机器人控制技术

4.1引言4.2示教再现控制4.3运动控制习题4.1引言4.1.1机器人控制特点4.1.2机器人控制方式4.1.3机器人控制功能4.1.4机器人控制系统4.1.1机器人控制特点1、大量的运动学、动力学运算，涉及矢量、矩阵、

坐标变换和微积分等运算。

2、机器人的控制不仅是非线性的，而且是多变量耦合的。

3、机器人的控制还必须解决优化、决策的问题。4.1引言机器人的控制方式主要有以下两种分类：1、按机器人手部在空间的运动方式分：

（1）点位控制方式——PTP点位控制又称为PTP控制，其特点是只控制机器人手部在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间。常常被应用在上下料、搬运、点焊和在电路板上插接元器件等定位精度要求不高且只要求机器人在目标点处保持手部具有准确位姿的作业中。4.1.2机器人控制方式4.1引言1、按机器人手部在空间的运动方式分：

（2）连续轨迹控制方式——CP连续轨迹控制又称为CP控制，其特点是连续的控制机器人手部在作业空间中的位姿，要求其严格的按照预定的路径和速度在一定的精度范围内运动。这种控制方式的主要技术指标机器人手部位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业的机器人都采用这种控制方式。有的机器人在设计控制系统时，上述两种控制方式都具有，如对进行装配作业的机器人的控制等。4.1.2机器人控制方式4.1引言2、按机器人控制是否带反馈分：

（1）非伺服型控制方式非伺服型控制方式是指未采用反馈环节的开环控制方式。在这种控制方式下，机器人作业时严格按照在进行作业之前预先编制的控制程序来控制机器人的动作顺序，在控制过程中没有反馈信号，不能对机器人的作业进展及作业的质量好坏进行监测，因此，这种控制方式只适用于作业相对固定、作业程序简单、运动精度要求不高的场合，它具有费用省，操作、安装、维护简单的优点。4.1.2机器人控制方式4.1引言2、按机器人控制是否带反馈分：

（2）伺服型控制方式伺服型控制方式是指采用了反馈环节的闭环控制方式。这种控制方式的特点是在控制过程中采用内部传感器连续测量机器人的关节位移、速度、加速度等运动参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服控制。如果是适应型或智能型机器人的伺服控制，则增加了机器人用外部传感器对外界环境的检测，使机器人对外界环境的变化具有适应能力，从而构成总体闭环反馈的伺服控制方式。4.1.2机器人控制方式4.1引言1、示教再现功能示教再现功能是指示教人员预先将机器人作业的各项运动参数预先教给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统的记忆装置就将所教的操作过程自动地记录在存储器中。当需要机器人工作时，机器人的控制系统就调用存储器中存储的各项数据，使机器人再现示教过的操作过程，由此机器人即可完成要求的作业任务。机器人的示教再现功能易于实现，编程方便，在机器人的初期得到了较多的应用。

4.1.3机器人控制功能4.1引言2、运动控制功能运动控制功能是指通过对机器人手部在空间的位姿、速度、加速度等项的控制，使机器人的手部按照作业的要求进行动作，最终完成给定的作业任务。它与示教再现功能的区别：在示教再现控制中，机器人手部的各项运动参数是由示教人员教给它的，其精度取决于示教人员的熟练程度。而在运动控制中，机器人手部的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算得来的，且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完成给定的作业任务。4.1.3机器人控制功能4.1引言由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制，所以，目前的机器人控制系统在结构上大多数采用分层结构的微型计算机控制系统，通常采用的是两级计算机伺服控制系统。伺服驱动人机对话内部传感器通信一级（上位机）微型计算机数学运算数据存储二级（下位机）单片机运动控制器驱动装置关节运动手的运动外部传感器局部反馈全局反馈4.1.4机器人控制系统4.1引言机器人控控制系统统具体的的工作过过程是：主控计计算机接接到工作作人员输输入的作作业指令令后，首首先分析析解释指指令，确确定手的的运动参参数，然然后进行行运动学学、动力力学和插插补运算算，最后后得出机机器人各各个关节节的协调调运动参参数。这这些参数数经过通通信线路路输出到到伺服控控制级作作为各个个关节伺伺服控制制系统的的给定信信号。关关节驱动动器将此此信号D/A转转换后驱驱动各个个关节产产生协调调运动，，并通过过传感器器将各个个关节的的运动输输出信号号反馈回回伺服控控制级计计算机形形成局部部闭环控控制，从从而更加加精确的的控制机机器人手手部在空空间的运运动（作作业任务务要求的的）。在控制过过程中，，工作人人员可直直接监视视机器人人的运动动状态，也也可从显显示器等等输出装装置上得得到有关关机器人人运动的信息。。4.1.4机器人控控制系统统4.1引引言机器人控控制系统统的组成成1、硬件件4.1.4机器人控控制系统统4.1引引言机器人控控制系统统的组成成1、硬件件——单单片机应应用4.1.4机器人控控制系统统4.1引引言机器人控控制系统统的组成成1、硬件件——运运动控制制器介绍绍运动控制制器核心由ADSP2181数数字信号处处理器及及其外围部部件组成成，可以实现现高性能能的控制计算算，同步步控制多个运动动轴，实现多轴协调调运动。