第5章机器人控制

第第5章机器人控制章机器人控制第1页，共60页。5.1 工业机器人控制系统的特点工业机器人控制系统的特点 n运动控制是物体在空间、时间中的位置、速度、加速度和力的控制技术。运动控制是物体在空间、时间中的位置、速度、加速度和力的控制技术。n机器人是运动控制的典型代表。机器人是运动控制的典型代表。n工业机器人与传统机械有着很大的差异，主要表现：工业机器人与传统机械有着很大的差异，主要表现：n速度高速度高n精度高精度高n控制范围广一般速度控制比要求在控制范围广一般速度控制比要求在1 1：1000010000以上。以上。n传传统统的的、有有效效的的单单自自由由度度机机构构的的控控制制技技术术已已远远远远不不能能满满足足机机器器人人这这样样的的特特别别对对象。新的运动控制思想即在这种背景之下被提出。象。新的运动控制思想即在这种背景之下被提出。第2页，共60页。5.1 工业机器人控制系统的特点工业机器人控制系统的特点 n不不仅仅高高速速运运动动中中突突然然停停顿顿时时的的位位置置精精度度要要求求高高，而而且且还还要要求求高高精精度度地地跟跟踪踪时时变变的的速度与空间轨迹，对加速度和力也要进展高精度的控制。速度与空间轨迹，对加速度和力也要进展高精度的控制。n机机构构多多为为开开式式串串联联构构造造，因因此此刚刚性性差差且且具具有有多多个个固固有有振振动动频频带带。与与1kHz以以上上的的单单体体机机械械和和300Hz左左右右的的机机床床相相比比，关关节节式式多多自自由由度度机机器器人人的的机机构构共共振振频频率率多多在在530Hz范范围围内，航天机器人仅在内，航天机器人仅在1Hz以下并伴有强烈的高频过渡振荡现象。以下并伴有强烈的高频过渡振荡现象。n负负载载以以及及各各构构件件对对各各个个回回转转轴轴的的转转动动惯惯量量，随随机机器器人人的的位位形形而而变变，其其变变化化幅幅度度很很大大，一一般可达般可达48倍。倍。n摩擦、传动间隙、检测精度等对机器人的高速、高精度的运动制约严重。摩擦、传动间隙、检测精度等对机器人的高速、高精度的运动制约严重。机器人控制上的特殊要求机器人控制上的特殊要求第3页，共60页。5.1 工业机器人控制系统的特点工业机器人控制系统的特点 机器人的构造是一个空间开链机构,需要多关节的运动协调。因此,其控制系统与普通的控制系统相比要复杂得多,具体有如下特点:(1)机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。经常要求正向运动学和反向运动学的解,还要考虑惯性力、外力(包括重力)、哥氏力及向心力的影响。(2)简单机器人至少要有35个自由度,比较复杂的机器人有十几个甚至几十个自由度。每个自由度包含一个伺服机构,它们必须协调 组成一个多变量控制系统。(3)机器人的协调控制以及“智能,只能由计算机来完成。因此,机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。(4)描述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,参数也在变化,变量间存在耦合。因此还要利用速度甚至加速度闭环。(5)机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成,因此存在一个“最优的问题。根据传感器和模式识别的方法获得的工况,自动选择最正确的控制规律。第4页，共60页。n精度、分辨率与位置重复精度精度、分辨率与位置重复精度 n位置与轨迹位置与轨迹n点位点位(PTP)(PTP)与连续与连续(CP)(CP)控制控制n多轴协调控制多轴协调控制nT TP P方式工业机器人的根本控制思想方式工业机器人的根本控制思想5.2 运动控制中的根本概念第5页，共60页。n精精度度常常常常容容易易和和分分辨辨率率、位位置置重重复复精精度度相相混淆。混淆。n实际是三个不同的概念。实际是三个不同的概念。精度、分辨率与位置重复精度精度、分辨率与位置重复精度 第6页，共60页。