《机器人控制技术》PPT课件.ppt
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1、机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术4 4.1.1 引言引言4 4.2.2 示教再现控制示教再现控制4 4.3.3 运动控制运动控制 习题习题机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术4 4.1 .1 引言引言4.1.1 机器人控制特点机器人控制特点4.1.2 机器人控制方式机器人控制方式4.1.3 机器人控制功能机器人控制功能4.1.4 机器人控制系统机器人控制系统机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术4.1.1 机器人控制特点机器人控制特点1、大量的运动学、动力学运算，涉及矢量、矩阵、大量的运动学、动力学运算
2、，涉及矢量、矩阵、坐标变换和微积分等运算。坐标变换和微积分等运算。2、机器人的控制不仅是非线性的，而且是多变量机器人的控制不仅是非线性的，而且是多变量 耦合的。耦合的。3、机器人的控制还必须解决优化、决策的问题。机器人的控制还必须解决优化、决策的问题。4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术 机器人的控制方式主要有以下两种分类：机器人的控制方式主要有以下两种分类：1、按机器人手部在空间的运动方式分：、按机器人手部在空间的运动方式分：（1）点位控制方式）点位控制方式PTP 点位控制又称为点位控制又称为PTP控制，其特点是只控制机器控制，其特点是
3、只控制机器人手部在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。人手部在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。这种控制方式的主要技术指标是这种控制方式的主要技术指标是定位精度定位精度和和运动运动所需的时间所需的时间。常常被应用在上下料、搬运、点焊和在电路板上常常被应用在上下料、搬运、点焊和在电路板上插接元器件等定位精度要求不高且只要求机器人在目标插接元器件等定位精度要求不高且只要求机器人在目标点处保持手部具有准确位姿的作业中。点处保持手部具有准确位姿的作业中。4.1.2 机器人控制方式机器人控制方式4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术 1、按机器人手
4、部在空间的运动方式分：按机器人手部在空间的运动方式分：（2）连续轨迹控制方式）连续轨迹控制方式CP 连续轨迹控制又称为连续轨迹控制又称为CP控制，其特点是连续的控控制，其特点是连续的控制机器人手部在作业空间中的位姿，要求其严格的按照制机器人手部在作业空间中的位姿，要求其严格的按照预定的路径和速度在一定的精度范围内运动。预定的路径和速度在一定的精度范围内运动。这种控制方式的主要技术指标机器人手部位姿的这种控制方式的主要技术指标机器人手部位姿的轨轨迹跟踪精度迹跟踪精度及及平稳性平稳性。通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业的机器人都采通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业的机器人都采用这种控制方式。用这种控制
5、方式。有的机器人在设计控制系统时，上述两种控制方式有的机器人在设计控制系统时，上述两种控制方式都具有，如对进行装配作业的机器人的控制等。都具有，如对进行装配作业的机器人的控制等。4.1.2 机器人控制方式机器人控制方式4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术2、按机器人控制是否带反馈分：按机器人控制是否带反馈分：（1）非伺服型控制方式）非伺服型控制方式 非伺服型控制方式是指非伺服型控制方式是指未采用反馈环节的开环控制未采用反馈环节的开环控制方式方式。在这种控制方式下，机器人作业时严格按照在进行在这种控制方式下，机器人作业时严格按照在进行作业之
6、前预先编制的控制程序来控制机器人的动作顺序，作业之前预先编制的控制程序来控制机器人的动作顺序，在控制过程中没有反馈信号，不能对机器人的作业进展在控制过程中没有反馈信号，不能对机器人的作业进展及作业的质量好坏进行监测，因此，这种控制方式只适及作业的质量好坏进行监测，因此，这种控制方式只适用于作业相对固定、作业程序简单、运动精度要求不高用于作业相对固定、作业程序简单、运动精度要求不高的场合，它具有费用省，操作、安装、维护简单的优点。的场合，它具有费用省，操作、安装、维护简单的优点。4.1.2 机器人控制方式机器人控制方式4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术
