第5章机器人控制系统PPT课件
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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
（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 （8）故障诊断安全保护功能
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5.1.2 机器人控制系统的组成
（1）控制计算机 （2）示教盒 （3）操作面板 （4）硬盘和软盘存储 （5）数字和模拟量输入输出 （6）打印机接口 （7）传感器接口 （8）轴控制器 （9）辅助设备控制 （10）通信接口 （11）网络接口
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典型的微机控制系统框图如图所示。图中的输入量一般由程序给定，也 可以由输入装置给定。
典型的微机控制系统框图
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微机控制系统的输入通道
微机控制系统的输出通道
6
在工业机器人控制中，进行轨迹规划等需要完成大量的计算工作， 因此，一般采用监督控制系统（SCC——Supervisory Computer Control）。其组成如图所示
No Image
工业机器人接受控制器发出的关节驱动力矩矢量，装于机器人各关节上的 传感器测出关节位置矢量和关节速度矢量，再反馈到控制器上，因此，工业机 器人每个关节的控制系统都是一个闭环控制系统。
12
5.4 工业机器人的运动轨迹控制
路径和轨迹规划与受到控制的机器人从一个位置移动到另一
个位置的方法有关。路径和轨迹规划既要用到机器人的动力学
第5章 机器人控制系统
❖5.1 控制系统概述 ❖5.2 工业机器人控制的分类 ❖5.3 工业机器人的位置控制 ❖5.4 工业机器人运动轨迹控制 ❖5.5 智能控制技术
1
5.1 控制系统概述
机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要 因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空 间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。
又要用到运动学。
轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用多
项式函数来“逼近”给定的路径，并产生一系列“控制设定
点”。
路径端点一般是在笛卡尔坐标中给出的，如果需要某些位置
的关节坐标，则可调用运动学的逆问题求解程序，进行必要的
转换。
轨迹控制就是控制机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因
此，目标轨迹的给定方法和如何控制机器人手臂使之高精度地
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，
的轨迹运动。
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5.2.2 速度控制方式
工业机器人，在位置控制的同时，有时还要 进行速度控制。例如，在连续轨迹控制方式的情 况下，工业机器人按预定的指令，控制运动部件 的速度和实行加、减速，以满足运动平稳、定位 准确的要求，如图5.7所示。由于工业机器人是 一种工作情况(行程负载)多变、惯性负载大的运 动机械，要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制 起动加速和停止前的减速这两个过渡运动区段。
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5.2.1 位置控制方式
工业机器人位置控制分为点位控制（如图a）和连续轨迹控制（如图b）两类。
(1) 点位控制 这类控制的特点是仅控制离散点上工业机器人末端执行器的位姿，要求尽快而
无超调地实现相邻点之间的运动，但对相邻点之间的运动轨迹一般不作具体规定。 (2) 连续轨迹控制 这类运动控制的特点是连续控制工业机器人末端执行器的位姿，使某点按规定
而是力(力矩)信号，因此，系统中有力(力矩)传感器。
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5.3 工业机器人的位置控制
工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的 运动，最终保证工业机器人终端(手爪)沿预定的轨迹运行。
下图所示表示机器人本身、控制器和轨迹规划器之间的关系。图中的轨 迹规划器由监督计算机来完成，控制器则由模拟调节器或DDC计算机来完成。
SCC+模拟调节节器
SCC+DDC
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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 变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅仅是位置闭环是不 够的，还要利用速度、甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比 如使用重力补偿、前馈、解耦、基于传感信息的控制和最优PID控制等。 5) 工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现控制方式。
跟踪目标的方法是轨迹控制的两个主要内容。
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5.1.3 机器人控制的关键技术
1. 关键技术
(1) 开放性模块化的控制系统体系结构 (2) 模块化层次化的控制器软件系统 (3) 机器人的故障诊断与安全维护Hale Waihona Puke Baidu术 (4) 网络化机器人控制器技术
2. 机器人示教
(1) 直接示教 手把手示教，由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教， 如示教盒示教或操作杆示教等。 (2) 离线示教 不对实际作业的机器人直接进行示教，而是脱离实际作业环境 生成示教数据，间接地对机器人进行示教。
总之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原 理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。
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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 ➢ 按控制系统对工作环境变化的适应程度来分：有程序控制系统、 适应性控制系统、人工智能控制系统 ➢ 按同时控制机器人数目的多少来分：可分为单控系统、群控系统 ➢ 按运动控制方式的不同：将机器人控制分为位置控制、速度控制、 力控制(包括位置/力混合控制)三类
5.1.1 机器人控制系统的基本功能
