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1、1 三 机器人控制方法 机器人由机构本体和控制系统组成。构成机器人 控制系统的要素有：计算机硬件系统及控制软件； 输入 /输出设备；驱动器；传感系统。 机器人控制系统结构和工作原理 2 1. 对机器人控制系统的一般要求 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： 记忆功能： 存储作业顺序、运动路径、运动方式、运 动速度和与生产工艺有关的信息。 示教功能： 离线编程，在线示教，间接示教。在线示 教包括示教盒和导引示教两种。 与外围设备联系功能： 输入和输出接口、通信接口、 网络接口、同步接口。 坐标设置功能： 有关节、绝对、工具、用户自定义
2、四 种坐标系。 人机接口： 示教盒、操作面板、显示屏。 传感器接口： 位置检测、视觉、触觉、力觉等。 位置伺服功能： 机器人多轴联动、运动控制、速度和 加速度控制、动态补偿等。 故障诊断安全保护功能： 运行时系统状态监视、故障 状态下的安全保护和故障自诊断。 3 2机器人控制系统的组成 （如下图） （ 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
3、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）轴控制器 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。 （ 10）通信接口 实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行 接口、并行接口等。 （ 11）网络接口 4 5 3机器人控制系统结构 机器人控
4、制系统按其控制方式可分为三类。 集中控制方式：用一台计算机实现全部控制功能，结 构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，其构成框图 如图 2所示。 主从控制方式：采用主、从两级处理器实现系统的全 部控制功能。主 CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和 系统自诊断等；从 CPU实现所有关节的动作控制。其构 成框图如图 3所示。主从控制方式系统实时性较好，适于 高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。 分散控制方式：按系统的性质和方式将系统控制分成 几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略， 各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种 方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易
5、于扩展， 可实现智能控制，是目前流行的方式，其控制框图如图 4 所示。 6 7 8 9 典型的控制方法 工业机器人要求能满足一定速度下的轨迹跟踪控制 （如喷漆、弧焊等作业）或点到点（ PTP）定位控制 （点焊、搬运、装配作业）的精度要求，为了得到每 个关节的期望位置运动，必须设计一控制算法，算出 合适的力矩，再将指令送至驱动器。 PID控制 PID控制是指将比例（ P）、积分（ I）、微分（ D） 控制规律综合起来的一种控制方式。 其控制器运动方程为： 10 式中 U控制器输出控制信号； 控制器输入偏差信号； Kp比例系数； Ti积分时间常数； 微分时间常数。 控制器的设计就是选择 Kp、 T
6、i、 或者加上其他补偿控 制，使系统达到所要求的性能。 提高控制器的增益 Kp固然可减小控制系统的稳态误差， 从而提高控制精度。但此时相对稳定性往往因之而降低， 甚至造成控制系统的不稳定，积分控制可以消除或减弱稳 态误差，微分控制能给出控制系统提前开始制动（ P减速） 的信号，且能反馈误差信号的变化速率（变化趋势），并 能在误差信号值变得太大之前，引起一个有效的早期修正 信号，有助于增加系统的稳定性。 11 机器人控制基本思想： 控制机器人末端操作器沿直角坐标空间 指定的轨迹运动，控制系统的输入是期 望的直角坐标轨迹。 对于每个关节由电机单独驱动的机器人 来说，意味着为使机器人终端沿期望的 轨
7、迹运动，几个关节电机必须以不同的 运动组合，即不同的速度匹配同时运转。 12 13 机械手的位置控制 手爪位置控制 （ 1）使用逆运动学和关节角控制的方法 14 15 16 机械手的位置控制 手爪位置控制 （ 2）注重静力学关系的方法 17 控制系统硬件构成 以安川 -MRC控制系统为例，介绍控制系统硬件结构 安川 -MRC控制系统硬件结构框图如图 1所示。 安川 -MRC控制系统是一个分散型控制系统，系统共有 8个相对独立的微处理器芯片 （即 CPU） :SYS-CPU、 M-CPU、 ARITH-CPU、 AXIS1-CPU、 AXIS2-CPU、 SL-CPU、 I/O-CPU、 PP-
8、 CPU，下面分别加以介绍。 （ 1） SYS-CPU System-CPU即系统 CPU，负责管理整个系统及协调工作。 （ 2） M-CPU Motioncutroc-CPU，负责完成运动控制工作，坐标变换轨迹规划等。 （ 3） ARITH-CPU Arithmetic-CPU即数学运算协处理器，负责浮点数运算，使系统运算 速度大大提高。 （ 4） AXIS1-CPU Axis-CPU即伺服控制 CPU，负责第一、二、三轴的伺服控制功能，该 CPU级芯片运算速度高。 （ 5） AXIS2-CPU 功能同 AXIS1-CPU控制对象为第三、四、五轴。 （ 6） I/O-CPU 负责处理并行 I
9、/O口信号，以及分散 I/O串行口、 I/O模拟量输入输出信 号等。 （ 7） SL-CPU 负责处理突发性外部 I/O信号，可迅速允许查知信号有效，并快速做出相 应反应处理。 （ 8） PP-CPU 示教盒 CPU (Program Pendant CPU）负责示教盒功能管理及操作。 18 19 2 轨迹控制 在机器人初始位置和目标位置之间用多项式 函数“内插”或“逼近”给定的路径，并产 生一系列“控制设定点”。路径一般在笛卡 儿坐标下，需要运动学逆问题求解，转换到 关节坐标。 目标轨迹的给定和如何控制机器人使之高精 度的跟踪目标轨迹是轨迹控制的两个主要内 容。 20 实现轨迹控制的方式有示
10、教再现和数控两种。 示教再现方式 ： 数控方式： 示教再现方式是在机器人工作之前，让机器人手延 目标轨迹运动，同时将位置及速度等数据存入机器人控 制计算机中。在机器人工作时再现所示教的动作，使手 端延目标轨迹运动。 轨迹记忆再现的方式有点位控制（ PTP)和连续路径 控制（ CP)。 数控方式与数控机床的控制方式一样，是把目标轨迹 用数据的形式给出。这些数据是根据工作任务的需要设置 的。 21 轨迹的平滑性；位置、速度、加速度的连续性。 手端位置、速度、加速度的连续是通过各关节变 量的连续性实现的。 22 23 24 机器人现代控制方法 滑模变结构控制 自适应控制 模糊控制 神经网络控制 (学习控制）
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