工業機器人控制系統工業機器人組成與工作原理（控制概述）1.1工業機器人的基本組成1.2工業機器人工作原理與技術參數1.3工業機器人控制技術綜述1工業機器人控制系統工業機器人組成與工作原理（控制概述）11.1工業機器人的基本組成主要由機器人本體、控制器、示教器三大部件組成

21.1工業機器人的基本組成主要由機器人本體、控制器、示教器六軸垂直多關節機器人機械結構簡圖

●S軸（回旋）●L軸（下臂傾動）●U軸（上臂傾動）●R軸（手臂橫擺）●B軸（手腕俯仰）●T軸（手腕回旋）Motoman工業機器人

3六軸垂直多關節機器人機械結構簡圖●S軸（回旋）機器人關節？4機器人關節？4控制器是根據指令以及傳感器信息控制機器人完成一定動作或作業任務的裝置，是決定機器人功能和性能的主要因素，也是機器人系統中更新和發展最快的部分。其基本功能有：示教、記憶、位置伺服、坐標設定。開發程度：封閉型、開放性和混合型。

【目前基本上都是封閉型系統（如日系）或混合型系統（如歐系）】控制方式：集中式控制和分布式控制。

機器人控制器5控制器是根據指令以及傳感器信息控制機器人完成一定動作或作業任工業機器人電動伺服系統的一般結構為三個閉環控制，即電流環、速度環和位置環。一般情況下，對于交流伺服驅動器，可通過對其內部功能參數進行設定而實現位置控制、速度控制、轉矩控制等多種功能。

集中式控制系統結構？？？組織層(作業控制)協調層(運動控制)執行層(驅動控制)6工業機器人電動伺服系統的一般結構為三個閉環控制，即電流環、速分布式控制系統結構7分布式控制系統結構7KRC4性能參數：全部采用總線形式

處理器庫卡(工業)PC（2.6GHZ

）操作系統微軟WINDOWS

XP控制軸數8個AC伺服馬達驅動

與外圍設備通訊接口:Profinet,

Profibus,Interbus,EtherCAT,

Ethernet編程及控制庫卡SmartPAD例：庫卡工業機器人控制器KRC48KRC4性能參數：例：庫卡工業機器人控制器KRC48例：電裝（DENSO）機械手系統組成9例：電裝（DENSO）機械手系統組成91感受系統由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,用以獲取內部和外部環境狀態中有意義的信息。2智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。3智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。4對于一些特殊的信息,傳感器比人類的感受系統更有效。感知系統101感受系統由內部傳感器2智能傳感器的使用提高3智能傳感器的使

一、機器人的工作原理機器人的工作原理是一個比較復雜的問題。簡單地說，機器人的原理就是模仿人的各種肢體動作、思維方式和控制決策能力。從控制的角度，機器人可以通過如下四種方式來達到這一目標。“示教再現”方式：它通過“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機械手如何動作，控制器將示教過程記憶下來，然后機器人就按照記憶周而復始地重復示教動作，如噴涂機器人。1.2工業機器人工作原理與技術參數11一、機器人的工作原理1.2工業機器人“可編程控制”方式：工作人員事先根據機器人的工作任務和運動軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機器人的控制器，起動控制程序，機器人就按照程序所規定的動作一步一步地去完成，如果任務變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。大多數工業機器人都是按照前兩種方式工作的。“遙控”方式：由人用有線或無線遙控器控制機器人在人難以到達或危險的場所完成某項任務。如防暴排險機器人、軍用機器人、在有核輻射和化學污染環境工作的機器人等。“自主控制”方式：是機器人控制中最高級、最復雜的控制方式，它要求機器人在復雜的非結構化環境中具有識別環境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。12“可編程控制”方式：工作人員事先根據機器人的工作任務和運動軌

示教再現示教－再現即分為示教－存儲－再現-操作四步進行。示教：方式有兩種：(1)直接示教－手把手；(2)間接示教－示教盒控制。存儲：保存示教信息。再現：根據需要，讀出存儲的示教信息向機器人發出重復動作的命令。13示教再現13

