机器人控制和运动规划.pdf

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1、机器人技术基础----机器人控制和运动规划中国海洋大学工程学院张磊机器人控制和运动规划目Contents录01控制与规划方式02插补和轨迹规划03机器人轨迹插值方法04机器人手部路径和轨迹规划1、机器人控制和运动规划工业机器人控制方式有不同的分类，如按被控对象可分为位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制等，其中位置控制是机器人的最基本的控制任务。1.1、机器人位置控制机器人的很多作业是控制机器人末端工具的位置和姿态，以实现点到点的控制（如搬运、点焊机器人）或连续路径控制（如

2、弧焊、喷漆机器人），因此实现机器人的位置控制是机器人的基本控制任务，它也称为位姿控制或轨迹控制。1、机器人控制和运动规划1）点位（PTP）与连续（CP）控制PTP（PointtoPoint）控制，是指我们只关心目标点，而不考虑两点（A->B）之间的运动路径。PTP控制比较简单，一般只用于简单的搬运，送料等作业，在机器人中属低级控制水平。CP（ContinuousPath）控制,是指连续路径控制，即我们不仅关心机器人到达目标点的精度，而且必须保证机器人能沿所希望的轨迹在一定精度范围内跟踪活动。P（P，P

3、）ixiyiY②Y①B⑤④iΔyA③ΔxoXoP（P，P）Xi-1xi-1yi-11、机器人控制和运动规划1）点位（PTP）与连续（CP）控制分时控制先让X轴驱动电机运动△xmm，再让Y轴电机运动△ymm，想要得到直Ni-1Ni-1线轨迹，N越大越好，即△x△y越小越好。但理论上，不能得到真正的直线轨迹。同时控制如果控制机器人的两个轴的驱动电机，同时按某种规律完成x和y距离，ii则它们的合成轨迹就是我们所希望的直线P-P。i-1iYYPiPiyi△yNi-1△xNi-1oPi-1XoPi-1xXi分时

4、控制同时控制1、机器人控制和运动规划2）多轴协调控制多轴协调控制为保证运动的连续性，要求速度连续，各轴协调，即多轴协调控制，它是机器人运动控制的关键。希望X轴从起点位置S以最大速度运动到终点S。X轴方向的运动速度Vx，03在S~S之间，X轴以最大加速度运动到最大稳态速度V，而在S~S之01max23间，则是从最大负加速度到终点S后停止。最大加速度与最大运动速度是3由机构的刚性与驱动电机的驱动力决定的。YVxS0S1S2S3S=0VymaxoS0xS1xS2xSXoS0xS1xS2xSX3x3x（a）最

5、大速度运动（b）运动速度Vx单自由度的运动轨迹和运动速度1、机器人控制和运动规划2）多轴协调控制VVxyYa=V/t’yymaxnVa=V/t’ymaxxxmaxnEMyESySVxmaxayaxoSExXoXoYx(a)合成位移(b)x轴转速(c)y轴转速两轴运动轨迹和运动速度如果要求路径必修是直线SE，则两轴不但要同时启动，而且要同时停止，即运动中的所有时刻，2轴的位置、速度、加速度必修进行协调才能实现SE轨迹。1、机器人控制和运动规划2）多轴协调控制工业机器人多为6个自由度，为了保证空间任一轨迹

6、（包括路径和姿态）的控制，6个关节的独立控制协调必修满足以下条件：即在t时刻，6个轴的伺服电机以不0同的加速度（a~a）同时启动；在到达t时，同时进入稳态（V~V）；到达t161162时，同时又以负加速度（-a~-a）减速；到达t时，6个伺服电机同时停止。这样163我们就可以精确的实现空间任意轨迹，即机器人的多轴协调控制。V0V6a6-a6V1a1-a1同时启动同时停止ot0tt2t3t11、机器人控制和运动规划1.2、工业机器人控制系统工业机器人绝大多数属于示教----再现方式工业机器人1）控制系统

7、软硬件的任务分配对于机器人这样的一种实时控制要求极强的控制系统，除与一般计算机系统一样，有明确的软硬件分工外，最重要的是实时操作系统的开发。硬件系统应配合其他有关软件完成以下模块设计：（1）系统控制（2）示教操作、编程与CRT显示（3）多轴位置、速度协调控制（再现）（4）I/O通讯与控制接口（5）各种安全与联锁控制1、机器人控制和运动规划1.2、工业机器人控制系统工业机器人控制系统典型硬件结构图1、机器人控制和运动规划1.2、工业机器人控制系统2）控制系统软件功能工业机器人的柔性体现在它的运动轨迹、作

8、业条件、作业顺序能自由变更，变更的灵活程度取决于控制系统的软件水平。软件系统的基本功能可以归纳如下：示教信息的输入，即面向为满足作业条件而构成的用户工作程序的编辑与修正及其人-机对话；机器人本体及对外部设备的动作控制；轨迹在线修正；实时安全系统等。机器人的基本动作概念和软件功能1、机器人控制和运动规划1.2、工业机器人控制系统2）示教与再现示教—再现（Teaching-Playback,T/P）方式工业机器人的基本控制思想如图.示教时，操作者通过