7、机器人控制技术2、按机器人控制是否带反馈分：按机器人控制是否带反馈分：（2）伺服型控制方式）伺服型控制方式 伺服型控制方式是指伺服型控制方式是指采用了反馈环节的闭环控制采用了反馈环节的闭环控制方式方式。这种控制方式的特点是在控制过程中采用内部传这种控制方式的特点是在控制过程中采用内部传感器连续测量机器人的关节位移、速度、加速度等运感器连续测量机器人的关节位移、速度、加速度等运动参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服控制。动参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服控制。如果是适应型或智能型机器人的伺服控制，则增如果是适应型或智能型机器人的伺服控制，则增加了机器人用外部传感器对外界环境的检测，使机器加了机器
8、人用外部传感器对外界环境的检测，使机器人对外界环境的变化具有适应能力，从而构成总体闭人对外界环境的变化具有适应能力，从而构成总体闭环反馈的伺服控制方式。环反馈的伺服控制方式。4.1.2 机器人控制方式机器人控制方式4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术1、示教再现功能、示教再现功能 示教再现功能是指示教人员预先将机器人作业的各示教再现功能是指示教人员预先将机器人作业的各项运动参数预先教给机器人，在示教的过程中，机器人项运动参数预先教给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统的记忆装置就将所教的操作过程自动地记录在控制系统的记忆装置就将所教的操
9、作过程自动地记录在存储器中。当需要机器人工作时，机器人的控制系统就存储器中。当需要机器人工作时，机器人的控制系统就调用存储器中存储的各项数据，使机器人再现示教过的调用存储器中存储的各项数据，使机器人再现示教过的操作过程，由此机器人即可完成要求的作业任务。操作过程，由此机器人即可完成要求的作业任务。机器人的示教再现功能易于实现，编程方便，在机机器人的示教再现功能易于实现，编程方便，在机器人的初期得到了较多的应用。器人的初期得到了较多的应用。4.1.3 机器人控制功能机器人控制功能4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术2、运动控制功能、运动控制
10、功能 运动控制功能是指通过对机器人手部在空间的位运动控制功能是指通过对机器人手部在空间的位姿、速度、加速度等项的控制，使机器人的手部按照作姿、速度、加速度等项的控制，使机器人的手部按照作业的要求进行动作，最终完成给定的作业任务。业的要求进行动作，最终完成给定的作业任务。它与示教再现功能的区别：在示教再现控制中，机它与示教再现功能的区别：在示教再现控制中，机器人手部的各项运动参数是由示教人员教给它的，其精器人手部的各项运动参数是由示教人员教给它的，其精度取决于示教人员的熟练程度。而在运动控制中，机器度取决于示教人员的熟练程度。而在运动控制中，机器人手部的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算人
11、手部的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算得来的，且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指得来的，且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完成给定的作业任务。令仍然可以控制机器人完成给定的作业任务。4.1.3 机器人控制功能机器人控制功能4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术 由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制，所以，目前的机器人控补运算以及较低层的实时控制，所以，目前的机器人控制系统在结构上大多数采用分层结构的微型计算机控制制系统在结构
12、上大多数采用分层结构的微型计算机控制系统，通常采用的是系统，通常采用的是两级计算机伺服控制系统两级计算机伺服控制系统。伺服伺服驱动驱动人机对话人机对话内部传感器内部传感器通信通信一级（上位机）一级（上位机）微型计算机微型计算机数学运算数学运算数据存储数据存储二级（下位机）二级（下位机）单片机单片机运动控制器运动控制器驱动装置驱动装置关节运动关节运动手的运动手的运动外部传感器外部传感器局部反馈局部反馈全局反馈全局反馈4.1.4 机器人控制系统机器人控制系统4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术 机器人控制系统具体的工作过程是机器人控制系统具体
13、的工作过程是：主控计算机接：主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手的运动参数，然后进行运动学、动力学和插补运算，定手的运动参数，然后进行运动学、动力学和插补运算，最后得出机器人各个关节的协调运动参数。这些参数经最后得出机器人各个关节的协调运动参数。这些参数经过通信线路输出到伺服控制级作为各个关节伺服控制系过通信线路输出到伺服控制级作为各个关节伺服控制系统的给定信号。关节驱动器将此信号统的给定信号。关节驱动器将此信号D/A转换后驱动各转换后驱动各个关节产生协调运动，并通过传感器将各个关节的运动个关节产生协调运动，并通过传感
