第5章机器人控制.ppt
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《机器人控制》PPT课件
同样可得活塞位移X与配油器输入信号（位移误 差信号）U间的关系为：
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29
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 2．电一液压伺服控制系统
据式（5.5）、（5.6）和图5.4可得系统的传递 函数:
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30
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 2．电一液压伺服控制系统 当采用力矩电动机作为位移给定元件时
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43
5.2 机器人的位置控制
机器人为连杆式机械手，其动态特性具有高度的非线性。 要控制这种由马达驱动的操作机器人，用适当的数学方 程式来表示其运动是十分重要的。这种数学表达式就是 数学模型，或简称模型。控制机器人运动的计算机，运 用这种数学模型来预测和控制将要进行的运动过程。
式中，1很小而又可以忽略时
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31
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
3．滑阀控制液压传动系统 图5．5表示出一个简单的滑阀控制液压传动系统 的结构框图。其中所用的控制阀为四通滑阀。
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32
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 3．滑阀控制液压传动系统
5.1.2伺服控制系统举例
3．滑阀控制液压传动系统
式中，c＝k1n为闭环系统的自然角振荡频率；
c k1 为闭环系统的阻尼系数：2 1 为k1闭环系统
的第二时间常数；另一时间常数为1。
式（5.25）即为所求闭环系统的传递函数。从此式 可见，此闭环系统为一等价三阶系统。我们往往把 它简化为一个一阶环节与一个二阶环节串联的系统。 这样，便于对系统进行分析与研究。
13
PID控制器参数整定的一般规律
工业机器人控制系统的特点
1) 示教的方式 示教方式总的可分为集中示教方式和分离示教方式。
集中示教方式就是指同时对位置、速度、操作顺序等 进行的示教方式。 分离示教方式是指在示教位置之后, 再 一边动作, 一边分别示教位置、 速度、 操作顺序等的示 教方式。
当对PTP(点位控制方式)控制的工业机器人示教时, 可 以分步编制程序,且能进行编辑、修改等工作。但是在作曲 线运动而且位置精度要求较高时,示教点数一多,示教时间 就会拉长, 且在每一个示教点都要停止和启动, 因而很难 进行速度的控制。
(5.2)
图 5.5 电动机控制系统的构成
5.4.2 电动机速度的控制
1. 直流电动机的速度与转矩的关系 直流电动机依据图5.4中表示的磁场与电枢连接方式 的不同,有他激、并激、串激和复激电动机等类型。在机 器人中， 他激电动机中采用永久磁铁的电机用得较多，所 以本节只对这种电机进行说明。
根据电机学原理,当设电动机的速度为ωm(rad／s), 电 动机电枢的电压、电流、电阻分别为U(V)、I(A)、 R(Ω),
(1) 机器人的控制与机构运动学及动力学密切 相关。 机器人手足的状态可以在各种坐标下进行 描述,应当根据需要选择不同的参考坐标系, 并做 适当的坐标变换。经常要求正向运动学和反向运动 学的解, 除此之外还要考虑惯性力、 外力(包括重 力)、哥氏力及向心力的影响。
(2)
一个简单的机器人至少要有3～5个自由
对需要控制连续轨迹的喷漆、电弧焊等机器人进行连续 轨迹控制的示教时, 示教操作一旦开始, 就不能中途停止,必须 不中断地进行到完, 且在示教途中很难进行局部修正。
示教方式中经常会遇到一些数据的编辑问题, 其编辑机 能有如图5.1所示的几种方法。
在图中, 要连接A与B两点时, 可以这样来做: (a) 直接连接 ; (b) 先在A与B之间指定一点x, 然后用圆弧连接; (c) 用指定 半径的圆弧连接; (d) 用平行移动的方式连接。
集中示教方式就是指同时对位置、速度、操作顺序等 进行的示教方式。 分离示教方式是指在示教位置之后, 再 一边动作, 一边分别示教位置、 速度、 操作顺序等的示 教方式。
当对PTP(点位控制方式)控制的工业机器人示教时, 可 以分步编制程序,且能进行编辑、修改等工作。但是在作曲 线运动而且位置精度要求较高时,示教点数一多,示教时间 就会拉长, 且在每一个示教点都要停止和启动, 因而很难 进行速度的控制。
(5.2)
图 5.5 电动机控制系统的构成
5.4.2 电动机速度的控制
1. 直流电动机的速度与转矩的关系 直流电动机依据图5.4中表示的磁场与电枢连接方式 的不同,有他激、并激、串激和复激电动机等类型。在机 器人中， 他激电动机中采用永久磁铁的电机用得较多，所 以本节只对这种电机进行说明。
根据电机学原理,当设电动机的速度为ωm(rad／s), 电 动机电枢的电压、电流、电阻分别为U(V)、I(A)、 R(Ω),
(1) 机器人的控制与机构运动学及动力学密切 相关。 机器人手足的状态可以在各种坐标下进行 描述,应当根据需要选择不同的参考坐标系, 并做 适当的坐标变换。经常要求正向运动学和反向运动 学的解, 除此之外还要考虑惯性力、 外力(包括重 力)、哥氏力及向心力的影响。
(2)
一个简单的机器人至少要有3～5个自由
