第5章机器人控制.ppt
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工业机器人第五章
条件：
编程工具（语言）和显示界面。
机器人控制柜（或示教盒）要含有输入界面（如键盘）和 显示界面（如显示屏）等！ 先进机器人基本采用混和示教方式！
四. 示教－再现原理（Teach－Playback)
借助于示教获得机器人的轨迹参数，然后再依靠控制系统 将运动复现出来的方法，称为示教－再现。 关键在于“示教”！再现功能的实现相对容易。 示教再现机器人：
速度－轨迹生成速度
次要参数 －在位姿点处停留时间等
二. 参数获取
要进行控制，首先要设法得到有关控制量！ 1. 速度参数： 一般根据操作要求和工艺确定。 例如弧焊：机器人焊枪的移动速度需要根据焊接工艺 及任务要求进行确定。 2. 次要参数： 主要根据操作要求加以确定。 操作型机器人一般不提出轨迹加速度要求。 3. 位姿参数： 示教 ！
关于速度控制模式问题，有兴趣者请参阅相关书籍！
在位控模式下，只有当关节电机的速度达到了额定值，且 还需要继续高速运行，才存在3段问题。 （1） 3段存在条件（0速 额定速度 0速） : 假设加、减速段转过的角度值分别为 、 ，反解得到 的角度差为 如果
0
轨迹参数； 示教再现原理； 关节控制曲线； 多轴协调； 轨迹插补； 学习基础： 电机学 古典控制理论 测试技术
§5.1 轨迹参数
从运动学的角度看，机器人控制的目的就是实现要求的运动！ 问题：如何向机器人描述希望的运动？
第五章 机器人控制方法
1011机械手的位置控制机械手的位置控制手爪位置控制手爪位置控制11使用逆运动学和关节角控制的方法使用逆运动学和关节角控制的方法121314机械手的位置控制机械手的位置控制手爪位置控制手爪位置控制22注重静力学关系的方法注重静力学关系的方法15控制系统硬件构成以安川mrc控制系
三 机器人控制方法
机器人控制系统结构和工作原理
�
3
4
3.机器人控制系统结构 机器人控制系统按其控制方式可分为三类. 集中控制方式:用一台计算机实现全部控制功能,结 构简单,成本低,但实时性差,难以扩展,其构成框图 如图2所示. 主从控制方式:采用主,从两级处理器实现系统的全 部控制功能.主CPU实现管理,坐标变换,轨迹生成和 系统自诊断等;从CPU实现所有关节的动作控制.其构 成框图如图3所示.主从控制方式系统实时性较好,适于 高精度,高速度控制,但其系统扩展性较差,维修困难. 分散控制方式:按系统的性质和方式将系统控制分成 几个模块,每一个模块各有不同的控制任务和控制策略, 各模式之间可以是主从关系,也可以是平等关系.这种 方式实时性好,易于实现高速,高精度控制,易于扩展, 可实现智能控制,是目前流行的方式,其控制框图如图4 所示.
9
式中 U——控制器输出控制信号; ε——控制器输入偏差信号; Kp——比例系数; Ti——积分时间常数; τ——微分时间常数. 控制器的设计就是选择Kp,Ti,τ或者加上其他补偿控 制,使系统达到所要求的性能. 提高控制器的增益Kp固然可减小控制系统的稳态误差, 从而提高控制精度.但此时相对稳定性往往因之而降低, 甚至造成控制系统的不稳定,积分控制可以消除或减弱稳 态误差,微分控制能给出控制系统提前开始制动(P减速) 的信号,且能反馈误差信号的变化速率(变化趋势),并 能在误差信号值变得太大之前,引起一个有效的早期修正 信号,有助于增加系统的稳定性. 10
三 机器人控制方法
机器人控制系统结构和工作原理
�
3
4
3.机器人控制系统结构 机器人控制系统按其控制方式可分为三类. 集中控制方式:用一台计算机实现全部控制功能,结 构简单,成本低,但实时性差,难以扩展,其构成框图 如图2所示. 主从控制方式:采用主,从两级处理器实现系统的全 部控制功能.主CPU实现管理,坐标变换,轨迹生成和 系统自诊断等;从CPU实现所有关节的动作控制.其构 成框图如图3所示.主从控制方式系统实时性较好,适于 高精度,高速度控制,但其系统扩展性较差,维修困难. 分散控制方式:按系统的性质和方式将系统控制分成 几个模块,每一个模块各有不同的控制任务和控制策略, 各模式之间可以是主从关系,也可以是平等关系.这种 方式实时性好,易于实现高速,高精度控制,易于扩展, 可实现智能控制,是目前流行的方式,其控制框图如图4 所示.