n机机器器人人的的分分辨辨率率是是由由系系统统设设计计参参数数所所决决定定，并并受受到位置反响检测单元性能的影响。到位置反响检测单元性能的影响。n分辨率又分为编程分辨率与控制分辨率。分辨率又分为编程分辨率与控制分辨率。n当当编编程程分分辨辨率率与与控控制制分分辨辨率率相相等等时时，系系统统性性能能到到达达最最高。上述两个分辨率统称系统分辨率。高。上述两个分辨率统称系统分辨率。分辨率分辨率 第7页，共60页。n编编程程分分辨辨率率是是指指程程序序中中可可以以设设定定的的最最小小距距离离单单位位，又称基准分辨率。，又称基准分辨率。n例例如如：当当电电机机旋旋转转度度，机机器器人人腕腕点点(手手臂臂尖尖端端点点)移移动动的的直直线线距距离离为为0 0.01mm01mm时时，其其基基准准分分辨辨率率为为001mm01mm。编程分辨率第8页，共60页。n控控制制分分辨辨率率是是位位置置反反响响回回路路能能够够检检测测到到的的最最小小位位移量移量n例例如如：假假设设每每周周(转转)1000个个脉脉冲冲的的增增量量方方式式的的光光码码盘盘与与电电机机同同轴轴安安装装的的话话，那那么么电电机机每每旋旋转转度度(360度度1000rpm)，光光码码盘盘就就发发出出一一个个脉脉冲冲，因因此此，度度以以下下的的角角度度变变化化无无法法检检测测，该该系系统统的的控控制制分辨率为度。分辨率为度。控制分辨率第9页，共60页。n机机器器人人的的最最终终精精度度主主要要依依存存于于机机械械误误差差、控控制制算法算法与与系统分辨率系统分辨率。精精 度度 第10页，共60页。n机机械械误误差差主主要要产产生生于于传传动动误误差差、关关节节间间隙隙与与联联杆杆机机构构的的挠性挠性。4传动误差是由传动误差是由轮齿误差轮齿误差、螺距误差螺距误差等等;4关节间隙是关节处关节间隙是关节处轴承间隙轴承间隙、谐波齿隙谐波齿隙等等;4连连杆杆的的挠挠性性，随随机机器器人人的的位位形形、负负载载的的变变化化而而变变化。化。精度精度机械误差第11页，共60页。n控控制制算算法法误误差差，主主要要指指能能否否得得到到直直接接解解的的算算法法和和算算法法在在计计算算机机内内的的运运算算字字长长所所造造成成的的“bit“bit(比比特特)误差。误差。n因因为为1616位位以以上上CPUCPU可可到到达达8282位位以以上上浮浮点点运运算算，所所以以“bit“bit误差与机构误差相比，根本可以忽略不计。误差与机构误差相比，根本可以忽略不计。精度精度控制算法误差第12页，共60页。n分辨率的系统误差可取分辨率的系统误差可取1/21/2基准分辨率。基准分辨率。n理理由由是是基基准准分分辨辨率率以以下下的的变变位位我我们们既既无无法法编编程程又又无无法法检检测测，故故误误差差的平均值可取的平均值可取1/21/2基准分辨率。基准分辨率。n机器人的精度机器人的精度1/21/2基准分辨率十机构误差。基准分辨率十机构误差。n如果做到使机构的综合误差到达如果做到使机构的综合误差到达1/21/2基准分辨率，那么精度分辨率。基准分辨率，那么精度分辨率。精度精度系统分辨率第13页，共60页。n位置重复精度是关于位置重复精度是关于精度的统计数据精度的统计数据。n位置重复精度位置重复精度不受负载变化的影响不受负载变化的影响；n通通常常用用位位置置重重复复精精度度这这一一指指标标作作为为示示教教再再现现方方式式工工业业机机器人水平的器人水平的重要精度指标重要精度指标。位置重复精度位置重复精度 第14页，共60页。位置重复精度位置重复精度 R=0.1mm第15页，共60页。精度与位置重复精度的关系精度与位置重复精度的关系 第16页，共60页。机型与精度等的关系机型与精度等的关系 第17页，共60页。直角坐标形机器人 其直线距离可表示为其直线距离可表示为：精度可以很高精度可以很高 第18页，共60页。n设设回回转转轴轴分分辨辨率率为为时时，那那么么腕点分辨率为腕点分辨率为r r n例例如如：回回转转轴轴的的位位置置检检测测单单元元采采用用6000P6000P周周的的增增量量方方式式光光码码盘盘与与电电机机同同轴轴联联接接，水水平平腕腕最最长长为为1m1m的的话话，那那么么腕腕点点位位置置分分辨率是最坏的情况，辨率是最坏的情况，圆柱坐标形机器人 其分辨率不定，其分辨率不定，随随r的变化而变化的变化而变化 第19页，共60页。