饋電壓已經由Kb m ( t )增加為Kb m (t）+ K1Kt m ( t）=(Kb+K1Kt） m ( t )，所以其對應的開環傳遞函數為三、機器人的位置控制三、機器人的位置控制圖5-15 單關節機械手位置控制器的結構三、機器人的位置控制 在圖5-15（c）中，考慮了摩擦力矩、外負載力矩、重力矩及向心力的作用。以任一擾動作為干擾

36、輸入，可寫出干擾的輸出與傳遞函數。利用拉氏變換中的終值定理，即可求得因干擾引起的靜態誤差。圖5-15 單關節機械手位置控制器的結構三、機器人的位置控制2)帶力矩閉環的關節位置控制 帶有力矩閉環的單關節位置控制系統是一個三閉環控制系統，由位置環、力矩環和速度環構成。圖5-16 帶有力矩閉環的單關節位置控制系統三、機器人的位置控制 速度環為控制系統內環，作用是通過對電動機電壓的控制使電動機表現出期望的速度特性，速度環的給定是力矩環偏差經過放大后的輸出（電動機角速度 d ），速度環的反饋是關節角速度 m ， d 與m的偏差作為電動機電壓驅動器的輸入，經過放大后成為電壓U，其中K表示轉換常數（比例系數

37、）。電動機在電壓U的作用下，以角速度 m 旋轉。1/( Ls+ R )為電動機的電磁慣性環節，其中，L為電樞電感，R為電樞電阻，I為電樞電流。考慮到一般情況下，L R，故一般可以忽略電感L的影響，環節1/(L s +R)可用1/R代替。1/( Jeffs + B )是電動機的機電慣性環節，KC為電流力矩常數，即電動機力矩T m與電樞電流I之間的系數。三、機器人的位置控制 力矩環為控制系統內環，介于速度環和位置環之間，其作用是通過對電動機電壓的控制使電動機表現出期望的力矩特性。力矩環的給定由兩部分組成：一部分是位置環的位置調節器的輸出，另一部分是前饋力矩T f 和期望力矩T d 。力矩環的反饋是

38、關節力矩T j 。K tf 是力矩前饋通道的比例系數，K1 是力矩環的比例系數。給定力矩與反饋力矩 T j 的偏差經過比例系數K1的放大后，作為速度環的給定 d 。在關節到達期望位置后，若位置環調節器的輸出為零，則關節力矩T j Ktf（T f +T d ）。由于力矩環采用比例調節，因而穩態時關節力矩與期望力矩之間存在偏差。三、機器人的位置控制 位置環為控制系統外環，用于控制關節達到期望的位置。位置環的給定是期望的關節位置 d ，反饋為關節位置 m ， d 與 m的偏差作為位置調節器的輸入，經過位置調節器運算后形成的輸出作為力矩環給定的一部分，位置調節器常采用PID或PI控制器，構成的位置閉環

39、系統為無靜差系統。三、機器人的位置控制 2. 多關節位置控制 多關節位置控制是指考慮各關節之間的相互影響而對每一個關節分別設計的控制器。前述的單關節控制器是把機器人的其他關節鎖住，工作過程中依次移動（轉動）一個關節，這種工作方法顯然效率很低，但若多個關節同時運動，則各個運動關節之間的力或力矩會產生相互作用，因而不能運用前述的單個關節的位置控制原理。要克服這種多關節之間的相互作用，必須添加補償作用，即在多關節控制器中，機器人的機械慣性影響常常被作為前饋項考慮。 多關節機器人的動力學方程為 （5-15）三、機器人的位置控制三、機器人的位置控制圖5-17 多關節位置控制器設計原理圖三、機器人的位置控

40、制 式（5-15）中的第2項表示傳動軸上的等效轉動慣量為J的關節i傳動裝置的慣性力矩，已在單關節控制器中討論過。第3項表示哥氏力及向心力的作用，這些力矩項也必須前饋輸入關節 I 的控制器，以補償各關節間的實際相互作用，如圖5-17所示。式（5-15）中的第4項表示關節重量的影響，也可以由前饋項 i 來補償，它是一個估計的力矩信號，可由下式計算：式中， 為重力矩g的估計值。三、機器人的位置控制三、機器人的位置控制學習單元四機器人的力控制 1. 機器人的柔順 柔順是指機器人的末端能夠對外力的變化做出相應的響應，表現為低剛度。如果末端裝置、工具或周圍環境的剛性很高，那么機械手要執行與某個表面有接觸的