对需要控制连续轨迹的喷漆、电弧焊等机器人进行连续 轨迹控制的示教时, 示教操作一旦开始, 就不能中途停止,必须 不中断地进行到完, 且在示教途中很难进行局部修正。
示教方式中经常会遇到一些数据的编辑问题, 其编辑机 能有如图5.1所示的几种方法。
在图中, 要连接A与B两点时, 可以这样来做: (a) 直接连接 ; (b) 先在A与B之间指定一点x, 然后用圆弧连接; (c) 用指定 半径的圆弧连接; (d) 用平行移动的方式连接。
第5章 工业机器人PLC控制
5.2 PLC的硬件结构
❖ 为了进一步提高PLC的可靠性，对大型PLC还采 用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式 系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统 仍能正常运行。
❖ CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决 定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等， 因此限制着控制规模。
（如按钮、开关等）与PLC的输入端子连接，将接收输出
信号的被控设备（如接触器、电磁阀等）与PLC的输出端
子连接，仅用螺丝刀即可完成全部接线工作。
❖
PLC的用户程序可在实验室模拟调试，输入信号用
开关来模拟，输出信号可以观察PLC的发光二极管。调试
后再将PLC在现场安装通调。调试工作量要比继电器控制
系统少得多。
❖
PLC的故障率很低，并且有完善的自诊断功能和运
行故障指示装置。一旦发生故障，可以通过PLC机上各种
发光二极管的亮灭状态迅速查明原因，排除故障。
5.1 可编程序逻辑控制器概要
❖ 5．体积小、重量轻、功耗低
❖
由于PLC采用半导体大规模集成电路，因
此整个产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低，
PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体
化的理想的控制设备。
5.1 可编程序逻辑控制器概要
❖5.1.3 PLC编程语言
❖PLC普遍流行的梯形图进行讲解，直观易懂。它 是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的 连通图，与电气原理图相似。梯形图通常有左右两 条母线，两母线之间是内部“软继电器”的常开、常 闭触点以及继电器线圈组成的平行的逻辑行，每个 逻辑行以触点与左母线开始，以线圈和右母线结束。
5.1 可编程序逻辑控制器概要
❖ 在硬件方面采取的主要措施有： ❖ （1）隔离 ❖ PLC的输入、输出接口电路一般都采用光电耦合
工业机器人第五章
（2）在线示教（On －line Teaching）
在机器人工作现场操纵机器人完成全部操作运动，并记录 下位姿等参数的方法，称为～。
条件： 机器人各个关节采用闭环控制（？），具备获得位姿 值的条件（例如利用编码器可以获得关节转角值）。
手把手示教 示教装置示教
手把手示教：
操作员用手直接推动机器人经过一系列示教点。
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：
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？
一.轨迹参数
轨迹： 机器人末端执行器标架在运动过程中的广义位移、 广义速度和广义加速度，称为～ 轨迹参数： 描述轨迹的参数，称为～ 主要参数 位姿－轨迹上各点位姿
使用机器人语言的目的是为了进行运动编程； 许多通用计算机语言都具备此类功能； 通用计算机语言功能更多； 现在的机器人控制器远比早期时强大。 对通用计算机编程语言进行改造，保留相关功能，剪裁无 用功能，增加新的函数，即可以快速得到一种不错的机器 人语言，例如ROBOC。
§5.2 轨迹实现
一. 控制方式 1. 点到点控制（PTP-Point To Point）
第五章
第5章 机器人的控制系统
2．从使用的角度：
多轴运动的协调控制，以产生要求的工作轨迹： 机器人的手部的运动是所有关节运动的合成 运动，要使手部按照规定的规律运动，就必 须很好地控制各关节协调动作。 较高的位置精度，很大的调速范围： 除直角坐标式机器人外，机器人关节上的位 置检测元件通常安装在各自的驱动轴上，构 成位置半闭环系统。机器人以极低的作业速 度工作；空行程时，又能以极高的速度移动。 系统的静差率要小：即要求系统具有较好的刚性。 位置无超调，动态响应快：避免与工件发生碰撞， 在保证系统适当响应能力的前提下增加系统的阻 尼。 需采用加减速控制：为了增加机器人运动平稳性， 运动启停时应有加减速装置。
二、机器人控制方式分类：
机器人位置控制：
定位控制方式：固定位置方式，多点位置方式，伺 服控制方式 。 路径控制方式 ：连续轨迹控制 ，点到点控制 。 速度控制方式，加速度控制方式。 固定力控制，可变力控制。
机器人速度控制：
机器人力控制：
三、 机器人的传感器
传感器是一种以一定精度将被测量(如位移、力、加速度、 温度等)转换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量 的某种物理量 (如电量 )的测量部件或装置。根据一般传感 器在系统中所发挥的作用，完整的传感器应包括敏感元件、 转换元件、基本转换电路三部分。敏感元件的基本功能是 将某种不便测量的物理量转换为易于测量的物理量，转换 元件与敏感元件一起构成传感器的结构部分，而基本转换 电路是将敏感元件产生的易测量小信号进行变换，使传感 器的信号输出符合具体工业系统的要求 ( 如 4 ～ 20mA 、 – 5～5V)。 给机器人装备什么样的传感器，对这些传感器有什么要求， 这是设计机器人感觉系统时遇到的首要问题。选择机器人 传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点。
