机器人控制技术

(s)
kmK p
E(s) s[RJms RBm kmkb ]
系统的闭环传递函数为：
(s) d (s)
RJ m s 2
kmK p
(RBm kmkb )s
kmK p
第三节 关节驱动与位置控制
三、单关节位置比例控制
带速度负反馈的单关节位置控制系统结构图
d (s)
E
Um
Kp
_
_
_
1
Im
Tm
Ls R
第二节 机器人传感器
二、常见的内部传感器
2.光电编码器
绝对式编码器主要由光源、光敏元件和光电码盘组
成，用光线扫描旋转码盘上的编码码道，以确定被测物
体的绝对位置，然后将检测到的编码数据转换为电信号，
再以脉冲的形式输出测量的位移量。
15 0
14
1 有n条码道的编码器能分辨的最小角度为：
13
2
12
3
360 2n
RJm
RJm
第三节 关节驱动与位置控制
三、单关节位置比例控制
可得：
2n
(RBm
kmkb RJ m
km Kv K1)
n
kmK p
RJ m
(RBm kmkb kmKv K1) 2 kmK p RJm
在单关节控制系统建模过程中假设减速器、轴、轴承及连杆均 不可变形，实际上这些元件刚度有限。但是，如果建模过程中，将 这些变形和刚性的影响都考虑进去，将得到高阶系统模型，即结构 的柔性增加了系统的阶次，使问题复杂化。
km
1
sm 1 m s
Jms Bm
s
kb
kv
k1
系统的开环传递函数为： (s)
E(s)
RJms2
kmK p
(RBm kmkb
km Kv K1 )s
闭环传递函数为： (s)
kmK p
d (s) RJms2 (RBm kmkb kmKvK1)s kmK p
该系统的闭环特征方程为：
s2 (RBm kmkb kmKvK1) s kmK p 0
第三节 关节驱动与位置控制
第三节 关节驱动与位置控制
一、直流电动机模型 二、单关节建模 三、单关节位置比例控制 四、交流伺服电动机与驱动
第三节 关节驱动与位置控制
机器人伺服系统：主要由驱动器、减速器、传动机构、 传感器等组成。
驱动器通过移动或转动连杆改变机器人的构型。驱动器 能够对连杆进行加速和减速，并带动负载，同时自身必须 质轻、经济、精确、灵敏、可靠，并便于维护。
U Ken
测速发电机的输出电压与电机转速成正比，因此可用来测速
第二节 机器人传感器
三、机器人外部传感器
1.视觉传感器 将景物的光信号转换成电信号，进而从三维环境中获得
所需的信息 2.触觉传感器
机器人触觉包括接触觉、滑觉、力觉、冷热觉等与接触 有关的感觉。 3. 接近觉传感器
使机器人在移动或操作过程中能感受到目标物体或障碍 物的接近，例如移动机器人可通过接近觉传感器实现避障。
3.测速发电机 测量转速的微型发电机，主要包括直流测速发电机和交流
测速发电机两种，直流测速发电机按励磁方式可分为永磁式 和电磁式两种，其中永磁式直流测速发电机的定子用永久磁 钢制成，无需励磁绕组，结构简单，使用方便。 在定子产生的恒定磁场中，电刷两端产生的感应电动势为：
Ea Cen Ken 空载运行时，直流测速发电机的输出电压为
系统的等效动态结构图为：
Um (s)
_
1
Im
Tm
Ls R
km
1
sm 1 m s
Jms Bm
s
kb
系统的闭环传递函数为：
(s) Um (s)
s[ LJ m s 2
(LBm
km RJ m
)s
(RBm
kmkb
)]
第三节 关节驱动与位置控制
三、单关节位置比例控制
单关节位置控制系统结构图
d (s)
16位、17位甚至更高分辨率的增量和绝对式高精度编码 器 得 到 广 泛 应 用 ， 采 取 串 行 传 输 方 式 ， 如 ： SSI 协 议 、 EnDat协议、Biss协议等，实现编码器与伺服驱动的通讯。 高精度编码器的使用大大提高了反馈精度，提高了关节伺服 的性能。
第二节 机器人传感器
二、常见的内部传感器
1. 两个相等实根：摩擦力和弹性力平衡，系统以最短时间 回到平衡位置，称为临界阻尼。 2. 两个不相等实根：系统主要受摩擦力影响，系统将缓慢 回到平衡位置，称为过阻尼。 3. 复根：系统主要受弹性力影响，系统出现振荡，称为欠 阻尼。
第一节 工业机器人控制概述