41、操作作業將會變得相當困難。這時，若機器人只用位置控制，往往不能滿足要求。例如，機械手夾起雞蛋，機械手用海綿擦洗玻璃。如果海綿的柔順性很好，這一作業任務就可以成功進行。在機器人剛度很高的情況下，機器人對外力的變化響應很弱，缺乏柔順性。為了使機器人在工作中能較好地適應工作任務的要求，常常希望機器人具有柔性(compliance)。這樣就需要使機器人成為柔性機器人系統。根據柔順是否通過控制方法獲得，可以將柔順分為主動柔順和被動柔順。 一、機器人的柔順和柔順控制種類1)主動柔順 一、機器人的柔順和柔順控制種類 機器人憑借輔助的柔順機構與環境接觸時能夠對外部作用力產生自然順從，稱為被動柔順(passiv

42、e compliance)，如圖5-18（b）所示。對于與圖5-18（a）相同的任務，若不采用反饋控制，也可通過操作機終端機械結構的變形來適應操作過程中遇到的阻力。在圖5-18（b）中，在柱銷與操作機之間設有類似彈簧之類的機械結構。當柱銷插入孔內而遇到阻力時，彈簧系統就會產生變形，使阻力減小，以使柱銷軸與孔軸重合，保證柱銷順利地插入孔內。由于被動柔順控制存在各種各樣的缺點和不足，主動柔順控制（力控制）逐漸成為主流的研究方向。2)被動柔順 一、機器人的柔順和柔順控制種類 三、氣動執行元件圖5-18 主動柔順與被動柔順示意圖3)遠距離中心柔順 一、機器人的柔順和柔順控制種類 遠距離中心柔順(rem

43、ote center compliance，RCC)是一種比較成功的柔順技術，之所以采用這一術語是因為機械結構的彈性變形不是發生在手部或工件處，而是發生在遠離工件的一定距離處。如圖5-19所示，在操作機的抓手和手臂之間設有能產生彈性變形的遠距離中心柔順裝置，該裝置的中心位置距離抓手所夾持的工件有一定的距離。圖5-19 遠距離中心柔順示意圖 一、機器人的柔順和柔順控制種類 由此可見，采用遠距離中心柔順技術可以使操作機的結構設計更為合理。RCC這樣的被動柔順機械裝置具有快速響應能力，且價格低，但應用范圍小。可編程主動柔順裝置能夠對不同類型的零件進行操作，還可根據裝配作業不同階段的要求修改末端裝置的

44、彈性性能。 綜上所述，可以將采用了柔順技術的機器人統稱為柔順機器人系統。這樣機器人系統因其較強的適應性在工程上獲得了廣泛的應用。 一、機器人的柔順和柔順控制種類 實現柔順控制的方法主要有兩類：一類是阻抗控制，另一類是力和位置的混合控制。阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而是通過控制力和位置之間的動態關系來實現柔順功能。由于這樣的動態關系類似于電路中阻抗的概念，因而稱為阻抗控制。如果只考慮靜態特性，力和位置的關系可以用剛性矩陣來描述，如果考慮力和速度之間的關系，可以用黏滯阻尼系數矩陣來描述。因此，阻抗控制就是指通過適當的控制方法使機械手末端執行器表現出期望的剛性和阻尼。通常對于需要進行位置控制

45、的自由度，要求在該方向上有很大的剛性，即表現出很硬的特性。對于需要進行力控制的自由度，則要求在該方向上有較小的剛性，即表現出柔軟的特性。 2.柔順控制的種類 一、機器人的柔順和柔順控制種類 力和位置混合控制的方法的基本思想就是在柔順坐標空間將任務分解為某些自由度的位置控制和另一些自由度的力控制，并在任務空間分別進行位置控制和力控制的計算，將計算結果轉換到關節空間，合并為統一的關節控制力矩，驅動機械手以實現期望的柔順功能。由此可見，柔順運動控制包括阻抗控制、力和位置混合控制、動態混合控制等。 根據機器人力控制的發展過程，機器人的力控制一般可以分為經典力控制方法、先進力控制方法和智能力控制方法3類

