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1、机器人技术讲控制本讲稿第一页，共六十二页第五章第五章 机器人控制机器人控制 被控对象模型控制器输入输入X输出输出YP输入输入X输出输出Y1/P本讲稿第二页，共六十二页第五章第五章 机器人控制机器人控制 开环精确控制的条件：开环精确控制的条件：精确地知道被控对象的模型，并且这一精确地知道被控对象的模型，并且这一模型在控制过程中保持不变模型在控制过程中保持不变本讲稿第三页，共六十二页如果被控对象的模型能够精确如果被控对象的模型能够精确知道，但模型是变化的，怎么知道，但模型是变化的，怎么办？办？如果模型的变化是可以预测的X1/P（T）P（T）Y开环预测控制开环预测控制如果模型的变化是可以实时辩识的本

2、讲稿第四页，共六十二页X1/P（T）P（T）Y辨识器开环辨识控制开环辨识控制本讲稿第五页，共六十二页以被控对象的实际输出构成某种以被控对象的实际输出构成某种评价标准来修正控制器的输入信评价标准来修正控制器的输入信号，以使对象的输出接近期望值号，以使对象的输出接近期望值-闭环反馈控制闭环反馈控制被控对象的特性（数学模型）不能完全确被控对象的特性（数学模型）不能完全确定或完全不能确定的情况下，怎么办？定或完全不能确定的情况下，怎么办？本讲稿第六页，共六十二页P输入输入X输出输出YC最常用的评价标准就是输入与输最常用的评价标准就是输入与输出（期望的输出与实际输出）之出（期望的输出与实际输出）之间的偏

3、差间的偏差本讲稿第七页，共六十二页P输入输入X输出输出YC+-PID 控制、模糊控制等等本讲稿第八页，共六十二页智能化的控制方式 模糊控制 推理控制 学习控制 神经网络控制 模糊神经网络控制 专家控制本讲稿第九页，共六十二页PID控制PID控制的基本原理PID控制器参数对控制特性的影响机器人单关节控制模型PID 控制器中关节非线性补偿本讲稿第十页，共六十二页PID控制器的基本原理被控对象被控对象比例环节积分环节微分环节求和求差期望输出实际输出本讲稿第十一页，共六十二页PID参数对控制系统性能的影响Kp-影响系统的响应速度，影响系统的响应速度，Kp越大，响应速度越快越大，响应速度越快,增增大大K

4、p可能会引起系统超调，甚至振荡和不稳定；可能会引起系统超调，甚至振荡和不稳定；Ki-影响系统的静态精度，有利于消除系统的静态误差，影响系统的静态精度，有利于消除系统的静态误差，但但Ki过大也可能会引起系统超调，甚至振荡和不稳定；过大也可能会引起系统超调，甚至振荡和不稳定；Kd-影响系统的响应速度，通常可加快系统的稳定时间，影响系统的响应速度，通常可加快系统的稳定时间，但微分环节也会把外部的干扰放大，微分作用过强，可能但微分环节也会把外部的干扰放大，微分作用过强，可能会引起系统的振荡和不稳定会引起系统的振荡和不稳定；本讲稿第十二页，共六十二页直流直流伺服伺服电机电机比例环节积分环节微分环节求和求

5、差设定目标转速计算机实现用直流伺服电机实现的关节速度PID控制直流直流放大放大器器实际速度实际速度本讲稿第十三页，共六十二页PID控制器参数整定的一般规律控制器参数整定的一般规律先调节先调节 Kp,至系统出现振荡至系统出现振荡,设此设此时比例增益为时比例增益为Kp取取Kp=Kp/2,逐渐增大逐渐增大Ki,直至出直至出现振荡现振荡,记记Ki取取Ki=Ki/3,调节调节Kd,直至获得满直至获得满意的系统特性意的系统特性 本讲稿第十四页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 1控制器分类5.1.1 基本控制原则基本控制原则本本节节将将讨讨论论工工业业机机器器人人常常用用控控制制器