第5章机器人控制系统
5.2.3 力(力矩)控制方式
机器人行程的速度 /时间曲线
在进行装配或抓取物体等作业时，工业机器人末端操作器与环境或作业对象
的表面接触，除了要求准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时 就要采取力 (力矩)控制方式。力(力矩)控制是对位置控制的补充，这种方式的控制 原理与位置伺服控制原理也基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是 力 (力矩 )信号，因此，系统中有力 (力矩)传感器。
5.1.4 工业机器人控制的特点
1) 传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统则更 着重本体与操作对象的相互关系。
2) 工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。
3) 每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协
调起来，组成一个多变量的控制系统。
4) 描述工业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
姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。 机器人控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。
5.1.1 机器人控制系统的基本功能
机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以 完成特定的工作任务，其基本功能如下：
（1）记忆功能 （ 2）示教功能 （ 3）与外围设备联系功能 （ 4）坐标设置功能 （ 5）人机接口 （ 6）传感器接口 （ 7）位置伺服功能
第八页，编辑于星期二：二十点 二十一分。
5.2 工业机器人控制的分类
工业机器人控制结构的选择，是由工业机器人所执行的任务决定的，对不 同类型的机器人已经发展了不同的控制综合方法。工业机器人控制的分类，
没有统一的标准。
? 按运动坐标控制的方式来分：有关节空间运动控制、直角坐标空间 运动控制
机器人行程的速度 /时间曲线
在进行装配或抓取物体等作业时，工业机器人末端操作器与环境或作业对象
的表面接触，除了要求准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时 就要采取力 (力矩)控制方式。力(力矩)控制是对位置控制的补充，这种方式的控制 原理与位置伺服控制原理也基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是 力 (力矩 )信号，因此，系统中有力 (力矩)传感器。
5.1.4 工业机器人控制的特点
1) 传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统则更 着重本体与操作对象的相互关系。
2) 工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。
3) 每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协
调起来，组成一个多变量的控制系统。
4) 描述工业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
姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。 机器人控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。
5.1.1 机器人控制系统的基本功能
机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以 完成特定的工作任务，其基本功能如下：
（1）记忆功能 （ 2）示教功能 （ 3）与外围设备联系功能 （ 4）坐标设置功能 （ 5）人机接口 （ 6）传感器接口 （ 7）位置伺服功能
第八页，编辑于星期二：二十点 二十一分。
5.2 工业机器人控制的分类
工业机器人控制结构的选择，是由工业机器人所执行的任务决定的，对不 同类型的机器人已经发展了不同的控制综合方法。工业机器人控制的分类，
没有统一的标准。
? 按运动坐标控制的方式来分：有关节空间运动控制、直角坐标空间 运动控制
第5章-机器人控制
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：
S
1
22
S
2
S2
22
1
5.2 机器人的位置控制
机器人为串续连杆式机械手，其动态特性具有高 度的非线性。控制这种由马达驱动的操作机器 人，用适当的数学方程式来表示其运动是十分重 要的。这种数学表达式就是数学模型，或简称模 型。控制机器人运动的计算机，运用这种数学模 型来预测和控制将要进行的运动过程。
–3. 主要控制层次
•（3）伺服系统级 •解决机器人的一般实际问题。主要包括伺服电机的控 制、液压缸伺服控制、电-液伺服控制等。
5.1 机器人的基本控制原则
–液压缸伺服传动系统
•作为液压传动系统的动力元件， 能够省去中间动力减速器，从而消 除齿隙和磨损问题。 •结构简单、比较便宜，在工业机 器人机械手的往复运动装置和旋转 运动装置上都获得了广泛应用。
第5章--手动操纵工业机器人
5.4 手动移动工业机器人
一、机器人系统的启动和关闭