也可用阻尼比 和固有频率 n 描述二阶系统，相应的
11
4
10
5 图示码盘有4条码道，能分辨的最小角度为：
9 8
6 7
360 24
22.5
第二节 机器人传感器
二、常见的内部传感器
2.光电编码器 相对编码器的光源只有一路或两路，码盘一般只有一圈
或两圈透明和不透明区域，当光透过码盘时，光敏元件导通， 产生低电平信号，代表“0”，不透明区域代表 “1” 。
跟踪期望轨迹的情况，此时执行器不与外界环境接触。 当机器人末端执行器与外界环境发生接触时，单纯的位 置控制不适用。
第一节 工业机器人控制概述
一、工业机器人控制方式
力控制的必要性： （1）以机器人手爪抓着柔软海绵擦玻璃为例，假设 知道玻璃的精确位置，可利用海绵的柔性，通过控制手爪 相对玻璃的位置调整施加在玻璃上的力，完成擦玻璃作业。 （2）如果用刮刀刮去玻璃表面的油漆，一旦玻璃位 置不准或手爪存在位置误差，都不可能完成，此时，控制 刮刀与玻璃间的接触力更合理。
ms2 bs k 0
根为：
s1,2
b 2m
b2 4mk 2m
第一节 工业机器人控制概述
b b2 4mk s1,2 2m 2m
s1, s2为实根，系统呈现
衰减运动而没有振荡。
s1, s2为复根，系统出现振荡。
分三种具体情况进行研究：
系统在最短时间内从非零初始位置 迅速回到平衡位置而不出现振荡。
传感器种类 力觉传感器、距离传感器、温度传感器、
声觉传感器等
第二节 机器人传感器
二、常见的内部传感器
1.电位计式位移传感器 由一个线绕电阻和一个滑动触点组成，滑动触点通过机
械装置受被检测量的控制，当被检测的位置量变化时，滑 动触点发生位移，从而改变滑动触点与电位计各端之间的 电阻值和输出电压值，根据输出电压值的变化，可以检测 出机器人各关节的位置。
作用
感知机器人内部状态或信息
内部 传感器
检测内容和信息
位置、角度、速度、加速度、角速度、 角加速度等
机 器
传感器种类
电位计、光电编码器、陀螺仪、应变仪、 旋转编码器等
人
作用
感知外部环境状态或信息
传
感 器
外部
检测内容和信息
距离、速度、加速度、姿态、温度、范围、 运动、质量、外部环境等
传感器
视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、
第一节 工业机器人控制概述
机器人系统：多变量、非线性、耦合
1. 机器人包含多个自由度 2. 机器人控制系统与运动学和动力学密切相关 3. 机器人各变量间存在耦合且参数可能变化 4. 机器人控制中经常会存在多个解
第一节 工业机器人控制概述
一、工业机器人控制方式
1.点位控制（PTP）： 只对机器人末端执行器在操作空间某些特定离散点
工业机器人控制
第六章 机器人关节 驱动与线性控制
第六章机器人关节驱动与线性控制
第六章 机器人关节驱动与线性控制
第一节 工业机器人控制概述 第二节 机器人传感器 第三节 关节驱动与位置控制 第四节 工业机器人控制系统举例
第一节 工业机器人控制概述
第一节 工业机器人控制概述
一、工业机器人控制方式 二、工业机器人位置控制 三、二阶线性系统
共振频率的一半之内，即：n
1 2
res
系统结构的共振频率为：
res
K Jm
若在已知转动惯量时测得结构共振频率，则有：
0
K J0
可得转动惯量的结构共振频率为：
res 0
J0 Jm
第三节 关节驱动与位置控制 三、单关节位置比例控制
位置反馈增益取值范围为：
0
Kp
02 J0 R 4 km
第一节 工业机器人控制概述
二、工业机器人位置控制
轨迹 生成器
d (t)
d (t) d (t)
控制系统 u1
放大器 u2
驱动器
机器人
传感器
所需的关节力矩：
τ D(d )d H (d , d ) G(d )
伺服误差：
e e
d d
第一节 工业机器人控制概述 三、二阶线性系统
首先分析一个简单的机械系统。
U
R
R1
U1
U1
R1 R
U
第二节 机器人传感器
二、常见的内部传感器
2.光电编码器 光电编码器是一种应用最多的非接触型位置（速度）
传感器，分为绝对式编码器和增量式编码器。绝对式编码 器不需校准，只要通电，就能给出实际的位置；增量式编 码器只能提供某基准点对应的位置信息，使用增量式编码 器须先完成校准。