应用领域包括括机器人、数数控机床等。。4.1.4机器人控制系系统4.1引言言机器人控制系系统的组成1、硬件———运动控制器器介绍运动控制器以以PC为为主机，提供供标准的ISA、PCI及通通用的串口总总线和数字I/O接口。。运动控制器器提供高级语言函函数库和Windows动态连连接库，可以以实现复杂的控制制功能。用户能够将这这些控制函数数与自己控制制系统所需的的数据处理、界界面显示、用用户接口等应应用程序模块块集成在一起，建造造符合特定应应用要求的控控制系统，以以适应各种应用领域域的要求。4.1.4机器人控制系系统4.1引言言机器人控制系系统的组成1、硬件———运动控制器器应用4.1引言言4.1.4机器人控制系系统机器人控制系系统的组成2、软件4.1.4机器人控制系系统4.1引言言控制过程：示教人员将机机器人作业任任务中要求手手的运动预先先教给机器人人，在示教的的过程中，机机器人控制系系统就将关节节运动状态参参数记忆存储储在存储器中中。当需要机机器人工作时时，机器人的的控制系统就就调用存储器器中存储的各各项数据，驱驱动关节运动动，使机器人人再现示教过过的手的运动动，由此完成成要求的作业业任务。作业任务手的运动关节产生运动关节运动参数控制系统驱动装置关节产生运动示教记忆再现驱动反馈4.2示教教再现控制4.2示教教再现控制4.2.1示教方式4.2.2记忆过程4.2.1示教方式机器人示教的的方式种类繁繁多，总的可可以分为集中示教方式式和分离示教方式式。1、集中示教教方式将机器人手部部在空间的位位姿、速度、、动作顺序等等参数同时进进行示教的方方式，示教一一次即可生成成关节运动的的伺服指令。。2、分离示教教方式将机器人手部部在空间的位位姿、速度、、动作顺序等等参数分开单单独进行示教教的方式，一一般需要示教教多次才可生生成关节运动动的伺服指令令，但其效果果要好于集中中示教方式。。4.2示教教再现控制4.2.1示教方式当对用点位（PTP）控制的点焊、搬运运机器人进行行示教时，可可以分开编制制程序，且能能进行编辑、、修改等工作作，但是机器器人手部在作作曲线运动而而且位置精度度要求较高时时，示教点数数就会较多，，示教时间就就会拉长，且且在每一个示示教点处都要要停止和启动动，因此就很很难进行速度度的控制。4.2示教教再现控制4.2.1示教方式当对用连续轨迹（CP）控制的弧焊、喷漆漆机器人进行行示教时，示示教操作一旦旦开始就不能能中途停止，，必须不中断断的连续进行行到底，且在在示教途中很很难进行局部部的修改。示示教时，可以以是手把手示示教，也可通通过示教盒示示教。4.2示教教再现控制12/31/20224.2.2记忆过程示教关节产生运动变换装置控制系统传感装置存储器检测转换保存在示教的过程程中，机器人人关节运动状状态的变化被被传感器检测测到，经过转转换，再通过过变换装置送送入控制系统统，控制系统统就将这些数数据保存在存存储器中，作作为再现示教教过的手的运运动时所需要要的关节运动动参数数据。。4.2示教教再现控制示教关节产生运动变换装置控制系统传感装置存储器检测转换保存1、记记忆速速度取决于于传感感器的的检测速速度、变换换装置置的转换速速度和控制制系统统存储储器的的存储速速度。2、记记忆容容量取决于于控制制系统统存储储器的的容量量。4.2.2记忆过过程4.2示示教再再现控控制机器人人的运动控控制是指机机器人人手部在在空间间从一一点移移动到到另一一点的的过程程中或或沿某某一轨轨迹运运动时时，对对其位位姿、、速度度和加加速度度等运运动参参数的的控制制。由机机器器人人运运动动学学可可知知，，机机器器人人手手部部的的运运动动是是由由各各个个关关节节的的运运动动引引起起的的，，所所以以控制制机机器器人人手手部部的的运运动动实实际际上上是是通通过过控控制制机机器器人人各各个个关关节节的的运运动动实实现现的的。4.3运运动动控控制制控制制过过程程：根据据机机器器人人作作业业任任务务中中要要求求的的手手的的运运动动，，通通过过运运动动学学逆逆解解和和数数学学插插补补运运算算得得到到机机器器人人各各个个关关节节运运动动的的位位移移、、速速度度和和加加速速度度，，再再根根据据动动力力学学正正解解得得到到各各个个关关节节的的驱驱动动力力（（矩矩））。。机机器器人人控控制制系系统统根根据据运运算算得得到到的的关关节节运运动动状状态态参参数数控控制制驱驱动动装装置置，，驱驱动动各各个个关关节节产产生生运运动动，，从从而而合合成成手手在在空空间间的的运运动动，，由由此此完完成成要要求求的的作作业业任任务务。。驱动动力学正解运动学逆解作业任务手的运动关节位移、速度、加速度关节驱动力（矩）驱动装置关节产生运动控制系统反馈4.3运运动动控控制制控制制步步骤骤：第一一步步：关节节运运动动伺伺服服指指令令的的生生成成，即即将将机机器器人人手手部部在在空空间间的的位位姿姿变变化化转转换换为为关关节节变变量量随随时时间间按按某某一一规规律律变变化化的的函函数数。。这这一一步步一一般般可可离线线完完成成。第二二步步：关节节运运动动的的伺伺服服控控制制，即即采采用用一一定定的的控控制制算算法法跟跟踪踪执执行行第第一一步步所所生生成成的的关关节节运运动动伺伺服服指指令令，，这这是是在线线完完成成的。。