第4章 工业机器人的控制基础
《工业机器人控制》PPT课件
➢工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现 控制方式。
利用传感器检测出物体的位置和运动速度，并
且假设控制系统能利用这些信息，可按下述的控 制规律来计算驱动益器kp适和应当k该v，选施就择加可控于得制物到系体所统上希的望的增力：
的任意二阶系统的品质，实 现抑制干扰力，并使物体保
持在预定的位置上。
系统的运动方程为
不仅要求受控物体定位在某固定位置，而且要求
坐标系{c}，坐标系{c}为约束坐标系，它总是处于 与某项具体任务有关的位置。
执行一项作业任务就可以用一组在{c}坐标系中 定义的约束条件来表示。
约束坐标系的选择
特点
➢取决与所执行的任务；
(1) {C}➢为一直般角应坐建标立系在，机器以人方手便爪描述作业操作；
与作业对象相接触的界面上。
(2) 视任务的不同，{C}可能在环境中固定 不动，也可能随手爪一起运动；
力之一。
无体意根因作论到此适义据以达，当，给多目往的这定么的往坐种的高 位 要 标相任的 置 根 变互 务精 ， 据 换关 ，度 作 需 。系 经控 为 要 而是 常制 工 ， 且首 要手 业 选 还要 求臂 机 择 因的 解， 器 不 工。 运若 人 同 业动不 来 的 机学能说基器正夹，准人问持那坐各题并就标关和操失系节逆作去，之问物了并间题，
惯性力、哥氏力的耦合作用以及重力负载的影响使问
题复杂化，所以使工业机器人控制问题也变得复杂。
➢即使一个简单的工业机器人也至少有3～5个自由度 相关。
工业机器人的控制与应用
工业机器人的控制与应用第一章：工业机器人的基本概念工业机器人是一种能够自主执行各种任务的自动化设备。
它能够代替人类在生产线上进行繁琐、重复性的工作，提高生产效率、品质和安全性。
工业机器人包括机械臂、移动平台、传感器等多种组成部分。
机械臂是最常见的工业机器人，它的主要部件包括关节、运动控制器、夹具、末端执行器等。
第二章：工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统是整个机器人的核心，决定了它的运动和执行能力。
控制系统包括硬件和软件两部分。
硬件部分包括传感器、执行器、运动规划器等组成部分。
软件部分则包括机器人操作系统、运动控制程序、通讯协议等。
通过这些部件的协作，工业机器人能够准确地完成各种复杂的任务。
第三章：工业机器人的应用工业机器人已经在多个领域中得到广泛的应用。
其中最常见的就是制造业领域。
在车辆制造、电子制造、食品加工、化工等领域中，工业机器人都能够发挥重要作用。
除此之外，工业机器人还能够应用于医疗、军事等领域，扩展了其应用范围。
第四章：工业机器人的发展工业机器人从20世纪50年代开始发展至今已有数十年的历史。
它经历了机械化、电气化、计算机控制等多个阶段。
现在，随着人工智能、大数据等技术的发展，工业机器人也将进入一个全新的时代。
未来的工业机器人将更加智能、灵活，能够适应各种复杂的环境和任务。
同时，工业机器人也将逐渐向服务型、协作型方向发展。
第五章：结语工业机器人作为一个重要的自动化设备，已经在制造业领域中得到广泛的应用。
随着技术的发展，工业机器人的控制系统、运动能力、智能化等方面都得到了极大的提升。
未来，工业机器人将成为更加智能、高效的生产力，为人类社会的进步发挥重要作用。
《工业机器人技术基础》(第4章)
类别 位移 速度 加速度 力 姿态角
单点视觉 线阵视觉 平面视觉 立体视觉 接近（距离）觉
温度 接触觉
滑觉 声觉 应力
功能
应用
检测机器人自身状态，如 自身的运动、位置和姿态等 信息
控制机器人按规定的位置、 速度、加速度、轨迹和受力状 态等工作
检测外部状况，如作业中 对象或障碍物状态以及工业 机器人与环境的相互作用信 息，使机器人适应外界环境 的变化
编码器在时间 t 内的平均转速为 /t ，单位时间越小，则所求得的转速越接近瞬时转速，
然而时间太短，编码器通过的脉冲数太少，会导致所得到的速度分辨率下降。
图4-15 时间增量测量电路
4.2.3 力觉传感器
力觉传感器又称力或力矩传感器，是用来检测工业机器人的臂部和腕部所产生的 力或其所受反力的传感器。
图4-4 直线型电位器式位移传感器
图4-5 直线型电位器式位移传感器工作原理图
如图 4-5 所示为直线型电位器式位移传感器的工作原理，触头滑动距离 x 可由电压值求得，即 x Vo L Vr
式中， L 为触头最大滑动距离；Vr 为输入电压；Vo 为输出电压。
2）旋转型电位器式位移传感器
旋转型电位器式位移传感器分为单圈电位器和多圈电位器两种，前者的测量范围小于 360°， 对分辨率也有限制；后者有更大的工作范围及更高的分辨率。
8．抗干扰能力
由于传感器输出信号的稳定是控制系统稳定工作的前提，为防止工业 机器人系统的意外动作或故障的发生，传感器系统设计必须采用可靠性 设计技术，通常这个指标通过单位时间内发生故障的概率来定义，因此 抗干扰能力实际是一个统计指标。
4.1.3 工业机器人对传感器的一般要求