6、器的的基基本本控控制制原原则则及及控控制制器器的的设设计计问问题题。从从关关节节（或或连连杆杆）角角度度看看，可可把把工工业业机机器器人人的的控控制制器器分分为为单单关关节节（连连杆杆）控控制制器器和和多多关关节节（连连杆杆）控控制制器器两两种种。对对于于前前者者，设设计计时时应应考考虑虑稳稳态态误误差差的的补补偿偿问问题题；对对于于后后者者，则则应应首首先先考考虑虑耦耦合合惯惯量量的的补补偿问题。偿问题。本讲稿第十五页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 2主要控制变量5.1.1 基本控制原则基本控制原则 图图5.15.1表表示示一一台台机机器器人人的的各各关关节节控控

7、制制变变量量。如如果果要要抓抓起起工工件件A A，那那么么就就必必须须知知道道夹夹手手在在任任何何时时刻刻相相对对于于A A的的状状态态，包包括括位位置置、姿姿态态和和开开闭闭状状态态等等。工工件件A A的的位位置置是是由由它它所所在在工工作作台台的的一一组组坐坐标标轴轴给给出出的的。这这组组坐坐标标轴轴叫叫做做任任务务轴轴。末末端端执执行行装装置置的的状状态态是是由由这这组组坐坐标标轴轴的的许许多多数数值值或或参参数数表表示示的的，而而这这些些参参数数是是矢矢量量X X的的分分量量。我我们们的的任任务务就就是是要要控控制制矢矢量量X X随随时时间间变变化化的的情情况况，即即X X（t t），

8、它它表表示示末末端端执执行行装装置置在在空空间间的的实实时时位位置置。只只有有当当关关节节 1 1至至 6 6移移动动时时，X X才才变变化。我化。我们们用矢量用矢量（t t）来表示关）来表示关节变节变量量 1 1至至 6 6。本讲稿第十六页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 本讲稿第十七页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 3主要控制层次5.1.1 基本控制原则基本控制原则 图图5 52 2表表示示机机器器人人的的主主要要控控制制层层次次。从从图图可可见见，它它主主要要分分为为三三个个控控制制级级，即即人人工工智智能能级级、控控制制模模式式级级

9、和和伺伺服服系系统统级级。现现对对它它们们进一步讨论如下。进一步讨论如下。本讲稿第十八页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 3主要控制层次5.1.1 基本控制原则基本控制原则 （1 1）第一级：人工智能级）第一级：人工智能级 如如果果命命令令一一台台机机器器人人去去“把把工工件件A A取取过过来来”，那那么么如如何何执执行行这这个个任任务务呢呢；首首先先必必须须确确定定，该该命命令令的的成成功功执执行行至至少少是是由由于于机机器器人人能能为为该该指指令令产产生生矢矢量量X X（t t）。X X（t t）表表示示末末端端执执行行装装置置相相对对工工件件A A的的运运动动。

10、它它还还表表示示机机器器人人所所具具有有的的指指令令和和产产生生矢矢量量X（t）以以及及这这两两者者间间的的关关系系，是是建建立立第第一一级级（即即最最高高级级）控控制制的的工工作作。它它包包括括与与人人工工智智能能有有关关的的所所有有可可能能问问题题：如如词词汇汇和自然语言理解、规划的产生以及任务描述等。和自然语言理解、规划的产生以及任务描述等。本讲稿第十九页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 3主要控制层次5.1.1 基本控制原则基本控制原则 （2 2）第二）第二级级：控制模式：控制模式级级在在工工业业上上一一般般不不采采用用复复杂杂的的模模型型，而而采采用用两两种

11、种控控制制模模型型。这这些些控控制制模模型型是是以以稳稳态态理理论论为为基基础础的的，即即认认为为机机器器人人在在运运动动过过程程中中依依次次通通过过一一些些平平衡衡状状态态。这这两两种种模模型型分分别别称称为为几几何何模模型型和和运运动动模模型型。前前者者利利用用X X和和间间的的坐坐标标变变换换，后后者者则则对对几几何何模模型型进进行行线线性性处处理理，并并假假定定X X和和变变化化很很小小。属属于于几几何何模模型型的的控控制制有有位位置置控控制制和和速速度度控控制制等等；属属于于运运动动模模型型的的控控制制有有变变分控制和分控制和动态动态控制等。控制等。本讲稿第二十页，共六十二页5.l机