控制信息順序信息：各種動作單元（包括機械手和外圍設備）按動作先后順序的設定、檢測等。位置信息：作業之間各點的坐標值，包括手爪在該點上的姿態，通常總稱為位姿（POSE）。時間信息：各順序動作所需時間，即機器人完成各個動作的速度。14控制信息141515二、工業機器人的技術參數

表示機器人特性的基本參數和性能指標主要有工作空間、自由度、有效負載、運動精度、運動特性、動態特性等。

(1)工作空間（Workspace）

工作空間是指機器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達空間的位置集合。工作空間的性狀和大小反映了機器人工作能力的大小。理解機器人的工作空間時，要注意以下幾點：

(2)有效負載(Payload)

有效負載是指機器人操作機在工作時臂端可能搬運的物體重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作機的負荷能力。

(3)運動精度(Accurucy)

機器人機械系統的精度主要涉及位姿精度、重復位姿精度、軌跡精度、重復軌跡精度等。

(4)運動特性（Sped）

速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。

(5)動態特性結構動態參數主要包括質量、慣性矩、剛度、阻尼系數、固有頻率和振動模態。16二、工業機器人的技術參數

表示機器人特性的基本參數和性能指標工作精度可以用精密度、正確度、和準確度三個參數來衡量。包括定位精度和重復定位精度。定位精度（Positioningaccuracy）：指機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置之間的差距。重復性（Repeatability）或重復精度：指機器人重復到達某一目標位置的差異程度。或在相同的位置指令下，機器人連續重復若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復度。oo17工作精度可以用精密度、正確度、和準確度三個參數來衡量。包括定精度和重復精度，哪個重要

精度機器人到達指定點的精確程度（與驅動和傳感的分辨率有關）。（可預測可校正）

重復精度

機器人動作重復多次，到達同樣位置的精確程度。（隨機誤差的范圍，無法消除）任務機床上下料沖床上下料點焊模鍛噴漆裝配測量弧焊重復性±（0.05~1)±1±1±0.1~2±3±(0.01~0.5)±(0.01~0.5)±(0.2~0.5)？18精度和重復精度，哪個重要任務機床上下料沖床上下料點焊模鍛噴漆分辨率

是指機器人每根軸能夠實現的最小移動距離或最小轉動角度。精度和分辨率不一定相關。反饋尺實際位置重復精度精度分辨率TBRU給定位置

分辨率、精度、重復精度的關系19分辨率反饋尺實際位置重復精控制的目的是使被控對象產生控制者所期望的行為方式控制的基本條件是了解被控對象的特性控制的實質是對驅動器輸出力矩的控制輸入X被控對象的模型輸出Y目的輸入X輸出Y？？？1.3工業機器人控制技術綜述20控制的目的輸入X被控對象的模型輸出Y目的輸入X機器人控制的兩個問題：1）求機器人的動態模型（動力學問題）2）根據動態模型設計控制規律21機器人控制的兩個問題：21機器人技術與控制學科的關系22機器人技術與控制學科的關系22如果被控對象的模型能夠精確知道，但模型是變化的，怎么辦？如果模型的變化是可以預測的X1/P（T）P（T）Y開環預測控制如果模型的變化是可以實時辯識的X1/P（T）P（T）Y辨識器開環辨識控制23如果被控對象的模型能夠精確知道，但模型是變化的，怎么辦？如果以被控對象的實際輸出構成某種評價標準來修正控制器的輸入信號，以使對象的輸出接近期望值----閉環反饋控制被控對象的特性（數學模型）不能完全確定或完全不能確定的情況下，怎么辦？最常用的評價標準就是輸入與輸出（期望的輸出與實際輸出）之間的偏差例如：24以被控對象的實際輸出構成某種評價標準來修正控制器的輸入信號，按照期望控制量分為：位置控制和力控制位置控制單關節位置控制（位置反饋，速度反饋，加速度反饋）多關節位置控制分解運動控制（decentralizedcontrol）集中控制(centralizedcontrol)力控制直接力控制（directforcecontrol）阻抗控制(impedancecontrol)力位混合控制(Hybridforce/Motioncontrol)25按照期望控制量分為：位置控制和力控制位置控制單關節位置控制（智能化的控制方式模糊控制(fuzzycontrol)自適應控制（adaptivecontrol）最優控制(optimalcontrol)神經網絡控制(neurocontrol)模糊神經網絡控制專家控制(expertcontrol)Others

