第五章工业机景人控制 工业机票人的控制主要包抬:机景人动作的顺序、应实现的路径 与位置、动作射间间隔以及作用于对泉物上的作用力等。 工业机暴人要代替人完成某些振作,通常需要具有如图5-1所示的 控制机能。这些机能与工业机景人条统的组成有着对应关集。 早期工业机人的控制是通过示教再现方式进行的,控制装置是 由凸轮、挡块、插销板、穿孔纸带、鼓、继电器等机电元件构成。 而进入80年代的工业机景人则主要使用微型计算机糸统综合实现上 述装置的功能。本章介绍的工业机景人控制糸统都是以计算机控恻 为前提的。 装卸工件 动作顺序机能 动作机能喷滦焊接等 动作控制 机能 运动控制机能 控制机能 示教机能力控制机能 机器人 检测识别机能状态和环境识别 图5-1工业机器人的控制机能
第五章 工业机器人控制 工业机器人的控制主要包括：机器人动作的顺序、应实现的路径 与位置、动作时间间隔以及作用于对象物上的作用力等。 工业机器人要代替人完成某些操作，通常需要具有如图5-1所示的 控制机能。这些机能与工业机器人系统的组成有着对应关系。 早期工业机器人的控制是通过示教再现方式进行的，控制装置是 由凸轮、挡块、插销板、穿孔纸带、磁鼓、继电器等机电元件构成。 而进入80年代的工业机器人则主要使用微型计算机系统综合实现上 述装置的功能。本章介绍的工业机器人控制系统都是以计算机控制 为前提的
§5-工业机景人控制的特点及分类 工业机器人控制的特点 工业机器人的控制技术与传统的自动机械控制相比, 没有根本的不同之处。 然而,工业机器人控制系统一般是以机器人的单轴 或多轴运动协调为目的的控制系统。其控制结构要比 般自动机械的控制复杂得多,与一般的伺服系统或 过程控制系统相比,工业机器人控制系统有如下特点: (1)传统的自动机械是以自身的动作为重点,而工业 机器人的控制系统更着重本体与操作对象的相互关系。 无论以多么高的精度控制手臂,若不能央持并操作物 体到达目的位置,作为工业机器人来说,那就失去了 意义,这种相互关系是首要的
§5-l工业机器人控制的特点及分类 一、工业机器人控制的特点 工业机器人的控制技术与传统的自动机械控制相比， 没有根本的不同之处。 然而，工业机器人控制系统一般是以机器人的单轴 或多轴运动协调为目的的控制系统。其控制结构要比 一般自动机械的控制复杂得多，与一般的伺服系统或 过程控制系统相比，工业机器人控制系统有如下特点： (1)传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业 机器人的控制系统更着重本体与操作对象的相互关系。 无论以多么高的精度控制手臂，若不能央持并操作物 体到达目的位置，作为工业机器人来说，那就失去了 意义，这种相互关系是首要的
(2)工业机器人的控制与机构运动学及动力学密 。切相关。根据给定的任务,经常要求解运动学正问题 和逆问题,因此,往往要根据需要选择不同的基准坐 标系,并作适当的坐标变换。而且还因工业机器人各 关节之间惯性力、哥氏力的耦合作用以及重力负载的 影响使问题复杂化,所以使工业机器人控制问题也变 得复杂。 (3)即使一个简单的工业机器人也至少有3~5个自由 度。每个自由度一般包含一个伺服机构,多个独立的 伺服系统必须有机地协调起来,组成一个多变量的控 制系统。所以,工业机器人的控制,一般是一个计算 机控制系统,计算机软件担负着艰巨的任务
• (2)工业机器人的控制与机构运动学及动力学密 切相关。根据给定的任务，经常要求解运动学正问题 和逆问题，因此，往往要根据需要,选择不同的基准坐 标系，并作适当的坐标变换。而且还因工业机器人各 关节之间惯性力、哥氏力的耦合作用以及重力负载的 影响使问题复杂化，所以使工业机器人控制问题也变 得复杂。 • (3)即使一个简单的工业机器人也至少有3~5个自由 度。每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的 伺服系统必须有机地协调起来，组成一个多变量的控 制系统。所以，工业机器人的控制，一般是一个计算 机控制系统，计算机软件担负着艰巨的任务