第一步第二步驱动动力学正解运动学逆解作业任务手的运动关节位移、速度、加速度关节驱动力（矩）驱动装置关节产生运动控制系统反馈4.3运运动动控控制制4.3.1关节节运运动动伺伺服服指指令令的的生生成成4.3.2关节节运运动动的的伺伺服服控控制制4.3.3机机器器人人语语言言4.3运运动动控控制制4.3.1关节节运运动动伺伺服服指指令令的的生生成成1、、轨轨迹迹规规划划机器器人人关关节节运运动动伺伺服服指指令令的的轨轨迹迹规规划划生生成成方方法法是是指指根根据据作作业业任任务务要要求求的的机机器器人人手手部部在在空空间间的的位位姿姿、、速速度度等等运运动动参参数数的的变变化化，，通通过过机机器器人人运运动动学学方方程程的的求求解解和和各各种种插插补补运运算算等等数数学学方方法法最最终终生生成成相相应应的的关关节节运运动动伺伺服服指指令令。。*示教再现现控制生生产方法法——示示教生成成4.3运运动控控制4.3.1关节运动动伺服指指令的生生成2、轨迹迹规划的的实现过过程在对机器器人进行行轨迹规规划时，，首先要要对机器器人的作作业任务务进行描描述，得得到机器器人手部部在空间间的位姿姿变化，，然后根根据机器器人运动动学方程程及其逆逆解并通通过适当当的插补补运算求求出机器器人各个个关节的的位移、、速度等等运动参参数的变变化，再再通过动动力学运运算最终终生成机机器人关关节运动动所需的的伺服指指令。PTP下下的轨迹迹规划是是在关节坐坐标空空间进行。。CP下下的轨轨迹规规划是是在直角坐坐标空空间进行。。4.3运运动控控制4.3.1关节运运动伺伺服指指令的的生成成2、轨轨迹规规划的的实现现过程程（1））PTP下的的轨迹迹规划划步骤：：第一步步：由手手的位位姿得得到对对应关关节的的位移移；第二步步：不同同点对对应关关节位位移之之间的的运动动规划划；第三步步：由关关节运运动变变化计计算关关节驱驱动力力（矩矩）。。4.3运运动控控制4.3.1关节运运动伺伺服指指令的的生成成2、轨轨迹规规划的的实现现过程程（1））PTP下的的轨迹迹规划划第一步步：已已知机机器人人起点点和终终点的的位姿姿得到机器人人对应的关关节变量的的取值。机器人运动动学逆解实现方法4.3运运动动控控制制4.3.1关节节运运动动伺伺服服指指令令的的生生成成2、、轨轨迹迹规规划划的的实实现现过过程程（1））PTP下下的的轨轨迹迹规规划划第二二步步：：已已知知机机器器人人起起点点和和终终点点的的关关节节变变量量取取值值问题题：起起点点的的变变量量取取值值如如何何变变化化到到终终点点的的变变量量取取值值？？t04.3运运动动控控制制4.3.1关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（1）PTP下的轨迹迹规划第二步：已知知机器人起点点和终点的关节变量取取值分析：起点的变量量取值如何变化到终点的的变量取值？？若按线性变化化，则有：t0t004.3运动动控制4.3.1关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（1）PTP下的轨迹迹规划第二步：已知知机器人起点点和终点的关节变量取取值分析：起点的变量量取值如何变化到终点的的变量取值？？若加速度无冲冲击，则有：：t0t004.3运动动控制4.3.1关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（1）PTP下的轨迹迹规划第二步：已知知机器人起点点和终点的关关节变量取值值A、三次多项项式插值运算算设起点到终点点的位移变化化规律为：则速度为：4.3运动动控制4.3.1关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（1）PTP下的轨迹迹规划第二步：已知知机器人起点点和终点的关关节变量取值值A、三次多项项式插值运算算关节运动需要要满足的约束束条件可表示示为：位移约束速度约束4.3运动动控制4.3.1关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（1）PTP下的轨迹迹规划第二步：已知知机器人起点点和终点的关关节变量取值值A、三次多项项式插值运算算由此可得有关关系数的的4个线性方方程为：4.3运动动控制4.3.1关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（1）PTP下的轨迹迹规划第二步：已知知机器人起点点和终点的关关节变量取值值A、三次多项项式插值运算算求解该方程组组即可得：4.3运动动控制4.3.1关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（1）PTP下的轨迹迹规划第二步：已知知机器人起点点和终点的关关节变量取值值A、三次多项项式插值运算算将其代入下式式：可得该关节变变量随时间的的变化规律。。此函数表达达式适用于关关节起始点和和终止点速度度为零的运动动情况。4.3运动动控制4.3.1关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（1）PTP下的轨迹迹规划第二步：已知知机器人起点点和终点的关关节变量取值值B、多点的三三次多项式插插值运算如果要求在路路径点处的加加速度连续，，则可用两条条三次曲线在在路径点处连连接起来，拼拼凑成所需要要的运动轨迹迹，这时路径径点处的速度度不仅要连续续，而且加速速度也要连续续。