第六章-机器人的轨迹规划、生成与控制技术.ppt

1 1 工业机器人系统组成工业机器人系统组成工业机器人系统组成工业机器人系统组成2 2 2 2 l 机器人的轨迹规划与生成机器人的轨迹规划与生成l 机器人控制综述机器人控制综述l 机器人控制系统的一般构成机器人控制系统的一般构成l 机器人传感器机器人传感器3 3 3 3 4.1 4.1 机器人的轨迹规划与生成机器人的轨迹规划与生成4.1.1 4.1.1 机器人规划的基本概念机器人规划的基本概念4.1.2 4.1.2 关节空间法关节空间法4.1.3 4.1.3 直角坐标空间法直角坐标空间法4.1.4 4.1.4 轨迹的实时生成轨迹的实时生成4.1.5 4.1.5 路径的描述路径的描述 4 4 4 4 4.1.1 4.1.1 机器人规划的基本概念机器人规划的基本概念 所谓机器人的规划所谓机器人的规划(P1anning)(P1anning)，指的是，指的是机器人根据自身的任务，求得完成这一任务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的解决方案的过程。这里所说的任务，具有广。这里所说的任务，具有广义的概念，既可以指机器人要完成的某一具体义的概念，既可以指机器人要完成的某一具体任务，也可以是机器人的某个动作，比如手部任务，也可以是机器人的某个动作，比如手部或关节的某个规定的运动等。或关节的某个规定的运动等。5 5 5 5 为说明机器人规划的概念，我们举下面的为说明机器人规划的概念，我们举下面的例子：例子：在一些老龄化比较严重的国家，开发了各种各在一些老龄化比较严重的国家，开发了各种各样的机器人专门用于伺候老人，这些机器人有不少是样的机器人专门用于伺候老人，这些机器人有不少是采用声控的方式比如主人用声音命令机器人采用声控的方式比如主人用声音命令机器人“给我给我倒一杯开水倒一杯开水”，我们先不考虑机器人是如何识别人的，我们先不考虑机器人是如何识别人的自然语言，而是着重分析一下机器人在得到这样一个自然语言，而是着重分析一下机器人在得到这样一个命今后，如何来完成主人交给的任务。命今后，如何来完成主人交给的任务。6 6 6 6 首先，机器人应该把任务进行分解，把主人交代的任务分解成为“取一个杯子”、“找到水壶”、“打开瓶塞”、“把水倒人杯中”、“把水送给主人”等一系列子任务。这一层次的规划称为任务规划任务规划任务规划任务规划(Task planning)，它完成总体任务的分解。然后再针对每一个子任务进行进一步的规划。以“把水倒入杯中”这一子任务为例，可以进一步分解成为“把水壶提到杯口上方”、“把水壶倾斜倒水入杯”、“把水壶竖直“、“把水壶放回原处”等一系列动作，这一层次的规划称为动作规划动作规划动作规划动作规划(Motion P1anning)，它把实现每一个子任务的过程分解为一系列具体的动作。为了实现每一个动作，需要对手部的运动轨迹进行必要的规定，这是手部轨迹规划轨迹规划(Hand trajectory planning)。为了使手部实现预定的运动，就要知道各关节的运动规律，这是关节轨迹规划关节轨迹规划(Joint trajectory planning)。最后才是关节的运动控制运动控制(Motion control)。7 7 7 7 上述例子可以看出，机器人的规划是分层次的，上述例子可以看出，机器人的规划是分层次的，从高层的从高层的任务规划任务规划，动作规划动作规划到到手手部轨迹规划部轨迹规划和和关节关节轨迹规划轨迹规划，最后才是，最后才是底层的控制底层的控制(见图见图)。在上述例子。在上述例子中，我们没有讨论力的问题，实际上，对有些机器人中，我们没有讨论力的问题，实际上，对有些机器人来说，力的大小也是要控制的，这时，除了手部或关来说，力的大小也是要控制的，这时，除了手部或关节的轨迹规划，还要进行手部和关节输出节的轨迹规划，还要进行手部和关节输出力的规划力的规划。智能化程度越高，规划的层次越多，操作就越简智能化程度越高，规划的层次越多，操作就越简单。单。对工业机器人来说，高层的任务规划和动作规划对工业机器人来说，高层的任务规划和动作规划一般是依赖人来完成的。而且一般的工业机器人也不一般是依赖人来完成的。而且一般的工业机器人也不具备力的反馈，所以，工业机器人通常只具有轨迹规具备力的反馈，所以，工业机器人通常只具有轨迹规划的和底层的控制功能。划的和底层的控制功能。