机器人技术第九章控制系统
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全平移的。
12 哈尔滨工业大学 机电工程学院
图示为具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图。
Rm
Lm
vm
(Jm, fm, km)
ia
减速器 负载
ωm qm
hqm/qc
(Jc, fc, kc)
rf
vf
lf if
ωc
qc
13
哈尔滨工业大学 机电工程学院
伺服电动机的参数规定如下：
rf , l f 励磁回路电阻与电感； i f ,v f 励磁回路电流与电压；
9.3 单关节位置控制
关节控制具有多种形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置 和速度反馈控制、力（力矩）控制、基于传感器的控制、非线 性控制、……。
9.3.1 直流传动系统建模
在设计模型时，提出下列两个假设： (1) 机器人的各杆件是理想刚体，因而所有关节都是理想的，
不存在摩擦和间隙； (2) 相邻两连杆间只有一个自由度，或为完全旋转的，或是完
6 哈尔滨工业大学 机电工程学院
PUMA-562机器人控制系统原理图
上位机 控制器 驱动器
7 哈尔滨工业大学 机电工程学院
PUMA-562机器人下位机(控制器)系统框图
8 哈尔滨工业大学 机电工程学院
轮足复合式机器人控制系统
9 哈尔滨工业大学 机电工程学院
机器人运动控制器(卡)
LC/DSP 低成本多轴控制卡 ➢1,2,3,4轴; ➢脉冲输出频率0至375KHZ; ➢模拟输出±10V; ➢16位D/A; ➢20位数字I/O. ➢单端和差动式编码器输入
m
Js F
1 m
s
励磁控制直流电动机带负载时的开环方框图
m (s)
km
Vf (s) s(rf l f s)( Js F )
km g
1
rf F s(1 l f s)(1 J s)
rf
F
k0
s(1 es)(1 ms)
17
哈尔滨工业大学 机电工程学院
磁场控制直流电动机传递函数：
e ：电气时间常数 m ：机械时间常数 e m
PCX/DSP 带A/D控制卡 ➢1,2,3,4,5,6,7,8轴; ➢脉冲和模拟输出; ➢带有8通道A/D输入;; ➢可接模拟杆和模拟位置反馈; ➢44位数字I/O
10 哈尔滨工业大学 机电工程学院
运动控制器产品：
➢美国 PMAC ➢英国 Trio ➢中国 固高(GT)
11 哈尔滨工业大学 机电工程学院
kc 负载返回系数。
14
哈尔滨工业大学 机电工程学院
磁场控制直流电动机传递函数：
vf
rf if
lf
di f dt
Tm kmi f
Байду номын сангаас
Tm
J
d 2qm
dt 2
F
dqm
dt
Kqm
Vf (s) (rf l f s)I f (s) Tm (s) km I f (s) Tm (s) (Js2 Fs K )m (s)
m (s) k0
Vf (s) s(1 ms)
m (S ) k0
Vf (s) (1 ms)
18 哈尔滨工业大学 机电工程学院
电枢控制直流电动机传递函数：
e& q&d q&
e qd q
4 哈尔滨工业大学 机电工程学院
如果把机器人控制看作路径—轨迹追踪问题，其运动控制便 可分为四大类：
(1) 关节运功控制 关节伺服控制(如PUMA机器人控制方法)、 计算力矩方
法、最短时间控制、可变结构控制、非线性解耦控制； (2) 分解运动控制(笛卡尔空间控制)
分解运动速度控制、分解运动加速度控制、分解运动力 的控制。 (3) 自适应控制
模型参照自适应控制、自调整自适应控制、有前馈补偿 的自适应扰动控制、分解运动自适应控制； (4) 智能控制
递阶控制、模糊控制、神经网络控制等。
5
哈尔滨工业大学 机电工程学院
9.2 机器人控制系统硬件配置及结构
PUMA机器人
人机接口
控制系统
操作者
内部传感器
计算机硬件及软件
（任务规划，轨迹规划）
控制器
驱动器
机器人系统
外部传感器
哈尔滨工业大学 机电工程学院
执行器
环境
2
机器人动力学方程回顾：
(t) D(q(t))q&&(t) h(q(t), q&(t)) G(q(t))
(t) (1(t), 2 (t), , n (t))T
Rm , Lm 电枢回路电阻与电感；
im , vm -电枢回路电流与电压；