n例例如如：3 3个个1000P1000P周周增增量量式式光光码码盘盘，一一个个装装在在与与螺螺距距为为10mm10mm的的滚滚珠珠丝丝杠杠同同轴轴驱驱动动伸伸缩缩臂臂的的电电机机轴轴上上，2 2个个安安装装在在通通过过1 1：2222速速比比的的减减速速器器驱驱动动2 2个个旋旋转转轴轴的的电电机机上上，腕腕的的臂臂长长为为500mm500mm。此此时时，3 3个个轴轴的的分分辨辨率率分分别为：别为：极坐标机器人手腕长度的变化，将造成手腕长度的变化，将造成3个轴中的个轴中的2个轴分辨率的下降个轴分辨率的下降 旋转轴：旋转轴：(1/22)x(360/1000)x500 x/第20页，共60页。n机机器器人人的的精精度度将将由由各各个个回回转转关关节节的的误误差之和来决定差之和来决定 n关节形机器人精度最差。关节形机器人精度最差。n由由于于它它占占地地面面积积最最小小，而而动动作作范范围围最最大大，空空间间速速度度快快，灵灵活活，通通用用性性好好等等优点，而成为机器人开展的主流。优点，而成为机器人开展的主流。多关节机器人机器人的精度将由各个回转关节的误差之和来决定机器人的精度将由各个回转关节的误差之和来决定 第21页，共60页。n1 1个个脉脉冲冲正正好好对对应应各各个个动动作作轴轴的的位位置置分分辨辨率率，因因此此，1 1个个脉脉冲冲与与对对应应动作轴的最小位移量是等价的。动作轴的最小位移量是等价的。n例例如如：当当某某个个回回转转轴轴的的分分辨辨率率为为0.050.05度度时时，3.053.05度度那那么么可可用用3.05/0.053.05/0.056161个个脉脉冲冲来来表表示示。如如果果是是8bit 8bit CPUCPU，那那么么计计算算机机内内部部的的表现为：表现为：00llll0l00llll0l。n如如果果是是16bit 16bit CPUCPU的的计计算算机机控控制制系系统统，那那么么可可以以表表示示2162166553665536个位置个位置n例例如如：在在分分辨辨率率为为0 01mm1mm时时，这这个个值值最最大大表表示示655365536mm6mm或或土土327632768mm8mm的的位位移移量量，这这就就是是位位置置(或或称称位位移移)脉脉冲冲与与分分辨辨率的关系。率的关系。位置与轨迹位置与轨迹 第22页，共60页。n分辨率越高，曲线精度越好。分辨率越高，曲线精度越好。n分辨率越高，对计算机的要求也就越高。分辨率越高，对计算机的要求也就越高。n例例如如：如如果果分分辨辨率率为为，对对6自自由由度度机机器器人人来来讲讲，要要完完成成1000mm弧弧长的空间曲线，那么至少需要以下内存容量：长的空间曲线，那么至少需要以下内存容量：n 6自由度自由度2B(字节字节)10000点点120kBn曲曲线线再再稍稍微微复复杂杂一一点点，计计算算机机容容量量就就不不够够了了。因因此此，有有必必要在计算机控制系统的体系构造与控制算法上想方法解决。要在计算机控制系统的体系构造与控制算法上想方法解决。位置与轨迹位置与轨迹 第23页，共60页。点位点位(PTP)(PTP)与连续与连续(CP)(CP)控制控制 第24页，共60页。n过过去去是是数数控控机机床床中中的的技技术术用用语语，而而现现在在用用其其表表达达机机器器人人的的控控制制功功能能，含含意意是是不不大大一样的，主要区别在于：一样的，主要区别在于：n1)机机器器人人中中的的“PTP可可以以是是1-5各各种种动动作作,而而数数控控机机床床是是指指图图310中中的的那那样样的的动作，即直线插补运动动作，即直线插补运动(也是两点之间的最短距离的控制运动也是两点之间的最短距离的控制运动)。n2)数数控控机机床床中中的的CP控控制制，一一般般是是“全全路路径径指指定定的的控控制制方方式式，而而机机器器人人中中的的CP控制通常是控制通常是“多点指定多点指定 控制方式。