9
式中 U——控制器输出控制信号; ε——控制器输入偏差信号; Kp——比例系数; Ti——积分时间常数; τ——微分时间常数. 控制器的设计就是选择Kp,Ti,τ或者加上其他补偿控 制,使系统达到所要求的性能. 提高控制器的增益Kp固然可减小控制系统的稳态误差, 从而提高控制精度.但此时相对稳定性往往因之而降低, 甚至造成控制系统的不稳定,积分控制可以消除或减弱稳 态误差,微分控制能给出控制系统提前开始制动(P减速) 的信号,且能反馈误差信号的变化速率(变化趋势),并 能在误差信号值变得太大之前,引起一个有效的早期修正 信号,有助于增加系统的稳定性. 10
《机器人概论》第5章 机器人智能
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第5章-机器人控制
电枢（转子） 角位移
电机转矩常数
m s
km
Vf s rf l f s Js2 Fs K
总反馈系数 K=kc/η2
励磁回路 电压
励磁回路 电阻
励磁回路 电感
总黏滞摩擦系数 F=fm+fc/η2
传动系统总转动惯量 J=Jm+Jc/η2
5.2 机器人的位置控制
–假设K=0： m s
5.4 机器人的智能控制
–4.遗传算法
•遗传算法（Genetic Algorithm）是模拟达尔文生物进 化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模 型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。 •主要特点：直接对结构对象进行操作，不存在求导和函 数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局寻 优能力；采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优 化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要确定的 规则。
k0
Vf s s 1es1ms
电气时间常数
机械时间常数
m s Vf s
s
k0
1 m s
5.2 机器人的位置控制
–因为转子转速ω=dθm/dt，所以：
m s Vf s
k0
s 1ms
m s Vf s
k0
1ms
–电枢控制直流电动机的传递函数：
第5章机器人控制系统
5.4.2 轨迹规划
1. 轨迹规划目的 轨迹规划的目的是将操作人员输入的简单的任务描述变为
详细的运动轨迹描述。
任务规划器
2
1) 2) 根据已经确定的轨迹参数, 在计算机上模拟所要求的轨迹。 3) 对轨迹进行实际计算,即在运行时间内按一定的速率计算 出位置、速度和加速度,从而生成运动轨迹。 在规划中，不仅要规定机器人的起点和终点，而且要给出 中间点（路径点）的位姿及路径点之间的时间分配，即给出 两个路径点之间的运动时间。
5.5.2 模糊控制的相关知识
模糊控制是在模糊数学的基础发上展起来的。只有掌握了模糊数学相关的 知识，才能实现模糊控制。
1．普通集合及其运算规则
（1）普通集合的基本概念 ➢ 论域：被讨论的对象的全体称作论域。论域常用大写字母U、X、Y、Z等来表示。 ➢ 元素：论域中的每个对象称为元素。元素常用小写字母a、b、x、y等来表示。 ➢ 集合：给定一个论域，论域中具有某种相同属性的元素的全体称为集合。集合常 用大写字母A、B、C等来表示，集合的元素可用列举法（枚举法）和描述法表示。 ➢ 全集：若某集合包含论域里的全部元素，则称该集合为全集。全集常用E来表示。 ➢ 空集：不包含论域中任何元素的集合称作空集。空集用Φ来表示。 ➢ 子集：设A、B是论域U上的两个集合，若集合A上的所有元素都能在集合B中找 到，则称集合A是集合B的子集。 ➢ 集合相等：设A、B为同一论域上的两个集合，若A是 B的子集，且B 是A的子集， 则称集合A与集合B相等。记作A=B。
