机器人控制汇编

1、 第二讲 2 机器人的控制一、机器人控制系统的特性从不同的角度，机器人的控制系统具有不同的特性。1从动力学的角度： 机器人本质是一个非线性系统：引起机器人非线性的因素很多，结构方面、传动件、驱动元件等都会引起系统的非线性。各关节间具有耦合作用：表现为某一个关节的运动，会对其它关节产生动力效应，使得每一个关节都要承受其它关节运动所产生的扰动。机器人控制系统是一个时变系统：动力学参数随着关节运动位置的变化而变化。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

2、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、机器人控制方式的分类1机器人控制方式：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 。机器人速度控制：速度控制方式，加速度控制方式。机器人力控制：固定力

3、控制，可变力控制。三、机器人位置控制1位置控制特点：点位控制：仅控制机器人离散点上手爪或工具的位姿，尽快而无超调地实现相邻点的运动，对运动轨迹不作控制。主要技术指标：点位精度、完成运动的时间。连续轨迹控制：连续控制机器人手爪的位姿轨迹，要求速度可控、轨迹光滑、运动平稳。主要技术指标：轨迹精度、平稳性。位置控制特点图例：点位控制连续轨迹控制2工业机器人属半闭环系统：机器人的手部的运动是所有关节运动的合成运动 ：每轴的运动都影响机器人末端的位置和姿态。大多数机器人是关节运动形式，很难检测机器人末端的运动：位置检测元件不能安放在机器人末端执行器上，而只能安装在各自的驱动轴上，构成位置半闭环系统。3基

4、于直流伺服电机的单关节控制：直流电机的特点：调速范围广，输出转速随控制电压变化，能在宽广的范围内连续调节；转子惯量小，启动、停止迅速；控制功率小，过载能力强；力矩-速度特性是线性的。控制系统的建模：机器人是耦合的非线性动力学系统。直流伺服电机的转矩不大，需要引入加减速器，速比往往接近100，使得负载的变化折算到电机轴上后变得很小，可以将电机轴的输出负载看成是定常系统；关节之间的耦合作用，也因减速器的存在而极大地削弱。工业机器人的运动速度不高，由速度引起的非线性作用可忽略。工业机器人系统就变成一个由多关节组成的各自独立的线性系统。直流伺服电机工作原理图：直流伺服电机机械特性曲线：负载变化时，转速

5、的变化不大，具有硬的机械特性。4单关节控制系统：机器人中有多少个这样的关节，就存在着多少个这样的系统。来自功放5基于直角坐标的控制（1）：基本思想：控制机器人末端操作器沿直角坐标空间指定的轨迹运动，控制系统的输入是期望的直角坐标轨迹。对于每个关节由电机单独驱动的机器人来说，意味着为使机器人终端沿期望的轨迹运动，几个关节电机必须以不同的运动组合，即不同的速度匹配同时运转。5基于直角坐标的控制（2）：控制方案： 输入是期望的直角坐标轨迹。通过解机器人逆运动学方程，将直角坐标空间的轨迹转换成关节空间的轨迹。特点是具有一个轨迹变换的过程。直角坐标空间关节空间5基于直角坐标的控制（3）：控制方案：检测机

6、器人各关节的位置。通过运动学方程立即转换成直角坐标系中的位置描述，然后与期望值比较，形成直角坐标空间的误差信息。四、机器人力的控制1力控制的概念：纯运动控制：机器人只需把持工具按照规定的轨迹运动，而与被控对象无接触。如弧焊、喷漆。力的控制：末端操作器不但要接受运动控制，而且与控制对象之间存在力的作用。控制特点：任意时刻只能命令某关节做运动控制或力控制，不可能让它们同时实现力和运动的控制。某关节的力的控制，是通过位移来实现的。2力控制原理（1）：以位移为基础的力控制：这种方式是在位置闭环之外加上一个力的闭环。力传感器检测输出力，并与设定的力目标值进行比较，力值误差经过力/位移变化环节转换成目标位