如图质量为m的质量块连接在刚度为k的弹簧上，摩擦
系数为b。质量块零位和x轴正方向如图。
x
假定摩擦力与质量块的速度成正
k bm
比，由受力分析可得出运动方程：
mx bx kx 0
微分方程的解x(t)是关于时间的函数，它确定了质量 块的运动。方程的解取决于质量块的初始位置和初始速度。
第一节 工业机器人控制概述
的位姿进行控制，对到达目标点的运动路径没有要求。 常被应用于点焊、装配、搬运、上下料、在印制电
路板上安插元器件等场合
2.连续轨迹控制（CP） 要求机器人末端执行器按照预定轨迹和速度运动。
常被应用于弧焊、喷漆、切割等场合。
第一节 工业机器人控制概述
一、工业机器人控制方式
3.力控制（FC）： 轨迹控制方式适用于机器人末端执行器在操作空间
R
该电压与转子的转速成正比：
L
+
+
eb
kbm
kb
dm
dt
um
Jm
M eb
_
直流永磁电动机电气部分模型由电枢
_
Bm
绕组的电压平衡方程描述：
im
电动机电枢绕组等效电路图
um
L
dim dt
Rim
eb
第三节 关节驱动与位置控制
一、直流电动机模型
Ja m Jg
Jl
Bl
Bg
m
机器人单个关节机械传动原理图
目前机器人驱动系统中，应用最多的是直流伺服电 动机驱动和交流伺服电动机驱动。
第三节 关节驱动与位置控制
一、直流电动机模型
直流电动机由固定的定子和旋转的转子组 im 转轴 成，定子产生径向磁通Ф（恒值），转子输出
N
S
转矩使其旋转，输出转矩与电枢电流的关系为：
m kmim
当电机转动时，在电枢上产生一个电压，
Jm Bm
Ja Bg
Jg 2Bl
2Jl
直流永磁电动机机械部分的模型由电机轴上的力矩平
衡方程描述：
m
Jm
d2m
dt 2
Bm
dm
dt
第三节 关节驱动与位置控制
二、单关节建模
在零初始条件下，取拉氏变换可得：
UTmm((ss))kLmsIImm((ss)) RIm (s) kbsm (s) Tm (s) Jms2m (s) Bmsm (s)
x
左图表示了几种不同特征的运动：
k bm
（1）弹簧刚度很小，摩擦力很大， 当质量块受到扰动离开平衡位置后， 将以缓慢的衰减运动方式回到平衡位
mx bx kx 0
置。
原因：微分方程的解取 （2）弹簧刚度很大，摩擦力很小， 质量块将经过几次振荡才能回到平衡
决于参数m、b、k的值。 位置。
上述微分方程的解与特征方程的根有关，特征方程为：
常见的驱动方式：液压驱动、气压驱动和电力驱动。
第三节 关节驱动与位置控制
液压驱动：速度快，扭矩性能好，主要缺点是可能 存在泄露、需要液压泵等外围设备、噪音大等问题。
气动驱动：成本低、结构简单，难以实现精确控制， 应用范围有限。
电动机：机电能量转换的电磁装置，将直流电能转 为机械能的称为直流电动机，将交流电能转为机械能的 称为交流电动机。
参数化特征方程为：
s2 2ns n2 0
特征方程的根可表示为：
s1,2 n n 1 2
该质量-弹簧系统的阻尼比和固有频率分别为：
b ,
2 km
n
k m
第二节 机器人传感器
第二节 机器人传感器
一、机器人传感器分类 二、常见的内部传感器 三、机器人外部传感器
第二节 机器人传感器 一、机器人传Hale Waihona Puke 器分类_EUm
Kp
_
1
Im
Tm
Ls R
km
1
sm 1 m s
Jms Bm
s
kb
E(s) d (s) 1(s) Um K p[d (s) 1(s)]
系统的开环传递函数为：
(s) E(s)
s[LJms2
(LBm
kmK p RJm )s
(RBm
kmkb )]
实际情况下，电枢电感L较小，通常可忽略不计，上式简化为：
建模时可不考虑系统的结构柔性，忽略其影响的理由是，如果 系统刚度极大，未建模共振的固有频率将非常高，与已建模的二阶 主极点的影响相比可以忽略不计，因此，可以建立较为简单的动力 学模型。
第三节 关节驱动与位置控制
三、单关节位置比例控制
在建模时没有考虑系统的结构柔性，不能激发起共振模态，
经验方法为，闭环系统无阻尼自然振荡频率必须限制在结构