14、器将各个关节的运动输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制，输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制，从而更加精确的控制机器人手部在空间的运动（作业任从而更加精确的控制机器人手部在空间的运动（作业任务要求的）。务要求的）。在控制过程中，工作人员可直接监视机器人的运动在控制过程中，工作人员可直接监视机器人的运动 状态，也可从显示器等输出装置上得到有关机器人运动状态，也可从显示器等输出装置上得到有关机器人运动 的信息。的信息。4.1.4 机器人控制系统机器人控制系统4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术 机器人控制系统的组成机器人控
15、制系统的组成1、硬件、硬件4.1.4 机器人控制系统机器人控制系统4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术 机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成1、硬件、硬件单片机应用单片机应用 4.1.4 机器人控制系统机器人控制系统4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术 机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成1、硬件、硬件运动控制器介绍运动控制器介绍 运动控制器核运动控制器核心由心由 ADSP2181 数数字信号处理器及字信号处理器及其外围部件组成，其外围部件组成，可以实现高性能的可以实现高性能
16、的控制计算，同步控制计算，同步控制多个运动轴，控制多个运动轴，实现多轴协调运动。实现多轴协调运动。应用领域包括机器人、数控机床等。应用领域包括机器人、数控机床等。4.1.4 机器人控制系统机器人控制系统4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术 机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成1、硬件、硬件运动控制器介绍运动控制器介绍 运动控制器以运动控制器以 PC 为主机，提供标准的为主机，提供标准的 ISA、PCI 及通用的串口总线和数字及通用的串口总线和数字I/O接口。运动控制器提接口。运动控制器提供高级语言函数库和供高级语言函数库和 Windo
17、ws 动态连接库，可以实动态连接库，可以实现复杂的控制功能。现复杂的控制功能。用户能够将这些控制函数与自己控制系统所需的用户能够将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起，建造符合特定应用要求的控制系统，以适应在一起，建造符合特定应用要求的控制系统，以适应各种应用领域的要求。各种应用领域的要求。4.1.4 机器人控制系统机器人控制系统4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术 机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成1、硬件、硬件运动控制器应用运动控制器应
18、用 4 4.1 .1 引言引言4.1.4 机器人控制系统机器人控制系统机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术 机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成2、软件、软件4.1.4 机器人控制系统机器人控制系统4 4.1 .1 引言引言机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术控制过程控制过程：示教人员将机器人作业任务中要求手的运动预先教示教人员将机器人作业任务中要求手的运动预先教给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统就将关节给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统就将关节运动状态参数记忆存储在存储器中。当需要机器人工作运动状态参数记忆存储在存储
19、器中。当需要机器人工作时，机器人的控制系统就调用存储器中存储的各项数据，时，机器人的控制系统就调用存储器中存储的各项数据，驱动关节运动，使机器人再现示教过的手的运动，由此驱动关节运动，使机器人再现示教过的手的运动，由此完成要求的作业任务。完成要求的作业任务。作业任务作业任务手的运动手的运动关节产生运动关节产生运动关节运动参数关节运动参数控制系统控制系统驱动装置驱动装置关节产生运动关节产生运动示教示教记忆记忆再现再现驱动驱动反馈反馈4 4.2 .2 示教再现控制示教再现控制机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术4 4.2 .2 示教再现控制示教再现控制4.2.1 示教
