机器人控制技术课件

2020年12月19日4时8分
机器人控制技术
机
1.2 示教再现控制
器
人
及
1.2.1 示教方式
其
1.2.2 记忆过程
控
制
原
理
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1.2 示教再现控制
器 1.2.1 示教方式
人
机器人示教的方式种类繁多，总的可以分为集
及
中示教方式和分离示教方式。
其
1、集中示教方式 将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序
算 储
下 位 机 ： 单 片 机 、 运 动控 制 器 伺 服 驱 动
检
测
传
感
器内外部部传传感感器器：：自外身部
关 节运 动 状 态 检 测 环 境参 数 变 化 检 测
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机
1.1 引言Βιβλιοθήκη 器 1.1.4 机器人控制系统
人
机器人控制系统的组成
及
1、硬件——单片机应用
控
等参数同时进行示教的方式，示教一次即可生成关
制
节运动的伺服指令。
原
2、分离示教方式 将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序
理
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
集中示教方式。
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1.2 示教再现控制
器 1.2.1 示教方式
器 作业任务 人
手的运动
运动学 逆解
关节位移、 动力学 关节驱动力 速度、加速度 正解 （矩）
及 其
关节产生运动 驱动 驱动装置
控制系统
机
1.1 引言
器
1.1.1 机器人控制特点
人
1、大量的运动学、动力学运算，涉及矢量、矩阵、
及
坐标变换和微积分等运算。
其
2、机器人的控制不仅是非线性的，而且是多变量
控
耦合的。
制
3、机器人的控制还必须解决优化、决策的问题。
原
理
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1.1 引言
器
1.1.2 机器人控制方式
机
1.2 示教再现控制
器 1.2.1 示教方式
人
当对用连续轨迹（CP）控制的弧焊、喷漆机器人
及
进行示教时，示教操作一旦开始就不能中途停止，
其
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
控
通过示教盒示教。
制
原
理
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理
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。
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1.1 引言
器 1.1.2 机器人控制方式
人
1、按机器人手部在空间的运动方式分：
及
（2）连续轨迹控制方式——CP 连续轨迹控制又称为CP控制，其特点是连续的控
其
制机器人手部在作业空间中的位姿，要求其严格的按照
参数数据。
2020年210220月年1129月日149日时星8期分六
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1.2 示教再现控制
器 1.2.2 记忆过程
人
及
示教
存储器
其
关节产生运动 检测 传感装置 转换 变换装置
保存 控制系统
控
制
1、记忆速度 取决于传感器的检测速度、变换装置的转换速
原
度和控制系统存储器的存储速度。
理
2、记忆容量
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1.1 引言
器 1.1.4 机器人控制系统
人
机器人控制系统的组成
及
1、硬件——运动控制器介绍
其
运动控制器以 PC 为主机，提供标准的 ISA 、 PCI 及通用的串口总线和数字I/O接口。运动控制器提
控
供高级语言函数库和 Windows 动态连接库，可以实
其
控
制
原
理
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1.1 引言
器 1.1.4 机器人控制系统
人
机器人控制系统的组成
及
2、软件
其 控
系
统
软
件计系算统机初操始作化系程统序个单人片微机机、、运小动型控计制算器机
制 原 理
动 作 控 制 软 件 实 时 动 作 解 释 执 行 程 序
应
用
软
控制过程：
关节产生运动
驱动
驱动装置 反馈
控
示教人员将机器人作业任务中要求手的运动预先教
制 给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统就将关节
原 运动状态参数记忆存储在存储器中。当需要机器人工作
理
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
此完成要求的作业任务。
其
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
控
统的给定信号。关节驱动器将此信号D/A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
制
输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制，
原
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）。
其
作业的要求进行动作，最终完成给定的作业任务。
控
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
制
精度取决于示教人员的熟练程度。而在运动控制中，
原 理
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。
理
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
的信息。
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1.1 引言
器 1.1.4 机器人控制系统
人
机器人控制系统的组成
及
1、硬件
其 控 制 原 理
人机对话
控
制
器上
位
机
：
个
人
微
机
、
小型
计
算
机数通学信运 数 据 存
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1.1 引言
器 1.1.3 机器人控制功能
人
1、示教再现功能
及
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
其
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
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
控
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
制
轨迹跟踪精度及平稳性。
原
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。
理
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。
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制 学逆解和数学插补运算得到机器人各个关节运动的位移
原 、速度和加速度，再根据动力学正解得到各个关节的驱
理