ACBt01t024.3运动动控制4.3.1关关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（1）PTP下的轨迹迹规划第二步：已知知机器人起点点和终点的关关节变量取值值B、多点的三三次多项式插插值运算设A点到C点点的关节变量量变化为：设C点点到到B点点的的关关节节变变量量变变化化为为：：ACBt10t204.3运运动动控控制制4.3.1关关节节运运动动伺伺服服指指令令的的生生成成2、、轨轨迹迹规规划划的的实实现现过过程程（1））PTP下下的的轨轨迹迹规规划划第二二步步：：已已知知机机器器人人起起点点和和终终点点的的关关节节变变量量取取值值B、多点点的三次次多项式式插值运运算三点处的的位移约约束方程程：4.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（1）PTP下的轨轨迹规划划第二步：：已知机机器人起起点和终终点的关关节变量量取值B、多点点的三次次多项式式插值运运算起点和终终点处的的速度约束束方程：：中间点处处的速度度和加速度度约束方方程：4.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（1）PTP下的轨轨迹规划划第二步：：已知机机器人起起点和终点的关关节变量量取值B、多点点的三次次多项式式插值运运算联立上述述8个线线性方程程，若令，，则方程组组的解为为：4.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（1）PTP下的轨轨迹规划划第二步：：已知机机器人起起点和终终点的关关节变量量取值B、多点点的三次次多项式式插值运运算将其代入入以下两两式：可得两段段曲线，，将其拼拼接起来来，就是是该关节节变量随随时间的的变化规规律。4.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（1）PTP下的轨轨迹规划划第二步：：已知机机器人起起点和终终点的关关节变量量取值C、五次次多项式式插值运运算设起点到到终点的的位移变变化规律律为：则速度和加速度度为：4.3运运动控控制4.3.1关关节节运动动伺服服指令令的生生成2、轨轨迹规规划的的实现现过程程（1））PTP下的的轨迹迹规划划第二步步：已已知机机器人人起点点和终终点的的关节节变量量取值值C、五五次多多项式式插值值运算算约束条条件线性方方程组组为：：4.3运运动控控制4.3.1关关节节运动动伺服服指令令的生生成2、轨轨迹规规划的的实现现过程程（1））PTP下的的轨迹迹规划划第二步步：已已知机机器人人起点点和终终点的的关节节变量量取值值C、五次多多项式插值值运算求解该方程程组即可得得：4.3运运动控制4.3.1关关节运动动伺服指令令的生成2、轨迹规规划的实现现过程（1）PTP下的的轨迹规划划第二步：已已知机器人人起点和终终点的关节节变量取值值C、五次多多项式插值值运算将其代入下下式：可得该关节节变量随时时间的变化化规律，此函数表达达式可适用用于已知关节起始点点和终止点点速度、加加速度的运运动情况。。4.3运运动控制4.3.1关关节运动动伺服指令令的生成2、轨迹规规划的实现现过程（1）PTP下的的轨迹规划划第三步：已已知机器人人关节的运运动速度和和加速度由此可得得关节的的驱动力力（矩））。4.3运运动控控制机器人动动力学正正解实现方法法4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（1）PTP下的轨轨迹规划划在关节坐坐标空间间进行轨轨迹规划划时，要要注意关关节运动动时加速速度的突突变引起起的刚性性冲击，，严重时时可使机机器人产产生较大大的振动动，而且且在关节节坐标空空间内规规划的直直线只表表示它是是某个关关节变量量的线性性函数，，当所有有关节变变量都规规划为直直线时，，并不代代表机器器人手部部在直角角坐标空空间中的的路径就就是直线线。关节坐标标空间的的轨迹规规划是直直角坐标标空间轨轨迹规划划的基础础。4.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划步骤：第一步：连续轨轨迹离散散化。第二步：PTP下的轨轨迹规划划。AB1234567894.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划第一步：：连续轨轨迹离散散化解决问题题：离散点处处的位置置和姿态态。AB1234567894.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划第一步：：连续轨轨迹离散散化A：离散点处处的位置置计算对于机器器人手部部在空间间的位置置变化，，用时间间的参数数方程可可表示为为：AB1234567894.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划第一步：：连续轨轨迹离散散化A：离散点处处的位置置计算为了保证证离散后后的路径径点均匀匀连续且且便于控控制，一一般利用用弧长公公式：可将时间间转换为弧弧长的函函数：AB1234567894.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划第一步：：连续轨轨迹离散散化A：离散点处处的位置置计算假设起点点所对应应的弧长长为，，则路径径就可表表示为以以弧长为为参数的的方程：：AB1234567894.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划第一步：：连续轨轨迹离散散化A：离散点处处的位置置计算将整个路路径以适适当的弧弧长单位位等等分分为n段，则任任一点处处的位置置为：AB1234567894.