第5章 工业机器人PLC控制 ppt课件
字运算操作的电子的电子系统，专门在工业环境
下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，
用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计
数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟
的输入(I)和输出(O)接口，控制各种类型的机械 设备或生产过程。”
3
PPT课件
5.1 可编程序逻辑控制器概要
该定义强调了可编程控制器是“数字运算操 作的电子系统”，是一种计算机。它是“专为工 业环境下应用而设计”的工业计算机，是一种用 程序改变控制功能的设备，该种设备采用“面向 用户的指令”，因此编程方便，可完成逻辑运算、 顺序控制、定时计数和数学运算操作，还具有数 字量与模拟量的输入输出能力。 可编程控制器是应用面广、功能强大、使用 方便的通用工业控制设备，已经成为当代工业自 动化的主要支柱之一。
（5）外部采用密封、防尘、抗振的外壳封装结 构，以适应恶劣的工作环境。
13
PPT课件
5.1 可编程序逻辑控制器概要
典型的如PLC和计算机数控装置(CNC)组合成一
体，构成先进的数控机床。
8
PPT课件
5.1 可编程序逻辑控制器概要
（4）数据处理 现代PLC都具有不同程度的数据处理功能，能够 完成数学运算（函数运算、矩阵运算、逻辑运算）、 数据的移位、比较、传递、数值的转换和查表等操 作，对数捃进行采集、分析和处理。数据处理通常 用在大、中型控制系统中，如柔性制造系统、机器 人的控制系统等。
《机器人技术基础》第五章机器人控制系统
频率电压转换电路
把传感器输出的频率信号转换为电流或电压。
电荷放大器 有效值转换电路 滤波电路
将电场型传感器输出产生的电荷转换为电压。
在传感器为交流输出的情况下，转为有效值，变为直流输 出。
通过低通及带能滤波器消除传感器的噪声成分。
线性化电路 对数压缩电路
在传感器的特性不是线性的情况下，用来进行线性校正。
就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲 的宽度进行调制，来等效的获得所需要的电 压值（含形状和幅值)。
5.3.1 电机的控制
直流电动机调速原理
直流电动机由转子和定子组成，定子可以是磁 极或励磁绕组。
其转速与加在转子电枢上的电压Ua有关， Ua↑→转速V↑；所加电压极性改变，则电动机反 转。
据此原理，通过改变电动机电枢电压接通和断 开的时间比（即占空比）来控制电动机的转速， 这种方法就称为脉冲宽度调制PWM。
第五章 机器人控制系统
第五章 机器人控制系统
第 五
5.1 机器人控制技术
章
5.2 机器人控制系统的硬件构成
机 器
5.3 机器人控制系统的相关技术
人
5.4 机器人控制系统的设计
控
制
5.5 机器人的控制
系 统
5.6 机器人智能控制
5.7 智能控制系统的分类
第五章 机器人控制系统
第
机器人概论 第3版 PPT课件第5章 第3节
• 动作级编程语言
以机器人的运动作为描述中心，每一命令对应一个动作。 优点：语句简单，易于编程。如可以定义机器人的运动序列(MOVE)，基
本语句形式为： MOVE TO (destination)
缺点：不能进行复杂计算，不能接受复杂传感信号。 ◆关节级，给出机器人各关节位移的时间序列。 ◆终端执行器级，给出终端执行器的位姿和辅助机能的时间序列。包括力 觉、触觉、视觉等机能以及作业用量、作业工具的选定等。
第5章 工业机器人控制技术
5.3 机器人编程
5.3.2 对机器人的编程要求
1．能够建立世界模型(world model) 2．能够描述机器人的作业 3．能够描述机器人的运动 4．允许用户规定执行流程 5．有良好的编程环境 6．需要人机接口和综合传感信号
第5章 工业机器人控制技术
