机器人引论 教学课件 作者 张涛 主编 第4章 机器人控制.ppt

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1、机器人引论第4章机器人控制第4章机器人控制4.1机器人运动控制4.2机器人移动轨迹控制4.3机器人的力控制4.4机器人行为控制4.5机器人智能控制4.1机器人运动控制4.1.1机器人的伺服电机机器人的控制方式可分为气动、液压、电液伺服和电动伺服等几种形式。机器人的控制涉及到机械装置本体的控制和伺服机构的控制。伺服控制电机是机器人系统的关键元件按照组成系统元件的物理性质不同，伺服系统可以分为电气伺服系统、电气-液压伺服系统和电气-气动伺服系统。电气伺服系统又分为直流伺服系统和交流伺服系统。交直流伺服技术的比较直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转

2、子容易发热，影响与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。机器人对伺服控制电机的要求电机转动惯量要小，具有低的机械时间常数和电磁时间常数以及高的品质因数，即单位时间内可给出更大的瞬时功率。足够宽的调速范围，在零速度附近可控。低速运转平稳，力矩波动小。高的功率/体积比和高的功率/重量比。因为这些伺服控制电机通常装在机器人运动着的关节上，为机器人的负载，所以要求重量轻、体

3、积小。伺服状态特性好。为机器人能稳定的进行操作，在伺服定位、电机堵转时仍能输出大的力矩。外形扁薄小巧美观。它是机器人外观的决定性因素之一它不仅要适应于机器人给定的小尺寸，而且伺服控制电机的外形越复杂，机器人的外规结构设计越困难，同时外形的复杂也使粉尘易于堆积。全封闭式的构造。伺服控制电机做成封闭形的结构，以适应多粉尘、含有腐蚀性气体的生产现场。环境的适应性要强，而且输出的电线、电缆要柔软。维护简易。主要采用的伺服电机种类有：印刷绕组式和线绕盘式直流伺服电动机杯形转子直流伺服电动机稀土永磁直流伺服电动机无刷直流伺服电动机直接驱动的直流力矩电动机4.1.2机器人的运动控制器

4、运动控制系统是以电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在控制理论指导下组成的电气传动控制系统。典型运动控制系统组成一个典型的运动控制系统主要由运动部件、传动机构、执行机构驱动器和运动控制器构成。整个系统的运动指令由运动控制器给出。运动控制器的分类按被控对象分类：步进电机运动控制器、伺服电机运动控制器、既可以对步进电机进行控制又可以对交流伺服电机进行控制的运动控制器。按结构进行分类：基于计算机标准总线的运动控制器、Soft型开放式运动控制器、嵌入式结构的运动控制器。按被控量性质和运动控制方式分类：点位运动控制、连续轨迹运动控制(又称为轮廓控

5、制)、同步运动控制。4.2机器人移动轨迹控制4.2.1路径与轨迹机器人的轨迹指机器人在运动过程中的位移、速度和加速度。路径是机器人位姿的一定序列，而不考虑机器人位姿参数随时间变化的因素。4.2.2关节坐标系与直角坐标系机器人一般由多个连杆通过转动或移动关节连接而成。一般在每个连杆上固定一个坐标系。机器人各关节连杆之间的位置关系和速度关系，实际上就是各相对坐标系之间的关系。一个连杆的位姿相对于操作空间坐标系的变化，或者两个连杆之间位姿的相对变化，可以通过两个坐标系的相对变化来描述。复杂变化可以用相对平行移动和相对旋转这两个基本的变化来合成平行移动关系设以O1为始点，O1为

6、终点的向量p0已知，并用向量p1和p分别表示P在两个坐标系下的坐标向量旋转关系已知点P在坐标系X1Y1Z1下的坐标p1，则可以用下式求点P在坐标系XYZ下坐标p4.2.3轨迹规划机器人的规划(planning)，就是机器人根据自身的任务，求得完成这一任务的解决方案的过程。它包括：任务规划(baskplanning)、动作规划(motionplanning)、轨迹规划(trajectoryplanning)。而轨迹规划是基础。轨迹规划是根据作业任务的要求，计算出预期的运动的轨迹。根据此预期的轨迹，实时计算机器人运动的位移、速度、加速度、生成运动轨迹。机器人轨迹规划属于机器

7、人底层规划，基本上不涉及人工智能问题。机器人关节轨迹的插值运算定时插补与定距插补直线插补算法圆弧插补算法关节空间法B样条曲线轨迹规划轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划。4.2.4轨迹控制1轨迹的记录与再现路线与轨迹：所谓路线是指机器人所跟踪的空间曲线，它与时间无关；而所谓轨迹则要求机器人在其路线上中间位姿的时间顺序，它与时间有关。显然轨迹与路线的区别仅在于是否引入时间变量。本节主要讨