控制方式。点位点位(PTP)(PTP)与连续与连续(CP)(CP)控制控制 第25页，共60页。点位点位(PTP)(PTP)与连续与连续(CP)(CP)控制控制 第26页，共60页。分时控制分时控制 第27页，共60页。同时控制同时控制 第28页，共60页。多轴协调控制多轴协调控制 第29页，共60页。5.3 工业机器人控制系统的主要功能工业机器人控制系统的主要功能 1.1.示教再现功能示教再现功能2.运动控制功能运动控制功能 第30页，共60页。5.3.1 5.3.1 示教再现控制示教再现控制1.1.示教及记忆方式示教及记忆方式1)1)示教的方式示教的方式示教的方式总的可分为集中示教方式和别离示教方式。示教的方式总的可分为集中示教方式和别离示教方式。集集中中示示教教方方式式就就是是指指同同时时对对位位置置、速速度度、操操作作顺顺序序等等进进展展的的示示教教方方式式。别别离离示示教教方方式式是是指指在在示示教教位位置置之之后后,再再一一边边动动作作,一一边分别示教位置、边分别示教位置、速度、速度、操作顺序等的示教方式。操作顺序等的示教方式。第31页，共60页。示教方式中经常会遇到一些数据的编辑问题,其编辑机能有如图5.1所示的几种方法。在图中,要连接A与B两点时,可以这样来做:(a)直接连接;(b)先在A与B之间指定一点x,然后用圆弧连接;(c)用指定半径的圆弧连接;(d)用平行移动的方式连接。第32页，共60页。图 5.1 示教数据的编辑机能 当对PTP(点位控制方式)控制的工业机器人示教时,可以分步编制程序,且能进展编辑、修改等工作。但是在作曲线运动而且位置精度要求较高时,示教点数一多,示教时间就会拉长,且在每一个示教点都要停顿和启动,因而很难进展速度的控制。第33页，共60页。图CP控制示教举例 对需要控制连续轨迹的喷漆、电弧焊等工业机器人进展连续轨迹控制的对需要控制连续轨迹的喷漆、电弧焊等工业机器人进展连续轨迹控制的示教时示教时,示教操作一旦开场示教操作一旦开场,就不能中途停顿就不能中途停顿,必须不中断地进展到完必须不中断地进展到完,且在示且在示教途中很难进展局部修正教途中很难进展局部修正.在在CP(连续轨迹控制方式连续轨迹控制方式)控制的示教中控制的示教中,由于由于CP控制的示教是多轴同时动作控制的示教是多轴同时动作,因此与因此与PTP控制不同控制不同,它几乎必须在点与点之间的连线上移动它几乎必须在点与点之间的连线上移动,故有如图故有如图5.2所示的两种方法。所示的两种方法。第34页，共60页。2)记忆的方式工业机器人的记忆方式随着示教方式的不同而不同。又由于记忆内容的不同,故其所用的记忆装置也不完全一样。通常,工业机器人操作过程的复杂程序取决于记忆装置的容量。容量越大,其记忆的点数就越多,操作的动作就越多,工作任务就越复杂。第35页，共60页。2.示教编程方式1)手把手示教编程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。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,轨迹的运动速度那么按各轨迹程序段对应的功能数据输入。第36页，共60页。2)示教盒示教编程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开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。示教盒通常是一个带有微处理器的、可随意移动的小键盘,内部ROM中固化有键盘扫描和分析程序。其功能键一般具有回零、示教方式、自动方式和参数方式等。示教编程控制由于其编程方便、装置简单等优点,在工业机器人的初期得到较多的应用。同时,又由于其编程精度不高、程序修改困难、示教人员要熟练等缺点的限制,促使人们又开发了许多新的控制方式和装置,以使工业机器人能更好更快地完成作业任务。第37页，共60页。