機器學習技術(shù)與應(yīng)用 課件 第11課 機器人控制技術(shù)

智能機器人技術(shù)與應(yīng)用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材第11課機器人控制技術(shù)231知識目標（1）熟悉機器人控制系統(tǒng)，了解機器人控制技術(shù)。（2）了解機器人人機接口、通信、電源等技術(shù)。（3）了解機器人控制技術(shù)的發(fā)展。能力目標（1）掌握專業(yè)知識的學習方法，培養(yǎng)閱讀、思考與研究的能力。（2）積極參與“研究性學習小組”活動，提高組織和活動能力，具備團隊精神。素質(zhì)目標（1）熱愛學習，掌握學習方法，提高學習能力。（2）熱愛讀書，善于分析，勤于思考，關(guān)心智能技術(shù)進步。（3）體驗、積累和提高“大國工匠”的專業(yè)素質(zhì)。學習目標

愿景

體驗

創(chuàng)意

實踐重點難點（1）熟悉機器人控制技術(shù)。（2）熟悉機器人各項綜合技術(shù)。目錄機器人控制系統(tǒng)01智能控制技術(shù)02人機接口技術(shù)03機器人通信技術(shù)04機器人電源技術(shù)05第11課機器人控制技術(shù)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序及從傳感器反饋回來的信號控制機器人的執(zhí)行機構(gòu)，使其完成規(guī)定的運動和功能。如果機器人不具備信息反饋特征，則該控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，反之，則稱該控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。這部分主要由計算機硬件和控制軟件組成。軟件主要由人機交互系統(tǒng)和控制算法等組成，這部分的作用相當于人的大腦。機器人控制系統(tǒng)0101

機器人控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序及傳感器的反饋信號來控制機器人的執(zhí)行機構(gòu)，使其完成規(guī)定的運動和功能。圖11-3機器人控制系統(tǒng)示意01

機器人控制系統(tǒng)（1）按機器人有無信息反饋特征，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)精確控制的條件是：精確地知道被控對象模型，并且這一模型在控制過程中保持不變。該部分主要由計算機硬件和控制軟件組成。軟件主要由人與機器人進行聯(lián)系的人機交互系統(tǒng)和控制算法等組成。該部分的作用相當于人的大腦。（2）按所期望的控制量分，包括位置控制、力控制和混合控制。位置控制分為：單關(guān)節(jié)位置控制（包括位置反饋、位置速度反饋和位置速度加速度反饋）；多關(guān)節(jié)位置控制分為：分解運動控制、集中控制；力控制分為：直接力控制、阻抗控制和力位混合控制。（3）智能化控制方式，包括模糊控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制以及其他?？刂破魑恢每刂?1

機器人控制系統(tǒng)軌跡規(guī)劃機器人示教原理硬件配置及結(jié)構(gòu)示意01

機器人控制系統(tǒng)11.1.1控制器“控制”的目的是使被控對象產(chǎn)生控制者所期望的行為方式，其基本條件是了解被控對象的特性，實質(zhì)是對驅(qū)動器輸出力矩的控制，控制器參與的是計算發(fā)送指令和能量供應(yīng)的整個過程，它根據(jù)指令以及傳感器信息控制機器人完成

一定的動作或作業(yè)任務(wù)，是決定機器人功能

和性能的主要因素。

圖11-4機器人控制柜01

機器人控制系統(tǒng)除了控制器部件外，機器人的硬件部分還包括：（1）開關(guān)電源（SMPS）：提供能量；（2）CPU模塊：控制行動；（3）伺服驅(qū)動模塊：控制電流讓機器人關(guān)節(jié)移動；（4）持續(xù)模塊：相當于人類的交感神經(jīng)，掌管機器人的安全、迅速控制機器人以及緊急情況停止等；（5）輸入輸出模塊：相當于檢測反應(yīng)神經(jīng)，是機器人與外部世界

的接口。01

機器人控制系統(tǒng)11.1.2位置控制從控制本質(zhì)來看，目前的工業(yè)機器人大多數(shù)情況下還是處于比較底層的空間定位控制階段，只是一個相對靈活的機械臂，離“人”還有很

長一段距離。

圖11-5機器人的位置控制01

機器人控制系統(tǒng)機器人的位置控制有多種控制方式：（1）點位控制方式（PTP）。只對工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點上的位姿進行控制。在控制時，要求工業(yè)機器人能夠快速、準確地在相鄰各點之間運動，對達到目標點的運動軌跡則不作任何規(guī)定。定位精度和運動所需的時間是這種控制方式的兩個主要技術(shù)指標。這種控制方式具有實現(xiàn)容易、定位精度要求不高的特點，因此，常被應(yīng)用在上下料、搬運、點焊和在電路板上安插元件等只要求目標點處保持末端執(zhí)行器位姿準確的作業(yè)中。這種方式簡單，但要達到2~3um的定位精度相