8 8 8 8 取一个杯子取一个杯子 找到水壶找到水壶 打开水壶打开水壶把水倒入杯中把水倒入杯中 把水送给主人把水送给主人给主人倒一杯水给主人倒一杯水 提起水壶到杯口上方提起水壶到杯口上方 把水壶倾斜把水壶倾斜 把水壶竖直把水壶竖直 把水壶放回原处把水壶放回原处 手部从手部从A点移到点移到B 点点 关节从关节从A点移到点移到B点点图图 智能机器人的规划层次智能机器人的规划层次9 9 9 9 轨迹规划的目的是轨迹规划的目的是将操作人员输入的将操作人员输入的简单的简单的任务描述任务描述变为详细的变为详细的运动轨迹描述运动轨迹描述。例如，对一般的工业机器人来说，操作员可能只例如，对一般的工业机器人来说，操作员可能只输入机械手末端的目标位置和方位，而规划的任务便输入机械手末端的目标位置和方位，而规划的任务便是要确定出达到目标的关节轨迹的形状、运动的时间是要确定出达到目标的关节轨迹的形状、运动的时间和速度等。这里所说的轨迹是指随时间变化的位置、和速度等。这里所说的轨迹是指随时间变化的位置、速度和加速度。速度和加速度。10101010 简言之，机器人的工作过程，就是通过规划，将要求的任简言之，机器人的工作过程，就是通过规划，将要求的任务变为期望的运动和力，由控制环节根据期望的运动和力的信务变为期望的运动和力，由控制环节根据期望的运动和力的信号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的运动和力，号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的运动和力，从而完成期望的任务。这一过程表述如下图所示。这里，机器从而完成期望的任务。这一过程表述如下图所示。这里，机器人实际运动的情况通常还要反馈给规划级和控制级，以便对规人实际运动的情况通常还要反馈给规划级和控制级，以便对规划和控制的结果做出适当的修正。划和控制的结果做出适当的修正。人人机机接接口口规规划划控控制制机机器器人人本本体体要求的任务要求的任务 期望的期望的运动和力运动和力 实际的实际的运动和力运动和力控制作用控制作用图图 机器人的工作原理示意图机器人的工作原理示意图11111111 上图中，要求的任务由操作人员输入给机器人，上图中，要求的任务由操作人员输入给机器人，为了使机器人操作方便、使用简单，必须允许操作人为了使机器人操作方便、使用简单，必须允许操作人员给出尽量简单的描述。员给出尽量简单的描述。上图中，期望的运动和力是进行机器人控制所必上图中，期望的运动和力是进行机器人控制所必需的输入量，它们是机械手末端在每一个时刻的位姿需的输入量，它们是机械手末端在每一个时刻的位姿和速度，对于绝大多数情况，还要求给出每一时刻期和速度，对于绝大多数情况，还要求给出每一时刻期望的关节位移和速度，有些控制方法还要求给出期望望的关节位移和速度，有些控制方法还要求给出期望的加速度等。的加速度等。12121212 对于对于PTPPTP控制控制:通常只给出机械手末端的起点和终点，有时也通常只给出机械手末端的起点和终点，有时也给出一些中间经过点，所有这些点统称为路径点。给出一些中间经过点，所有这些点统称为路径点。应注意这里所说的应注意这里所说的“点点”不仅包括机械手末端的位不仅包括机械手末端的位置，而且包括方位，因此描述一个点通常需要置，而且包括方位，因此描述一个点通常需要6 6个量。个量。通常希望机械手末端的运动是光滑的，即它具有连通常希望机械手末端的运动是光滑的，即它具有连续的一阶导数，有时甚至要求具有连续的二阶导数。续的一阶导数，有时甚至要求具有连续的二阶导数。不平滑的运动容易造成机构的磨损和破坏，甚至可不平滑的运动容易造成机构的磨损和破坏，甚至可能激发机械手的振动。因此规划的任务便是要根据能激发机械手的振动。因此规划的任务便是要根据给定的路径点规划出通过这些点的光滑的运动轨迹。给定的路径点规划出通过这些点的光滑的运动轨迹。13131313 对于对于CPCP控制控制:机械手末端的运动轨迹是根据任务的需要给定机械手末端的运动轨迹是根据任务的需要给定的，但是它也必须按照一定的采样间隔，通过逆运的，但是它也必须按照一定的采样间隔，通过逆运动学计算，将其变换到关节空间，然后在关节空间动学计算，将其变换到关节空间，然后在关节空间中寻找光滑函数来拟合这些离散点最后，还有在中寻找光滑函数来拟合这些离散点最后，还有在机器人的计算机内部如何表示轨迹，以及如何实时机器人的计算机内部如何表示轨迹，以及如何实时地生成轨迹的问题。地生成轨迹的问题。14141414 轨迹规划问题又可以分为轨迹规划问题又可以分为关节空间的轨迹规划关节空间的轨迹规划和和直角空间的轨迹规划直角空间的轨迹规划。