12、器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 3主要控制层次5.1.1 基本控制原则基本控制原则 （3 3）第三）第三级级：伺服系：伺服系统级统级 第第三三级级所所关关心心是是机机器器人人的的一一般般实实际际问问题题。我我们们将将在在本本节节后后一一部部分分举举例例介介绍绍机机器器人人伺伺服服控控制制系系统统。在在此此，必必须须指指出出下下列列两两点：点：控控制制第第一一级级和和第第二二级级并并非非总总是是截截然然分分开开的的。是是否否把把传传动动机机构构和和减减速速齿齿轮轮包包括括在在第第二二级级，更更是是一一个个问问题题。这这个个问问题题涉及解决下列涉及解决下列问题问题本讲稿第二十一页，共六十二

13、页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 3主要控制层次5.1.1 基本控制原则基本控制原则 当当前前的的趋趋向向是是研研究究具具有有组组合合减减速速齿齿轮轮的的电电动动机机，它它能能直直接接安安装装在在机机器器人人的的关关节节上上。不不过过，这这样样做做的的结结果果又又产产生生惯惯性力矩和减速比的性力矩和减速比的问题问题。这这是需要是需要进进一步解决的。一步解决的。一一般般的的伺伺服服系系统统是是模模拟拟系系统统，但但它它们们已已越越来来越越普普遍遍地地为为数数字控制伺服系字控制伺服系统统所代替。所代替。本讲稿第二十二页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.

14、1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 对对于于直直流流电电动动机机的的伺伺服服控控制制，我我们们将将在在位位置置控控制制等等节节中中仔仔细讨论细讨论。这这里，里，对对液液压压伺服控制系伺服控制系统统加以分析。加以分析。液液压压传传动动机机器器人人具具有有机机构构简简单单、机机械械强强度度高高和和速速度度快快等等优优点点。这这种种机机器器人人一一般般采采用用液液压压伺伺服服控控制制阀阀和和模模拟拟分分解解器器实实现现控控制制和和反反馈馈。一一些些最最新新的的液液压压伺伺服服控控制制系系统统还还应应用用数数字字译译码码器器和和感感觉觉反反馈馈控控制制装装置置，因因而而其其精精度度和和重

15、重复复性性通通常常与与电电气气传传动动机机器器人人相相似似。当当在在伺伺服服阀阀门门内内采采用用伺伺服服电电动动机机时时，就就构构成成电电一一液液压压伺伺服服控控制系统。制系统。本讲稿第二十三页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 1 1液压缸伺服传动系统液压缸伺服传动系统 采采用用液液压压缸缸作作为为液液压压传传动动系系统统的的动动力力元元件件，能能够够省省去去中中间间动动力力减减速速器器，从从而而消消除除了了齿齿隙隙和和磨磨损损问问题题。加加上上液液压压缸缸的的结结构构简简单单、比比较较便便宜宜，因因而而使使它它在

16、在工工业业机机器器人人机机械械手手的的往往复复运运动动装装置置和和旋旋转转运动装置上都获得广泛应用。运动装置上都获得广泛应用。本讲稿第二十四页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 1 1液压缸伺服传动系统液压缸伺服传动系统为为了了控控制制液液压压缸缸或或液液压压马马达达，在在机机器器人人传传动动系系统统中中使使用用惯惯量量小小的的液液压压滑滑阀阀，应应用用在在电电一一液液压压随随动动系系统统中中的的滑滑阀阀装装有有正正比比于于电电信信号号的的位位移移量量电电一一机机变变换换器器。图图5.3就就是是这这种种系系统统的的一

17、一个个方方案案。其其中中，机机器器人人的的执执行行机机构构由由带带滑滑阀阀的的液液压压缸缸带带动动，并并用用放放大大器器控控制制滑滑阀阀。放放大大器器输输入入端端的的控控制制信信号号由由三三个个信信号号叠叠加加而而成成。主主反反馈馈回回路路（外外环）环）本讲稿第二十五页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例本讲稿第二十六页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 1 1液压缸伺服传动系统液压缸伺服传动系统由由位位移移传传感感器器把把位位移移反反馈馈信