1．精度高、重复性好
《工业机器人技术基础及其应用》教案大纲
2.1工业机器人机械结构系统
介绍工业机器人的各个机械组成部件的结构和作用
2.2工业机器人的驱动系统
介绍工业机器人的不同驱动方式
2.3工业机器人的常用工具
介绍工业机器人的常用工具
对本章内容进行总结
本章重点：让学生熟悉工业机器人的机械系统及其不同的驱动方式。在教师的指导下让学生实际接触机器人并进行简单的操作以获得实感。
4.1工业机器人控制系统概述
4.2工业机器人控制系统的结构
让学生了解工业机器人控制系统的主要结构
4.3工业机器人控制的示教再现
4.4工业机器人的运动控制
利用示教器，教师指导学生直接对工业机器人进行简单的动作控制
本章重点：让学生直接接触和简单控制工业机器人。希望教师运用自己的经验与专业能力，给学生展现工业机器人的功能。让学生既不感到迷糊或者认为太难而退缩，又觉得机器人的控制确实需要大量的知识储备来做支持，以此进一步激发学生继续学习的干劲和潜力。
学时
建议全部150学时（1学时相当于一节课，即40～50分钟），包括讲课、实验和上机在内。也可以根据实际情况，将该教材分为两门课程，分别为《工业机器人技术基础》（60学时，教材第1-5章）和《工业机器人虚拟仿真及典型应用》（90学时，教材第6-10章）。
开课学期
第2学年第1学期
适用专业
本科院校的各个专业均可(该教材为通识类课程教材)
第7章工业机器人应用1——搬运（讲课人
7.2典型的搬运机器人
了解搬运机器人的分类、功能、结构
7.3搬运机器人的操作
创建搬运工作站
机器人搬运生产线及辅助设备
本章重点：第7.3节是本章重点，需要牢固掌握。让学生以小组为单位进行仿真编程并确认结果。
第4章 工业机器人的控制基础
4.2 工业机器人的控制分类
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。 1.位置控制方式 工业机器人位置控制又分为点位控制和连续轨迹控制两类
a）点位控制
b）连续轨迹控制
4.2 工业机器人的控制分类
2.速度控制方式
对工业机器人的运动控制来说，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。 为了实现这一要求，机器人的行程要遵循一定的速度变化曲线。
4.2 工业机器人的控制分类
二、速度控制 3. 力控制 （1）约束条件 约束条件包括自然约束和人为约束。所谓自然约束，是指由环境的几何特性
或作业结构特征等引起的对机器人的约束，是当机器人手爪接触外界环境的 时候自然生成的约束条件。人为约束则是人为给定的约束，用来描述机器人 预期的运动或施加的力，也就是说，当要描述预期的位置或力的轨迹时，就
1.机器人轨迹的概念 机器人轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点的位移、 速度和加速度。
轨迹的生成一般是先给定轨迹上 的若干个点，如图所示，将其经 运动学反解映射到关节空间，对 关节空间中的相应点建立运动方 程，然后按这些运动方程对关节 进行插值，从而实现作业空间的 运动要求，这一过程通常称为轨 迹规划。
4.2 工业机器人的控制分类
二、速度控制 1.工业机器人加减速曲线特性分析
为了使机器人更快更精确更稳定地从起始点到达目的点，则在启动和终止时运动必须 是平缓的，不能有运动上的突变行为，对运动曲线也必须进行精确控制。 机器人的最大速度是机器人运动特性的一个重要指标，质量一定的情况下，由物理定
工业机器人基础
工业机器人基础工业机器人是一种能够在工业生产线上执行各种任务的自动化机器人。
它们被广泛应用于汽车制造、电子产品制造、食品加工等各个领域，为生产过程带来了巨大的效率和质量提升。
工业机器人的基础是其控制系统。
控制系统是机器人的大脑，负责接收指令、处理数据，并指导机器人执行各种动作。
现代工业机器人通常采用计算机控制系统，通过预设的程序实现自动化操作。
控制系统的核心是机器人控制器，它是一台专门设计的计算机，具有强大的运算能力和丰富的接口功能。
工业机器人的机械结构也是其基础之一。
机械结构决定了机器人的运动能力和操作范围。
常见的机械结构有直线型、旋转型和关节型等。
直线型机器人具有沿着一条直线进行运动的能力，适用于一些简单的装配任务；旋转型机器人可以绕着一个轴旋转，适用于一些需要旋转操作的任务；关节型机器人具有多个关节，可以实现更加灵活多样的运动。
机械结构的设计需要考虑工作空间、负载能力、精度等因素。
工业机器人的传感器也是其基础之一。
传感器能够感知机器人周围环境的信息，为机器人提供反馈和决策依据。
常见的传感器包括视觉传感器、力传感器、触觉传感器等。
视觉传感器能够识别物体的形状、颜色等特征，实现自动定位和识别；力传感器能够测量机器人施加的力大小和方向，实现精确的力控制；触觉传感器能够感知物体表面的触感，实现精细的操作。
传感器的选择和配置需要根据具体应用需求进行。
工业机器人的应用范围十分广泛。