4.1.2 4.1.2 关节空间法关节空间法 关节空间法首先将在工具空间中期望的路径点，关节空间法首先将在工具空间中期望的路径点，通过逆运动学计算，得到期望的通过逆运动学计算，得到期望的关节位置关节位置，然后在关，然后在关节空间内，给每个关节找到一个经过中间点到达目的节空间内，给每个关节找到一个经过中间点到达目的终点的终点的光滑函数光滑函数，同时使得每个关节到达中间点和终，同时使得每个关节到达中间点和终点的点的时间相同时间相同，这样便可保证机械手工具能够到达期，这样便可保证机械手工具能够到达期望的直角坐标位置。这里只要求各个关节在路径点之望的直角坐标位置。这里只要求各个关节在路径点之间的间的时间相同时间相同，而，而各个关节的光滑函数的确定则是互各个关节的光滑函数的确定则是互相独立的相独立的。15151515 下面具体介绍在关节空间内常用的两种规划方法下面具体介绍在关节空间内常用的两种规划方法1 1）三次多项式函数插值三次多项式函数插值 考虑机械手末端在一定时间内从初始位置和方位移动到考虑机械手末端在一定时间内从初始位置和方位移动到目标位置和方位的问题。利用逆运动学计算，可以首先求目标位置和方位的问题。利用逆运动学计算，可以首先求出一组起始和终了的关节位置现在的问题是求出一组通出一组起始和终了的关节位置现在的问题是求出一组通过起点和终点的过起点和终点的光滑函数光滑函数光滑函数光滑函数。满足这个条件的光滑函数可以。满足这个条件的光滑函数可以有许多条，如下图所示：有许多条，如下图所示：16161616 显然，这些光滑函数必须满足以下条件显然，这些光滑函数必须满足以下条件：同时若要求在起点和终点的速度为零，即：同时若要求在起点和终点的速度为零，即：那么可以选择如下的三次多项式：那么可以选择如下的三次多项式：作为所要求的光滑函数。式作为所要求的光滑函数。式4-3中有中有4个待定系数，而个待定系数，而该式需满足式该式需满足式4-1和和4-2的的4个约束条件，因此可以唯一地解个约束条件，因此可以唯一地解出这些系数：出这些系数：（4-3）（4-2）（4-1）17171717 （4-4）18181818 例：例：设机械手的某个关节的起始关节角设机械手的某个关节的起始关节角0 015150 0，并且机械手，并且机械手原来是静止的。要求在原来是静止的。要求在3 3秒钟内平滑地运动到秒钟内平滑地运动到f f=75=750 0时停下来时停下来(即要求在终端时速度为零即要求在终端时速度为零)。规划出满足上述条件的平滑运动。规划出满足上述条件的平滑运动的轨迹，并画出关节角位置、角速度及角加速度随时间变化的的轨迹，并画出关节角位置、角速度及角加速度随时间变化的曲线。曲线。解：解：根据所给约束条件，直接代入式根据所给约束条件，直接代入式(4-4)(4-4)，可得：，可得：a0=15，a1=0，a2=20，a3=-4.44所求关节角的位置函数为：所求关节角的位置函数为：对上式求导，可以得到角速度和角加速度对上式求导，可以得到角速度和角加速度（4-5）（4-6）（4-7）19191919 根据式根据式(4-5)(4-5)(4-7)(4-7)可画出它们随时间的变可画出它们随时间的变化曲线如下图所示。由图看出，速度曲线为一抛化曲线如下图所示。由图看出，速度曲线为一抛物线，加速度则为一直线。物线，加速度则为一直线。利用三次多项式规划出的关节角的运动轨迹利用三次多项式规划出的关节角的运动轨迹20202020 2 2）抛物线连接的线性函数插值）抛物线连接的线性函数插值 前面介绍了利用三次多项式函数插值的规划方前面介绍了利用三次多项式函数插值的规划方法。另外一种常用方法是线性函数插值法，即用一法。另外一种常用方法是线性函数插值法，即用一条直线将起点与终点连接起来。但是，简单的线性条直线将起点与终点连接起来。但是，简单的线性函数插值将使得关节的运动速度在起点和终点处不函数插值将使得关节的运动速度在起点和终点处不连续，它也意味着需要产生无穷大的加速度，这显连续，它也意味着需要产生无穷大的加速度，这显然是不希望的。因此可以考虑在起点和终点处，用然是不希望的。因此可以考虑在起点和终点处，用抛物线与直线连接起来，在抛物线段内，使用恒定抛物线与直线连接起来，在抛物线段内，使用恒定的加速度来平滑地改变速度，从而使得整个运动轨的加速度来平滑地改变速度，从而使得整个运动轨迹的位置和速度是连续的。迹的位置和速度是连续的。