46、。 一、機器人的柔順和柔順控制種類二、機器人經典力控制方式 與在自由空間運動的控制相比，機器人在受限空間運動的控制主要是增加了對其作用端與外界接觸作用力（包括力矩）的控制要求，因而受限運動的控制一般稱為力控制。在實際應用中，如果對這種作用力控制得不當，不僅可能達不到控制要求，還可能使工件間產生過強的碰撞，導致工件變形、損傷甚至報廢，造成機器人的損傷，因此，這時對作用力的控制是至關重要的。由于在受限空間改變運動軌跡的同時會改變作用力的大小，而控制既要求機器人沿一定的軌跡運動，又要求作用力在一定的范圍內，這使兩者成為一個矛盾體的兩個方面，控制時必須兼而顧之。目前實現力控制的方法一般有直接控制和間接

47、控制兩種。在有些作業（裝配等）中，可簡單地采用軌跡控制的方法，間接地達到控制力的目的。 但顯而易見，此時將要求機器人的軌跡運行和加工工件的位置都有很高的精確度，特別是對精度要求較高（如允許配合公差小）的作業。要提高軌跡控制精度則是一個苛刻的要求，也是有一定限度的，且經濟代價也高。直接控制方法是在軌跡控制的基礎上給機器人提供力或觸覺等傳感器，使機器人在受限方向上運動時能檢測到與外界間的作用力，并根據檢測到的力信號按一定的控制規律對作用力進行控制，從而對作業施加的限制產生一種依從性運動，保證作用力為恒值或在一定的范圍內變化。依從性運動是從軌跡控制的角度而言的，控制器對外界施加的作用力干擾不是像常規

48、位置控制器那樣對其抵抗或消除，而是進行一定程度的“妥協”，即順應或依從，從而以一定的位置偏差為代價來滿足力控制的要求。這種方法由于引入了力信號，因而提高了軌跡控制的精度和控制器對外界條件變化的適應能力。我們提到的力控制通常也指的是這種控制方式。二、機器人經典力控制方式 1.阻抗控制1)力反饋性阻抗控制 機器人末端執行器所受的力或力矩可以用多種6維力或力矩傳感器測量出來。將利用力或力矩傳感器測量的力信號引入位置控制系統，可以構成力反饋型阻抗控制，圖5-20所示為力反饋型阻抗控制原理。二、機器人經典力控制方式圖4-33 步進電動機驅動器的原理框圖二、機器人經典力控制方式二、機器人經典力控制方式二、

49、機器人經典力控制方式 位置控制部分的輸出q1和速度控制部分的輸出q2相加，其和作為機器人的關節控制增量q，用于控制機器人的運動。因此，圖5-20所示的力反饋型阻抗控制本質上是以位置控制為基礎的。需要注意的是，對于該力反饋型阻抗控制，機器人末端的剛度在一個控制周期內是不受控制的，即機器人的末端在一個控制周期內并不具有柔順性。二、機器人經典力控制方式2)位置型阻抗控制 假設機器人的動力學方程如下。 (5-20)式中， 為關節空間的力或力矩矢量，H為機器人慣量矩陣，C為阻尼矩陣，g( q )為重力項。位置型阻抗控制是指機器人末端沒有受到外力作用時，通過位置與速度的協調而產生柔順性的控制方法，該控制方

50、法利用位置偏差和速度偏差產生笛卡兒空間的廣義控制力，轉換為關節空間的力或力矩后，控制機器人的運動。二、機器人經典力控制方式圖5-21 位置型阻抗控制原理框圖二、機器人經典力控制方式二、機器人經典力控制方式3)柔順型阻抗控制二、機器人經典力控制方式圖5-22 柔順型阻抗控制原理框圖二、機器人經典力控制方式 當機器人的末端執行器接觸彈性目標時，目標會由于彈性變形而產生彈力，作用于機器人的末端執行器。在彈性目標被機器人末端執行器擠壓時，機器人末端執行器的位置與彈性目標原來的表面位置的偏差即為變形量。顯然，當機器人末端執行器尚未達到彈性目標時，雖然機器人末端位置與彈性目標表面位置之間存在偏差，但彈性目