在汽车制造领域，机器人可以完成车身焊接、喷涂、装配等工作，大大提高了生产效率和产品质量；在电子产品制造领域，机器人可以完成电路板组装、零件搬运等工作，提高了生产速度和一致性；在食品加工领域，机器人可以完成食品包装、分拣等工作，保证了卫生和品质。
工业机器人的应用不仅提高了生产效率，还减轻了工人的劳动强度，提升了生产线的安全性。
未来，工业机器人的发展前景非常广阔。
随着人工智能、物联网等技术的不断进步，工业机器人将变得更加智能化、灵活化。
智能制造装备设计与故障诊断课件第4章-工业机器人基础
4.1.2 工业机器人的基本技术参数
工业机器人的设计与大多数机器设计过程相同，在进行工业机器人选型设 计之前，首先要对工业机器人的作业目的、功能需求、作业空间和生产条 件等做出规划，然后由机器人技术参数可选择机器人机械结构和坐标形式， 这度、作业范围、最大工作速度和承载能力等。
目前，由于工业机器人具有重复精度高、可靠性好、适用性强等优点，已广泛应用于汽车、 机械、电子、物流等行业，如在自动化生产线上的垛码机器人、包装机器人、转线机器人 等；在汽车生产线上的焊接机器人等。
One
4.1
工业机器人整体方案
工业机器人是应用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机械装置，能 够自动执行工作指令，靠自身动力和控制能力来实现预期功能的装置。它 既可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的指令程序运行，现代智能工 业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则和纲领作业，达到智能处理 作业的水平。
4.1.2 工业机器人的基本技术参数
（2）精度
工业机器人精度往往指的是定位精度与重复定位精度两个精度指标。
➢定位精度是指机器人末端执行器的实际位置与目标位置之间的偏 差，它是由于受机器人的机械误差、控制算法与系统分辨率等参 数影响产生。
➢重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一 命令下，机器人连续重复运动若干次，每一次的运动目标位置分 布情况，是一个关于位姿精度的统计数据。
机器人。运动耦合性强，控制较复杂，但运动灵活性最好，自身占据空间
最小。多关节型机器人的臂部有多个转动关节。
α
θ4
θ5
θ3
θ6
φ θ
示意图
θ2 θ1
EDUBOT-PUMA 560
4.1.3工业机器人的分类
《工业机器人技术基础》教学课件 模块4 工业机器人的控制系统
单元2 控制系统的基本功能
一、运动控制
（三）关节运动伺服指令的生成 关节运动伺服指令的生成方法一般有两种：一种是示教方法，另一种是轨迹规划的方法。 在示教控制中，当对工业机器人进行示教编程时，每个关节即可产生自身变量随时间的变化序列或连续的函数关系。这些 变化关系由工业机器人的内部传感器检测出来并被控制系统的记忆装置所记忆，这个过程的实质就是生成了关节运动伺服指令。 当示教重现时，工业机器人的控制系统即可根据记忆的指令实现对各个关节的运动控制。 轨迹规划生成方法是指根据作业任务要求的末端执行器在作业流程中的位姿变化轨迹，以及所需的速度、加速度，通过插 补计算和运动学逆解等数学方法生成相应的关节运动伺服指令。在进行轨迹规划时，首先要对工业机器人的任务进行描述，并 对各个关节的运动轨迹和路径进行描述，然后根据所确定的轨迹参数进行实际计算，即可根据位置、速度和加速度生成运动轨 迹。轨迹规划方法随着工业机器人末端执行器位置和姿态的控制方式不同而不同。一般来说，PTP控制方式下的轨迹规划可在 关节坐标空间进行，而TCP控制方式下的轨迹规划是在直角坐标空间进行的。
三次多项式插值是关节空间的轨迹规划中常用的计算方法，在工业机器人运动的过程中，每个关节对应于起始点的关节角 度是已知的，同时，通过对运动学的逆解也可以得到终止点的关节角度，这时对运动轨迹的描述可用起始点的关节角度与终止 点的关节角度之间的一个平滑插值函数来表示。
单元2 控制系统的基本功能
二、人机交互
单元3 工业机器人的计算机控制
二、 微型计算机直接控制工业机器人
微型计算机直接控制工业机器人的例子如图4－3－4所示。图中，定位伺服回路装置通过伺服接口传递位置指令和位置反馈信 号。位置指令不是计算机存储记忆数据的简单输出，而是经过插补与坐标变换，根据传感器的输出并对其进行修正之后才完成的。 当微型计算机的计算能力不能满足要求时，还可以根据需要附加乘除运算、三角函数运算等辅助运算回路。
工业机器人的智能控制与编程基础知识
工业机器人的智能控制与编程基础知识工业机器人在现代制造业中起着至关重要的作用。
它们能够自动完成复杂的生产任务，提高生产效率并减少人为错误。
然而，工业机器人的智能控制与编程是确保机器人能够准确执行任务的关键。
工业机器人的智能控制系统包括传感器、控制器和执行机构。
在传感器方面，机器人通常配备了视觉传感器、力传感器和位置传感器等。
这些传感器能够感知周围环境的信息，并将其传输给控制器。
控制器根据传感器提供的信息进行数据处理和决策。
执行机构根据控制器的指令对机器人的运动进行精确控制。