（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 （8）故障诊断安全保护功能
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5.1.2 机器人控制系统的组成
（1）控制计算机 （2）示教盒 （3）操作面板 （4）硬盘和软盘存储 （5）数字和模拟量输入输出 （6）打印机接口 （7）传感器接口 （8）轴控制器 （9）辅助设备控制 （10）通信接口 （11）网络接口
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典型的微机控制系统框图如图所示。图中的输入量一般由程序给定，也 可以由输入装置给定。
典型的微机控制系统框图
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微机控制系统的输入通道
微机控制系统的输出通道
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在工业机器人控制中，进行轨迹规划等需要完成大量的计算工作， 因此，一般采用监督控制系统（SCC——Supervisory Computer Control）。其组成如图所示
No Image
工业机器人接受控制器发出的关节驱动力矩矢量，装于机器人各关节上的 传感器测出关节位置矢量和关节速度矢量，再反馈到控制器上，因此，工业机 器人每个关节的控制系统都是一个闭环控制系统。
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5.4 工业机器人的运动轨迹控制
路径和轨迹规划与受到控制的机器人从一个位置移动到另一
个位置的方法有关。路径和轨迹规划既要用到机器人的动力学
第5章 机器人控制系统
❖5.1 控制系统概述 ❖5.2 工业机器人控制的分类 ❖5.3 工业机器人的位置控制 ❖5.4 工业机器人运动轨迹控制 ❖5.5 智能控制技术
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5.1 控制系统概述
机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要 因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空 间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。
又要用到运动学。
轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用多
项式函数来“逼近”给定的路径，并产生一系列“控制设定
点”。
路径端点一般是在笛卡尔坐标中给出的，如果需要某些位置
的关节坐标，则可调用运动学的逆问题求解程序，进行必要的
转换。
轨迹控制就是控制机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因
此，目标轨迹的给定方法和如何控制机器人手臂使之高精度地
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，
的轨迹运动。
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5.2.2 速度控制方式
工业机器人，在位置控制的同时，有时还要 进行速度控制。例如，在连续轨迹控制方式的情 况下，工业机器人按预定的指令，控制运动部件 的速度和实行加、减速，以满足运动平稳、定位 准确的要求，如图5.7所示。由于工业机器人是 一种工作情况(行程负载)多变、惯性负载大的运 动机械，要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制 起动加速和停止前的减速这两个过渡运动区段。
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5.2.1 位置控制方式
工业机器人位置控制分为点位控制（如图a）和连续轨迹控制（如图b）两类。
(1) 点位控制 这类控制的特点是仅控制离散点上工业机器人末端执行器的位姿，要求尽快而
无超调地实现相邻点之间的运动，但对相邻点之间的运动轨迹一般不作具体规定。 (2) 连续轨迹控制 这类运动控制的特点是连续控制工业机器人末端执行器的位姿，使某点按规定
而是力(力矩)信号，因此，系统中有力(力矩)传感器。
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5.3 工业机器人的位置控制
工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的 运动，最终保证工业机器人终端(手爪)沿预定的轨迹运行。
下图所示表示机器人本身、控制器和轨迹规划器之间的关系。图中的轨 迹规划器由监督计算机来完成，控制器则由模拟调节器或DDC计算机来完成。
SCC+模拟调节节器
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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 变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅仅是位置闭环是不 够的，还要利用速度、甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比 如使用重力补偿、前馈、解耦、基于传感信息的控制和最优PID控制等。 5) 工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现控制方式。
跟踪目标的方法是轨迹控制的两个主要内容。
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5.1.3 机器人控制的关键技术
1. 关键技术
(1) 开放性模块化的控制系统体系结构 (2) 模块化层次化的控制器软件系统 (3) 机器人的故障诊断与安全维护Hale Waihona Puke Baidu术 (4) 网络化机器人控制器技术
2. 机器人示教
(1) 直接示教 手把手示教，由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教， 如示教盒示教或操作杆示教等。 (2) 离线示教 不对实际作业的机器人直接进行示教，而是脱离实际作业环境 生成示教数据，间接地对机器人进行示教。
总之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原 理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。
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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 ➢ 按控制系统对工作环境变化的适应程度来分：有程序控制系统、 适应性控制系统、人工智能控制系统 ➢ 按同时控制机器人数目的多少来分：可分为单控系统、群控系统 ➢ 按运动控制方式的不同：将机器人控制分为位置控制、速度控制、 力控制(包括位置/力混合控制)三类