26智能化的控制方式模糊控制(fuzzycontrol)21．機器人位置控制任務分類：點位控制－PTP（PointtoPoint）：只考慮起始點和目的點的位置，而不考慮兩點之間的移動路徑的控制方式，適用于上下料、點焊、搬運等；連續路徑控制－CP（ContinuousPath）：不但要求機器人以一定的精度到達目標點，而且對其移動的軌跡形式有一定精度范圍的要求。（如弧焊、噴漆機器人）2.位置控制方法：關節空間控制結構直角坐標空間控制結構機器人的位置控制271．機器人位置控制任務分類：2.位置控制方法：機器人的位置機器人的力控制力控制簡介直接力控制（Directforcecontrol）間接力控制（Indirectforcecontrol）28機器人的力控制力控制簡介281.力控制簡介目的:控制機器人各關節使其末端表現出一定的力或力矩特性。分類

直接力控制（Directforcecontrol）PID控制

間接力控制（Indirectforcecontrol）被動柔順（變剛度）主動柔順（阻抗控制）291.力控制簡介目的:控制機器人各關節使其末端表現出一定的力為什么采用力控制軸孔配合？30為什么采用力控制軸孔配合？30形狀適應性31形狀適應性31接觸碰撞32接觸碰撞32直接力控制作用：實現機器人與環境作用力的精確控制實例：力的PI控制方法特點：直接力控制具有力回路，直接控制期望力33直接力控制作用：實現機器人與環境作用力的精確控制特點：直接力間接力控制分類：主動柔順-阻抗控制；被動柔順-變剛度特點：間接力控制（阻抗控制、力/位混合控制）【通過控制位置實現力控制，沒有明確的力回路】34間接力控制分類：主動柔順-阻抗控制；被動柔順-變剛度特點：間阻抗控制分類區別在內環35阻抗控制分類區別在內環35被動柔順控制目的：基于安全性考慮阿西莫夫三定律：1950年,美國作家埃薩克·阿西莫夫在科幻小說《I，Robot》中首次使用了“Robotics”，即“機器人學”。阿西莫夫提出了“機器人三定律”：1）機器人不應傷害人類,且在人類受到傷害時不可袖手旁觀；2）機器人應遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3）機器人應能保護自己，與第一條相抵觸者除外。36被動柔順控制目的：基于安全性考慮36工業機器人通常遠離人，當人進入其工作范圍，會造成意外傷害37工業機器人通常遠離人，當人進入其工作范圍，會造成意外傷害37與人交互需求安全性是第一位的38與人交互需求安全性是第一位的38從仿人的角度變剛度39從仿人的角度變剛度39人體關節構造前臂肘關節40人體關節構造前臂肘關節40仿生機器人關節41仿生機器人關節41建議反饋、作業提交：xunyu1025@163.com課件下載(不能傳播)：motorandcontrol@163.com

[密碼：motor123]ThankYou!42建議反饋、作業提交：ThankYou!42工業機器人控制系統工業機器人組成與工作原理（控制概述）1.1工業機器人的基本組成1.2工業機器人工作原理與技術參數1.3工業機器人控制技術綜述43工業機器人控制系統工業機器人組成與工作原理（控制概述）11.1工業機器人的基本組成主要由機器人本體、控制器、示教器三大部件組成

441.1工業機器人的基本組成主要由機器人本體、控制器、示教器六軸垂直多關節機器人機械結構簡圖

●S軸（回旋）●L軸（下臂傾動）●U軸（上臂傾動）●R軸（手臂橫擺）●B軸（手腕俯仰）●T軸（手腕回旋）Motoman工業機器人

45六軸垂直多關節機器人機械結構簡圖●S軸（回旋）機器人關節？46機器人關節？4控制器是根據指令以及傳感器信息控制機器人完成一定動作或作業任務的裝置，是決定機器人功能和性能的主要因素，也是機器人系統中更新和發展最快的部分。其基本功能有：示教、記憶、位置伺服、坐標設定。開發程度：封閉型、開放性和混合型。

