机器人控制技术

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1、第四章机器人控制技术本章主要内容：1.机器人控制基础2.机器人传感器3.机器人编程重点和难点：重点是机器人传感器，难点是机器人编程课后作业：针对某一种机器人传感器查阅资料了解其工作原理和各种参数，了解常用机器人编程软件，以小论文形式上交。4.1机器人控制基础1.机器人控制系统特点机器人的结构一般采用空间开链结构，其各个关节的运动是独立的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关节的运动协调。因此，其控制系统与普通的控制系统相比要复杂的多，具有以下几个特点：（1）机器人的控制与结构运动学及动力学密切相关。机器人手爪的状态可以在各种坐标下

2、进行描述，应根据需要选择不同的参考坐标系并做适当的坐标变换。经常要求解运动学正问题和逆问题，除此之外还要考虑惯性力、外力（包括重力）及哥氏力、向心力的影响。（2）一个简单的机器人也至少有3~5个自由度，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。（3）把多个独立的伺服系统有机的协调起来，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，机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。（4）描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线

3、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，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。（5）机器人的动作往往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，用计算机建立起庞大的信息库，借助信息库进行控制、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，自动选择最佳的控制规律。2.机器人的控制方式工业机器人控制方式的分类，没有统一的标准，按运动坐

4、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做具体分析。1）位置控制方式工业机器人位置控制又分为点位控制和连续轨迹控制两类:①点位控制这类控制的特点是仅控制离散点上工业机器人手爪或工具的位姿，要求尽快而无超调地实现相邻

5、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。例如，在印刷电路板上安插元件以及点焊、搬运和上下料等工作，都属于点位式工作方式。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，一般来说，这种方式比较简单，但是要达到2~3um的定位精度也是相当困难的。②连续轨迹控制这类运动控制的特点是连续控制工业机器人手爪(或工具)的位姿轨迹。在弧焊、喷漆、切割等工作中，要求机器人末端执行器按照示教的轨迹运动。其控制方式类似于控制原理中的跟踪系统，称之为轨迹伺服控制。轨迹控制的技术指标是轨迹精度和平稳性。例如，在弧焊、喷漆、切割等场

6、所的工业机器人控制均属于这一类。2）速度控制方式对工业机器人的运动控制来说，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，工业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，如图所示。3）力（力矩）控制方式在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺服方式。这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩

7、）信号，因此系统中必须有力（力矩）传感器。有时也利用接近、滑动等传感功能进行自适应式控制。3．机器人控制系统结构和工作原理一个工业机器人系统通常分为机构本体和控制系统两大部分。控制系统的主要作用是根据用户的指令对机构本体进行操作和控制，完成作业的各种动作。控制系统的性能在很大程度上决定了机器人系统的性能。一个良好的控制器要有灵活、方便的操作方式，多种形式的运动控制方式和安全可靠地运行。构成机器人控制系统的要素主要有计算机硬件系统及操作控制软件、输人/输出设备及装置、驱动器、传感器系统，它们之间的关系如图所示。工业机器人控制系统是

8、机器人的重要组成部分，以完成特定的工作任务，其基本功能如下：①记忆功能。存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。②示教功能。离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。③与外围设备联系功能。输人和输出接口、通信接口、