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划第一步：：连续轨轨迹离散散化A：离散点处处的位置置计算由此可得得任意点点处的位位置为：：AB1234567894.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划第一步：：连续轨轨迹离散散化B：离散点处处的姿态态计算设整个路路径的起起始点A和终止止点B的的姿态矩矩阵为：：AB1234567894.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划第一步：：连续轨轨迹离散散化B：离散点处处的姿态态计算若将机器器人的手手部姿态态化成绕绕三个坐坐标轴的的旋转变变换，即即先绕轴轴x旋转α角度，再再绕轴y旋转β角度，最最后绕轴轴z旋转θ角度，由由坐标变变换左乘乘原则得得：AB1234567894.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划第一步：：连续轨轨迹离散散化B：离散点处处的姿态态计算已知AB1234567894.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划第一步：：连续轨轨迹离散散化B：离散点处处的姿态态计算当给定R的值，则有：AB1234567894.3运运动控控制4.3.1关节节运动伺伺服指令令的生成成2、轨迹迹规划的的实现过过程（2）CP下下的轨迹迹规划第一步：：连续轨轨迹离散散化B：离散点处的姿姿态计算根据以上计算算公式，由路路径两个端点点A、B的姿姿态矩阵即可可得机器人手手部在整个路路径上绕三个个坐标轴的旋旋转角度变化化为：AB1234567894.3运动动控制4.3.1关关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（2）CP下的轨迹规规划第一步：连续续轨迹离散化化B：离散点处的姿姿态计算由作业任务的的要求可将其其用时间t的参数方程表表示为：AB1234567894.3运动动控制4.3.1关关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（2）CP下的轨迹规规划第一步：连续续轨迹离散化化B：离散点处的姿姿态计算同样利用弧长长公式将时间间化为弧长的的函数，并以以等间隔弧长长等分整个路路径，则任一一离散点处绕绕三个坐标轴轴的旋转角度度为：AB1234567894.3运动动控制4.3.1关关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（2）CP下的轨迹规规划第一步：连续续轨迹离散化化B：离散点处的姿姿态计算由此可得任一一离散点处的的位姿为：AB1234567894.3运动动控制4.3.1关关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（2）CP下的轨迹规规划第一步：连续续轨迹离散化化根据以上计算算，最终可得离散点n处的位姿为：：AB1234567894.3运动动控制4.3.1关关节运动伺服服指令的生成成2、轨迹规划划的实现过程程（2）CP下的轨迹规规划第二步：PTP下的轨迹迹规划有了各个离散散点处的位姿姿，就可以用用PTP下的的轨迹规划实实现方法，从从而完成CP下的轨迹规规划。至此，，在直角坐标标空间中两点点之间连续路路径的轨迹规规划就全部完完成了。AB1234567894.3运动动控制4.3.2关关节运动的伺伺服控制多关节的工业业机器人控制制系统往往可可以分解成若若干个带耦合合的单关节控控制系统。如如果耦合是弱弱耦合，则每每个关节的控控制可近似为为独立的，看看成是每个关关节由一个简简单的伺服系系统单独驱动动。4.3运运动控控制4.3.2关关节节运动动的伺伺服控控制机器人人关节节运动动的伺伺服指指令生生成以以后，，就要要采用用一定定的控控制算算法对对关节节的运运动进进行伺伺服控控制，，常用用的控控制方方法有有以下下几种种：1、基基于前前馈和和反馈馈的计计算力力矩的的控制制方法法注意：：前馈馈指的的是加加速度度，反反馈指指的是是速度度和位位移。。已知多多自由由度机机器人人的动动力学学模型型为：：且各项项均均可精精确计计算。。4.3运运动控控制4.3.2关关节节运动动的伺伺服控控制1、基基于前前馈和和反馈馈的计计算力力矩的的控制制方法法具有前前馈补补偿的的闭环伺伺服系系统的的性能能取决于于本体体和控控制对对象的动动力学学模型型的估估算准确确性。。当得得不到到准确的的动力力学模模型或或是环境境变动动超出出系统统反馈补补偿范范围时时，控控制性能能就会会改变变。4.3运运动控控制4.3.2关关节节运动动的伺伺服控控制1、基基于前前馈和和反馈馈的计计算力力矩的的控制制方法法选取控控制规规律为为：式中，，————关节节控制制的输输入力力（矩矩）向向量；；——关关节速速度误误差反反馈系系数；；——关关节位位置误误差反反馈系系数；；——希希望跟跟踪的的关节节速度度和位位移；；——实实际的的关节节速度度和位位移。。4.3运运动控控制4.3.2关关节节运动动的伺伺服控控制1、基基于前前馈和和反馈馈的计计算力力矩的的控制制方法法假定选选取，，则则有：：由于惯惯性矩矩阵可可逆逆，所所以可可得误误差微微分方方程为为：式中，，———关关节位位移误误差；；分分别为为关节节速度度和加加速度度的误误差。。只要要选取取合适适的和和值值，，就可可使关关节变变量的的各项项误差差渐趋趋于零零。