第06章 机器人控制技术

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1、教案首页课程名称农业机器人任课教师李玉柱第6章机器人控制技术计划学时3教学目的和要求：1.什么是机器人控制技术，为什么对机器人进行控制？2.了解机器人控制方式的分类；3.了解工业机器人位置控制原理；4.了解机器人运动轨迹规划。重点：1.机器人控制方式分类2.机器人位置控制原理3.了解机器人运动轨迹规划难点：1.机器人位置控制原理2.了解机器人运动轨迹规划思考题：1.机器人通常有哪些控制方式？2.何谓轨迹规划？简述轨迹规划的基本方法并说明其特点。3.农业机器人控制有何特点？23第6章机器人控制技术教学主要内容：6.1概述6.2机器人控

2、制方式的分类6.3机器人位置控制6.4机器人运动轨迹规划机器人控制技术是机器人技术的关键技术。本章从机器人控制方式是分类出发，先后介绍了机器人位置控制、运动轨迹规划等。6.1概述机器人要运动，就要对它的位置、速度、加速度以及力或力矩等进行控制，由于机器人的结构是一个空间开链机构，其各个关节的运动时独立的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关节的协调运动。因此其控制系统与普通的控制系统相比要复杂得多，具体如下：机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。机器人手足的状态可以在各种坐标下进行描述，应当根据需要选择不同的参考坐标系，并作适当的

3、坐标变换。经常要求正向运动学和反向运动学的解，此外还要考虑惯性力、外力（包括重力）、哥氏力及向心力的影响。23一个简单的机器人至少有3-5各自由度，比较复杂的机器人有十几个甚至几十个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。把多个独立的伺服系统有机地协调起来，使其按照人的意志行动，甚至赋予机器人一定的“智能”，这个任务只能由计算机来完成，因此机器人控制必须是一个计算机控制系统。描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此

4、，仅仅利用位置闭环是不够的，还要利用速度甚至加速度闭环。系统中经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。机器人的动作往往是可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在一个“最优”的问题。较高级的机器人可以用人工智能的方法，用计算机建立庞大的信息库，借助于信息库进行控制、决策、管理和操作、根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况，按照给定的指标要求，自动地选择最佳的控制规律。6.2机器人控制方式的分类关节空间运动控制直角坐标空间运动控制按坐标控制分程序控制系统适应性控制系统人工智控制能系统按控制系统对环境变化的适应度来分23单

5、控系统群控系统按同时控制机器人数目分位置控制速度控制力或力矩控制智能控制按运动控制方式分（1）位置控制方式机器人位置控制又分为点位控制和连续轨迹控制①点位控制这类控制的特点是仅控制离散点上机器人手爪或工具的位姿，要求尽快而无超调的实现相邻点之间的运动，但对相邻点之间的运动轨迹一般不做具体规定。点位控制的主要技术指标是定位精度和完成运动所需的时间。例如，在印刷电路上安插元件、点焊、搬运、上下料等工作，都采用点位控制方式。②连续轨迹控制这类运动控制的特点是连续控制机器人手爪的位姿轨迹。一般要求速度可控、轨迹光滑且运动平稳。轨迹控制的技术

6、指标是轨迹精度和平稳性，例如，在弧焊、喷漆、切割等场所的机器人控制均属这一类。（2）速度控制方式23对机器人运动控制来说，在位置控制的同时，有时还要进行速度控制。例如，在连续轨迹控制方式的情况下，机器人按预定的指令，控制运动部件的速度和实行加、减速，以满足运动平稳、定位准确的要求。为了实现这一要求，机器人的行程要遵循一定的速度变化曲线。由于机器人是一种工作情况（行程负载）多变、惯性负载大的运动机械，要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制启动加速和停止前的减速这两个过度运动区段。（3）力（矩）控制方式在进行装配或抓取物体等作业时，机器人末

7、端操作器与环境或作业对象的表面接触，除了要求准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要采取力（力矩）控制方式。力（力矩）控制是对位置控制的补充，这种方式的控制原理与位置伺服控制原理也基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是（力矩）信号，因此，系统中有力（力矩）传感器。有时也利用接近觉、滑觉等功能进行适应性控制。（4）智能控制方式机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库作出相应的决策。采用智能控制技术，使机器人具有较强的环境适应性及自学习能力。智能控制技术的发展有赖于近年来的人工网络

8、、基因算法、专家系统等人工智能的迅速发展。236.3机器人位置控制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，最终保证机器人终端（手爪）沿预订的轨迹运行。实际中的机器人，大多为串接的连杆结构，其动态特性具有高度的非线