第三部分機(jī)器人控制技術(shù)

第三部分機(jī)器人控制技術(shù)第一頁(yè)，共35頁(yè)。

主要內(nèi)容機(jī)器人控制特點(diǎn)控制系統(tǒng)組成機(jī)器人控制方式第二頁(yè)，共35頁(yè)。機(jī)器人控制特點(diǎn)1、大量的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)運(yùn)算，涉及矢量、矩陣、坐標(biāo)變換和微積分等運(yùn)算。2、機(jī)器人的控制不僅是非線性的，而且是多變量

耦合的。3、機(jī)器人的控制還必須解決優(yōu)化、決策的問(wèn)題。第三頁(yè)，共35頁(yè)。1、硬件機(jī)器人控制系統(tǒng)組成第四頁(yè)，共35頁(yè)。2、軟件第五頁(yè)，共35頁(yè)。兩種分類(lèi)方式：

1、按機(jī)器人手部在空間的運(yùn)動(dòng)方式分：

（1）點(diǎn)位控制方式——PTP點(diǎn)位控制又稱(chēng)為PTP控制，其特點(diǎn)是只控制機(jī)器人手部在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿。

這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間。常應(yīng)用上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊和在電路板上插接元器件等定位精度要求不高且只要求機(jī)器人在目標(biāo)點(diǎn)處保持手部具有準(zhǔn)確位姿的作業(yè)中。機(jī)器人控制方式第六頁(yè)，共35頁(yè)。1、按機(jī)器人手部在空間的運(yùn)動(dòng)方式分：

（2）連續(xù)軌跡控制方式——CP連續(xù)軌跡控制又稱(chēng)為CP控制，其特點(diǎn)是連續(xù)的控制機(jī)器人手部在作業(yè)空間中的位姿，要求其嚴(yán)格的按照預(yù)定的路徑和速度在一定的精度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)機(jī)器人手部位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。通?；『?、噴漆、去毛邊和檢測(cè)作業(yè)的機(jī)器人都采用這種控制方式。

有的機(jī)器人在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，上述兩種控制方式都具有，如對(duì)進(jìn)行裝配作業(yè)的機(jī)器人的控制等。第七頁(yè)，共35頁(yè)。2、按機(jī)器人控制是否帶反饋分：

（1）非伺服型控制方式

非伺服型控制方式是指未采用反饋環(huán)節(jié)的開(kāi)環(huán)控制方式。在這種控制方式下，機(jī)器人作業(yè)時(shí)嚴(yán)格按照在進(jìn)行作業(yè)之前預(yù)先編制的控制程序來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作順序，在控制過(guò)程中沒(méi)有反饋信號(hào)，不能對(duì)機(jī)器人的作業(yè)進(jìn)展及作業(yè)的質(zhì)量好壞進(jìn)行監(jiān)測(cè).因此，這種控制方式只適用于作業(yè)相對(duì)固定、作業(yè)程序簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)精度要求不高的場(chǎng)合，它具有費(fèi)用省，操作、安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。第八頁(yè)，共35頁(yè)。2、按機(jī)器人控制是否帶反饋分：

（2）伺服型控制方式伺服型控制方式是指采用了反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制方式。這種控制方式的特點(diǎn)是在控制過(guò)程中采用內(nèi)部傳感器連續(xù)測(cè)量機(jī)器人的關(guān)節(jié)位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并反饋到驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成閉環(huán)伺服控制。如果是適應(yīng)型或智能型機(jī)器人的伺服控制，則增加了機(jī)器人用外部傳感器對(duì)外界環(huán)境的檢測(cè)，使機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的變化具有適應(yīng)能力，從而構(gòu)成總體閉環(huán)反饋的伺服控制方式。第九頁(yè)，共35頁(yè)。1、示教再現(xiàn)功能

示教人員預(yù)先將機(jī)器人作業(yè)的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)先教給機(jī)器人，在示教的過(guò)程中，機(jī)器人控制系統(tǒng)的記憶裝置就將所教的操作過(guò)程自動(dòng)地記錄在存儲(chǔ)器中。當(dāng)需要機(jī)器人工作時(shí)，機(jī)器人的控制系統(tǒng)就調(diào)用存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，使機(jī)器人再現(xiàn)示教過(guò)的操作過(guò)程，由此機(jī)器人即可完成要求的作業(yè)任務(wù)。