21212121 线性函数插值图线性函数插值图利用抛物线过渡的线性函利用抛物线过渡的线性函数插值图数插值图22222222 4.1.3 4.1.3 直角坐标直角坐标空间法空间法 前面介绍的在关节空间内的规划，可以保证运动前面介绍的在关节空间内的规划，可以保证运动轨迹经过给定的路径点。但是在直角坐标空间，路径轨迹经过给定的路径点。但是在直角坐标空间，路径点之间的轨迹形状往往是十分复杂的，它取决于机械点之间的轨迹形状往往是十分复杂的，它取决于机械手的运动学机构特性。在有些情况下，对机械手末端手的运动学机构特性。在有些情况下，对机械手末端的轨迹形状也有一定要求，如要求它在两点之间走一的轨迹形状也有一定要求，如要求它在两点之间走一条直线，或者沿着一个圆弧运动以绕过障碍物等。这条直线，或者沿着一个圆弧运动以绕过障碍物等。这时便需要在直角坐标空间内规划机械手的运动轨迹时便需要在直角坐标空间内规划机械手的运动轨迹 直角坐标空间的路径点，指的是机械手末端的工直角坐标空间的路径点，指的是机械手末端的工具坐标相对于基坐标的位置和姿态每一个点由具坐标相对于基坐标的位置和姿态每一个点由6 6个个量组成，其中量组成，其中3 3个量描述位置，另外个量描述位置，另外3 3个量描述姿态。个量描述姿态。在直角坐标空间内规划的方法主要有：在直角坐标空间内规划的方法主要有：线性函数线性函数插值法插值法和和圆弧插值法圆弧插值法。23232323 4.1.4 4.1.4 轨迹的实时生成轨迹的实时生成 前面轨迹规划的任务，是根据给定的路径点规前面轨迹规划的任务，是根据给定的路径点规划出运动轨迹的所有参数。划出运动轨迹的所有参数。例如，在用三次多项式函数插值时，便是产生例如，在用三次多项式函数插值时，便是产生出多项式系数出多项式系数a a0 0,a,a1 1,a,a2 2,a,a3 3从而得到整个轨迹的运动从而得到整个轨迹的运动方程：方程：对上式求导，可以得到速度和加速度对上式求导，可以得到速度和加速度24242424 4.1.5 4.1.5 路径的描述路径的描述 前面讨论了在给定路径点的情况下如何规划出前面讨论了在给定路径点的情况下如何规划出运动轨迹的问题。但是还有一个如何描述路径点并运动轨迹的问题。但是还有一个如何描述路径点并以合适的方式输入给机器人的问题。最常用的方法以合适的方式输入给机器人的问题。最常用的方法便是利用机器人语言。便是利用机器人语言。用户将要求实现的动作编成相应的应用程序，用户将要求实现的动作编成相应的应用程序，其中有相应的语句用来描述轨迹规划，并通过相应其中有相应的语句用来描述轨迹规划，并通过相应的控制作用来实现期望的运动。的控制作用来实现期望的运动。25252525 4.2 4.2 机器人控制综述机器人控制综述 机器人控制的基本目的：机器人控制的基本目的：机器人控制的基本目的：机器人控制的基本目的：告诉机器人要做什么告诉机器人要做什么告诉机器人要做什么告诉机器人要做什么;机器人接受命令，并形成作业的控制策略机器人接受命令，并形成作业的控制策略机器人接受命令，并形成作业的控制策略机器人接受命令，并形成作业的控制策略;保证正确完成作业保证正确完成作业保证正确完成作业保证正确完成作业;通报作业完成情况。通报作业完成情况。通报作业完成情况。通报作业完成情况。26262626 机器人控制系统的特点机器人控制系统的特点1)1)1)1)机机机机器器器器人人人人有有有有若若若若干干干干个个个个关关关关节节节节，典典典典型型型型工工工工业业业业业业业业机机机机器器器器人人人人有有有有5 5 5 5至至至至6 6 6 6个个个个关关关关节节节节。每每每每个个个个关关关关节节节节由由由由一一一一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。2)2)2)2)机机机机器器器器人人人人的的的的工工工工作作作作任任任任务务务务是是是是要要要要求求求求操操操操作作作作机机机机的的的的末末末末端端端端执执执执行行行行器器器器进进进进行行行行空空空空间间间间点点点点位位位位运运运运动动动动或或或或轨轨轨轨迹迹迹迹运运运运动动动动。对对对对机机机机器器器器人人人人运运运运动动动动的的的的控控控控制制制制，需需需需要要要要进进进进行行行行复复复复杂杂杂杂的的的的坐坐坐坐标标标标变变变变换换换换运运运运算算算算，以以以以及及及及矩矩矩矩阵阵阵阵函函函函数的逆运算。数的逆运算。数的逆运算。数的逆运算。