4.3运运动控控制4.3.2关关节节运动动的伺伺服控控制1、基基于前前馈和和反馈馈的计计算力力矩的的控制制方法法这种控控制方方法是是基于于关节节变量量加速速度的的前馈馈和速速度、、位移移误差差的反反馈以以及对对耦合合力项项和重重力项项的补补偿而而实现现的，，其考考虑的的主要要是位位移和和速度度的误误差对对惯性性力项项的影影响，，所以以适合合于低低速、、重载载的机机器人人。它的缺缺点是是计算算的的工工作量量大，，且控控制的的精度度主要要依赖赖于机机器人人动力力学模模型的的精确确度。。4.3运运动控控制4.3.2关关节节运动动的伺伺服控控制2、线线性多多变量量控制制方法法线性多多变量量控制制方法法是利利用机机器人人在工工作点点p0附近的的线性性模型型工作作的。。对任一一多自自由度度机器器人，，其在在工作作点处处的初初始关关节控控制力力（矩矩）向向量与与该点点处对对应的的关节节位移移、速速度和和加速速度之之间的的动力力学模模型为为：4.3运运动控控制4.3.2关关节节运动动的伺伺服控控制2、线线性多多变量量控制制方法法当机器器人在在工作作点处处有一一微小小扰动动时，，上述述动力力学模模型就就变为为：式中，，————关节节控制制输入入力（（矩））的微微小变变化；；——关关节位位移的的微小小变化化；——关关节速速度的的微小小变化化；——关关节加加速度度的微微小变变化。。4.3运运动控控制4.3.2关关节节运动动的伺伺服控控制2、线线性多多变量量控制制方法法在工作作点附附近应应用台台劳级级数将将和和展展开开，并并忽略略展开开式中中及及的的二二阶及及二阶阶以上上的各各次高高阶项项，且且假定定它们们足够够小，，则上上式可可改写写为：：4.3运运动控控制4.3.2关关节节运动动的伺伺服控控制2、线线性多多变量量控制制方法法若令则得：：该式即即为机机器人人在工工作点点附近近的增增量线线性定定常模模型。。4.3运运动动控控制制4.3.2关关节节运运动动的的伺伺服服控控制制2、、线线性性多多变变量量控控制制方方法法若再再令令、、、、则则得得：：对耦耦合合线线性性定定常常微微分分方方程程应应用用以以下下的的反反馈馈控控制制律律：：式中中，，———关关节节位位移移误误差差；；———关关节节速速度度误误差差；；———反反馈馈的的关关节节速速度度和和位位移移；；———设设定定的的关关节节速速度度和和位位移移。。4.3运运动动控控制制4.3.2关关节节运运动动的的伺伺服服控控制制2、、线线性性多多变变量量控控制制方方法法对控控制制律律两两边边求求拉拉普普拉拉氏氏变变换换可可得得则其传递递函数为为：由此可以以看出，，线性多多变量控控制选用用的是一一个比例例微分（PD））控制器，，其考虑虑的主要要是位移移和速度度的误差差对耦合合力项和和重力项项的影响响，所以以适合于于高速、、轻载机机器人的的控制。。4.3运运动控控制4.3.2关节节运动的的伺服控控制3、自适适应控制制自适应控控制就是是指机器器人根据据传感器器对外界界环境和和对象物物的感知知，利用用人工智智能中的的各种学学习、推推理和决决策技术术，对外外界信息息进行准准确处理理，然后后对自己己行为作作出自主主决策以以自动地地完成任任务的控控制方式式。4.3运运动控控制4.3.2关节节运动的的伺服控控制3、自适适应控制制理想自适适应控制制是在基于模模型控制制的基础础上，增添添自适应应控制规规律，不断断观测机机器人各各个关节的的状态和和伺服误误差，驱动动自适应应算法，，重新调调整或更更新非线线性模型型参数，，直至伺伺服误差差消失为为止。由由此可见见，这种种控制方方法对机机器人控控制系统统的动态态性能具具有自我我调整功功能，并并且可以以达到全全局的稳稳定。4.3运运动控控制4.3.2关关节运动的伺伺服控制4、自学习控控制自学习控制是是近年来提出出的一种智能能控制方法，，它可利用结结构简单的控控制器实现高高精度的控制制。目前人们提出出的自学习控控制方案主要要有：迭代自学习控控制重复自学习习控制。4.3运运动控制4.3.2关关节运动动的伺服控控制4、自学习习控制迭代自学习习控制：迭代自学习习控制是以以数学模型型模仿人类类在每次操操作均在规规定的时间间内结束，，且在期望望值给定的的条件下重重复进行一一件同样的的工作为基基本思路，，若每次操操作开始时时系统的初初始值已知知，每次输输出值可测测，则输出出与输入的的误差信号号就可作为为下一次的的控制输入入，用简单单的迭代律律更新存入入存储装置置的控制输输入，从而而改善系统统在输入作作用下的输输出，直至至获得期望望的控制结结果。4.3运运动控制4.3.2关关节运动动的伺服控控制4、自学习习控制重复自学习习控制：重复自学习习控制同样样适用于进进行重复操操作的机器器人，但它它与迭代自自学习控制制不同，它它不是简单单的生成期期望的前馈馈控制信号号，而是利利用“内模模原理”，，在稳定的的闭环系统统内设置一一个可以产产生与参考考输入同周周期的内部部模型，从从而使系统统实现对外外周期信号号的跟踪。。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言世界上最早早开展机器器人语言研研究的是美美国斯坦福福大学、麻省省理工学院院以及英国国的一些大大学，他们们在20世纪60年年代初期就就着手这方方面的工作作。1973年年斯坦福大大学人工智智能研究室室研制出实实用的WAVE语语言，这这是第一个个机器人语语言。WAVE语语言具有有动作的描描述、力和和接触的控控制，配合视觉系系统可以完完成手眼协协调编程。。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言之后斯坦福福大学人工工智能研究究室在WAVE语言言的基础上，又又开发出了了AL语语言。