(4)描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非 线性模型,随着状态的变化,其参数也在变化,各变量 之间还存在精合。因此,仅仅是位置闭环是不够的,还 要利用速度、甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些 控制策略,比如使用重力补偿、前馈、解耦、基于传感信 息的控制和最优PID控制等 (5)工业机器人还有一种特有的控制方式一示教再现 控制方式。当要工业机器人完成某作业时,可预先移动 工业机器人的手臂,来示教该作业顺序、位置以及其它 信息,在执行时,依靠工业机器人的动作再现功能,可 重复进行该作业。 ·总而言之,工业机器人控制系统是一个与运动学和 动力学原理密切相关的、有祸合的、非线性的多变量控 制系统。随着实际工作情况的不同,可以采用各种不同 的控制方式,从简单的编程自动化,微处理机控制到 型计算机控制等
• (4)描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非 线性模型，随着状态的变化，其参数也在变化，各变量 之间还存在精合。因此，仅仅是位置闭环是不够的，还 要利用速度、甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些 控制策略,比如使用重力补偿、前馈、解耦、基于传感信 息的控制和最优PID控制等。 • (5)工业机器人还有一种特有的控制方式－示教再现 控制方式。当要工业机器人完成某作业时，可预先移动 工业机器人的手臂，来示教该作业顺序、位置以及其它 信息，在执行时，依靠工业机器人的动作再现功能，可 重复进行该作业。 • 总而言之，工业机器人控制系统是一个与运动学和 动力学原理密切相关的、有祸合的、非线性的多变量控 制系统。随着实际工作情况的不同，可以采用各种不同 的控制方式，从简单的编程自动化，微处理机控制到小 型计算机控制等。 •
二、工业机景人控制的分类 工业机器人控制结构的选择,是由工业机器人所执 行的任务决定的,对不同类型的机器人已经发展了不 同的控制综合方法,从来没有人企图用统一的控制模 式对不同类型的机器人进行控制。工业机器人控制的 分类,没有统一的标准,如按运动坐标控制的方式来 分,有关节空间运动控制、直角坐标空间运动控制; 按控制系统对工作环境变化的适应程度来分,有程序 控制系统、适应性控制系统、人工智能控制系统;按 同时控制机器人数目的多少来分,可分为单控系统、 群控系统。除此以外,通常还按运动控制方式的不同, 将机器人控制分为位置控制、速度控制、力控制(包 括位置/力混合控制)三类。下面按后一种分类方法, 对工业机器人控制方式作具体分析
二、工业机器人控制的分类 工业机器人控制结构的选择，是由工业机器人所执 行的任务决定的，对不同类型的机器人已经发展了不 同的控制综合方法，从来没有人企图用统一的控制模 式对不同类型的机器人进行控制。工业机器人控制的 分类，没有统一的标准，如按运动坐标控制的方式来 分，有关节空间运动控制、直角坐标空间运动控制； 按控制系统对工作环境变化的适应程度来分，有程序 控制系统、适应性控制系统、人工智能控制系统；按 同时控制机器人数目的多少来分，可分为单控系统、 群控系统。除此以外，通常还按运动控制方式的不同， 将机器人控制分为位置控制、速度控制、力控制（包 括位置/力混合控制）三类。下面按后一种分类方法， 对工业机器人控制方式作具体分析
1.位置控制方式 (1)点位控制; (2)连续轨迹控制。 2速度控制方式 3力(力矩控制方式 指令 跟踪 起动快速运动段减速 加速段 定位段 图5-2位置控制方式 (a)点位控制;(b)连续轨迹控制 图53机器人行程的速度时间曲线
1.位置控制方式 (1)点位控制； (2)连续轨迹控制。 2.速度控制方式 3.力(力矩)控制方式
§5-2工业机票人位置控制 、位置控制问题 工业机器人位置控制的目的,就是要使机器人各关 节实现预先所规划的运动,最终保证工业机器人终端 (手爪)沿预定的轨迹运行。 实际中的工业机器人,大多为串接的连杆结构,其动 态特性具有高度的非线性。但在其控制系统的设计中, 往往把机器人的每个关节当成一个独立的伺服机构来 处理。伺服系统一般在关节坐标空间中指定参考输入, 采用基于关节坐标的控制
§5-2工业机器人位置控制 一、位置控制问题 工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关 节实现预先所规划的运动，最终保证工业机器人终端 (手爪)沿预定的轨迹运行。 实际中的工业机器人，大多为串接的连杆结构,其动 态特性具有高度的非线性。但在其控制系统的设计中， 往往把机器人的每个关节当成一个独立的伺服机构来 处理。伺服系统一般在关节坐标空间中指定参考输入， 采用基于关节坐标的控制