动力（矩）。机器人控制系统根据运算得到的关节运动 状态参数控制驱动装置，驱动各个关节产生运动，从而
合成手在空间的运动，由此完成要求的作业任务。
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1.3 运动控制
制
操作过程，由此机器人即可完成要求的作业任务。
原 理
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。
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1.1 引言
器 1.1.3 机器人控制功能
人
2、运动控制功能
及
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
微型计算机
单片机 运动控制器
驱动 驱动装置
理
数据存储
局部反馈
全局反馈
关节运动 内部传感器
手的运动 外部传感器
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1.1 引言
器 1.1.4 机器人控制系统
人
机器人控制系统具体的工作过程是：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
及
定手的运动参数，然后进行运动学、动力学和插补运算，
人
机器人的控制方式主要有以下两种分类：
及
1、按机器人手部在空间的运动方式分：
其
（1）点位控制方式——PTP 点位控制又称为PTP控制，其特点是只控制机器
控
人手部在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。
制
这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动 所需的时间。
原
常常被应用在上下料、搬运、点焊和在电路板上
取决于控制系统存储器的容量。
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机
1.3 运动控制
器
机器人的运动控制是指机器人手部在空间从一点移动
人
到另一点的过程中或沿某一轨迹运动时，对其位姿、速
及
度和加速度等运动参数的控制。
其
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，所以控制机器人手部的运动实际上是
人
当对用点位（PTP）控制的点焊、搬运机器人进
及
行示教时，可以分开编制程序，且能进行编辑、修
其
改等工作，但是机器人手部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
控
会拉长，且在每一个示教点处都要停止和启动，因
制
此就很难进行速度的控制。
原
理
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机器人控制技术
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机
1.1 引言
器 1.1.4 机器人控制系统
人
由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插
及
补运算以及较低层的实时控制，所以，目前的机器人控
其
制系统在结构上大多数采用分层结构的微型计算机控制
控
系统，通常采用的是两级计算机伺服控制系统。
制
数学运算
原 人机对话 一级（上位机）通信 二级（下位机） 伺服
其
控
制
原
理
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1.1 引言
器 1.1.4 机器人控制系统
人
机器人控制系统的组成
及
1、硬件——运动控制器介绍
其
运动控制器核 心由 ADSP2181 数
控
字信号处理器及
制
其外围部件组成， 可以实现高性能的
原
控制计算，同步
理
控制多个运动轴，
实现多轴协调运动。
应用领域包括机器人、数控机床等。
原 理
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 的场合，它具有费用省，操作、安装、维护简单的优点。
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1.1 引言
器 1.1.2 机器人控制方式
人
2、按机器人控制是否带反馈分：
及
（2）伺服型控制方式 伺服型控制方式是指采用了反馈环节的闭环控制
件编 运
算 程
软 软
件 件
运动 作业
学 任
、 务
动 程
力 序
学 编
和 制
插 环
补程 序 境程 序
监 控 软 件 实 时 监 视 、 故 障 报 警 等程 序
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1.2 示教再现控制
器 人
作业任务 示教
关节产生运动 记忆 关节运动参数
及
手的运动
控制系统
其
再现
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器
人
1.1 引言
及
其
1.2 示教再现控制
控
1.3 运动控制
制
习题
原
理
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1.1 引言
器
人
1.1.1 机器人控制特点
及
1.1.2 机器人控制方式
其
1.1.3 机器人控制功能
控
1.1.4 机器人控制系统
制
原
理
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制
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
原
数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成
理
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。
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器 1.1.4 机器人控制系统
人
机器人控制系统的组成
及
1、硬件——运动控制器应用
其
方式。
控
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
制
动参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服控制。
原 理
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 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。
机
1.2 示教再现控制
器 1.2.2 记忆过程
人
及
示教
存储器 保存
其
关节产生运动 检测 传感装置 转换 变换装置
控制系统
控
在示教的过程中，机器人关节运动状态的变化
制
被传感器检测到，经过转换，再通过变换装置送入
原
控制系统，控制系统就将这些数据保存在存储器中
理
，作为再现示教过的手的运动时所需要的关节运动
机
1.1 引言
器 1.1.2 机器人控制方式
人
2、按机器人控制是否带反馈分：
及
（1）非伺服型控制方式 非伺服型控制方式是指未采用反馈环节的开环控制
其
方式。
控
在这种控制方式下，机器人作业时严格按照在进行 作业之前预先编制的控制程序来控制机器人的动作顺序，
制
在控制过程中没有反馈信号，不能对机器人的作业进展
控
通过控制机器人各个关节的运动实现的。
制
原
理
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1.3 运动控制
器 作业任务 人
手的运动
运动学 关节位移、 动力学 关节驱动力 逆解 速度、加速度 正解 （矩）
及
关节产生运动 驱动 驱动装置
控制系统