1.机器人系统的启动 在确认机器人工作范围内无人后，合上机器人控制柜上的电源主开关，系统自动检查 硬件。检查完成后若没有发现故障，启动系统。正常启动后，机器人系统通常保持最 后一次关闭电源时的状态，且程序指引位置保持不变，全部数字输出都保持断电以前 的值或者置为系统参数指定的值，原有程序可以立即执行。
H 切换增量（增益）控制模式，开启或者关闭机器人增量运动。
J
后退按键，使程序逆向运动，程序运行到上一条指令。
K
启动按键，机器人正向连续运行整个程序。
L 前进按键，使程序正向单步运行程序，按一次，执行一条指令。
M
暂停按钮，机器人暂停运行程序。
5.2 认识和使用示教器
二、工业机器人的坐标系 2. ABB机器人示教器的手持方式
5.3 工业机器人安全操作规程
三、安全守则
81.在万手一动发模生火式灾下，调请试使机用器二人氧，化如碳果灭不火需器要。移动机器人时，必须及时释放使能器(Enable D2.e急vi停ce开)。关(E-Stop)不允许被短接。 93.在得任到何停情电况通下知，时不，要要使预用先机关器断人机原器始人启的动主盘电，源用及复气制源盘。 140.机.突器然人停停电机后时，，要夹赶具在上来不电应之置前物预，先必关须闭空机器。人的主电源开关，并及时取下夹具上 的5.机工器件人。在发生意外或运行不正常等情况下，均可使用E-Stop键，停止运行。 161.因.维为修机人器员人必在须自保动管状好态机下器，人即钥使匙运，行严速禁度非非授常权低人，员其在动手量动仍模很式大下，进所入以机在器进人行软编件程 系、统测，试随及意维翻修阅等或工修作改时程，序必及须参将数机。器人置于手动模式。 172.气.严路格系执统行中生的产压现力场可6S达管0.理6M规P定，和任安何全相制关度检。修都要切断气源。 13.严格按照机器人的标准化操作流程进行操作，严禁违规操作。
机器人操作机工作空间ppt课件
越大，C4越小，总工作空 C4
间越大；但相应的灵活工
C3
作空间则由于C2的增大和
C3的减小而越小。
C1 C2
4)工作空间同时受关节的转角限制。
5
5.1.2 工作空间的两个基本问题
1)给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变 化范围，求工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。
2)给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和 关节变量的变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。
32
▪ 重复精度 指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅 与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的 精度及机器人的动态性能有关。 ▪ 控制模式 引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软 件编程模式；自主模式。 ▪ 运动速度 单关节速度；合成速度。 ▪ 其它动态特性 如稳定性、柔顺性等。
下面取两旋转关节进行图解讨论。
18
若 n1 0
Zn
Zn-1
Zn
Zn-1
Zn-1
Zn
19
若 n1 90
Zn-1
Zn-1
20
例2 用图解法考察Motorman型机器人操作机的工作空间。
21
22
5.3 工作空间中的空洞和空腔
一、定义
空洞——在转轴 zi 周围，沿z的全长参考点Pn均不能达到
的空间。 空腔——参考点不能达到的被完全封闭在工作空间之内的
机器人静力学研究机器人静止或缓慢运动式，作用在机器 人上的力和力矩问题。特别是当手端与环境接触时，各关节 力（矩）与接触力的关系。
机器人动力学研究机器人运动与关节驱动力（矩）间的动 态关系。描述这种动态关系的微分方程称为动力学模型。由 于机器人结构的复杂性，其动力学模型也常常很复杂，因此 很难实现基于机器人动力学模型的实时控制。然而高质量的 控制应当基于被控对象的动态特性，因此，如何合理简化机 器人动力学模型，使其适合于实时控制的要求，一直是机器 人动力学研究者追求的目标。
机器人概论 第3版 PPT课件第5章 第3节
第5章 工业机器人控制技术
5.3 机器人编程
5.3.4 动作级语言
（４）坐标系(FRAME ) 。 FRAME型坐标系变量用来建立坐标系，以描述作业空间中对象物
体的姿态和位置，变量的值表示物体的固联坐标系与作业空间的参考 坐标系之间的相对位置关系和姿态关系。作业空间的参考坐标系在AL 语言中已顶先用Station定义。作业空间中任何一坐标系可通过调用 函数FRAME来构成。该函数有两个参数：一个表示姿态的旋转，另 一个表示位置的向量。
第5章 工业机器人控制技术
5.3 机器人编程
5.3.4 动作级语言
（5）变换(TRANS) TRANS型变量用来进行坐标变换，与FRAME一样仅有旋转和向
量两个参数。在执行时，先相对于作业空间的基座坐标系旋转然后对 向量参数相加，进行平移操作。
AL语言中有一个预先说明的变换niltrans，定义为: niltrans←TRANS( nilrot，nilvect);
程序中的变量名以英文字母开头，由字母、数字和横划线“_”组 成的字符串，如Puma_base, BEAR , Bolt，大小写字母具有同等 意义。但变量必须在使用前说明其数据类型。
变量可以用赋位语句进行赋值。变量与数值表达式用“←”符号 来连接。当执行赋值语句时，先计算表达式的值，然后将该值赋值 给左边的变量。
符号“ ”可用在语句中，表示当前位置，如：