个关节装有位置传感器,用以测量关节位移; 在我们讨论的工业机器人模型中,通常每 有时还用速度传感器(如测速电机)检测关节 速度。虽然关节的驱动和传动方式多种多样, 但作为模型,总可以认为每一个关节是由一个 驱动器单独驱动的。工业机器人很少采用步进 电机等开环控制方式,应用中的工业机器人几 乎总是采用反馈控制,利用各关节传感器得到 的反馈信息,计算所需的力矩,发出相应的力 矩指令,以实现要求的运动
• 在我们讨论的工业机器人模型中，通常每 个关节装有位置传感器，用以测量关节位移； 有时还用速度传感器（如测速电机）检测关节 速度。虽然关节的驱动和传动方式多种多样， 但作为模型，总可以认为每一个关节是由一个 驱动器单独驱动的。工业机器人很少采用步进 电机等开环控制方式，应用中的工业机器人几 乎总是采用反馈控制，利用各关节传感器得到 的反馈信息，计算所需的力矩，发出相应的力 矩指令，以实现要求的运动
图5-4所示表示机器人本身、控制系统和轨迹规划 器之间的关系。工业机器人接受控制系统发出的关节 Lτ 节位置矢量θ和关节速度矢量θ,再反馈到控制器上, 这样由反馈控制构成了工业机器人的闭环控制系统。 设计这样的控制系统,其中心问题是保证所得到 的闭环系统满足一定的性能指标要求,它最基本的准 则是系统的稳定性。我们讲系统是稳定的,是指它在 实现所规划的路径轨迹时,即使在一定的干扰作用下 其误差仍然保持在很小的范围之内。在实际中,可以 利用数学分析的方法虫根据系统的模型和假设条件判 断系统的稳定性和动态品质,也可以采用仿真和实验 的方法判别系统的优劣
• 图5-4所示表示机器人本身、控制系统和轨迹规划 器之间的关系。工业机器人接受控制系统发出的关节 驱动力矩矢量τ，装于机器人各关节上的传感器测出关 节位置矢量θ和关节速度矢量θ，再反馈到控制器上， 这样由反馈控制构成了工业机器人的闭环控制系统。 • 设计这样的控制系统，其中心问题是保证所得到 的闭环系统满足一定的性能指标要求，它最基本的准 则是系统的稳定性。我们讲系统是稳定的，是指它在 实现所规划的路径轨迹时，即使在一定的干扰作用下， 其误差仍然保持在很小的范围之内。在实际中，可以 利用数学分析的方法虫根据系统的模型和假设条件判 断系统的稳定性和动态品质，也可以采用仿真和实验 的方法判别系统的优劣
图5-4中所示的所有信号线都是n*1维矢量,这表明工业机器人的 控制是个多输入-多输出(MMO)系统。在后面讨论的模型中,我们对 该系统进行了简化,即把每个关节作为一个独立的系统。因而,对于 个具有n个关节的工业机器人来说,我们可以把它分解成n个独立的 单输入-单输出(SSO控制系统。大多数工业机器人控制系统的设计都 采用这种简化方法。很显然,这种独立关节控制方法是近似的,因为 它忽略了工业机器人的运动结构特点,即各个关节之间相互耦合和随 形位变化的事实。如果对于更高性能要求的机器人控制,则必须考虑 更有效的动态模型、更高级的控制方法和更完善的计算机体系结构。 总之,与其它控制系统相比,机器人控制是相当复杂的 对工业机器人实施位置控制,位置检测元件是必不可少 的。检测 是为进行比较和判断提供依据,是对工业机器人实行操作和控制的基 础。为此,我们首先来讨论位置传感器。 轨迹规划 控制器 机器人千(环境 b传感器 和估值器 图5-4机器人控制系统方框图
• 图5-4中所示的所有信号线都是n*1维矢量，这表明工业机器人的 控制是个多输入-多输出(MIMO)系统。在后面讨论的模型中，我们对 该系统进行了简化，即把每个关节作为一个独立的系统。因而，对于 一个具有n个关节的工业机器人来说，我们可以把它分解成n个独立的 单输入-单输出(SISO)控制系统。大多数工业机器人控制系统的设计都 采用这种简化方法。很显然，这种独立关节控制方法是近似的，因为 它忽略了工业机器人的运动结构特点，即各个关节之间相互耦合和随 形位变化的事实。如果对于更高性能要求的机器人控制，则必须考虑 更有效的动态模型、更高级的控制方法和更完善的计算机体系结构。 总之，与其它控制系统相比，机器人控制是相当复杂的。 • 对工业机器人实施位置控制，位置检测元件是必不可少的。检测 是为进行比较和判断提供依据，是对工业机器人实行操作和控制的基 础。为此，我们首先来讨论位置传感器