18、信号号送送至至比比较较元元件件，与与给给定定位位置置信信号号比比较较后后得得到到误误差差信信号号，经经校校正正后后再再与与另另两两个个反反馈馈信信号号比比较较。第第二二个个反反馈馈信信号号是是由由速速度度反反馈馈回回路路（速速度度环环）取取得得的的。它它包包括括速速度度传传感感器器和和校校正正元元件件。第第三三个个反反馈馈信信号号是是加加速速度度反反馈馈，它它是是由由液液压压缸缸中中的的压压力力传传感感器器和和校校正元件实现的。正元件实现的。本讲稿第二十七页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 2 2电电一液一液压压伺

19、服控制系伺服控制系统统当当采采用用力力矩矩伺伺服服电电动动机机作作为为位位移移给给定定元元件件时时，液液压压系统的方框如图系统的方框如图 5 54 4所示。所示。本讲稿第二十八页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 2 2电电一液一液压压伺服控制系伺服控制系统统在在图图5.4中中，控控制制电电流流I与与配配油油器器输输入入信信号号U的的关关系系可由下列传递函数表示：可由下列传递函数表示：同同样样可可得得活活塞塞位位移移X与与配配油油器器输输入入信信号号（位位移移误误差差信号）信号）U间的间的关系为：关系为：本讲稿第二十

20、九页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 2 2电电一液一液压压伺服控制系伺服控制系统统据式（据式（5.55.5）、（）、（5.65.6）和图）和图5.45.4可得系统的传递函数可得系统的传递函数:本讲稿第三十页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 2 2电电一液一液压压伺服控制系伺服控制系统统当采用力矩电动机作为位移给定元件时当采用力矩电动机作为位移给定元件时式中，式中，1很小而又可以忽略时很小而又可以忽略时 本讲稿第三十一页，共六十二页5.

21、l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统图图55表表示示出出一一个个简简单单的的滑滑阀阀控控制制液液压压传传动动系系统统的的结结构构框图。其中所用的控制阀为四通滑阀。框图。其中所用的控制阀为四通滑阀。本讲稿第三十二页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统据液压传动原理，四通滑阀具有下列关系式据液压传动原理，四通滑阀具有下列关系式式式中中，Q1和和Q2为为控控制制滑滑阀阀的的输输出

22、出流流量量，即即传传动动活活塞塞的的输输入入控控制制流流量量；Ps为为液液压压源源压压力力；P1和和P2为为油油缸缸内内两部分的液压；两部分的液压；X为滑阀的输入位移；为滑阀的输入位移；k1为增益。为增益。本讲稿第三十三页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统令令q1、q2、p1、p2和和x表表示示在在Q1、Q2、p1、p2和和X条件下某一稳态位置变量，则可得滑阀液流方程条件下某一稳态位置变量，则可得滑阀液流方程式式中中，c1为为液液流流增增益益或或灵灵敏敏度度，c2为为液液流

23、流压压力力系系数数。它它们可由稳态工作点求得。们可由稳态工作点求得。本讲稿第三十四页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统从从图图5.5可可知知，P1和和V1分分别别表表示示油油缸缸左左部部的的压压力力和和体体积积，P2和和V2则则表表示示油油缸缸右右部部的的压压力力和和体体积积。据据图图5.5可列出油缸左部的功能守恒表达式可列出油缸左部的功能守恒表达式 式式中中，QL为为活活塞塞漏漏损损流流量量，M1为为油油缸缸左左部部所所储储存存的的功功能能，而而 dM1dt则则为为功功率

24、率变变化化。因因为为M1P1V1，所以有，所以有 本讲稿第三十五页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统令令B表示流体的容体弹性模数，则表示流体的容体弹性模数，则因因为为 dV1dtAdYdt，其其中中，Y为为活活塞塞的的位位移移，A为活塞左侧面积。代入式（为活塞左侧面积。代入式（5.15）得）得 本讲稿第三十六页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统油缸的扰动

25、方程如下油缸的扰动方程如下 本讲稿第三十七页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统式中，式中，qL为漏损扰动流量为漏损扰动流量其中，其中，Lm为油液的漏损系数。为油液的漏损系数。在活塞推力作用下，负载的运动方程式为：在活塞推力作用下，负载的运动方程式为：式式中中，m和和mp分分别别为为负负载载质质量量和和活活塞塞质质量量，b为为粘粘性性摩摩擦系数。擦系数。联立以上方程，可得阀控油缸的开环传递函数为：联立以上方程，可得阀控油缸的开环传递函数为：本讲稿第三十八页，共六十二页5.l机