MOVE barm TO -2﹡zhat﹡inches; 该指令表示机械手从当前位置向下移动2in。由此可以看出，基本的 MOVE语句具有如下形式： MOVE <机械手> TO <目的地> <修饰子句> ； 例如 MOVE barm TO < destination > VIA f1 f2 f3 表示机械手经过中间 点 f1、 f2、 f3移动到目标坐标系 < destination > 。 MOVE barm TO block WITH APPROCH=3﹡zhat﹡inches表示把机 械手移动到在z轴方向上离block 3in的地方；如果DEPARTURE 代替 APPROACH，则表示离开block。关于接近/退避点可以用设定坐标系的 一个矢量来表示，如： WITH APPROACH = < 表达式 > ； WITH DEPARTURE=< 表达式 > ；
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
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
哈工大 机械设计系
5.1.3 SICE-DD机器人 臂的实验
( τ = K ( q q )K q 5 . 5 ) p r v
K diag ( K ,K ) p= p 1 p 2 K diag ( K ,K ) v= v 1 v 2
( 5 . 6 ) ( 5 . 7 )
采样时间为3ms
Fig.5.2
( 5 . 2 )
(5式
哈工大 机械设计系
Fig.5.1 PD控制系统框图
PD控制方式的特点——对各关节独立地使用PD这种线 性反馈控制律可以保证渐进稳定性，且控制器容易设 计，在工业机器人控制中广为采用。
哈工大 机械设计系
●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
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
哈工大 机械设计系
5.1.3 SICE-DD机器人 臂的实验
( τ = K ( q q )K q 5 . 5 ) p r v
K diag ( K ,K ) p= p 1 p 2 K diag ( K ,K ) v= v 1 v 2
( 5 . 6 ) ( 5 . 7 )
采样时间为3ms
Fig.5.2
( 5 . 2 )
(5式
哈工大 机械设计系
Fig.5.1 PD控制系统框图
PD控制方式的特点——对各关节独立地使用PD这种线 性反馈控制律可以保证渐进稳定性，且控制器容易设 计，在工业机器人控制中广为采用。
哈工大 机械设计系
工业机器人ppt课件
日本、俄罗斯、西欧等，大都是从1967、1968年开始以美国的 Unimate和Versation型机器人为蓝本开始进行研制。其中日本是 工业机器人发展最快、应用最多的国家。
20世纪80年代以来，国际机器人以平均25%~30%的年增长率发 展。这是由于工业自动化正向着“柔性生产”方向发展，以适 应多品种、中小批量生产或混流生产的需要。到2002年，全世 界服役的机器人大约有100万台。
腰部：腰部是连接臂部和基座的部件，通常是回转部件。由于它的 回转，再加上臂部的运动，就能使腕部作空间运动。
机座：机座是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两类。
5.2.2 驱动系统
工业机器人的驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置， 包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构联成一 体。驱动器通常有电动、液压、气动装置以及把它们结合起 来应用的综合系统。常用的传动机构有谐波传动、螺旋传动、 链传动、带传动以及各种齿轮传动等机构。
1986年我国开展了“七五”机器人攻关计划。
1987年我国“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列 入其中。
从90年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈进一大 步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、 包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人 应用工程，形成了一批机器人产业化基地。
工业机器人ppt课件
第5章 工业机器人
5.1 工业机器人的发展历史 5.2 工业机器人的基本组成 5.3 工业机器人的典型结构 5.4 工业机器人的种类及应用
5.1 工业机器人的发展历史
5.1.1 工业机器人发展概况
通常所说的工业机器人一般指用于工业制造环境中，模拟人 的手臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其它要求，实 现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。
20世纪80年代以来，国际机器人以平均25%~30%的年增长率发 展。这是由于工业自动化正向着“柔性生产”方向发展，以适 应多品种、中小批量生产或混流生产的需要。到2002年，全世 界服役的机器人大约有100万台。
腰部：腰部是连接臂部和基座的部件，通常是回转部件。由于它的 回转，再加上臂部的运动，就能使腕部作空间运动。
机座：机座是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两类。
5.2.2 驱动系统
工业机器人的驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置， 包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构联成一 体。驱动器通常有电动、液压、气动装置以及把它们结合起 来应用的综合系统。常用的传动机构有谐波传动、螺旋传动、 链传动、带传动以及各种齿轮传动等机构。