工业机器人的编程是为机器人提供指令，使其能够执行特定的任务。
传统上，机器人的编程是通过编写程序代码来完成的。
然而，对于复杂的任务和不确定的环境，传统的编程方法可能变得非常困难和耗时。
因此，针对工业机器人的智能控制，研究人员提出了基于学习和自适应技术的方法。
在基于学习的方法中，机器人通过与环境的交互来学习执行任务的方式。
一种常见的学习方法是强化学习。
机器人根据环境给予的奖励或惩罚来调整自己的行为，以最大化其未来奖励。
这种方法使机器人能够适应不同的工作环境，并从错误中学习。
另一种方法是基于自适应控制的技术。
自适应控制可以根据环境的变化对机器人的控制策略进行自动调整。
这种方法允许机器人在工作过程中进行实时调整，以适应不确定因素的变化。
例如，如果机器人在执行任务时遇到障碍物，自适应控制可以使机器人绕过障碍物而不需要重新编程。
工业机器人的编程还可以使用图形化编程工具。
与传统的编程语言相比，图形化编程工具更加直观和易于使用。
用户可以使用拖放和连线的方式，以图形化的方式构建机器人的控制逻辑。
这使得非专业人员也能够轻松地进行机器人编程。
除了智能控制和编程方法外，工业机器人的编程基础知识还包括机器人的运动学和动力学。
运动学研究机器人的运动和位置关系，动力学研究机器人受力和加速度的关系。
了解机器人的运动学和动力学有助于程序员设计出更加精确和高效的控制算法。
工业机器人的常用控制方法课件
控制系统通信协议
通信协议：是控制系统中的通信标准，用于实现主控制器、伺服驱动器、传感器 等设备之间的数据传输和控制。
常见的通信协议包括EtherCAT、Profinet、EtherNet/IP等。这些协议支持高速 数据传输和实时控制，确保机器人在实际应用中的快速响应和精确控制。
PART 03
工业机器人常用控制方法
降低传感器制造成本，促进其在工业机器 人领域的广泛应用。
PART 05
工业机器人安全与维护
工业机器人安全防护措施
防护栏隔离
在工业机器人周围设置防护栏，防止人员误入危 险区域。
安全锁控制
通过安全锁控制，确保在机器人运行过程中，只 有经过授权的人员才能操作。
急停按钮
在紧急情况下，操作人员可以迅速按下急停按钮 ，停止机器人的运动。
未来工业机器人的发展趋势与展望
01
智能化
随着人工智能技术的发展，工业机器人将更加智能化，能够自主完成更
复杂的任务。
02
柔性化
未来工业机器人将更加柔性化，能够适应不同的生产环境和生产需求。
03
集成化
未来工业机器人将更加集成化，能够与其他设备和系统无缝集成，实现
更高效的生产流程。
2023-2026
END
专家系统
借助专家系统，提供故 障排除建议和解决方案 。
维修手册
参考维修手册，按照步 骤进行故障排除和修复 。
PART 06
工业机器人未来发展趋势 与挑战
新技术驱动下的工业机器人发展
01
人工智能技术
利用AI算法优化工业机器人的控 制策略，提高自主决策和学习能 力。
物联网技术
02
03
5G通信技术
4、工业机器人的控制
5、You have to believe in yourself. That's the secret of success. ----Charles Chaplin人必须相信自己，这是成功的秘诀。-Thursday, June 17, 2021June 21Thursday, June 17, 20216/17/2021
4.3.4
机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识, 并根据自身内部的知识库作出相应的决策。 采用智能控制技 术, 使机器人具有了较强的环境适应性及自学习能力。智能 控制技术的发展有赖于近年来人工神经网络、基因算法、遗 传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。
4.4 电动机的控制
4.4.1 1. 电动机的种类各种各样, 根据各自的特点, 工业界早就
手把手示教编程也能实现点位控制,与CP控制不同的是, 它只记录各轨迹程序移动的两端点位置, 轨迹的运动速度则按 各轨迹程序段对应的功能数据输入。
2)
示教盒示教编程方式是人工利用示教盒上所具有的各种功 能的按钮来驱动工业机器人的各关节轴, 按作业所需要的顺序 单轴运动或多关节协调运动, 从而完成位置和功能的示教编程。
2. 示教编程方式
1)
手把手示教编程方式主要用于喷漆、弧焊等要求实现连续 轨迹控制的工业机器人示教编程中。具体的方法是人工利用示 教手柄引导末端执行器经过所要求的位置,同时由传感器检测 出工业机器人各关节处的坐标值,并由控制系统记录、存储下 这些数据信息。实际工作当中, 工业机器人的控制系统重复再 现示教过的轨迹和操作技能。
4.3.2 连续轨迹控制方式(CP)
这种控制方式的特点是连续地控制工业机器人末端执行器 在作业空间中的位姿, 要求其严格按照预定的轨迹和速度在一 定的精度范围内运动, 而且速度可控, 轨迹光滑， 运动平稳, 以完成作业任务。工业机器人各关节连续、同步地进行相应的 运动, 其末端执行器即可形成连续的轨迹。这种控制方式的主 要技术指标是工业机器人末端执行器位姿的轨迹跟踪精度及平 稳性。通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人都采用这种 控制方式。