7、移，参与位移控制。特点：很难使力和位移都得到较满意的结果。同时要设计好手部的刚度。刚度过大，微量的位移可导致大的力变化，严重时会造成手部的破坏。以位移为基础的力控制图例：Pc-机器人手部位移Qc-是操作对象的输出力力/位移变换环节的设计需要知道手部的刚度，如果刚度太大，微量的位移可导致大的力的变化。主环：以位置控制为主。2力控制原理（2）：以广义力为基础的力控制：在力闭环的基础上加上位置闭环。通过传感器检测手部的位移，经位移/力变换环节转换为输入力，与力的设定值合成之后作为力控制的给定量。特点：可以避免小的位移变化引起大的力变化，对手部具有保护功能。以广义力为基础的力控制图例：Qc-机器人手部

8、的输出力Pc-操作对象的位移主环：以力控制为主。2力控制原理（3）：位置和力的混合控制：有两个独立的闭环来分别实施力和位置控制。位置和力的混合控制图例：3建立柔顺控制系统（1）：问题引入：在机器人力控制中，哪些关节应处于力控制，哪些关节应做位置控制，取决于机器人类型和作业情况。力与位移的转换：设末端执行器x方向具有柔性，其刚度系数为K，则有下面的表达式： F=-Kx这便是力与位移的变换关系式。1、X轴位移影响接触力大小，接触力与y轴、 z轴方向的运动无关2、 y轴、 z轴处于运动控制，实现要求的轨迹； X轴做力的控制。3建立柔顺控制系统（2）：对于复杂的控制，应建立柔顺坐标系。通常建立在末端执

9、行器和作业对象相接触的界面上。特点：是直角坐标系；视作业的不同，该坐标系或为固定或为运动；共有六个自由度，任一时刻的作业操作均可分解为依每一自由度位移运动控制或广义力控制，但不能在同一自由度上同时控制位移运动和广义力。3建立柔顺控制系统（3）：定义终端执行器六个自由度上的6个位移分量：沿各轴位移分量；绕各轴角位移分量。定义终端执行器施加给作业对象广义力的6个自由度分量：沿各轴力分量；绕各轴力矩分量。示例：机器人末端执行器做销钉插入销钉孔的操作：建立如图示的坐标系：6个位移分量状态为：x=0，y=0，z受控；x=0， y=0， z受控。末端执行器施加给作业对象的广义力状态为：fx=0， fy=0

10、 ， fz：受销钉和孔配合及润滑状态等影响。mx=0， my=0 ， mz=0，受销钉和孔配合及润滑状态等影响。示例图：五、主从遥控机器人系统1主从遥控机器人工作方式：早期的主从系统：是结构相同的两套机构：分别放置在不同的地方。其中主机器人放在安全或方便的地方，从机器人放在人不宜接近的地方（强辐射、高温等）。主从机器人存在机械耦合关系：主人运动传给从人，从人跟随主人运动。从人往往要操作一个目标：有接触力的发生。2组成：由三大部分组成：主人、从人及关联部分。从手：是普通机器人，可以是关节式或直角坐标式，取决于不同的作业任务的需要。主手：有同构、异构之分。其功能是提供人机界面。操作人员通过主人施加

11、控制命令，同时感受从人的运动情况及受力情况。同构型主人：主人是从人的复制品，或是比例不同的相似物。操作直观，控制系统简单。但不具有通用性，一个主人只能控制一个从人。异构型主人：结构、尺寸与从人不同，两者仅有数目相同的自由度。具有通用性，能够控制自由度相同的任一机器人。关联部分：用于传递运动和力的信息。主从机器人图例：3信号传递：如图：传递的信号有：Tm-操作者施加给主人的外力；Fs-从人对被操作对象的作用力；Fm-主人承受的力；Mm， Ms-分别代表主人和从人的运动。4 Mm Fs型主从遥控系统工作原理：异构型斯坦福主人关节角位移和角速度从人相应的位姿信号Mm代表主人运动； Fs代表从人对被操作对象的作用力。从人外观及工作场景图例：六、机器人计算机控制系统计算机控制系统是机器人核心部分。决定了控制性能的优劣及使用的方便程度。1分布式控制系统：主控计算机：负责整个系统的管理及坐标变换和插补运算。下级计算机：由多个微处理器组成。每个微处理器控制一个关节的运动，并行