5.2.2 5.2.2 工业机器人的运动控制工业机器人的运动控制工工业业机机器器人人的的运运动动控控制制是是指指工工业业机机器器人人的的末末端端执执行行器器从从一一点点移移动动到到另另一一点点的的过过程程中中,对对其其位位置置、速速度度和和加加速速度度的的控控制制。由由于于工工业业机机器器人人末末端端操操作作器器的的位位置置和和姿姿态态是是由由各各关关节节的的运运动动引引起起的的,因因此此,对对其其运运动动控控制制实际上是通过控制关节运动实现的。实际上是通过控制关节运动实现的。工工业业机机器器人人关关节节运运动动控控制制一一般般可可分分为为两两步步进进展展。第第一一步步是是关关节节运运动动伺伺服服指指令令的的生生成成,即即指指将将末末端端执执行行器器在在工工作作空空间间的的位位置置和和姿姿态态的的运运动动转转化化为为由由关关节节变变量量表表示示的的时时间间序序列列或或表表示示为为关关节节变变量量随随时时间间变变化化的的函函数数。这这一一步步一一般般可可离离线线完完成成。第第二二步步是是关关节节运运动动的的伺伺服服控控制制,即即跟跟踪踪执执行行第第一一步步所所生生成成的的关关节节变变量量伺伺服服指指令令。这这一一步步是是在在线线完成的。完成的。第38页，共60页。5.4 工业机器人的控制方式工业机器人的控制方式 5.4.1 5.4.1 点位控制方式点位控制方式(PTP)(PTP)这这种种控控制制方方式式的的特特点点是是只只控控制制工工业业机机器器人人末末端端执执行行器器在在作作业业空空间间中中某某些些规规定定的的离离散散点点上上的的位位姿姿。控控制制时时只只要要求求工工业业机机器器人人快快速速、准准确确地地实实现现相相邻邻各各点点之之间间的的运运动动,而而对对到到达达目目标标点点的的运运动动轨轨迹迹那那么么不不作作任任何何规规定定。这这种种控控制制方方式式的的主主要要技技术术指指标标是是定定位位精精度度和和运运动动所所需需的的时时间间。由由于于其其控控制制方方式式易易于于实实现现、定定位位精精度度要要求求不不高高的的特特点点,因因而而常常被被应应用用在在上上下下料料、搬搬运运、点点焊焊和和在在电电路路板板上上安安插插元元件件等等只只要要求求目目标标点点处处保保持持末末端端执执行行器器位位姿姿准准确确的的作作业业中中。一一般般来来说说,这这种种方方式式比比较较简简单单,但但是是,要要到到达达2 23m3m的的定定位位精精度度是是相当困难的。相当困难的。第39页，共60页。5.4.2 5.4.2 连续轨迹控制方式连续轨迹控制方式(CP)(CP)这这种种控控制制方方式式的的特特点点是是连连续续地地控控制制工工业业机机器器人人末末端端执执行行器器在在作作业业空空间间中中的的位位姿姿,要要求求其其严严格格按按照照预预定定的的轨轨迹迹和和速速度度在在一一定定的的精精度度范范围围内内运运动动,而而且且速速度度可可控控,轨轨迹迹光光滑滑，运运动动平平稳稳,以以完完成成作作业业任任务务。工工业业机机器器人人各各关关节节连连续续、同同步步地地进进展展相相应应的的运运动动,其其末末端端执执行行器器即即可可形形成成连连续续的的轨轨迹迹。这这种种控控制制方方式式的的主主要要技技术术指指标标是是工工业业机机器器人人末末端端执执行行器器位位姿姿的的轨轨迹迹跟跟踪踪精精度度及及平平稳稳性性。通通常常弧弧焊焊、喷喷漆漆、去毛边和检测作业机器人都采用这种控制方式。去毛边和检测作业机器人都采用这种控制方式。第40页，共60页。图 5.3 点位控制与连续轨迹控制(a)点位控制；(b)连续轨迹控制 第41页，共60页。5.4.3 5.4.3 力力(力矩力矩)控制方式控制方式在在完完成成装装配配、抓抓放放物物体体等等工工作作时时,除除要要准准确确定定位位之之外外,还还要要求求使使用用适适度度的的力力或或力力矩矩进进展展工工作作,这这时时就就要要利利用用力力(力力矩矩)伺伺服服方方式式。这这种种方方式式的的控控制制原原理理与与位位置置伺伺服服控控制制原原理理根根本本一一样样,只只不不过过输输入入量量和和反反响响量量不不是是位位置置信信号号,而而是是力力(力力矩矩)信信号号,因因此此系系统统中中必必须须有有力力(力力矩矩)传传感感器器。有时也利用接近、有时也利用接近、滑动等传感功能进展自适应式控制。