26、器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统式式中中：n n为为自自然然振振荡荡角角频频率率，1 1为为时时间间常常数数，为阻尼系数。且：为阻尼系数。且：本讲稿第三十九页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统从从式式（5 52222）可可知知，此此系系统统的的开开环环传传递递函函数数等等价价于于一一积积分分环环节节与与一一个个二二阶阶环环节节的的串串联联。再再求求整整个个传传动动系系统统

27、的的闭环闭环函数函数G G（S S）。）。本讲稿第四十页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统当反当反馈馈系数系数为为1 1时时，系，系统统的的简简化化结结构构图图如如图图5 56 6所示。所示。本讲稿第四十一页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统因为：因为：联立得：联立得：本讲稿第四十二页，共六十二页5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.2

28、5.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统式中，式中，c ck k1 1 n n为闭环为闭环系系统统的自然角振的自然角振荡频荡频率；率；为为闭闭环环系系统统的的阻阻尼尼系系数数：为为闭闭环环系系统统的的第二第二时间时间常数；另一常数；另一时间时间常数常数为为 1 1。式式（5.255.25）即即为为所所求求闭闭环环系系统统的的传传递递函函数数。从从此此式式可可见见，此此闭闭环环系系统统为为一一等等价价三三阶阶系系统统。我我们们往往往往把把它它简简化化为为一一个个一一阶阶环环节节与与一一个个二二阶阶环环节节串串联联的的系系统统。这这样样，便便于于对对系

29、系统统进进行分析与研究。行分析与研究。本讲稿第四十三页，共六十二页5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制 机机器器人人为为连连杆杆式式机机械械手手，其其动动态态特特性性具具有有高高度度的的非非线线性性。要要控控制制这这种种由由马马达达驱驱动动的的操操作作机机器器人人，用用适适当当的的数数学学方方程程式式来来表表示示其其运运动动是是十十分分重重要要的的。这这种种数数学学表表达达式式就就是是数数学学模模型型，或或简简称称模模型型。控控制制机机器器人人运运动动的的计计算算机机，运运用用这这种种数数学学模模型型来来预预测测和和控控制制将将要要进行的运动过程。进行的运动过程。由由于于机机械械零零部部件

30、件比比较较复复杂杂，例例如如，机机械械部部件件可可能能因因承承受受负负载载而而弯弯曲曲，关关节节可可能能具具有有弹弹性性以以及及机机械械摩摩擦擦（它它是是很很难难计计算算的的）等等等等，所所以以在在实实际际上上不不可可能能建建立立起起准准确确的的模模型型一一般般采用近似模型。尽管采用近似模型。尽管这这些模型比些模型比较简单较简单，但却十分有用。，但却十分有用。本讲稿第四十四页，共六十二页5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制 在在设计设计模型模型时时，提出下列两个假，提出下列两个假设设：（1）机机器器人人的的各各段段是是理理想想刚刚体体，因因而而所所有有关关节节都都是是理理想想的的，不不存存

31、在摩擦和间隙。在摩擦和间隙。（2 2）相相邻邻两两连连杆杆间间只只有有一一个个自自由由度度，要要么么为为完完全全旋旋转转的的要要么么是是完全平移的。完全平移的。本讲稿第四十五页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制l l传递传递函数与等效方框函数与等效方框图图5.2.1 5.2.1 直流传动系统的建模直流传动系统的建模 在在研研究究机机械械手手的的位位置置控控制制器器之之前前，首首先先建建立立直直流流电电动动机机伺服控制系伺服控制系统统的数学模型。的数学模型。图图5 57 7表示具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图。表示具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图

32、。本讲稿第四十六页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.1 5.2.1 直流传动系统的建模直流传动系统的建模本讲稿第四十七页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.1 5.2.1 直流传动系统的建模直流传动系统的建模本讲稿第四十八页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.1 5.2.1 直流传动系统的建模直流传动系统的建模2 2 直直流流电电动动 机机 的的 转转速调整速调整 图图 5.105.10表表示示一一个个励励磁磁控控制制直直流流电电动动机机的的闭闭环环位位置置控控制制结构图。结构图。本讲稿第四十九页