3)3)3)3)机机机机器器器器人人人人的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型是是是是一一一一个个个个多多多多变变变变量量量量、非非非非线线线线性性性性和和和和变变变变参参参参数数数数的的的的复复复复杂杂杂杂模模模模型型型型，各各各各变变变变量量量量之之之之间间间间还还还还存存存存在在在在着着着着耦耦耦耦合合合合，因因因因此此此此机机机机器器器器人人人人的的的的控控控控制制制制中中中中经经经经常常常常使使使使用用用用前前前前馈馈馈馈、补补补补偿偿偿偿、解解解解耦耦耦耦、自自自自适应等复杂控制技术。适应等复杂控制技术。适应等复杂控制技术。适应等复杂控制技术。4)4)4)4)较较较较高高高高级级级级的的的的机机机机器器器器人人人人要要要要求求求求对对对对环环环环境境境境条条条条件件件件、控控控控制制制制指指指指令令令令进进进进行行行行测测测测定定定定和和和和分分分分析析析析，采采采采用用用用计计计计算算算算机机机机建建建建立立立立庞庞庞庞大大大大的的的的信信信信息息息息库库库库，用用用用人人人人工工工工智智智智能能能能的的的的方方方方法法法法进进进进行行行行控控控控制制制制、决决决决策策策策、管管管管理理理理和和和和操操操操作作作作，按照给定的要求自动选择最佳控制规律。按照给定的要求自动选择最佳控制规律。按照给定的要求自动选择最佳控制规律。按照给定的要求自动选择最佳控制规律。27272727 机器人控制系统的功能机器人控制系统的功能28282828 机器人控制的特点机器人控制的特点机器人控制的特点机器人控制的特点机器人的控制问题是与其运动学和动力学问题密切相关机器人的控制问题是与其运动学和动力学问题密切相关机器人的控制问题是与其运动学和动力学问题密切相关机器人的控制问题是与其运动学和动力学问题密切相关从控制观点看，机器人系统代表冗余的、多变量和本质上从控制观点看，机器人系统代表冗余的、多变量和本质上从控制观点看，机器人系统代表冗余的、多变量和本质上从控制观点看，机器人系统代表冗余的、多变量和本质上非线性的控制系统，同时又是复杂的耦合动态系统。每个非线性的控制系统，同时又是复杂的耦合动态系统。每个非线性的控制系统，同时又是复杂的耦合动态系统。每个非线性的控制系统，同时又是复杂的耦合动态系统。每个控制任务本身就是一个动力学任务。控制任务本身就是一个动力学任务。控制任务本身就是一个动力学任务。控制任务本身就是一个动力学任务。在实际研究中，往往把机器人控制系统简化为若干个低阶在实际研究中，往往把机器人控制系统简化为若干个低阶在实际研究中，往往把机器人控制系统简化为若干个低阶在实际研究中，往往把机器人控制系统简化为若干个低阶子系统来描述。子系统来描述。子系统来描述。子系统来描述。29292929 机器人机器人机器人机器人控制方法的分类控制方法的分类控制方法的分类控制方法的分类 根据不同的分类方法，机器人控制方式可以有根据不同的分类方法，机器人控制方式可以有不同的分类。下图是一种常用的分类方法。从总体不同的分类。下图是一种常用的分类方法。从总体上，机器人的控制方式可以分为上，机器人的控制方式可以分为动作控制方式动作控制方式和和示示教控制方式教控制方式。按照被控对象来分，可以分为按照被控对象来分，可以分为位置控制、速度位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制混合控制等等。等等。无论是位置控制或速度控制，从伺服反馈信号无论是位置控制或速度控制，从伺服反馈信号的形式来看，又可以分为的形式来看，又可以分为基于关节空间的伺服控制基于关节空间的伺服控制和和基于作业空间基于作业空间(手部坐标手部坐标)的伺服控制的伺服控制。30303030 31313131 32323232 举例：举例：关节伺服控制关节伺服控制 这是以关节位置或关节轨迹为目标值的控制形式。下图给这是以关节位置或关节轨迹为目标值的控制形式。下图给出了关节伺服系统的构成。若目标值以关节位移给出，则如下出了关节伺服系统的构成。若目标值以关节位移给出，则如下图所示，各关节可以独立构成伺服系统，十分简单。图所示，各关节可以独立构成伺服系统，十分简单。