當困難。01

機器人控制系統(tǒng)（2）連續(xù)軌跡控制方式（CP）。是對工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿進行連續(xù)控制，要求其嚴格按照預定軌跡和速度在一定的精度范圍內(nèi)運動，而且速度可控，軌跡光滑，運動平穩(wěn)，以完成作業(yè)任務(wù)。工業(yè)機器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地進行相應(yīng)的運動，其末端執(zhí)行器即可形成連續(xù)軌跡。這種控制方式的主要技術(shù)指標是工業(yè)機器人末端執(zhí)行器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性，通常弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業(yè)機器人都采用這種控制方式。01

機器人控制系統(tǒng)（3）力（力矩）控制方式。機器人在完成一些與環(huán)境存在力作用的任務(wù)時，比如打磨、裝配、抓放物體，除了要求準確定位之外，還要求所使用的力或力矩必須合適，這時要使用（力矩）伺服方式。這種控制方式的原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過輸入量和反饋量不是位置信號，而是力（力矩）信號，所以該系統(tǒng)中必須有力（力矩）傳感器。有時也利用接近、滑動等傳感功能進行自適應(yīng)式控制。01

機器人控制系統(tǒng)機器人的力控制泛指機器人應(yīng)用領(lǐng)域中，利用力傳感器作為反饋裝置，將力反饋信號與位置控制（或速度控制）輸入信號相結(jié)合，通過相關(guān)的力/位混合算法，實現(xiàn)的力/位混合控制技術(shù)。也稱力/位混合控制技術(shù)。力控制技術(shù)是機器人技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，目的是為機器人增加觸覺，與機器人視覺技術(shù)相結(jié)合組成機器人的視覺和觸覺。力控制技術(shù)主要分為關(guān)節(jié)力控制技術(shù)和末端力控制技術(shù)。其中關(guān)節(jié)力控制指機器人各關(guān)節(jié)均具備一個力/力矩傳感器，而末端力控制指機器人末端裝有一個力傳感器（1~6維傳感器）。單純的位置控制會由于位置誤差而引起過大的作用力，從

而會傷害零件或機器人。在這類受限環(huán)境中運動時，往往

需要配合力控制來使用。01

機器人控制系統(tǒng)在位置控制下，機器人會嚴格按照預先設(shè)定的位置軌跡進行運動。若運動過程中遭遇到障礙物的阻攔，導致機器人位置追蹤誤差變大時，機器人會努力去追蹤預設(shè)軌跡，最終導致機器人與障礙物之間產(chǎn)生巨大的內(nèi)力。而在力控制下，以控制機器人與障礙物間的作用力為目標。當機器人遭遇障礙物時，會智能地調(diào)整預設(shè)位置軌跡，從而消除內(nèi)力。01

機器人控制系統(tǒng)11.1.3軌跡規(guī)劃軌跡規(guī)劃方法分為兩個方面。（1）工業(yè)機器人軌跡。常用的軌跡規(guī)劃包括機械臂末端行走的曲線軌跡（點位作業(yè)），或是操作臂在運動過程中的位移、速度和加速度的曲

線輪廓（連續(xù)路徑作業(yè)，或稱輪廓運動）。軌跡規(guī)

劃既可以在關(guān)節(jié)空間也可以在直角空間中進行。

圖11-6軌跡規(guī)劃01

機器人控制系統(tǒng)（2）移動機器人路徑軌跡。指移動的路徑軌跡規(guī)劃，如機器人是在有地圖條件或是沒有地圖的條件下，按什么樣的路徑軌跡來行走，是基于模型和基于傳感器的路徑規(guī)劃，還是全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。自主移動機器人的導航問題要解決的是：①“我現(xiàn)在何處？”，②“我要往何處去？”和③“我要如何到該處去？”。局部路徑規(guī)劃主要解決問題①和③，即機器人定位和路徑跟蹤問題；方法主要有：人工勢

場法、模糊邏輯算法等。全局路徑規(guī)劃主要解決②，即全局目標分解為局部目標，

再由局部規(guī)劃實現(xiàn)局部目標。主要有可視圖法、環(huán)境分割法（自由空間法、柵格法）

等。01

機器人控制系統(tǒng)離線路徑規(guī)劃是基于環(huán)境先驗完全信息的路徑規(guī)劃。完整的先驗信息只能適用于靜態(tài)環(huán)境，這種情況下，路徑是離線規(guī)劃的。在線路徑規(guī)劃是基于傳感器信息的不確定環(huán)境的路徑規(guī)劃。在這種情況下，路徑必須是在線規(guī)劃的。01