AL语言不不仅能用来来描述机器器人手爪的的操作，而而且还能记忆作作业环境以以及环境内内各个对象象物之间的的相对位置，可以以用来控制制多台机器器人协调工工作。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言美国IBM公司司在机器人人语言研究究上作了很很多工作，也取得得过不少成成果。该公司在20世纪70年代中中期开发了了应用于直直角坐标机器人上上的EMILY和ML语言，，能用于机机器人的装装配作业。此后后又研制出出用于装配配机器人的的AUTOPASS语言，这是一一种比较高高级的机器器人语言，，它可以对对几何模型类任务务进行半自自动编程。。在1982年，IBM公司司又推出了AML语言，，目前，AML语语言已作为为商业化产产品用于IBM机器器人的控制制。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言1979年年,美国Unimation公司推出出了VAL语言，主要用于PUMA和和Unimate等等系列的机机器人上，，是一种比较成成功的机器器人语言。。VAL语言是是在BASIC语言的基础础上扩展的的机器人语语言，它具具有BASIC语言的结构，，比较简单单，易于编编程，为工工业机器人人所适用。1984年年该公司推推出VAL-Ⅱ语语言，它是是在VAL语言的基础础上，增加加开发利用用传感器信信息进行运运动控制和数据据处理以及及通讯等功功能。现在在VAL语语言已经升级为V++语言，性能能得到了更更大的提高高。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言20世纪80年代初初，美国Automatix公司司开发了RAIL语语言，它它能利用视视觉传感器器信息，进进行检测零零件作业。同同期，麦道道公司研制制出了MCL语言，，它是在数控语言APT基础础上发展起起来的机器器人语言。。MCL语言应用于于由机床及及机器人组组成的柔性性加工单元元的编程，其功能能较强。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言到目前为止止，国内外外尚无通用用的机器人人语言，虽然现有的的品种繁多多，仅在美美、日、西西欧实用的的机器人语言就就至少有数数十种。但但即使这样样，新的机机器人语言还不不断出现。。究其原因因，就在于于目前开发发的机器人语言言绝大多数数是根据专专用机器人人而单独开开发的，存在着着通用性差差的问题。。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言有的国家正正尝试在数数控机床通通用语言的的基础上，，形成统一的的机器人语语言，但由由于机器人人控制不仅仅要考虑机器人本本身的运动动，还要考考虑机器人人与配套设设备间的协调通讯讯以及多个个机器人之之间的协调调工作，因因而技术难度非常常大，目前前尚处于研研究探索阶阶段。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言1、机器人人语言的特特点（1）机器器人语言描描述的内容容主要是机机器人的作作业动作、工作环环境、操作作内容、工工艺和过程程。（2）机器器人语言逐逐渐向结构构简明、概概念统一和和容易扩展等方向向发展。（3）机器器人语言越越来越接近近自然语言言，并且具具有良好的对话性性。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言2、机器人人语言的分分类（1）根据据机器人语语言对作业业任务描述述水平的高高低可分为动作级、对象级和任务级三大类。①动作级动作级的机机器人语言言是以机器器人手部的的运动作为为作业描述的的中心，将将机器人作作业任务中中的每一步步动作都用命令语语句来表述述，每一条条语句对应应于一个机机器人动作。若动动作的目的的是移动某某一物体，，基本运动动语句形式为：MOVETO〈〈目目的地〉这一级语言言的典型代代表是VAL语语言。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言2、机器人人语言的分分类②对象级对象级的机机器人语言言是以近似似自然语言言的方式，，按照作业对象象的状态变变化来进行行程序设计计，是以描描述操作物体之间关关系为中心心的语言。。由操作者者给出作业业本身的顺序过程的的描述及环环境模型的的描述，机机器人即可可自行决定如何动作作。这种语语言可以利利用传感器器信息来修修改、更新环境的描描述和模型型，也可以以利用传感感器信息进进行控制、测试和监监督。这一级语言言的代表是是AUTOPASS语言。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言2、机器人人语言的分分类③任务级在任务级语语言环境下下，使用者者只要按某某种原则给给出作业起始始状态和作作业目标状状态，机器器人语言系系统即可利用已有有的环境信信息和知识识库、数据据库自动进进行推理、计算，，最后自动动生成机器器人详细的的动作、顺顺序和相应数据。。因此，这这类语言必必须具有判判断环境、、描述环境的能力力，同时，，也必须有有自动完成成许多规划划任务的能力。这一级语言言现仍处于于基础研究究阶段，还还有许多问题没有解解决。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言2、机器人人语言的分分类（2）根据据机器人语语言的实际际应用水平平可分为动作指示语言和作业指示语语言两大大类类。。