第第第第i i轴轴轴轴第第第第i i轴轴轴轴目目目目标标标标值值值值轨轨轨轨迹迹迹迹生生生生成成成成第第第第i i关节伺服系统关节伺服系统关节伺服系统关节伺服系统33333333 4.3 4.3 机器人控制系统的一般构成机器人控制系统的一般构成 从前面关于服务机器人的规划过程的介绍中可知，对于从前面关于服务机器人的规划过程的介绍中可知，对于一个具有高度智能的机器人，它的控制实际上包含了一个具有高度智能的机器人，它的控制实际上包含了“任务任务规划规划”、“动作规划动作规划”、“轨迹规划轨迹规划”和基于规模的和基于规模的“伺服伺服控制控制”等多个层次，如下图所示等多个层次，如下图所示,机器人首先要机器人首先要通过人机接口通过人机接口获取操作者的指令获取操作者的指令，指令的形式可以是人的自然语言，或者，指令的形式可以是人的自然语言，或者是由人发出的专用的指令语言是由人发出的专用的指令语言(用在大部分服务机器人上用在大部分服务机器人上)，也可以是通过示教工具输入的示教指令也可以是通过示教工具输入的示教指令(如一般的示教控制机如一般的示教控制机器人器人)，或者键盘输人的机器人指令语言以及计算机程序指令，或者键盘输人的机器人指令语言以及计算机程序指令(加大部分工业机器人加大部分工业机器人)，然后机器人对控制命令进行，然后机器人对控制命令进行解释理解释理解解，把操作者的命令分解为机器人可以实现的，把操作者的命令分解为机器人可以实现的“任务任务”，这，这是是任务规划任务规划。机器人针对各个任务进行动作分解，这是。机器人针对各个任务进行动作分解，这是动作动作规划规划。为了实现机器人的一系列动作，应该对机器人每个关。为了实现机器人的一系列动作，应该对机器人每个关节的运动进行设计，这是机器人的节的运动进行设计，这是机器人的轨迹规划轨迹规划。最底层是。最底层是关节关节运动的伺服控制运动的伺服控制。34343434 35353535 机器人控制系统的硬件构成机器人控制系统的硬件构成(1)36363636 机器人控制系统的硬件构成机器人控制系统的硬件构成(2)37373737 PUMA560机器人控制系统机器人控制系统38383838 机器人控制系统的功能、组成机器人控制系统的功能、组成机器人控制系统的功能、组成机器人控制系统的功能、组成 基本功能构成基本功能构成基本功能构成基本功能构成 记忆功能：记忆功能：记忆功能：记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和 与生产工艺有关的信息。与生产工艺有关的信息。与生产工艺有关的信息。与生产工艺有关的信息。示教功能：示教功能：示教功能：示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。离线编程，在线示教，间接示教。离线编程，在线示教，间接示教。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。在线示教包括示教盒和导引示教两种。在线示教包括示教盒和导引示教两种。在线示教包括示教盒和导引示教两种。与外围设备联系功能：与外围设备联系功能：与外围设备联系功能：与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。坐标设置功能：坐标设置功能：坐标设置功能：坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。人机接口：人机接口：人机接口：人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。示教盒、操作面板、显示屏。示教盒、操作面板、显示屏。示教盒、操作面板、显示屏。传感器接口：传感器接口：传感器接口：传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等位置检测、视觉、触觉、力觉等位置检测、视觉、触觉、力觉等位置检测、视觉、触觉、力觉等 位置伺服功能：位置伺服功能：位置伺服功能：位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。故障诊断安全保护功能：故障诊断安全保护功能：故障诊断安全保护功能：故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和 故障自诊断。故障自诊断。故障自诊断。故障自诊断。