33、，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.1 5.2.1 直流传动系统的建模直流传动系统的建模 从从稳稳定定性性和和精精度度的的观观点点看看，要要获获得得满满意意的的伺伺服服传传动动性能，必性能，必须须在伺服在伺服电电路内引入路内引入补偿补偿网网络络。5.2.2 5.2.2 位置控制的基本位置控制的基本结结构构1 1基本控制结构基本控制结构 许多机器人的作业是控制机械手末端工具的位置和姿态，许多机器人的作业是控制机械手末端工具的位置和姿态，以实现点到点的控制以实现点到点的控制(如搬运、点焊机器人如搬运、点焊机器人)或连续路径的控制或连续路径的控制（如弧焊、喷漆机器人）

34、。因此实现机器人的位置控制是机器人（如弧焊、喷漆机器人）。因此实现机器人的位置控制是机器人的最基本的控制任务的最基本的控制任务本讲稿第五十页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.2 5.2.2 位置控制的基本位置控制的基本结结构构机机器器人人位位置置控控制制有有时时也也称称位位姿姿控控制制或或轨轨迹迹控控制制。对对于于有有些些作作业业，如装配、研磨等，只有位置控制是不如装配、研磨等，只有位置控制是不够够的的还还需要力控制。需要力控制。机机器器人人的的位位置置控控制制结结构构主主要要有有两两种种形形式式，即即关关节节空空间间控控制制结结构构和和直角坐标空间控制结构，

35、分别见图直角坐标空间控制结构，分别见图5.115.11（a a）和（）和（b b）所示。）所示。本讲稿第五十一页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.2 5.2.2 位置控制的基本位置控制的基本结结构构本讲稿第五十二页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.2 5.2.2 位置控制的基本位置控制的基本结结构构运行中的工业机器人一般采用图运行中的工业机器人一般采用图5.11(a)所示控制结构。该控制结所示控制结构。该控制结构的期望轨迹是关节的位置、速度和加速度，因而易于实现关节的构的期望轨迹是关节的位置、速度和加速度，因而易于实现关节的伺

36、服控制。这种控制结构的主要问题是：由于往往要求的是在直角伺服控制。这种控制结构的主要问题是：由于往往要求的是在直角坐标空间的机械手末端运动轨迹，因而为实现轨迹跟踪，需将机械坐标空间的机械手末端运动轨迹，因而为实现轨迹跟踪，需将机械手末端的期望轨迹经逆运动学计算变换为在关节空间表示的期望轨手末端的期望轨迹经逆运动学计算变换为在关节空间表示的期望轨迹。迹。本讲稿第五十三页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.2 5.2.2 位置控制的基本位置控制的基本结结构构2 PUMA2 PUMA机器人的伺服控制结构机器人的伺服控制结构 机机器器人人控控制制器器一一般般均均由由计计

37、算算机机来来实实现现。计计算算机机的的控控制制结结构构具具有有多多种种形形式式，常常见见的的有有集集中中控控制制、分分散散控控制制和和递递阶阶控控制制等等。图图5.125.12表示表示PUMAPUMA机器人两级递阶控制的结构图。机器人两级递阶控制的结构图。机器人控制系统以机器人作为控制对象，它的设计方法及参数选机器人控制系统以机器人作为控制对象，它的设计方法及参数选择，仍可参照一般计算机控制系统。不过，用得较多的仍是连续系择，仍可参照一般计算机控制系统。不过，用得较多的仍是连续系统的设计方法，即首先把机器人控制系统当作连续系统进行设计，统的设计方法，即首先把机器人控制系统当作连续系统进行设计，

38、然后将设计好的控制规律离散化，最后由计算机来加以实现；然后将设计好的控制规律离散化，最后由计算机来加以实现；本讲稿第五十四页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.2 5.2.2 位置控制的基本位置控制的基本结结构构本讲稿第五十五页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.2 5.2.2 位置控制的基本位置控制的基本结结构构 现有的工业机器人大多采用独立关节的现有的工业机器人大多采用独立关节的PID控制。图控制。图5.12所示所示PUMA机器人的控制结构即为一典型。然而，由于独立关节机器人的控制结构即为一典型。然而，由于独立关节PID控制未