1986年我国开展了“七五”机器人攻关计划。
1987年我国“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列 入其中。
从90年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈进一大 步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、 包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人 应用工程，形成了一批机器人产业化基地。
工业机器人ppt课件
第5章 工业机器人
5.1 工业机器人的发展历史 5.2 工业机器人的基本组成 5.3 工业机器人的典型结构 5.4 工业机器人的种类及应用
5.1 工业机器人的发展历史
5.1.1 工业机器人发展概况
通常所说的工业机器人一般指用于工业制造环境中，模拟人 的手臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其它要求，实 现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。
《工业机器人技术基础》(第5章)
点位控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间。
2．连续轨迹控制
（a）
（b）
（c）
图5-11 示教数据的编辑机能
（d）
连续轨迹控制不仅要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对移动轨
迹也有一定的精度要求。
5.2.2 力控制
1．被动交互控制
在被动交互控制中，由于机器人固有的柔顺，机器人末端执行器的轨迹 被相互作用力所修正。被动交互控制不需要力〔力矩〕传感器，并且预设的 末端执行器轨迹在执行期间也不需要改变。此外，被动柔顺结构的响应远快 于利用计算机控制算法实现的主动重定位。
集中控制结构是用一台计算机实现全部控制功能，构简单、本钱低，但实时 性差，难以扩展。
图5-3 集中控制结构框图
2．主从控制结构
主从控制结构采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主计算机实现管理、 坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从计算机实现所有关节的动作控制。这种控制结 构系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。
2．运动控制功能
运动控制功能是指通过对机器人末端执行器在空间的位姿、速度、加速度等项的 控制，使机器人末端执行器按照任务要求进行动作，最终完成给定的作业任务。
运动控制功能与示教再现功能的区别
在示教再现控制中，机器人末端执行器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 人末端执行器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。
5.1.3 工业机器人控制系统的组成
工业机器人控制系统主要由控制计算机、示教盒、操作面板、硬盘和软盘存储器、 数字和模拟量输入/输出接口、打印机接口、传感器接口、轴控制器、辅助设备控制 接口、通信接口、网络接口等组成，如图5-2所示。
2．连续轨迹控制
（a）
（b）
（c）
图5-11 示教数据的编辑机能
（d）
连续轨迹控制不仅要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对移动轨
迹也有一定的精度要求。
5.2.2 力控制
1．被动交互控制
在被动交互控制中，由于机器人固有的柔顺，机器人末端执行器的轨迹 被相互作用力所修正。被动交互控制不需要力〔力矩〕传感器，并且预设的 末端执行器轨迹在执行期间也不需要改变。此外，被动柔顺结构的响应远快 于利用计算机控制算法实现的主动重定位。
集中控制结构是用一台计算机实现全部控制功能，构简单、本钱低，但实时 性差，难以扩展。
图5-3 集中控制结构框图
2．主从控制结构
主从控制结构采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主计算机实现管理、 坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从计算机实现所有关节的动作控制。这种控制结 构系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。
2．运动控制功能
运动控制功能是指通过对机器人末端执行器在空间的位姿、速度、加速度等项的 控制，使机器人末端执行器按照任务要求进行动作，最终完成给定的作业任务。
运动控制功能与示教再现功能的区别
在示教再现控制中，机器人末端执行器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 人末端执行器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。
5.1.3 工业机器人控制系统的组成
工业机器人控制系统主要由控制计算机、示教盒、操作面板、硬盘和软盘存储器、 数字和模拟量输入/输出接口、打印机接口、传感器接口、轴控制器、辅助设备控制 接口、通信接口、网络接口等组成，如图5-2所示。
第5章IR控制1