39393939 机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成 （1 1）控制计算机控制计算机控制计算机控制计算机 控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有3232位、位、位、位、6464位等，如奔腾系列位等，如奔腾系列位等，如奔腾系列位等，如奔腾系列CPUCPU以及其他类型以及其他类型以及其他类型以及其他类型CPUCPU；（2 2）示教盒示教盒示教盒示教盒 示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的拥有自己独立的拥有自己独立的拥有自己独立的CPUCPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互；息交互；息交互；息交互；（3 3）操作面板操作面板操作面板操作面板 由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作；由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作；由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作；由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作；（4 4）硬盘和软盘存储硬盘和软盘存储硬盘和软盘存储硬盘和软盘存储 存储机器人工作程序的外围存储器；存储机器人工作程序的外围存储器；存储机器人工作程序的外围存储器；存储机器人工作程序的外围存储器；（5 5）数字和模拟量输入输出数字和模拟量输入输出数字和模拟量输入输出数字和模拟量输入输出 各种状态和控制命令的输入或输出；各种状态和控制命令的输入或输出；各种状态和控制命令的输入或输出；各种状态和控制命令的输入或输出；（6 6）打印机接口打印机接口打印机接口打印机接口 记录需要输出的各种信息；记录需要输出的各种信息；记录需要输出的各种信息；记录需要输出的各种信息；（7 7）传感器接口传感器接口传感器接口传感器接口 用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器；触觉和视觉传感器；触觉和视觉传感器；触觉和视觉传感器；（8 8）轴控制器轴控制器轴控制器轴控制器 完成机器人各关节位置、速度和加速度控制；完成机器人各关节位置、速度和加速度控制；完成机器人各关节位置、速度和加速度控制；完成机器人各关节位置、速度和加速度控制；（9 9）辅助设备控制辅助设备控制辅助设备控制辅助设备控制 用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等；用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等；用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等；用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等；（1010）通信接口通信接口通信接口通信接口 实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等；接口等；接口等；接口等；（1111）网络接口网络接口网络接口网络接口。40404040 机器人控制系统框图机器人控制系统框图机器人控制系统框图机器人控制系统框图41414141 机器人机器人机器人机器人的轨迹控制的轨迹控制的轨迹控制的轨迹控制机械手由初始点机械手由初始点机械手由初始点机械手由初始点(位置和姿态位置和姿态位置和姿态位置和姿态)运动到终止点经过的空间曲线运动到终止点经过的空间曲线运动到终止点经过的空间曲线运动到终止点经过的空间曲线称为路径。称为路径。称为路径。称为路径。轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用多轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用多轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用多轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用多项式函数来项式函数来项式函数来项式函数来“内插内插内插内插”或或或或“逼近逼近逼近逼近”给定的路径，并产生一系列给定的路径，并产生一系列给定的路径，并产生一系列给定的路径，并产生一系列“控制设定点控制设定点控制设定点控制设定点”。路径端点一般是在笛卡儿坐标中给出的。路径端点一般是在笛卡儿坐标中给出的。