39、考虑被控控制未考虑被控对象（机器人）的非线性及关节间的耦合作用，因而控制精度和速度的对象（机器人）的非线性及关节间的耦合作用，因而控制精度和速度的提高受到限制。提高受到限制。本讲稿第五十六页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.3单关节位置控制器单关节位置控制器 采用常规技术，通过独立控制每个连杆或关节来设计机器人的线性采用常规技术，通过独立控制每个连杆或关节来设计机器人的线性反馈控制器是可能的。重力以及各关节间的互相作用力的影响，可由反馈控制器是可能的。重力以及各关节间的互相作用力的影响，可由预先计算好的前馈来消除。为了减少计算工作量，补偿信号往往是近预先计算好

40、的前馈来消除。为了减少计算工作量，补偿信号往往是近似的，或者采用简化计算公式。似的，或者采用简化计算公式。1位置控制系统结构位置控制系统结构 现在市场上供应的工业机器人，其关节数为现在市场上供应的工业机器人，其关节数为37个。最典型的工业机器人具有个。最典型的工业机器人具有六个关节，存在六个自由度，带有夹手（通常称为手或末端执行装置）。辛辛那六个关节，存在六个自由度，带有夹手（通常称为手或末端执行装置）。辛辛那提一米拉克龙提一米拉克龙T3、尤尼梅逊的、尤尼梅逊的PUMA 650和斯坦福机械手都是具有六个关节的工和斯坦福机械手都是具有六个关节的工业机器人，并分别由液压、气压或电气传动装置驱动。其

41、中，斯坦福机械手具有业机器人，并分别由液压、气压或电气传动装置驱动。其中，斯坦福机械手具有反馈控制，它的一个关节控制方框图如图反馈控制，它的一个关节控制方框图如图5.13所示。所示。本讲稿第五十七页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.3单关节位置控制器单关节位置控制器从图可见，它有个光学编码器，以便与测速发电机一起组成位置和速度反馈。从图可见，它有个光学编码器，以便与测速发电机一起组成位置和速度反馈。这种工业机器人是一种定位装置，它的每个关节都有一个位置控制系统。这种工业机器人是一种定位装置，它的每个关节都有一个位置控制系统。如果不存在路径约束，那么控制器只要知

42、道夹手要经过路径上所如果不存在路径约束，那么控制器只要知道夹手要经过路径上所有指定的转弯点就够了。控制系统的输入是路径上需要转弯点的笛有指定的转弯点就够了。控制系统的输入是路径上需要转弯点的笛卡儿坐标。卡儿坐标。本讲稿第五十八页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制2 单关节控制器的传递函数单关节控制器的传递函数本讲稿第五十九页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制本讲稿第六十页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.4 多关节位置控制器多关节位置控制器 锁住机器人的其他各关节而依次移动一个关节，这种工作方法显然是低效锁住

43、机器人的其他各关节而依次移动一个关节，这种工作方法显然是低效率的。这种工作过程使执行规定任务的时间变得过长，因而是不经济的。不率的。这种工作过程使执行规定任务的时间变得过长，因而是不经济的。不过，如果要让一个以上的关节同时运动，那么各运动关节间的力和力矩会产过，如果要让一个以上的关节同时运动，那么各运动关节间的力和力矩会产生互相作用，而且不能对每个关节适当地应用前述位置控制器。因此，要克生互相作用，而且不能对每个关节适当地应用前述位置控制器。因此，要克服这种互相作用，就必须附加补偿作用。要确定这种补偿，就需要分析机器服这种互相作用，就必须附加补偿作用。要确定这种补偿，就需要分析机器人的动态特征。人的动态特征。1动态方程的拉格朗日公式动态方程的拉格朗日公式动态方程式表示一个系统的动态特征。我们已讨论过动态方程的一般动态方程式表示一个系统的动态特征。我们已讨论过动态方程的一般形式的拉格朗日方程如下：形式的拉格朗日方程如下：本讲稿第六十一页，共六十二页5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制本讲稿第六十二页，共六十二页