【目前基本上都是封閉型系統（如日系）或混合型系統（如歐系）】控制方式：集中式控制和分布式控制。

機器人控制器47控制器是根據指令以及傳感器信息控制機器人完成一定動作或作業任工業機器人電動伺服系統的一般結構為三個閉環控制，即電流環、速度環和位置環。一般情況下，對于交流伺服驅動器，可通過對其內部功能參數進行設定而實現位置控制、速度控制、轉矩控制等多種功能。

集中式控制系統結構？？？組織層(作業控制)協調層(運動控制)執行層(驅動控制)48工業機器人電動伺服系統的一般結構為三個閉環控制，即電流環、速分布式控制系統結構49分布式控制系統結構7KRC4性能參數：全部采用總線形式

處理器庫卡(工業)PC（2.6GHZ

）操作系統微軟WINDOWS

XP控制軸數8個AC伺服馬達驅動

與外圍設備通訊接口:Profinet,

Profibus,Interbus,EtherCAT,

Ethernet編程及控制庫卡SmartPAD例：庫卡工業機器人控制器KRC450KRC4性能參數：例：庫卡工業機器人控制器KRC48例：電裝（DENSO）機械手系統組成51例：電裝（DENSO）機械手系統組成91感受系統由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,用以獲取內部和外部環境狀態中有意義的信息。2智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。3智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。4對于一些特殊的信息,傳感器比人類的感受系統更有效。感知系統521感受系統由內部傳感器2智能傳感器的使用提高3智能傳感器的使

一、機器人的工作原理機器人的工作原理是一個比較復雜的問題。簡單地說，機器人的原理就是模仿人的各種肢體動作、思維方式和控制決策能力。從控制的角度，機器人可以通過如下四種方式來達到這一目標。“示教再現”方式：它通過“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機械手如何動作，控制器將示教過程記憶下來，然后機器人就按照記憶周而復始地重復示教動作，如噴涂機器人。1.2工業機器人工作原理與技術參數53一、機器人的工作原理1.2工業機器人“可編程控制”方式：工作人員事先根據機器人的工作任務和運動軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機器人的控制器，起動控制程序，機器人就按照程序所規定的動作一步一步地去完成，如果任務變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。大多數工業機器人都是按照前兩種方式工作的。“遙控”方式：由人用有線或無線遙控器控制機器人在人難以到達或危險的場所完成某項任務。如防暴排險機器人、軍用機器人、在有核輻射和化學污染環境工作的機器人等。“自主控制”方式：是機器人控制中最高級、最復雜的控制方式，它要求機器人在復雜的非結構化環境中具有識別環境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。54“可編程控制”方式：工作人員事先根據機器人的工作任務和運動軌

示教再現示教－再現即分為示教－存儲－再現-操作四步進行。示教：方式有兩種：(1)直接示教－手把手；(2)間接示教－示教盒控制。存儲：保存示教信息。再現：根據需要，讀出存儲的示教信息向機器人發出重復動作的命令。55示教再現13

控制信息順序信息：各種動作單元（包括機械手和外圍設備）按動作先后順序的設定、檢測等。位置信息：作業之間各點的坐標值，包括手爪在該點上的姿態，通常總稱為位姿（POSE）。時間信息：各順序動作所需時間，即機器人完成各個動作的速度。56控制信息145715二、工業機器人的技術參數

表示機器人特性的基本參數和性能指標主要有工作空間、自由度、有效負載、運動精度、運動特性、動態特性等。

(1)工作空間（Workspace）

工作空間是指機器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達空間的位置集合。工作空間的性狀和大小反映了機器人工作能力的大小。理解機器人的工作空間時，要注意以下幾點：

(2)有效負載(Payload)

有效負載是指機器人操作機在工作時臂端可能搬運的物體重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作機的負荷能力。

(3)運動精度(Accurucy)