5.3 机器人编程
（2）编辑状态提供操作者编制程序或编辑程序。尽管不同语言的 编辑操作不同，但一般都包括：写入指令、修改或删去指令以及插入 指令等。
（3）执行状态用来执行机器人程序。在执行状态，机器人执行程 序的每一条指令。所执行的程序都是经调试过的，不允许执行有错误 的程序。
第5章 工业机器人控制技术
5.3 机器人编程
5.3 机器人编程
5.3.4 动作级语言
（３）旋转(ROT)。 旋转型变量用来描述某坐标轴的旋转或绕某轴的旋转，以表示姿态。
以机器人的运动作为描述中心，每一命令对应一个动作。 优点：语句简单，易于编程。如可以定义机器人的运动序列(MOVE)，基
本语句形式为： MOVE TO (destination)
缺点：不能进行复杂计算，不能接受复杂传感信号。 ◆关节级，给出机器人各关节位移的时间序列。 ◆终端执行器级，给出终端执行器的位姿和辅助机能的时间序列。包括力 觉、触觉、视觉等机能以及作业用量、作业工具的选定等。
第5章 工业机器人控制技术
5.3 机器人编程
5.3.2 对机器人的编程要求
1．能够建立世界模型(world model) 2．能够描述机器人的作业 3．能够描述机器人的运动 4．允许用户规定执行流程 5．有良好的编程环境 6．需要人机接口和综合传感信号
第5章 工业机器人控制技术
5.3 机器人编程
（2）编辑状态提供操作者编制程序或编辑程序。尽管不同语言的 编辑操作不同，但一般都包括：写入指令、修改或删去指令以及插入 指令等。
（3）执行状态用来执行机器人程序。在执行状态，机器人执行程 序的每一条指令。所执行的程序都是经调试过的，不允许执行有错误 的程序。
第5章 工业机器人控制技术
5.3 机器人编程
5.3 机器人编程
5.3.4 动作级语言
（３）旋转(ROT)。 旋转型变量用来描述某坐标轴的旋转或绕某轴的旋转，以表示姿态。
第五章机器人轨迹追踪控制20191214-PPT精品文档
本章主要内容：
●PD控制及稳定性？ ●动态控制
●前馈控制
●前馈+反馈控制 ●计算力矩法
●加速度分解法
●实验结果
哈工大 机械设计系
5.1 位置/轨迹控制
位置/轨迹控制为机器人最基本的控制目标。 本节内容：(1) 位置/轨迹控制的基本理论 (2) 以SICE-DD机器人的控制实际。
5.1.1 PD控制及其稳定性
5.1.2稳定性
对机器人伺服系统施加PD控制，为了保证能够从任意 姿态到目标姿态的定位，需要证明其稳定性。在前述施 加重力补偿的PD控制系中，不仅由李亚普诺夫稳定性 q , q ) ( q , 0 ) 是稳定的，而且 定理可以证明平衡点 ( r 由LaSalle的定理也可证明：从任意初始条件，当t趋近 于无穷大时q(t) 逼近于稳定平衡点，即渐进稳定。
哈工大 机械设计系
5.2.2前馈动态控制器的构成
τ = M ( q ) q + C ( q , q ) + B q + D ( q ) + g ( q ) ( 5 . 8 )
逆动力学问题是基于参数推定值推定实现给定运动所需的力矩。其解可以表 示为：
ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ τ ( q , q , q ) = M ( q ) q + C ( q , q ) + B q + D ( q ) + g ( q ) ( 5 . 9 ) ID
●PD控制及稳定性？ ●动态控制
●前馈控制
●前馈+反馈控制 ●计算力矩法
●加速度分解法
●实验结果
哈工大 机械设计系
5.1 位置/轨迹控制
位置/轨迹控制为机器人最基本的控制目标。 本节内容：(1) 位置/轨迹控制的基本理论 (2) 以SICE-DD机器人的控制实际。
5.1.1 PD控制及其稳定性
5.1.2稳定性