20、方式示教方式4.2.2 记忆过程记忆过程机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术4.2.1 示教方式示教方式 机器人示教的方式种类繁多，总的可以分为机器人示教的方式种类繁多，总的可以分为集集中示教方式中示教方式和和分离示教方式分离示教方式。1、集中示教方式、集中示教方式 将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数同时进行示教的方式，示教一次即可生成关等参数同时进行示教的方式，示教一次即可生成关节运动的伺服指令。节运动的伺服指令。2、分离示教方式、分离示教方式 将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序将机器人手部在空间的位姿、
21、速度、动作顺序等参数分开单独进行示教的方式，一般需要示教多等参数分开单独进行示教的方式，一般需要示教多次才可生成关节运动的伺服指令，但其效果要好于次才可生成关节运动的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。集中示教方式。4 4.2 .2 示教再现控制示教再现控制机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术4.2.1 示教方式示教方式 当对用当对用点位（点位（PTPPTP）控制）控制的点焊、搬运机器人进的点焊、搬运机器人进行示教时，可以分开编制程序，且能进行编辑、修行示教时，可以分开编制程序，且能进行编辑、修改等工作，但是机器人手部在作曲线运动而且位置改等工作，但是机器人手部
22、在作曲线运动而且位置精度要求较高时，示教点数就会较多，示教时间就精度要求较高时，示教点数就会较多，示教时间就会拉长，且在每一个示教点处都要停止和启动，因会拉长，且在每一个示教点处都要停止和启动，因此就很难进行速度的控制。此就很难进行速度的控制。4 4.2 .2 示教再现控制示教再现控制机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术4.2.1 示教方式示教方式 当对用当对用连续轨迹（连续轨迹（CPCP）控制）控制的弧焊、喷漆机器的弧焊、喷漆机器人进行示教时，示教操作一旦开始就不能中途停止，人进行示教时，示教操作一旦开始就不能中途停止，必须不中断的连续进行到底，且在示教途中很难
23、进必须不中断的连续进行到底，且在示教途中很难进行局部的修改。示教时，可以是手把手示教，也可行局部的修改。示教时，可以是手把手示教，也可通过示教盒示教。通过示教盒示教。4 4.2 .2 示教再现控制示教再现控制机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术1/20/20231/20/20234.2.2 记忆过程记忆过程示教示教关节产生运动关节产生运动变换装置变换装置控制系统控制系统传感装置传感装置存储器存储器检测检测转换转换保保 存存 在示教的过程中，机器人关节运动状态的变化在示教的过程中，机器人关节运动状态的变化被传感器检测到，经过转换，再通过变换装置送入被传感器检测到，经
24、过转换，再通过变换装置送入控制系统，控制系统就将这些数据保存在存储器中，控制系统，控制系统就将这些数据保存在存储器中，作为再现示教过的手的运动时所需要的关节运动参作为再现示教过的手的运动时所需要的关节运动参数数据。数数据。4 4.2 .2 示教再现控制示教再现控制机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术示教示教关节产生运动关节产生运动变换装置变换装置控制系统控制系统传感装置传感装置存储器存储器检测检测转换转换保保 存存1、记忆速度、记忆速度 取决于传感器的取决于传感器的检测速度检测速度、变换装置的、变换装置的转换速转换速度度和控制系统存储器的和控制系统存储器的存储速度
25、存储速度。2、记忆容量、记忆容量 取决于控制系统存储器的容量。取决于控制系统存储器的容量。4.2.2 记忆过程记忆过程4 4.2 .2 示教再现控制示教再现控制机器人及其控制原理 *第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术 机器人的机器人的运动控制运动控制是指机器人是指机器人手部在空间从一点移手部在空间从一点移动到另一点的过程中或沿某一轨迹运动时，对其位姿、动到另一点的过程中或沿某一轨迹运动时，对其位姿、速度和加速度等运动参数的控制速度和加速度等运动参数的控制。由机器人运动学可知，机器人手部的运动是由各个由机器人运动学可知，机器人手部的运动是由各个关节的运动引起的，所以关节的运动引起的，所
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