機器人機械系統的精度主要涉及位姿精度、重復位姿精度、軌跡精度、重復軌跡精度等。

(4)運動特性（Sped）

速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。

(5)動態特性結構動態參數主要包括質量、慣性矩、剛度、阻尼系數、固有頻率和振動模態。58二、工業機器人的技術參數

表示機器人特性的基本參數和性能指標工作精度可以用精密度、正確度、和準確度三個參數來衡量。包括定位精度和重復定位精度。定位精度（Positioningaccuracy）：指機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置之間的差距。重復性（Repeatability）或重復精度：指機器人重復到達某一目標位置的差異程度。或在相同的位置指令下，機器人連續重復若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復度。oo59工作精度可以用精密度、正確度、和準確度三個參數來衡量。包括定精度和重復精度，哪個重要

精度機器人到達指定點的精確程度（與驅動和傳感的分辨率有關）。（可預測可校正）

重復精度

機器人動作重復多次，到達同樣位置的精確程度。（隨機誤差的范圍，無法消除）任務機床上下料沖床上下料點焊模鍛噴漆裝配測量弧焊重復性±（0.05~1)±1±1±0.1~2±3±(0.01~0.5)±(0.01~0.5)±(0.2~0.5)？60精度和重復精度，哪個重要任務機床上下料沖床上下料點焊模鍛噴漆分辨率

是指機器人每根軸能夠實現的最小移動距離或最小轉動角度。精度和分辨率不一定相關。反饋尺實際位置重復精度精度分辨率TBRU給定位置

分辨率、精度、重復精度的關系61分辨率反饋尺實際位置重復精控制的目的是使被控對象產生控制者所期望的行為方式控制的基本條件是了解被控對象的特性控制的實質是對驅動器輸出力矩的控制輸入X被控對象的模型輸出Y目的輸入X輸出Y？？？1.3工業機器人控制技術綜述62控制的目的輸入X被控對象的模型輸出Y目的輸入X機器人控制的兩個問題：1）求機器人的動態模型（動力學問題）2）根據動態模型設計控制規律63機器人控制的兩個問題：21機器人技術與控制學科的關系64機器人技術與控制學科的關系22如果被控對象的模型能夠精確知道，但模型是變化的，怎么辦？如果模型的變化是可以預測的X1/P（T）P（T）Y開環預測控制如果模型的變化是可以實時辯識的X1/P（T）P（T）Y辨識器開環辨識控制65如果被控對象的模型能夠精確知道，但模型是變化的，怎么辦？如果以被控對象的實際輸出構成某種評價標準來修正控制器的輸入信號，以使對象的輸出接近期望值----閉環反饋控制被控對象的特性（數學模型）不能完全確定或完全不能確定的情況下，怎么辦？最常用的評價標準就是輸入與輸出（期望的輸出與實際輸出）之間的偏差例如：66以被控對象的實際輸出構成某種評價標準來修正控制器的輸入信號，按照期望控制量分為：位置控制和力控制位置控制單關節位置控制（位置反饋，速度反饋，加速度反饋）多關節位置控制分解運動控制（decentralizedcontrol）集中控制(centralizedcontrol)力控制直接力控制（directforcecontrol）阻抗控制(impedancecontrol)力位混合控制(Hybridforce/Motioncontrol)67按照期望控制量分為：位置控制和力控制位置控制單關節位置控制（智能化的控制方式模糊控制(fuzzycontrol)自適應控制（adaptivecontrol）最優控制(optimalcontrol)神經網絡控制(neurocontrol)模糊神經網絡控制專家控制(expertcontrol)Others

68智能化的控制方式模糊控制(fuzzycontrol)21．機器人位置控制任務分類：點位控制－PTP（PointtoPoint）：只考慮起始點和目的點的位置，而不考慮兩點之間的移動路徑的控制方式，適用于上下料、點焊、搬運等；連續路徑控制－CP（ContinuousPath）：不但要求機器人以一定的精度到達目標點，而且對其移動的軌跡形式有一定精度范圍的要求。（如弧焊、噴漆機器人）2.位置控制方法：關節空間控制結構直角坐標空間控制結構機