qm,m 电枢角位移与转速；
Jm , fm 电动机转子转动惯量及粘滞摩擦系数；
Tm , km 电动机转矩及转矩常数；
ke 电动机电势常数；
qc ,c 负载角位移和转速；
h qm /qc 减速比；
Jc , fc 负载转动惯量和负载粘滞摩擦系数；
q(t) (q1(t), q2 (t), , qn (t))T q&(t) (q&1(t), q&2 (t), , q&n (t))T q&&(t) (q&&1(t), q&&2 (t), , q&&n (t))T
3 哈尔滨工业大学 机电工程学院
机器人控制时，要求操作机各关节按所规划的轨迹运动。而 控制系统中的驱动器是由力矩指令驱动关节运动的：
15 哈尔滨工业大学 机电工程学院
磁场控制直流电动机传递函数：
J
Jm
Jc
h2
F
fm
fc
h2
K kc h 2
分别表示传动系统对传动轴的总转动惯量，总粘滞摩 擦系数、总反馈系数。通常假设：K=0。
16 哈尔滨工业大学 机电工程学院
磁场控制直流电动机传递函数：
Vf
1
If
rf l f s
km
Tm 1
(t) D(qd (t))q&&d (t) h(qd (t), q&d (t)) G(qd (t))
实际上，动力学模型不可能绝对准确，而且系统中还存在干 扰和噪声。因此，开环控制策略是不适用的。通常采用关节传 感器构成闭环反馈控制。
qd
轨迹 q&d 控制/
生成 q&&d 驱动
执行 q
系统 q&
第九章 机器人控制系统
内容概要：
➢§9.1 概述 ➢§9.2 机器人控制系统硬件配置及结构 ➢§9.3 单关节位置控制 ➢§9.4 多关节机器人控制 ➢§9.5 机器人的力控制 ➢§9.6 移动机器人控制 ➢§9.7 思考题
1 哈尔滨工业大学 机电工程学院
第九章 机器人控制系统
9.1 概述
一般地说，机器人控制问题分为下面两部分：(1)求得机器 人的动态模型；(2)利用这些模型确定控制规律或策略，以达 到所需的系统响应和性能。控制问题的第一部分已在动力学 中详细论述，这里将讨论控制问题的第二部分。
12 哈尔滨工业大学 机电工程学院
图示为具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图。
Rm
Lm
vm
(Jm, fm, km)
ia
减速器 负载
ωm qm
hqm/qc
(Jc, fc, kc)
rf
vf
lf if
ωc
qc
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哈尔滨工业大学 机电工程学院
伺服电动机的参数规定如下：
rf , l f 励磁回路电阻与电感； i f ,v f 励磁回路电流与电压；
9.3 单关节位置控制
关节控制具有多种形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置 和速度反馈控制、力（力矩）控制、基于传感器的控制、非线 性控制、……。
9.3.1 直流传动系统建模
在设计模型时，提出下列两个假设： (1) 机器人的各杆件是理想刚体，因而所有关节都是理想的，
不存在摩擦和间隙； (2) 相邻两连杆间只有一个自由度，或为完全旋转的，或是完
6 哈尔滨工业大学 机电工程学院
PUMA-562机器人控制系统原理图
上位机 控制器 驱动器
7 哈尔滨工业大学 机电工程学院
PUMA-562机器人下位机(控制器)系统框图
8 哈尔滨工业大学 机电工程学院
轮足复合式机器人控制系统
9 哈尔滨工业大学 机电工程学院
机器人运动控制器(卡)
LC/DSP 低成本多轴控制卡 ➢1,2,3,4轴; ➢脉冲输出频率0至375KHZ; ➢模拟输出±10V; ➢16位D/A; ➢20位数字I/O. ➢单端和差动式编码器输入
m
Js F
1 m
s
励磁控制直流电动机带负载时的开环方框图
m (s)
km
Vf (s) s(rf l f s)( Js F )
km g
1
rf F s(1 l f s)(1 J s)
rf
F
k0
s(1 es)(1 ms)
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哈尔滨工业大学 机电工程学院
磁场控制直流电动机传递函数：
e ：电气时间常数 m ：机械时间常数 e m
PCX/DSP 带A/D控制卡 ➢1,2,3,4,5,6,7,8轴; ➢脉冲和模拟输出; ➢带有8通道A/D输入;; ➢可接模拟杆和模拟位置反馈; ➢44位数字I/O