《工业机器人技术基础》课程教学大纲
《工业机器人技术基础》课程教学大纲一、课程地位与作用工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的高新技术。
这一技术在工业、农业、国防、医疗卫生、办公自动化及生活服务等众多领域有着越来越多的应用。
工业机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等诸方面具有举足轻重的地位。
本课程是以工业机器人概述、基本组成及技术参数、本体与控制器连接、末端操作器、工业机器人的环境感觉技术、编程语言介绍、工业机器人系统集成项目流程等为研究对象的一门专业基础课。
二、教学目标学生通过对本课程的学习，熟知工业机器人使用及搬运安全事项；了解工业机器人常见国际品牌与国内品牌；掌握工业机器人的三大组成部分和六个子系统；工业机器人的主要技术参数和常用软件，工业机器人末端操作器种类与应用等，让学生对工业机器人的定义、发展历史及前景、运用领域、基本组成、主要技术参数有一个初步的认识，为后面的专业核心课程打下理论基础，培养学生的学习兴趣，建立长期的学习计划。
同时树立示教器、专用设备、教具使用的安全意识及保养意识，使学生初步具备分析和解决基础技术问题的能力。
三、课程教学内容与方法设计第一章绪论【教学目标】1.掌握工业机器人行业典型应用、市场前景；2.熟知工业机器人品牌认识及行业应用前景；3.熟知使用机器人安全注意事项以及机器人的分类。
【重点难点】1.工业机器人的应用环境；2.工业机器人的使用安全；【教学内容】1.机器人的分类；2.工业机器人的应用环境，工业机器人的历史发展；3.工业机器人家族介绍；4.工业机器人应用安全注意事项。
【教学方法与设计】1.本章主要采用哪些教学方法？通过实际工程案例的讲解来引导知识点的学习和应用。
通过讲授和多媒体教学的方式,并结合板书进行教学，在讲解过程中注重与学生互动。
2.如何组织教学？运用哪些教学手段？在课堂中针对重难点内容不仅要通过多媒体展示，还要进行关键词组的板书。
工业机器人技术基础及其应用没章思考题练习题参考答案
《工业机器人技术基础及其应用》（戴凤智，乔栋主编）的每章思考与练习题及其参考答案第1章工业机器人概述1.机器人系统由哪四部分组成？答：（教材第2页）机器人系统由以下四部分组成：机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统。
2.工业机器人有哪些基本特点？答：（教材第3页）工业机器人主要有以下三个基本特点：可编程、拟人化、通用性。
3.工业机器人的传感部分有哪些子系统组成？答：（教材第12页）机器人的传感部分相当于人类的五官，机器人可以通过传感部分来感觉自身和外部环境状况，帮助机器人工作更加精确。
工业机器人的传感部分主要分为两个子系统：感受（传感）系统、机器人与环境交互系统。
4.工业机器人的机械部分有哪些子系统组成？答：（教材第11页）机械部分是机器人的硬件组成，也称为机器人的本体。
工业机器人的机械部分主要分为两个子系统：驱动系统、机械结构系统。
5.工业机器人的控制部分有哪些子系统组成？答：（教材第11页）控制部分相当于机器人的大脑，可以直接或者通过人工对机器人的动作进行控制。
工业机器人的控制部分分为两个子系统：人机交互系统、控制系统。
6.工业机器人一般有哪些主要技术指标？答：（教材第12页）工业机器人的技术指标是机器人生产厂商在产品供货时所提供的技术数据，反映了机器人的适用范围和工作性能，是选择机器人时必须考虑的问题。
工业机器人的主要技术指标一般包括：自由度、工作精度、工作范围、额定负载、最大工作速度等。
7.工业机器人是如何进行分类的？答：（教材第14页）工业机器人的分类方法有很多，本书主要介绍了以下三种分类方法。
（1）按机械结构可以分为串联机器人和并联机器人。
（2）按机器人的机构特性可以分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、多关节坐标机器人。
（3）按程序输入方式可以分为编程输入型机器人、示教输入型机器人。
第2章工业机器人的机械结构系统和驱动系统1.工业机器人的机械系统有哪三部分组成？答：（教材第22页）工业机器人的机械系统由手部、手臂、基座三部分组成。
工业机器人技术基础-第四章-机器人控制与驱动
任务四 认识工业机器人的控制与驱动系统
4.传感器位置反馈
在点位控制方式中,单靠提高伺服系统的性能来保证精度要求有 时是比较困难的。但是,可以在程序控制的基础上,再用一个位置传感 器进一步消除误差。位置传感器可以是简单的传感器,其感知范围也 可以较小。这种系统虽然硬件上有所增加,但软件的工作量却可以大 大减少,称为传感器闭环系统或大环伺服系统。
任务四 认识工业机器人的控制与驱动系统
图1-4-1 机器人控制系统的硬件组成 正文