機(jī)器人的示教再現(xiàn)功能易于實(shí)現(xiàn)，編程方便，在機(jī)器人的初期得到了較多的應(yīng)用。

機(jī)器人控制功能第十頁(yè)，共35頁(yè)。2、運(yùn)動(dòng)控制功能運(yùn)動(dòng)控制功能是指通過(guò)對(duì)機(jī)器人手部在空間的位姿、速度、加速度等項(xiàng)的控制，使機(jī)器人的手部按照作業(yè)的要求進(jìn)行動(dòng)作，最終完成給定的作業(yè)任務(wù)。

它與示教再現(xiàn)功能的區(qū)別：在示教再現(xiàn)控制中，機(jī)器人手部的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)是由示教人員教給它的，其精度取決于示教人員的熟練程度。而在運(yùn)動(dòng)控制中，機(jī)器人手部的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)是由機(jī)器人的控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)算得來(lái)的，且在工作人員不能示教的情況下，通過(guò)編程指令仍然可以控制機(jī)器人完成給定的作業(yè)任務(wù)。機(jī)器人控制功能第十一頁(yè)，共35頁(yè)?？刂七^(guò)程：示教人員將機(jī)器人作業(yè)任務(wù)中要求手的運(yùn)動(dòng)預(yù)先教給機(jī)器人，在示教的過(guò)程中，機(jī)器人控制系統(tǒng)就將關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)記憶存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。當(dāng)需要機(jī)器人工作時(shí)，機(jī)器人的控制系統(tǒng)就調(diào)用存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人再現(xiàn)示教過(guò)的手的運(yùn)動(dòng)，由此完成要求的作業(yè)任務(wù)。

作業(yè)任務(wù)手的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)示教記憶再現(xiàn)驅(qū)動(dòng)反饋示教再現(xiàn)控制第十二頁(yè)，共35頁(yè)。示教方式

機(jī)器人示教的方式種類(lèi)繁多，總的可以分為集中示教方式和分離示教方式。

1、集中示教方式將機(jī)器人手部在空間的位姿、速度、動(dòng)作順序等參數(shù)同時(shí)進(jìn)行示教的方式，示教一次即可生成關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服指令。2、分離示教方式將機(jī)器人手部在空間的位姿、速度、動(dòng)作順序等參數(shù)分開(kāi)單獨(dú)進(jìn)行示教的方式，一般需要示教多次才可生成關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。

第十三頁(yè)，共35頁(yè)。示教方式

當(dāng)對(duì)用點(diǎn)位（PTP）控制的點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行示教時(shí)，可以分開(kāi)編制程序，且能進(jìn)行編輯、修改等工作，但是機(jī)器人手部在作曲線運(yùn)動(dòng)而且位置精度要求較高時(shí)，示教點(diǎn)數(shù)就會(huì)較多，示教時(shí)間就會(huì)拉長(zhǎng)，且在每一個(gè)示教點(diǎn)處都要停止和啟動(dòng)，因此就很難進(jìn)行速度的控制。第十四頁(yè)，共35頁(yè)。示教方式

當(dāng)對(duì)用連續(xù)軌跡（CP）控制的弧焊、噴漆機(jī)器人進(jìn)行示教時(shí)，示教操作一旦開(kāi)始就不能中途停止，必須不中斷的連續(xù)進(jìn)行到底，且在示教途中很難進(jìn)行局部的修改。示教時(shí)，可以是手把手示教，也可通過(guò)示教盒示教。第十五頁(yè)，共35頁(yè)。19四月2023記憶過(guò)程示教關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)變換裝置控制系統(tǒng)傳感裝置存儲(chǔ)器檢測(cè)轉(zhuǎn)換保存在示教的過(guò)程中，機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化被傳感器檢測(cè)到，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)變換裝置送入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)就將這些數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中，作為再現(xiàn)示教過(guò)的手的運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)。

第十六頁(yè)，共35頁(yè)。1、記憶速度

取決于傳感器的檢測(cè)速度、變換裝置的轉(zhuǎn)換速度和控制系統(tǒng)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度。2、記憶容量