51、標的表面變形量為零。為便于描述目標的彈性變形量，這里首先定義一個正定函數，即二、機器人經典力控制方式二、機器人經典力控制方式 2.力/位置混合控制1)力/位置混合控制概述 按末端執行器是否與外界環境發生接觸，可以把機器人的運動分為兩類：一類是不受任何約束的自由空間運動，如噴漆、搬運、點焊等作業，這類作業可用位置控制去完成；另一類作業是機器人末端與外界環境發生接觸，在作業過程中，末端有一個或幾個自由度不能自由運動，并要求末端在某一個或幾個方向上與工件（環境）保持給定大小的力，如機器人完成旋曲柄、上螺釘、擦玻璃、精密裝配和打毛刺等作業。這類作業僅采用位置控制無法完成，必須考慮末端與外界環境之間的作

52、用力。二、機器人經典力控制方式二、機器人經典力控制方式圖5-23 力/位置混合控制原理框圖 力/位置混合控制是將任務空間劃分為兩個正交互補的子空間，即力控制空間和位置控制空間，在力控制空間中應用力控制方法進行力控制，在位置控制空間應用位置控制方法進行位置控制。其核心思想是分別用不同的控制方法對力和位置直接進行控制，即首先通過選擇矩陣確定當前接觸點的力控和位控方向，然后應用力反饋信息和位置反饋信息分別在力控制回路和位置控制回路中進行閉環控制，最終在受限運動中實現力和位置的同時控制。二、機器人經典力控制方式二、機器人經典力控制方式2)力/位置混合控制方案 機器人末端執行器的6個自由度為笛卡兒空間的

53、6個變量提供控制，當執行器的某個自由度受到約束時，試圖驅動所有關節將會導致機器人或接觸表面的損壞。對此，Mason于1979年最早提出同時非矛盾地控制力和位置的概念、關節柔順的概念，其基本思想是，對機器人的不同關節根據具體任務要求，分別獨立地進行力控制和位置控制，這種方法顯然有一定的局限性。Raibert和Craig根據Mason提出的理論進一步發展了自由關節思想，進行了機器人機械手力和位置混合控制的重要試驗，取得了較滿意的結果，并最終形成力/位置混合控制理論，后來稱這種控制器為RC型力/位置混合控制器，其結構如圖5-24所示。二、機器人經典力控制方式圖5-24 R-C型力/位置混合控制器結構

54、二、機器人經典力控制方式 R-C型力/位置混合控制在笛卡兒空間中描述約束，區分位置控制與力控制，在一些方向上控制力，在另外的方向上控制位置，用兩組平行互補的反饋環控制一個共同的目標。這種方法將測量到的關節位置q經過正運動學方程T轉換成笛卡兒坐標位置 x，與期望的笛卡兒坐標位置 xd 比較，產生笛卡兒坐標下的位置誤差，在轉換到關節坐標之前，先把力控制方向上的位置誤差置成零，然后用一個雅克比逆變換J-1轉換到關節坐標，此誤差經過PID控制器用于降低位置方向的誤差。類似地，把經過力變換矩陣Kfb轉換后的檢測力F與期望力 Fd 相比，得到笛卡兒坐標下的力誤差，在此誤差被轉換成關節力矩之前，任何位置控制

55、方向上的力誤差被置成零，變換后的誤差經過PID控制器用于消除力控制方向上的誤差。其具體工作原理描述如下。二、機器人經典力控制方式 位置/速度控制部分由位置和速度兩個通路構成。位置通路以末端執行器期望的笛卡兒位置坐標 xd 作為輸入，位置反饋由關節位q利用正運動學方程T計算得到。利用雅克比矩陣的逆矩陣J-1，把笛卡兒空間的位置偏差轉換為關節空間的位置偏差，經過PI處理后作為關節控制力或力矩的一部分。速度通路以末端執行器期望的笛卡兒空間速度 作為輸入，速度反饋由關節速度 經過雅克比矩陣J 計算獲得。類似地，速度通路利用雅克比矩陣的逆矩陣J-1，將笛卡兒空間的速度偏差轉換為關節空間的速度偏差。經過比