路径端点一般是在笛卡儿坐标中给出的。路径端点一般是在笛卡儿坐标中给出的。如果需要某些位置的关节坐标，则可调用运动学逆问题求解如果需要某些位置的关节坐标，则可调用运动学逆问题求解如果需要某些位置的关节坐标，则可调用运动学逆问题求解如果需要某些位置的关节坐标，则可调用运动学逆问题求解程序，进行必要的转换。程序，进行必要的转换。程序，进行必要的转换。程序，进行必要的转换。在给定的两端点之间，常有多条可能的轨迹。而轨迹控在给定的两端点之间，常有多条可能的轨迹。而轨迹控在给定的两端点之间，常有多条可能的轨迹。而轨迹控在给定的两端点之间，常有多条可能的轨迹。而轨迹控制就是控制机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因此，目制就是控制机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因此，目制就是控制机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因此，目制就是控制机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因此，目标轨迹的给定方法和如何控制机器人手臂使之高精度地跟踪标轨迹的给定方法和如何控制机器人手臂使之高精度地跟踪标轨迹的给定方法和如何控制机器人手臂使之高精度地跟踪标轨迹的给定方法和如何控制机器人手臂使之高精度地跟踪目标轨迹的方法是轨迹控制的两个主要内容。目标轨迹的方法是轨迹控制的两个主要内容。目标轨迹的方法是轨迹控制的两个主要内容。目标轨迹的方法是轨迹控制的两个主要内容。给定目标轨迹的方式有给定目标轨迹的方式有给定目标轨迹的方式有给定目标轨迹的方式有示教再现方式示教再现方式示教再现方式示教再现方式和和和和数控方式数控方式数控方式数控方式（离线离线离线离线编程编程编程编程）两种。）两种。）两种。）两种。42424242 示教再现方式示教再现方式示教再现方式示教再现方式 示教再现方式是在机器工作之前，让机器人手端沿目标轨示教再现方式是在机器工作之前，让机器人手端沿目标轨示教再现方式是在机器工作之前，让机器人手端沿目标轨示教再现方式是在机器工作之前，让机器人手端沿目标轨迹移动，同时将位置及速度等数据存入机器人控制计算机迹移动，同时将位置及速度等数据存入机器人控制计算机迹移动，同时将位置及速度等数据存入机器人控制计算机迹移动，同时将位置及速度等数据存入机器人控制计算机中。在机器人工作时再现所示教的动作，使手端沿目标轨中。在机器人工作时再现所示教的动作，使手端沿目标轨中。在机器人工作时再现所示教的动作，使手端沿目标轨中。在机器人工作时再现所示教的动作，使手端沿目标轨迹运动。迹运动。迹运动。迹运动。示教时使机器人手臂运动的方法有两种：一种是用示教盒示教时使机器人手臂运动的方法有两种：一种是用示教盒示教时使机器人手臂运动的方法有两种：一种是用示教盒示教时使机器人手臂运动的方法有两种：一种是用示教盒上的控制按钮发出各种运动指令；另一种是操作者直接用上的控制按钮发出各种运动指令；另一种是操作者直接用上的控制按钮发出各种运动指令；另一种是操作者直接用上的控制按钮发出各种运动指令；另一种是操作者直接用手抓住机器人手部，使其手端按目标轨迹运动。轨迹记忆手抓住机器人手部，使其手端按目标轨迹运动。轨迹记忆手抓住机器人手部，使其手端按目标轨迹运动。轨迹记忆手抓住机器人手部，使其手端按目标轨迹运动。轨迹记忆再现的方式有点位控制再现的方式有点位控制再现的方式有点位控制再现的方式有点位控制(PTP)(PTP)和连续路径控制和连续路径控制和连续路径控制和连续路径控制(CP)(CP)。点位。点位。点位。点位控制主要用于点焊作业、更换刀具或其他工具等情况。连控制主要用于点焊作业、更换刀具或其他工具等情况。连控制主要用于点焊作业、更换刀具或其他工具等情况。连控制主要用于点焊作业、更换刀具或其他工具等情况。连续路径控制主要用于弧焊、喷漆等作业续路径控制主要用于弧焊、喷漆等作业续路径控制主要用于弧焊、喷漆等作业续路径控制主要用于弧焊、喷漆等作业。43434343 数控方式数控方式数控方式数控方式 数控方式与数控机床的控制方式一样，是把目标轨迹用数控方式与数控机床的控制方式一样，是把目标轨迹用数控方式与数控机床的控制方式一样，是把目标轨迹用数控方式与数控机床的控制方式一样，是把目标轨迹用数值数据的形式给出。这些数据是根据工作任务的需要设数值数据的形式给出。