①动动作作指指示示语语言言机器器人人的的动动作作指指示示语语言言是是直直接接表表述述机机器器人人臂臂部部、、腕腕部、、手手部部等等动动作作控控制制的的语语言言系系统统，，它它相相当当于于上上面面所所述述的的动作作级级机器器人人语语言言。。4.3运运动动控控制制4.3.3机机器器人人语语言言2、、机机器器人人语语言言的的分分类类（2））根根据据机机器器人人语语言言的的实实际际应应用用水水平平可可分分为为动作作指指示示语言言和作业业指指示示语语言言两大大类类。。②作作业业指指示示语语言言机器器人人的的作作业业指指示示语语言言是是仅仅表表述述机机器器人人（（如如装装配配机机器人人））的的某某种种操操作作过过程程的的语语言言系系统统，，它它相相当当于于上上面面所所述述的对象象级级机器器人人语语言言。。4.3运运动动控控制制4.3.3机机器器人人语语言言3、、机机器器人人语语言言的的处处理理过过程程当用用机机器器人人语语言言编编写写的的程程序序对对机机器器人人进进行行控控制制时，，它它的的处处理理过过程程主主要要有有以以下下几几个个方方面面：：（1））分分析析程程序序分析析程程序序要要分分析析的的对对象象是是工工作作人人员员用用机机器器人人语语言言编写写的的作作业业程程序序。。分分析析程程序序首首先先进进行行语语法法检检查查，，并并将将程序序中中的的错错误误指指示示出出来来。。此此外外，，分分析析程程序序还还能能对对数数据据的维维数数和和形形式式进进行行检检查查。。一一旦旦消消除除了了所所有有的的语语法法错错误，，作作业业程程序序就就可可以以进进行行下下一一步步的的处处理理。。4.3运运动动控控制制4.3.3机机器器人人语语言言3、、机机器器人人语语言言的的处处理理过过程程（2））编编译译程程序序编译程序就是是对作业程序序的语义进行行检查，它能能检验有没有发出出对存取不可可能地址的移移动命令和有有没有使机器人手部过过高速度的移移动等。编译译程序还要进进行一些轨迹计算，即即在编译作业业程序时模拟拟机器人手部部的位置和各个变量的的值，跟踪其其与坐标系相相结合的状态态，然后根据这个值进进行轨迹计算算，最后得到到轨迹数据。。编译程序还可可将作业程序序变换成实行行解释程序可可以解释的代码。。4.3运运动控控制4.3.3机机器器人语语言3、机机器人人语言言的处处理过过程（3））实时时解释释程序序实时解解释程程序是是将编编译程程序生生成的的代码码实时时解释释并执行。。实现现动作作结合合时，，将必必要的的轨迹迹数据据给予予伺服服模块，通通过状状态监监视模模块监监视它它的动动作。。（4））伺服服模块块伺服模模块的的作用用是根根据轨轨迹数数据，，通过过关节节位移移和速度等等所组组成的的反馈馈控制制系统统来实实现被被指定定的运运动。。4.3运运动控制4.3.3机机器人语语言3、机器人人语言的处处理过程（5）状态态监视模块块状态监视模模块的作用用是处理各各种传感器器的反馈信信号，抽出必必要的信息息交给实行行解释程序序。以上只是机机器人语言言处理系统统的梗概，，完整的系系统还应包括括生成作业业程序的编编辑程序、、排除错误误的调试程序和输输出环境数数据的示教教系统程序序等。4.3运运动控控制4.3.3机器器人语言言4、VAL语言言1979年美国国Unimation公司推推出的VAL语语言，是是在BASIC语语言的基基础上扩扩展的机机器人语语言，它它具有BASlC语言言的结构构，在此此基础上上添加了了机器人人编程指指令和VAL监控控操作系系统。操操作系统统包括用用户交联联、编辑和磁盘盘管理等等部分。。VAL语言适适用于机机器人两两级控制系统，，上级机机是LSI—11／23小型型计算机机，机器器人各关节则则由6503微微处理器器控制。。上级机机还可以以和用户户终端、示示教盒、、I/O模块和和机器视视觉模块块等交联联。4.3运运动控控制4.3.3机器器人语言言4、VAL语言言VAL语语言在调调试过程程中可以以和BASIC语言以以及6503汇编语语言联合合使用。。VAL语言目目前主要要用在各各种类型的PUMA机器人人以及UNIMATE2000、UNIMATE4000系列机机器人上上。在VAL语言中中，机器器人终端端位置和和姿态用用齐次变变换表征。。当精度度要求较较高时，，可以用用精确点点的数据据表征终端位位置和姿姿态。4.3运运动控控制4.3.3机器器人语言言4、VAL语言言VAL语语言指令令分为二二类：程序指令令和监控指令令。（1）程程序指令令①运动指指令MOVE<loc>关节插补运动动。MOVES<Ioc>苗卡尔直线运运动。4.3运动动控制4.3.3机机器人语言4、VAL语语言（1）程序指指令①运动指令可以在运动过过程中进行手手爪的控制，，如MOVEPI，75该指令产生从从目前位置到到PI点的关关节插补运动动，并在运动过程程中，手爪打打开75mm。相应的笛笛卡尔直线插补运动指指令为：MOVESPI，754.3运动动控制4.3.3机机器人语言4、VAL语语言（1）程序指指令①运动指令APPRO<loc><dist>表示终端从当当前位置以关关节插补方式式移动到与目目标点<loc>在z轴方方向上相隔一一定距离的<dist>处。APPROS<loc><dist>含意同APPRO，但终终端移动方式式为直线运动动。DEPART<dist>或或DEPARTS<dist>表示终端从当当前位置以关关节插补形式式（或直线运运动）在z轴方方向移动移动动一段距离<dist>。4.3运动动控制4.3.3机机器人语言