56、例計算，其結果作為關節控制力或力矩的一部分。二、機器人經典力控制方式二、機器人經典力控制方式 力控制部分由PI和力前饋通道組成。PI通道以機器人末端執行器期望的笛卡兒空間力 Fd 作為輸入，利用雅克比矩陣的轉換方程JT，將笛卡兒空間的力偏差轉換為關節空間的力偏差，經過PI運算處理后成為關節控制力或力矩的一部分。力前饋通道直接利用雅克比矩陣的轉換方程將期望力 Fd 轉換到關節空間，作為整個關節控制力或力矩的一部分。力前饋通道的作用是加快系統對期望力 Fd 的響應速度C f 為力控制部分各個分量的選擇矩陣，用來對各個分量的作用大小進行選擇。力控制部分產生的關節空間力或力矩為式中，K fp和Kfi分

57、別是力通道的比例和積分系數；Cf 是力控制部分的選擇矩陣；KfbF是測量得到的力。二、機器人經典力控制方式 綜合前兩個部分（位置/速度控制部分和力控制部分）的力或力矩，可得總的力或力矩表達式如下。=p+f 二、機器人經典力控制方式 Raibert和Craig提出的R-C控制器的控制方案不夠完善，為此，R.Zhang等提出了把操作空間的位置環用等效的關節位置環代替的改進方法，但必須根據精確的環境約束方程來實時確定雅克比矩陣，并計算其坐標系，需要用實時地反映任務要求的選擇矩陣來確定力控和位控方向。Khatib引入一個平行的力控制環到原有的位置控制系統，實現了力/位置混合控制，當笛卡兒坐標下的位置誤

58、差被檢測到，末端執行器在笛卡兒坐標下的一個PID控制產生一個校正加速度，先通過一個笛卡兒空間中的慣性矩陣轉換成校正力，再被轉換成力矩控制末端執行器。從以上具有代表性的Mason、Raibert、Craig及Khatib等人的研究可以看出R-C力/位置混合控制的發展過程。3)改進的R-C控制方案二、機器人經典力控制方式 前文描述的R-C控制器沒有考慮機械手動態耦合的影響，會導致機械手在工作空間某些非奇異位形上出現不穩定，在對該控制器的不足之處進行深入分析之后，研究人員提出了以下改進措施。 (1)在混合控制器中考慮機械手的動態響應，并對機械手所受的重力、哥氏力和向心力進行補償，如圖5-25中的 及

59、位置/速度/加速度控制部分增加的慣量矩陣 。 (2)考慮力控制系統中的欠阻尼特性，在力控制回路中，加入阻尼反饋，來削弱振蕩因素的影響。在圖5-25所示的阻尼反饋通道中，其信號來自機器人的當前速度 。二、機器人經典力控制方式圖5-25 改進的R-C型力/位置混合控制器結構二、機器人經典力控制方式 (4)考慮環境作用力的影響，以適應彈性目標對機器人剛度的要求，設置了圖5-25所示的 JT-K f P 通道。 如圖5-25所示，改進后的R-C力/位置混合控制方案由三大部分構成，即位置/速度/加速度控制部分、力控制部分和動態補償部分(環境作用力控制部分和阻尼反饋部分)。二、機器人經典力控制方式 位置/

60、速度/加速度控制部分由4個通道構成，即位置通道、速度通道、加速度前饋通道和阻尼通道，前3個通道采用Cp作為選擇矩陣，阻尼通道采用Cf作為各個分量的選擇控制矩陣。這4個通道產生的關節空間力或力矩的表達式如下。式中，K fd 為阻尼通道的比例系數。二、機器人經典力控制方式 力控制部分由期望力前饋通道、PI通道和環境力通道組成，該部分產生的關節空間力或力矩表達式如下。 動態補償部分產生的力或力矩的表達式為 前述幾個部分在機器人關節空間產生的總的力或力矩的表達式如下。二、機器人經典力控制方式 力/位置混合控制是一種思路非常清晰的控制方案，但實施起來卻有諸多困難與問題。雖然力/位置混合控制理論一直在不斷