機器人控制系統(tǒng)（3）移動機器人動作規(guī)劃。一般來講，移動機器人有三個自由度（X，Y，θ），機械手有6個自由度（3個位置自由度和3個姿態(tài)自由度）。因此，移動機器人的動作規(guī)劃不是在2個位置自由度（X，Y）構(gòu)成的2維空間，而是要搜索位置和姿態(tài)構(gòu)成的3維空間。01

機器人控制系統(tǒng)11.1.4機器人示教原理機器人的基本工作原理是示教再現(xiàn)。示教也稱導引，即由用戶導引機器人，一步步按實際任務(wù)操作一遍，機器人在導引過程中自動記憶示教中每個動作的位置、姿態(tài)、運動參數(shù)/工藝參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機器人一個啟動命令，機器人將精確地按示教動作，一步步完成全部操作。01

機器人控制系統(tǒng)機器人的一大優(yōu)點就是它的程序可以很容易修改，這一點可以讓它們在不同的場景切換使用。為了能夠使人們操控機器人，就必須依靠示教器來進行。在示教器的顯示界面上可以看到機器人的編程語言以及機器人的各項狀態(tài)，可以通過示

教器來完成機器人的編程。

圖11-7機器人示教01

機器人控制系統(tǒng)控制技術(shù)可以繪制表格，然后根據(jù)圖表來控制機器人的運動?？梢允褂糜嬎愠龅牧W數(shù)據(jù)來完成對機器人的規(guī)劃和動作控制。此外，機器視覺以及沉浸式深度學習及分類等都屬于控制技術(shù)的范疇。01

機器人控制系統(tǒng)11.1.5硬件配置及結(jié)構(gòu)示意由于機器人的控制過程中涉及大量的坐標變換和插補運算以及較低層的實時控制，所以機器人控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上大多數(shù)采用分層結(jié)構(gòu)的微型計算機控制系統(tǒng)，通常采用的是兩級計算機伺服控制系統(tǒng)。

圖11-8控制系統(tǒng)工作原理01

機器人控制系統(tǒng)其具體流程是：主控計算機接到工作人員輸入的作業(yè)指令后，首先分析解釋指令，確定手的運動參數(shù)。然后，進行運動學、動力學和插補運算，最后得出機器人各個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動參數(shù)。這些參數(shù)經(jīng)過通信線路輸出到伺服控制級，作為各個關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)的給定信號。關(guān)節(jié)驅(qū)動器將此信號D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動各個關(guān)節(jié)產(chǎn)生協(xié)調(diào)運動。傳感器將各個關(guān)節(jié)的運動輸出信號反饋回伺服控制級計算機形成局部閉環(huán)控制，從而更加精確的控制機器人手部在空間的運動?；赑LC（可編程控制器）的運動控制兩種控制方式是：（1）利用PLC的某些輸出端口使用脈沖輸出指令來產(chǎn)生脈沖驅(qū)動電機，同時使用通用I/O或者計數(shù)部件來實現(xiàn)電機的閉環(huán)位置控制。（2）使用PLC外部擴展的位置控制模塊來實現(xiàn)電機的閉環(huán)位置控制主要是以發(fā)高速脈沖方式控制，屬于位置控制方式，一般點到點的位置控制方式較多。智能控制技術(shù)0202

智能控制技術(shù)機器人的智能控制是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識庫作出相應(yīng)的決策。采用智能控制技術(shù)，使機器人具有較強的環(huán)境適應(yīng)性及自學習能力。智能控制技術(shù)的發(fā)展有賴于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基因算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展。機器人的智能控制方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、智能

控制技術(shù)的融合（包括模糊控制和變結(jié)構(gòu)控制的

融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和變結(jié)構(gòu)控制的融合、模糊控制

和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的融合、基于遺傳算法的模糊控

制方法）等。

圖11-9智能城市照明系統(tǒng)示意02

智能控制技術(shù)智能控制方法提高了機器人的速度及精度，但也有其自身的局限性，例如機器人模糊控制的規(guī)則庫如果過于龐大，則推理過程時間會過長；如果規(guī)則庫簡單，控制的精確性又會受到限制。無論是模糊控制還是變結(jié)構(gòu)控制，抖振現(xiàn)象都會存在，這將給控制帶來嚴重的影響。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層數(shù)量和隱層內(nèi)神經(jīng)元數(shù)的合理確定，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制方面所遇到的問題。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷于局部極小值等問題，也是智能控制設(shè)計中要解決的問題。人機接口技術(shù)0303