对机器人伺服系统施加PD控制，为了保证能够从任意 姿态到目标姿态的定位，需要证明其稳定性。在前述施 加重力补偿的PD控制系中，不仅由李亚普诺夫稳定性 q , q ) ( q , 0 ) 是稳定的，而且 定理可以证明平衡点 ( r 由LaSalle的定理也可证明：从任意初始条件，当t趋近 于无穷大时q(t) 逼近于稳定平衡点，即渐进稳定。
哈工大 机械设计系
5.2.2前馈动态控制器的构成
τ = M ( q ) q + C ( q , q ) + B q + D ( q ) + g ( q ) ( 5 . 8 )
逆动力学问题是基于参数推定值推定实现给定运动所需的力矩。其解可以表 示为：
ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ τ ( q , q , q ) = M ( q ) q + C ( q , q ) + B q + D ( q ) + g ( q ) ( 5 . 9 ) ID
《工业机器人技术基础》(第5章)
但是，由于被动交互控制需要对每个机器人作业都必须设计和安装一个 专用的柔顺末端执行器，因此在工业应用中使用被动柔顺往往缺乏灵活性。 它只能处理程序设定轨迹上小的位置和姿态偏离。此外，因为没有力的测量， 被动交互控制也不能确保很大的接触力永远不会出现。
2．主动交互控制
在主动交互控制中，机器人系统的柔顺主要通过特意设计的控制系统 来获得。这种方法通常需要测量接触力和力矩，它们反响到控制器中用于 修正或在线生成机器人末端执行器的期望轨迹。
在控制结构上，大局部工业机器人采用两级计算机控制。第一级微型计算机控制 器〔上位机〕担负系统监控、作业管理和实时插补任务，由于运算工作量大、数据 多，所以大都采用16位以上的计算机。第一级计算机运算结果作为目标指令传输到 第二级单片机运动控制器〔下位机〕，经过计算处理后传输到各执行元件。
1．集中控制结构
5.1.5 工业机器人控制柜与示教器
工业机器人的控制器主要包括控制柜和示教器两局部。
1．控制柜
控制柜以先进动态建模技术为根底，对机器人性能实施自动优化，大幅提升了 工业机器人执行任务的效率。
（a）wk.baidu.com形
（b）内部
图5-6 IRC5控制柜
2．示教器
示教器是一种手持式操作装置，用于操作与工业机器人控制系统有关的任务，如 编写程序、运行程序、修改程序、手动操纵、参数配置、监控状态等。示教器主要部 件包括使能器按钮、触摸屏、触摸笔、急停按钮、操纵杆和功能按钮。
2．主动交互控制
在主动交互控制中，机器人系统的柔顺主要通过特意设计的控制系统 来获得。这种方法通常需要测量接触力和力矩，它们反响到控制器中用于 修正或在线生成机器人末端执行器的期望轨迹。
在控制结构上，大局部工业机器人采用两级计算机控制。第一级微型计算机控制 器〔上位机〕担负系统监控、作业管理和实时插补任务，由于运算工作量大、数据 多，所以大都采用16位以上的计算机。第一级计算机运算结果作为目标指令传输到 第二级单片机运动控制器〔下位机〕，经过计算处理后传输到各执行元件。
1．集中控制结构
5.1.5 工业机器人控制柜与示教器
工业机器人的控制器主要包括控制柜和示教器两局部。
1．控制柜
控制柜以先进动态建模技术为根底，对机器人性能实施自动优化，大幅提升了 工业机器人执行任务的效率。
（a）wk.baidu.com形
（b）内部
图5-6 IRC5控制柜
2．示教器
示教器是一种手持式操作装置，用于操作与工业机器人控制系统有关的任务，如 编写程序、运行程序、修改程序、手动操纵、参数配置、监控状态等。示教器主要部 件包括使能器按钮、触摸屏、触摸笔、急停按钮、操纵杆和功能按钮。
机器人技术及其应用第5章 机器人的控制基础
非线性的多变量控制系统。由于它的特殊性， 经典控制理论和现代控制理论都不能照搬
使用。然而到目前为止， 机器人控制理论还是不完整的、不系统的。相信随着机器人事 业的发展， 机器人控制理论必将日趋成熟。
概述 5.1.3 机器人的控制方式