10 哈尔滨工业大学 机电工程学院
运动控制器产品：
➢美国 PMAC ➢英国 Trio ➢中国 固高(GT)
11 哈尔滨工业大学 机电工程学院
kc 负载返回系数。
14
哈尔滨工业大学 机电工程学院
磁场控制直流电动机传递函数：
vf
rf if
lf
di f dt
Tm kmi f
Байду номын сангаас
Tm
J
d 2qm
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F
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Kqm
Vf (s) (rf l f s)I f (s) Tm (s) km I f (s) Tm (s) (Js2 Fs K )m (s)
m (s) k0
Vf (s) s(1 ms)
m (S ) k0
Vf (s) (1 ms)
18 哈尔滨工业大学 机电工程学院
电枢控制直流电动机传递函数：
e& q&d q&
e qd q
4 哈尔滨工业大学 机电工程学院
如果把机器人控制看作路径—轨迹追踪问题，其运动控制便 可分为四大类：
(1) 关节运功控制 关节伺服控制(如PUMA机器人控制方法)、 计算力矩方
法、最短时间控制、可变结构控制、非线性解耦控制； (2) 分解运动控制(笛卡尔空间控制)
分解运动速度控制、分解运动加速度控制、分解运动力 的控制。 (3) 自适应控制
模型参照自适应控制、自调整自适应控制、有前馈补偿 的自适应扰动控制、分解运动自适应控制； (4) 智能控制
递阶控制、模糊控制、神经网络控制等。
5
哈尔滨工业大学 机电工程学院
9.2 机器人控制系统硬件配置及结构
PUMA机器人
人机接口
控制系统
操作者
内部传感器
计算机硬件及软件
（任务规划，轨迹规划）
控制器
驱动器
机器人系统
外部传感器
哈尔滨工业大学 机电工程学院
执行器
环境
2
机器人动力学方程回顾：
(t) D(q(t))q&&(t) h(q(t), q&(t)) G(q(t))
(t) (1(t), 2 (t), , n (t))T
Rm , Lm 电枢回路电阻与电感；
im , vm -电枢回路电流与电压；
qm,m 电枢角位移与转速；
Jm , fm 电动机转子转动惯量及粘滞摩擦系数；
Tm , km 电动机转矩及转矩常数；
ke 电动机电势常数；
qc ,c 负载角位移和转速；
h qm /qc 减速比；
Jc , fc 负载转动惯量和负载粘滞摩擦系数；
q(t) (q1(t), q2 (t), , qn (t))T q&(t) (q&1(t), q&2 (t), , q&n (t))T q&&(t) (q&&1(t), q&&2 (t), , q&&n (t))T
3 哈尔滨工业大学 机电工程学院
机器人控制时，要求操作机各关节按所规划的轨迹运动。而 控制系统中的驱动器是由力矩指令驱动关节运动的：
15 哈尔滨工业大学 机电工程学院
磁场控制直流电动机传递函数：
J
Jm
Jc
h2
F
fm
fc
h2
K kc h 2
分别表示传动系统对传动轴的总转动惯量，总粘滞摩 擦系数、总反馈系数。通常假设：K=0。
16 哈尔滨工业大学 机电工程学院
磁场控制直流电动机传递函数：
Vf
1
If
rf l f s
km
Tm 1
(t) D(qd (t))q&&d (t) h(qd (t), q&d (t)) G(qd (t))
实际上，动力学模型不可能绝对准确，而且系统中还存在干 扰和噪声。因此，开环控制策略是不适用的。通常采用关节传 感器构成闭环反馈控制。
qd
轨迹 q&d 控制/
生成 q&&d 驱动
执行 q
系统 q&
第九章 机器人控制系统
内容概要：
➢§9.1 概述 ➢§9.2 机器人控制系统硬件配置及结构 ➢§9.3 单关节位置控制 ➢§9.4 多关节机器人控制 ➢§9.5 机器人的力控制 ➢§9.6 移动机器人控制 ➢§9.7 思考题
1 哈尔滨工业大学 机电工程学院
第九章 机器人控制系统
9.1 概述
一般地说，机器人控制问题分为下面两部分：(1)求得机器 人的动态模型；(2)利用这些模型确定控制规律或策略，以达 到所需的系统响应和性能。控制问题的第一部分已在动力学 中详细论述，这里将讨论控制问题的第二部分。