取決于控制系統(tǒng)存儲(chǔ)器的容量。

記憶過(guò)程示教關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)變換裝置控制系統(tǒng)傳感裝置存儲(chǔ)器檢測(cè)轉(zhuǎn)換保存第十七頁(yè)，共35頁(yè)。機(jī)器人示教第十八頁(yè)，共35頁(yè)。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是指機(jī)器人手部在空間從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的過(guò)程中或沿某一軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)其位姿、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的控制。由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，機(jī)器人手部的運(yùn)動(dòng)是由各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)引起的，所以控制機(jī)器人手部的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是通過(guò)控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)動(dòng)控制第十九頁(yè)，共35頁(yè)?？刂七^(guò)程：

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解和數(shù)學(xué)插補(bǔ)運(yùn)算得到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加速度，再根據(jù)動(dòng)力學(xué)正解得到各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力（矩）。機(jī)器人控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)算得到的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)控制驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而合成手在空間的運(yùn)動(dòng)，由此完成要求的作業(yè)任務(wù)。

驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)正解運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解作業(yè)任務(wù)手的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)位移、速度、加速度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力（矩）驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)反饋運(yùn)動(dòng)控制第二十頁(yè)，共35頁(yè)?？刂撇襟E：

第一步：關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成，即將機(jī)器人手部在空間的位姿變化轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)變量隨時(shí)間按某一規(guī)律變化的函數(shù)。這一步一般可離線完成。

第二步：關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制，即采用一定的控制算法跟蹤執(zhí)行第一步所生成的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令，這是在線完成的。第一步第二步驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)正解運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解作業(yè)任務(wù)手的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)位移、速度、加速度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力（矩）驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)反饋第二十一頁(yè)，共35頁(yè)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成1、軌跡規(guī)劃?rùn)C(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的軌跡規(guī)劃生成方法是指根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的機(jī)器人手部在空間的位姿、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化，通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的求解和各種插補(bǔ)運(yùn)算等數(shù)學(xué)方法最終生成相應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令。第二十二頁(yè)，共35頁(yè)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過(guò)程在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃時(shí)，首先要對(duì)機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)進(jìn)行描述，得到機(jī)器人手部在空間的位姿變化，然后根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及其逆解并通過(guò)適當(dāng)?shù)牟逖a(bǔ)運(yùn)算求出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的位移、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化，再通過(guò)動(dòng)力學(xué)運(yùn)算最終生成機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需的伺服指令。PTP下的軌跡規(guī)劃是在關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間進(jìn)行。CP下的軌跡規(guī)劃是在直角坐標(biāo)空間進(jìn)行。

第二十三頁(yè)，共35頁(yè)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成（1）PTP下的軌跡規(guī)劃步驟：第一步：由手的位姿得到對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的位移；第二步：不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)位移之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；第三步：由關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變化計(jì)算關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力（矩）。第二十四頁(yè)，共35頁(yè)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過(guò)程（1）PTP下的軌跡規(guī)劃第一步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的位姿得到機(jī)器人對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)變量的取值。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解實(shí)現(xiàn)方法第二十五頁(yè)，共35頁(yè)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過(guò)程（1）PTP下的軌跡規(guī)劃第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值t0第二十六頁(yè)，共35頁(yè)。第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值若按線性變化，則有：t0t00第二十七頁(yè)，共35頁(yè)。t00運(yùn)動(dòng)控制第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值若加速度無(wú)沖擊，則有：t0第二十八頁(yè)，共35頁(yè)。2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過(guò)程（1）PTP下的軌跡規(guī)劃第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值A(chǔ)、三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算設(shè)起點(diǎn)到終點(diǎn)的位移變化規(guī)律為：則速度為：運(yùn)動(dòng)控制第二十九頁(yè)，共35頁(yè)。第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值A(chǔ)、三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)需要滿足的約束條件可表示為

：位移約束速度約束運(yùn)動(dòng)控制第三十頁(yè)，共35頁(yè)。由此可得有關(guān)系數(shù)的4個(gè)線性方程為：運(yùn)動(dòng)控制第三十一頁(yè)，共35頁(yè)。

求解該