人機接口技術(shù)智能機器人的研究目標并不是完全取代人，復雜的智能機器人系統(tǒng)僅僅依靠計算機來控制是有一定困難，即使可以做到，也由于缺乏對環(huán)境的適應(yīng)能力而并不實用。智能機器人系統(tǒng)需要借助人機協(xié)調(diào)來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。因此，設(shè)計良好

的人機接口就成為智能機器人研究的重點問題

之一。

圖11-10機器人人機接口03

人機接口技術(shù)人機接口技術(shù)是研究如何使人方便自然地與計算機交流。為了實現(xiàn)這一目標，除了要求機器人控制器有友好的、靈活方便的人機界面之外，還要求計算機能夠看懂文字、聽懂語言、說話表達，甚至能夠進行不同語言之間的翻譯，而這些功能的實現(xiàn)又依賴于知識表示方法的研究。因此，研究人機接口技術(shù)既有巨大的應(yīng)用價值，又有基礎(chǔ)理論意義。人機接口技術(shù)已經(jīng)取得了顯著成果，文字識別、語音合成與識別、圖像識別與處理、機器翻譯等技術(shù)開始實用化。另外，人機接口裝置和交互技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、遠程操作技術(shù)、通訊技術(shù)等

也是人機接口技術(shù)的重要組成部分，其中遠程操作技術(shù)是

一個重要的研究方向。機器人通信技術(shù)0404

機器人通信技術(shù)工業(yè)機器人的運動性能直接決定了機器人是否能夠用于特定的工藝，比如精度和速度。機器人的通信方式則直接決定了機器人能否集成到系統(tǒng)中以及支持的控制復雜度。普通IO現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)04

機器人通信技術(shù)04

機器人通信技術(shù)11.4.1普通IO本地IO模塊是機器人控制柜上最常見的或者說是必備的模塊之一。最常見的有8輸入和8輸出，或者16輸入和16輸出；以模擬量的0V和24V作為數(shù)字控制中的0和1。在小型系統(tǒng)中，用來方便快速地連接電磁閥以及傳感器，實現(xiàn)夾具等控制。在較復雜的IO應(yīng)用中，可以使用cross-function

（跨職能）將數(shù)個IO信號通過固定的邏輯關(guān)系組合

在一起，通過一個IO信號來控制。在較少的情況下，

可以將數(shù)個單獨的IO信號合并為一個組，用于傳輸

較為復雜的信號。

圖11-11機器人IO接口04

機器人通信技術(shù)11.4.2現(xiàn)場總線從系統(tǒng)的角度看，工業(yè)總線是用于不同工業(yè)設(shè)備之間通信的可靠接口，比如機器人和PLC的通信；從控制方式的角度，工業(yè)總線是作為普通IO的擴展。是否使用總線以及使用何種總線，一般取決于系統(tǒng)中除機器人系統(tǒng)之外的設(shè)備能夠支持的通信方式。比如電氣控制系統(tǒng)中的PLC支持網(wǎng)路，而且PLC和機器人系統(tǒng)有控制系統(tǒng)的交互，則機器人也一般會選配網(wǎng)路通信功能。工業(yè)機器人提供的現(xiàn)場總線（見圖11-12）通訊方式包括網(wǎng)路、現(xiàn)場總線、設(shè)備網(wǎng)、以太網(wǎng)IP

等，如果通訊方式與主控設(shè)備不符，還可以通過使用通訊

轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換將主控設(shè)備與工業(yè)機器人連接。04

機器人通信技術(shù)

圖11-12機器人工作場景的現(xiàn)場總線示意04

機器人通信技術(shù)現(xiàn)場總線主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)信息傳遞問題。由于現(xiàn)場總線簡單、可靠、經(jīng)濟實用等一系列突出的優(yōu)點，因而受到了許多標準團體和計算機廠商的高度重視。04

機器人通信技術(shù)11.4.3網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)技術(shù)一直在各個領(lǐng)域改變著行業(yè)的游戲規(guī)則，從早期的局域網(wǎng)到后來的寬帶網(wǎng)絡(luò)，再到如今的互聯(lián)網(wǎng)。以太網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵組件正在被用于工業(yè)控制現(xiàn)場總線，推動著整個制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的演變和進化。

圖11-13以太網(wǎng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場總線04

機器人通信技術(shù)（1）Socket。非常好用的通信方式，能夠以字符串的形式發(fā)送各種數(shù)據(jù)，甚至可以一次將各種數(shù)據(jù)以特定的形式打包后發(fā)送。比如讓機器人1在工位2抓取后在工位3位置放下，就可以表示為：“robot1;pickPosition2;placePosition3”。信息的具體格式，可以自定義，從而具有極強的柔性。（2）PCSDK。這是對機器人的遠程通信和控制的控制接口