机器人的运动主要是位置的移动， 移动位置的控制可以分为以定位为目标的定位控 制和以路径跟踪为目标的路径控制两种方式。 1.定位控制方式 定位控制中最简单的是靠开关控制的两端点定位控制， 而这些端点可以是完全被固 定而不能由控制装置的指令来移动的固定端点， 也可以是靠手动调节挡块等在预置的特
定点中有选择地设定或任意设定的半固定端点。
概述
很多机器人要求能准确地控制末端执行器的工作位置， 而路径却无关紧要， 即点位
式（ＰＴＰ） 控制。例如， 在印制电路板上安插元件、点焊、装配等工作， 都属于点位
式工作方式。一般来说， 这种方式比较简单， 但是要达到２ ～ ３μ ｍ 的定位精度也是 相当困难的。
第五章
机器人的控制基础
目录
Contents 概述 伺服电机的原理与特性
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节
伺服电机调速的基本原理
电动机驱动及其传递函数 单关节机器人的伺服系统建模与控制 交流伺服电动机的调速 机器人控制系统的硬件结构及接口 机器人控制系统举例 小结
第五章移动机器人驱动 机器人技术 教学课件(共36张PPT)
机械(jīxiè)特性
第七页，共36页。
直流电机的运行(yùnxíng)特性
调节(tiáojié)特性
第八页，共36页。
四：直流电机的控制(kòngzhì) 1：直流电机的转动控制(kòngzhì)
第九页，共36页。
第十页，共36页。
桥式驱动(qū dònɡ)电路
第十一页，共36页。
2：直流电机的速度(sùdù)控制
第十七页，共36页。
3应用(yìngyòng)实例-MC33886
图5.８第十M八页C，共3336页8。86封装
ＭＣ３３８８６内部(nèibù)结构 图
第十九页，共36页。
MC33886典型应用(yìngyòng)电 路
第二十页，共36页。
ＭＣ３３８８６单片驱动(qū dònɡ)电路
第二十一页，共36页。
MC33886并联(bìnglián)驱动电 路
第二十二页，共36页。
第二节 步进电机(diànjī)
优点： 输出角与输入脉冲成比例，时间同步。步距角不易受干扰。 容易控制，与计算机接口方便。 输出精度高，无累积误差。每转一周，误差回零。 分类： 1． 永磁式步进电机。转子是永磁体，定子通电绕组。 低本钱、
第十四页，共36页。
内部(nèibù)结构图
第十五页，共36页。
L298控制(kòngzhì)的逻辑真值表 5.1：
第七页，共36页。
直流电机的运行(yùnxíng)特性
调节(tiáojié)特性
第八页，共36页。
四：直流电机的控制(kòngzhì) 1：直流电机的转动控制(kòngzhì)
第九页，共36页。
第十页，共36页。
桥式驱动(qū dònɡ)电路
第十一页，共36页。
2：直流电机的速度(sùdù)控制
第十七页，共36页。
3应用(yìngyòng)实例-MC33886
图5.８第十M八页C，共3336页8。86封装
ＭＣ３３８８６内部(nèibù)结构 图
第十九页，共36页。
MC33886典型应用(yìngyòng)电 路
第二十页，共36页。
ＭＣ３３８８６单片驱动(qū dònɡ)电路
第二十一页，共36页。
MC33886并联(bìnglián)驱动电 路
第二十二页，共36页。
第二节 步进电机(diànjī)
优点： 输出角与输入脉冲成比例，时间同步。步距角不易受干扰。 容易控制，与计算机接口方便。 输出精度高，无累积误差。每转一周，误差回零。 分类： 1． 永磁式步进电机。转子是永磁体，定子通电绕组。 低本钱、
第十四页，共36页。
内部(nèibù)结构图
第十五页，共36页。
L298控制(kòngzhì)的逻辑真值表 5.1：
第5章IR控制1
q= [q1, q2, …, qn]T
广广广
τ= [τ1, τ2, …, τn]T
关节 空间
两大空间三大矩阵
5.1 机器人控制系统与控制方式
5.1.1机器人控制系统的特点（与一般自动化设备比较）
机器人的动力学方程式
..