任务四 认识工业机器人的控制与驱动系统
(1)控制计算机 控制计算机是控制系统的调度指挥机构,一般为微型机, 微处理器有32位、64位等。 (2)示教器 示教器用于示教机器人的工作轨迹和参数设定,以及所有人 机交互操作。它拥有自己独立的CPU以及存储单元,与控制计算机之间 以总线通信方式实现信息交互。 (3)操作面板 操作面板由各种操作按键、状态指示灯构成,只完成基本 功能操作。 (4)硬盘和软盘存储器 硬盘和软盘存储器用于存储机器人工作程序的 外围存储器。
任务四 认识工业机器人的控制与驱动系统
一、工业机器人的控制系统概述
1.工业机器人控制系统的特点
工业机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术基础上发展起 来的,因此两者之间并无根本的不同,但工业机器人控制系统有其独到之处。
任务四 认识工业机器人的控制与驱动系统
工业机器人控制系统有以下特点:
1)工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。工业机器人手部的状态可 以在各种坐标下描述,应当根据需要选择不同的基准坐标系,并进行适当的坐标变 换。经常要求解运动学的正问题和逆问题。除此之外还要考虑惯性力、外力(包 括重力)及哥氏力、向心力等对机器人控制的影响。
超前控制与前馈控制的区别是:前者是指控制量在时间上提前,后者是指控 制信号的流向是向前的。
工业机器人的控制
工业机器人的控制工业机器人是一种能够自动执行重复性、高精度和高强度任务的机器设备。
工业机器人的控制是确保机器人能够准确执行任务并与周围环境进行交互的关键要素。
本文将介绍工业机器人控制的基本原理和常见方法。
一、工业机器人控制的概述工业机器人的控制是指对机器人的运动、动作和任务执行进行管理和调控的过程。
通过控制系统，可以实现机器人的定位、运动路径规划、力量控制、任务顺序控制等功能。
工业机器人控制系统由硬件和软件两部分组成。
硬件部分包括机器人本体、传感器、执行器以及控制器等，而软件部分包括操作系统、编程语言和算法等。
二、工业机器人控制的基本原理1. 坐标系统工业机器人通常采用笛卡尔坐标系统，即通过指定机器人末端执行器相对于基准坐标系的位置和姿态来描述机器人的运动。
常见的笛卡尔坐标系有直角坐标系和极坐标系。
2. 运动控制为了控制机器人的运动，需要通过控制执行器的电机和伺服系统来实现。
运动控制可以包括速度控制、位置控制和力控制等。
速度控制使机器人能够按照特定速度进行移动，位置控制使机器人能够准确到达目标位置，力控制使机器人能够根据需求施加特定的力量。
3. 传感器与反馈控制工业机器人通常配备各种传感器，如视觉传感器、力传感器、位置传感器等，以获取环境和任务执行的相关信息。
通过传感器的反馈信息，可以实现对机器人动作和环境进行实时调整和监控。
4. 路径规划与轨迹控制机器人的路径规划和轨迹控制是实现机器人准确运动的关键。
路径规划是指确定机器人从起点到终点的最佳路径，轨迹控制是指机器人按照规划路径进行实际运动。
路径规划和轨迹控制方法多种多样，常见的有最小时间路径规划、最优轨迹控制、避障规划等。
三、工业机器人控制的常见方法1. 编程控制编程控制是工业机器人控制最常见的方法之一。
通过编写程序，将具体的任务步骤和动作指令输入控制器，控制器再将指令传递给机器人执行。
编程控制具有灵活性强、适用范围广的优点，但需要编程人员具备较高的技术水平。
4.3.14.3控制器工业机器人
第四章：机器人关键部件
4.2控制器
机器人控制系统基本组成： 1）控制计算机：控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系
列CPU以及其他类型CPU。 2）示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以
及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 3）操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 4）内置硬盘和可移去存储器：存储机器人工作程序的外围存储器。 5）数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。 6）打印机接口：记录需要输出的各种信息。 7）传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 8）伺服控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 9）辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。
第四章：机器人关键部件
4.2.2机器人控制系统工作过程
机器人控制系统具体的工作过程是： • 主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手的运动参数，