PID控制的比例考虑的是现在的偏差值；积分考 虑的是过去的偏差值；微分考虑的是未来偏差的 变化量。并且以当前的误差为主，兼顾到了误差 的过去与将来。可见，考虑问题之周全。
PID控制是一种经典的控制方法
PID控制的哲理----人生控制论
P 就是你现在的力量，要抓住现在，立足于现在； I 表示了过去经验的积累，要不断地反思过去，从反思中取
5.2.3 单关节位置与速度控制
1.
P-Proportional/比例；I-Integral/积分；D-Derivative/微分
d(t) +
e(t)
PID
u(t)
Controller
-
Object
( t)
操作量u(t)
u(t) kpe(t) ki
t
e( )d
0
kd
de(t) dt
得经验；
D 是针对未来适应突变的能力，不断学习，提高自身的修养，
增强对未来突变的适应能力。
如果你能按PID控制人生，才能不受一些外面因素的 干扰，把握好人生的方向，快速、平稳地达到追求的 目标。
2.机器人单关节PID控制（闭环）
u(t)
Kp(d (t) (t))
KI
t
0(d ( ) ( ))d
Js2
(B
KPKm Kν Km )s
KPKm
KPKm
J
Js2 (B Kν Km ) s KP Km
J
J
引入速度 反馈后， 系统阻尼
增大
n
B kvkm
2 kpkmJ
k p km
J
原来
第五章机器人动力学ppt课件
Eki
1 2
mi
T
ci
ci
1 2
i Ti i
Iiii
…1
Ek1
1 2
m1l1212
1 2
I
2
yy1 1
Ek 2
1 2
m2
(d
2 2
21
d
2 2
)
1 2
I
yy
2
21
总动能为：
Ek
1 2
(m1l12
I yy1
I yy2
m2d22 )12
1 2
m2
d
2 2
(3)系统势能 因为：
g [0 g 0]T
H (q, q) J T (q)U x (q, q) J T (q) 9q)ar (q, q)
G(q) J T (q)Gx (q)
3．关节力矩—操作运动方程 机器人动力学最终是研究其关节输入力矩与其输出的
操作运动之间的关系．由式(4)和(5)，得(6) ：
F M x (q)x U x (q, q) Gx (q) ……4
E p q
g(m1l1 m2d2 )c1
gm2 s1
(5)拉格朗日动力学方程 将偏导数代入拉格朗日方
程，得到平面RP机器人的动 力学方程的封闭形式：
d Ek Ek Ep
dt q q q
拉格朗日方程
1
2
(m1l12
I yy1
I yy2
m2
d
2 2
)1
2m2d21d2
m2d2 m2d212 m2 gs1
q)
1 2
qT
D(q)q
式中，D(q是) nxn阶的机器人惯性矩阵
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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 。
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。
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。
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。
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。
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。
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：
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。
(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
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，
(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。
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：
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 。
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。
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。
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。
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。
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。
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：
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。
(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
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，
(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。
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：