.
.
M (q) q H (q, q) B q G(q)
式中 M(q)----惯性矩阵； . H (q,-q-)--离心力和科氏力的向量；
(a)
u(t
)
k
p
e(t
)
1 Ti
t
e( )d
0
Td
de(t )
dt
(b)
d ( t )+ e
kp
-
1
1
++
u
Object
( t)
Ti s
+
Td s
k p ,Ti ,Td 分别为比例系数，积分时间，微分时间。
比例（P）调节作用：按比例反映当前系统的偏差。系统
一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。
积分（I）调节作用：是过去系统误差的积累。使系统消
除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直 至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。
广广广
τ= [τ1, τ2, …, τn]T
关节 空间
两大空间三大矩阵
5.1 机器人控制系统与控制方式
5.1.1机器人控制系统的特点（与一般自动化设备比较）
机器人的动力学方程式
..
.
.
M (q) q H (q, q) B q G(q)
式中 M(q)----惯性矩阵； . H (q,-q-)--离心力和科氏力的向量；
(a)
u(t
)
k
p
e(t
)
1 Ti
t
e( )d
0
Td
de(t )
dt
(b)
d ( t )+ e
kp
-
1
1
++
u
Object
( t)
Ti s
+
Td s
k p ,Ti ,Td 分别为比例系数，积分时间，微分时间。
比例（P）调节作用：按比例反映当前系统的偏差。系统
一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。
积分（I）调节作用：是过去系统误差的积累。使系统消
除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直 至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。
相关主题
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精度—系统分辨率
分辨率的系统误差可取1/2基准分辨率。 理由是基准分辨率以下的变位我们既无法编程又无法检 测，故误差的平均值可取1/2基准分辨率。 机器人的精度＝1/2基准分辨率十机构误差。 如果做到使机构的综合误差达到1/2基准分辨率，则精度 ＝分辨率。
位置重复精度
位置重复精度是关于精度的统计数据。 位置重复精度不受负载变化的影响； 通常用位置重复精度这一指标作为示教／再现方 式工业机器人水平的重要精度指标。
精度、分辨率与位置重复精度
精度常常容易和分辨率、位置重复精 度相混淆。 实际是三个不同的概念。
分辨率
机器人的分辨率是由系统设计参数所决定，并 受到位置反馈检测单元性能的影响。 分辨率又分为编程分辨率与控制分辨率。 当编程分辨率与控制分辨率相等时，系统性能 达到最高。上述两个分辨率统称系统分辨率。
第5章 工业机器人控制
5.1 工业机器人控制系统的特点 5.2 运动控制中的基本概念 5.3 工业机器人控制系统的主要功能
5.4 工业机器人的控制方式 5.5 工业机器人的运动控制技术
5.1 工业机器人控制系统的特点
运动控制是物体在空间、时间中的位置、速度、加速度和力的控制技术。 机器人是运动控制的典型代表。 工业机器人与传统机械有着很大的差异，主要表现：
36 /6 000 0.006 r0.0 6 10 0/1 08 1 0 .0m 5
极坐标机器人
手腕长度的变化，将造成3个轴中的2个轴分辨率的下降
例 如 ： 3 个 1000P ／ 周 增 量 式 光 码 盘 ， 一 个 装 在 与 螺 距 为 10mm 的 滚 珠丝杠同轴驱动伸缩臂的电机轴 上，2个安装在通过1：22速比的 减速器驱动2个旋转轴的电机上， 腕 的 臂 长 为 500mm 。 此 时 ， 3 个 轴 的分辨率分别为：
5.1 工业机器人控制系统的特点
机器人的结构是一个空间开链机构, 需要多关节的运动协调。 因此, 其控制 系统与普通的控制系统相比要复杂得多,具体有如下特点:
(1) 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。 经常要求正向运动学和 反向运动学的解, 还要考虑惯性力、 外力(包括重力)、哥氏力及向心力的影响。
位置重复精度
R=0.1mm
位置重复精度=±0.1mm
精度与位置重复精度的关系
机型与精度等的关系
直角坐标形机器人
精度可以很高
其直线距离可表示为：
L x2y2z2
圆柱坐标形机器人
其分辨率不定，随r的变化而变化
设回转轴分辨率为α时，则腕 点分辨率为αr
例如：回转轴的位置检测单元 采 用 6000P ／ 周 的 增 量 方 式 光 码盘与电机同轴联接，水平腕 最长为1m的话，则腕点位置分 辨率是最坏的情况，
精度
机器人的最终精度主要依存于机械误差、 控制算法与系统分辨率。
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精度—机械误差
机械误差主要产生于传动误差、关节间隙与联杆 机构的挠性。
传动误差是由轮齿误差、螺距误差等; 关节间隙是关节处轴承间隙、谐波齿隙等; 连杆的挠性，随机器人的位形、负载的变化 而变化。
精度—控制算法误差
控制算法误差，主要指能否得到直接解的算法和 算法在计算机内的运算字长所造成的“bit”(比 特)误差。 因为16位以上CPU可达到82位以上浮点运算，所 以“bit”误差与机构误差相比，基本可以忽略不 计。
(2) 简单机器人至少要有3～5个自由度, 比较复杂的机器人有十几个甚至几十个 自由度。 每个自由度包含一个伺服机构, 它们必须协调 组成一个多变量控制系统。
(3) 机器人的协调控制以及“智能”, 只能由计算机来完成。 因此, 机器人控制 系统必须是一个计算机控制系统。
(4) 描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型, 随着状态的变化,参 数也在变化, 变量间存在耦合。因此还要利用速度甚至加速度闭环。
(5) 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成, 因此存在一个“最优” 的问题。 根据传感器和模式识别的方法获得的工况, 自动选择最佳的控制规律。
5.2 运动控制中的基本概念
精度、分辨率与位置重复精度 位置与轨迹 点位(PTP)与连续(CP)控制 多轴协调控制 T／P方式工业机器人的基本控制思想
速度高 精度高 控制范围广（一般速度控制比要求在1：10000以上。）
传统的、有效的单自由度机构的控制技术已远远不能满足机器人这样的特
别对象。新的运动控制思想即在这种背景之下被提出。
5.1 工业机器人控制系统的特点
机器人控制上的特殊要求
不仅高速运动中突然停止时的位置精度要求高，而且还要求高精度地跟 踪时变的速度与空间轨迹，对加速度和力也要进行高精度的控制。 机构多为开式串联结构，因此刚性差且具有多个固有振动频带。与1kHz 以上的单体机械和300Hz左右的机床相比，关节式多自由度机器人的机构 共振频率多在5—30Hz范围内，航天机器人仅在1Hz以下并伴有强烈的高 频过渡振荡现象。 负载以及各构件对各个回转轴的转动惯量，随机器人的位形而变，其变 化幅度很大，一般可达4—8倍。 摩擦、传动间隙、检测精度等对机器人的高速、高精度的运动制约严重 。
伸缩轴：10/1000=0.01mm 旋转轴： (1/22)x(360/1000)x500xπ/180=0.14mm
多关节机器人
机器人的精度将由各个回转关节的误差之和来决定
机器人的精度将由各个回转关节的误 差之和来决定 关节形机器人精度最差。 由于它占地面积最小，而动作范围最 大，空间速度快，灵活，通用性好等 优点，而成为机器人发展的主流。
编程分辨率
编程分辨率是指程序中可以设定的最小距离 单位，又称基准分辨率。 例如：当电机旋转0.1度，机器人腕点(手臂 尖端点)移动的直线距离为0.01mm时，其基 准分辨率为0．01mm。
控制分辨率
控制分辨率是位置反馈回路能够检测到的最 小位移量
例如：若每周(转)1000个脉冲的增量方式的 光码盘与电机同轴安装的话，则电机每旋转 0.36度(360度／1000rpm)，光码盘就发出一 个脉冲，因此，0.36度以下的角度变化无法 检测，该系统的控制分辨率为0.36度。