然后进行运动学、动力学和插补运算，最后得出机器人各个关节的协调运动参数。 • 这些参数经过通信线路输出到伺服控制级作为各个关节伺服控制系统的给定信号。 • 关节驱动器将此信号D/A转换后驱动各个关节产生协调运动，并通过传感器将各个关
经过误差放大和各种补偿，最终输出关节运动所需的控制信号。 • 二级控制的下位机一般由单片机或运动控制器组成，其功能为： • 伺服驱动控制：接收上位机的关节运动参数信号和传感器的反馈信号，并对其进行比较，然后
经过误差放大和各种补偿，最终输出关节运动所需的控制信号。
第四章：机器人关键部件
4.2.3机器人控制系统硬件组成
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
数，并规划它的一阶和二阶时间导数；在直角空间进行规划是指将手部位姿、速度和
加速度表示为时间的函数。而相应的关节位移、速度和加速度由手部的信息导出。通 常通过运动学逆解得出关节位移、用逆雅克比求出关节速度，用逆雅可比及其导数求 解关节加速度。 用户根据作业给出各个路径结点后，规划器的任务包含：解变换方程、进行运动学逆
感器。有时也利用接近觉、滑觉等功能进行适应式控制。
4.2 工业机器人的控制分类
一、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末端执行器沿预定的轨迹运行。
轨迹规划 控制器 机器人 环境
θ θ
传感器 和估值器
4.2 工业机器人的控制分类
一、位置控制 1.数学模型与传递函数
目录页
PAGE OF CONTENT
4.1 工业机器人控制基础 4.2 工业机器人的控制分类 4.3 工业机器人的运动轨迹规划 4.4 工业机器人的示教与再现
4.5 工业机器人的编程语言
4.1 工业机器人控制基础
一、工业机器人控制系统的特点 机器人的控制系统主要对机器人工作过程中的动作顺序、应到达的位置及 姿态、路径轨迹及规划、动作时间间隔以及末端执行器施加在被作用物上 的力和转矩等进行控制。
基于PC和运动控制卡的运动控制、纯PC控制。 （1）基于PLC的运动控制 ① 利用PLC的某些输出端口使用脉冲输出指令来产生脉冲，从而驱动电动
机，同时使用通用1/0或者计数部件来实现电动机的闭环位置控制；
② 使用PLC外部扩展的位置模块来进行电动机的闭环位置控制。
4.1 工业机器人控制基础
三、工业机器人控制系统的基本结构与组成 2.工业机器人控制系统的基本结构
工业机器人控制系统具有如下特点： 1.与机构运动学及动力学密切相关的控制系统
2.多变量控制系统
3.计算机控制系统 4.耦合非线性控制系统 5.寻优控制系统 总而言之，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。
4.1 工业机器人控制基础
二、工业机器人控制系统的主要功能 1.具有位置伺服功能
（2）基于PC和运动控制卡的运动控制 运动控制器以运动控制卡为主，工控PC只提供插补运算和运动指令。运动 控制卡完成速度控制和位置控制。
4.1 工业机器人控制基础
三、工业机器人控制系统的基本结构与组成 2.工业机器人控制系统的基本结构 （3）纯PC控制 完全采用 PC 的全软件形 式的机器人系统。在高性 能工业 PC 和嵌入式 PC （ 配备专为工业应用而开发 的主板）的硬件平台上， 可通过软件程序实现 PLC 和运动控制等功能，实现 机器人需要的逻辑控制和 运动控制。
大速度。 加速度曲线直接关联到关节的力矩输出，所以加速度曲线也应该做到突变较小或者连
续，最大加速度越大，效率越高，但也会加大机械系统的负担，引发一些事故，在满
足要求情况下也应尽量减小。
4.2 工业机器人的控制分类
二、速度控制 2．加减速控制方法分析
加减速控制方法可以分为梯形加减速、指数加减速、多项式插补曲线、三 角函数加减速，前两种是机器人最常用最基本的轨迹曲线，然而矩形曲线 的加速度曲线不连续，冲击很大，性能响应非常差，不符合轨迹曲线加速
状态和目标状态，即工具坐标系的起始值 {T0}和目标值{Tf}。在此，用“点”这个词
表示工具坐标系的位置和姿态(简称位姿)，例如起始点和目标点等。 对于另外一些作业，如弧焊和曲面加工等，不仅要规定操作臂的起始点和终止点，而
且要指明两点之间的若干中间点 (称路径点)，必须沿特定的路径运动 (路径约束 )。这
4.2 工业机器人的控制分类
二、速度控制 3. 力控制 当工业机器人手爪与环境相接触时，会产生相互作用的力。一般情况下， 在考虑接触力时，必须设计某种环境模型。为使概念明确，我们用类似于 位置控制的简化方法，使用很简单的质量-弹簧模型来表示受控物体与环境 之间的接触作用。
4.3 工业机器人的运动轨迹规划
4.2 工业机器人的控制分类
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。 1.位置控制方式 工业机器人位置控制又分为点位控制和连续轨迹控制两类
a）点位控制
b）连续轨迹控制
4.2 工业机器人的控制分类
2.速度控制方式
对工业机器人的运动控制来说，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。 为了实现这一要求，机器人的行程要遵循一定的速度变化曲线。
类称为连续路径运动(continuous—Path motion)或轮廓运动(contour motion)，而前者 称点到点运动(PTP＝point—to—point motion)。
4.3 工业机器人的运动轨迹规划
2.轨迹规划的一般性问题
轨迹规划既可在关节空间也可在直角空间中进行，但是所规划的轨迹函数都必须连续 和平滑，使得操作臂的运动平稳。在关节空间进行规划是将关节变量表示成时间的函
4.2 工业机器人的控制分类
二、速度控制 1.工业机器人加减速曲线特性分析
为了使机器人更快更精确更稳定地从起始点到达目的点，则在启动和终止时运动必须 是平缓的，不能有运动上的突变行为，对运动曲线也必须进行精确控制。 机器人的最大速度是机器人运动特性的一个重要指标，质量一定的情况下，由物理定
理可知速度越大，则机器人的动量也就越大。在满足要求的情况下也应该尽量减小最
4.2 工业机器人的控制分类
二、速度控制 3. 力控制 （1）约束条件 约束条件包括自然约束和人为约束。所谓自然约束，是指由环境的几何特性
或作业结构特征等引起的对机器人的约束，是当机器人手爪接触外界环境的 时候自然生成的约束条件。人为约束则是人为给定的约束，用来描述机器人 预期的运动或施加的力，也就是说，当要描述预期的位置或力的轨迹时，就
机器人行程的速度/时间曲线
4.2 工业机器人的控制分类
3.力(力矩)控制方式
在进
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，要求系统中有力(力矩)传
以加人为位置约束，即实施位置控制。为了便于描述，可用一个坐标系 {C}来取代这
一广义平面，我们称坐标系{C}为约束坐标系 具有以下特点： ① {C}为直角坐标系，以方便描述作业操作； ② 视任务的不同，{C}可能在环境中固定不动，也可能随手爪一起运动； ③ {C}有六个自由度。任一时刻的作业均可分解为沿{C}中每一自由度的位置控制或力 控制。
要定义一组人为约束条件。
自然约束条件与人为约束条件表达了位置控制与力控制的对偶性。人为约束
条件必须与自然约束条件相适应，因为在一个给定的自由度上不能同时对力
和位置实施控制。
4.2 工业机器人的控制分类
二、速度控制 3. 力控制 （2）约束坐标系
在许多机器人的作业任务中，可以定义这样一个广义平面：沿此广义平面的法线方向 有自然位置约束,可以加人为力约束，即实施力控制；而沿切向方向有自然力约束，可
以避免运动时的突变或抖振，但多项式次数较低时平滑度不够，与预想轨 迹差距较大，用高阶多项式处理时复杂度也随之增加，最大速度和最大加 速度也会加大，给电机控制带来难度；
4.2 工业机器人的控制分类
二、速度控制 2．加减速控制方法分析
正弦函数加速度曲线特点：其导数加加速度曲线是光滑连续的余弦函数曲
线，余弦加速度运动规律的特点是其曲线导数光滑连续的，但与原曲线存
梯形函数特点：其加速度曲线是连续的，由加速段、等速段和减速段曲线
构成，但是加速度曲线的导数加加速度曲线不连续，并且其开始和结束处
的加加速度曲线突变值方向不同大小也不同，会使机器人系统遭受严重的 冲击造成抖动，影响精度；指数类型的缺点也在高速运动时稳定性较差；
多项式插补曲线特点：能够生成速度与加速度曲线都连续的平滑曲线，可
度连续的最基本的要求。
梯形函数特点：其加速度曲线是连续的，由加速段、等速段和减速段曲线
构成，但是加速度曲线的导数加加速度曲线不连续，并且其开始和结束处
的加加速度曲线突变值方向不同大小也不同，会使机器人系统遭受严重的 冲击造成抖动，影响精度。
4.2 工业机器人的控制分类
二、速度控制 2．加减速控制方法分析
1.机器人轨迹的概念 机器人轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点的位移、 速度和加速度。
轨迹的生成一般是先给定轨迹上 的若干个点，如图所示，将其经 运动学反解映射到关节空间，对 关节空间中的相应点建立运动方 程，然后按这些运动方程对关节 进行插值，从而实现作业空间的 运动要求，这一过程通常称为轨 迹规划。
2.方便的人机交互功能 3.具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。 4.具有故障诊断和安全保护功能
4.1 工业机器人控制基础
三、工业机器人控制系统的基本结构与组成 1.工业机器人控制系统的基本组成 （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
4.3 工业机器人的运动轨迹规划
2.轨迹规划的一般性问题
在轨迹规划中，为叙述方便，也常用点来表示机器人的状态，或用它来表示工具坐标 系的位姿，例如作业起始点、作业终止点就分别表示工具坐标系的起始位姿及终止位
姿。
对点位作业(pick and place operation)的机器人(如用于上、下料)，需要描述它的起始