滑动等传感功能进展自适应式控制。第42页，共60页。5.4.4 5.4.4 智能控制方式智能控制方式机机器器人人的的智智能能控控制制是是通通过过传传感感器器获获得得周周围围环环境境的的知知识识,并并根根据据自自身身内内部部的的知知识识库库作作出出相相应应的的决决策策。采采用用智智能能控控制制技技术术,使使机机器器人人具具有有了了较较强强的的环环境境适适应应性性及及自自学学习习能能力力。智智能能控控制制技技术术的的开开展展有有赖赖于于近近年年来来人人工工神神经经网网络络、基基因因算算法法、遗遗传传算算法法、专专家家系系统统等等人人工工智智能能的的迅迅速速开展。开展。第43页，共60页。5.5 工工业业机器人的运机器人的运动动控制技控制技术术5.5.1 5.5.1 机器人控制系统的分类机器人控制系统的分类机器人控制系统的分类机器人控制系统的分类 n非伺服型控制系统非伺服型控制系统 控制器驱动单元操作机外界作业对象与环境开关反馈控制器驱动单元操作机外界作业对象与环境第44页，共60页。机器人控制系统的分类机器人控制系统的分类 n伺服型控制系统伺服型控制系统 控制器驱动单元操作机外界作业对象与环境内部传感器外部传感器控制器驱动单元操作机外界作业对象与环境内部传感器第45页，共60页。控制系统的组成控制系统的组成 第46页，共60页。控制系统的组成控制系统的组成 第47页，共60页。控制系统的组成控制系统的组成 第48页，共60页。5.5.2 5.5.2 5.5.2 5.5.2 位置控制的根本构造位置控制的根本构造位置控制的根本构造位置控制的根本构造 n机器人的位置控制构造主要有两种形式，机器人的位置控制构造主要有两种形式，n关节空间控制构造关节空间控制构造n直角坐标空间控制构造，直角坐标空间控制构造，q qd dqqd1d1，q qd2d2，q qdndn T T是期望的关节位置矢量是期望的关节位置矢量 w wd dPPd dT T，d dT T T T是期望的工具位姿是期望的工具位姿 第49页，共60页。5.5.3 5.5.3 5.5.3 5.5.3 工业机器人的计算机控制工业机器人的计算机控制工业机器人的计算机控制工业机器人的计算机控制 n计算机控制系统的构造形式 n计算机控制系统有三种构造：n集中控制n主从控制n分布式控制 第50页，共60页。集中控制n集中控制是用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。集中控制是用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。n这在早期的机器人中采用这种构造，因为当时的计算机造价较高，这在早期的机器人中采用这种构造，因为当时的计算机造价较高，当时的机器人功能不多，因此实现容易，也比较经济当时的机器人功能不多，因此实现容易，也比较经济.控制过程中控制过程中需要许多计算如坐标变换，因此这种控制速度较慢。需要许多计算如坐标变换，因此这种控制速度较慢。n随着计算机技术的进步，和机器人控制质量的提高，要完成各种随着计算机技术的进步，和机器人控制质量的提高，要完成各种运算，如轨迹控制的插补计算、坐标变换、伺服系统中补偿量的运算，如轨迹控制的插补计算、坐标变换、伺服系统中补偿量的计算等。这里包括了矩阵、三角函数等大量的实时运算，通常需计算等。这里包括了矩阵、三角函数等大量的实时运算，通常需在在505015ms15ms之内完成，要在一个微型计算机上实现是困难的，往之内完成，要在一个微型计算机上实现是困难的，往往集中式控制不能满足需要，往集中式控制不能满足需要，第51页，共60页。主从式控制主从式控制 n日本于日本于7070年代生产的年代生产的MotomanMotoman机器人五关节，直流电动机器人五关节，直流电动机驱动和机驱动和PT600PT600及我国于及我国于8080年代中期研制的年代中期研制的“天龙一号天龙一号、“上海一号等弧焊机器人属于主从式构造。上海一号等弧焊机器人属于主从式构造。终端键盘示教盒焊机外存一 级 计 算 机公 共 内 存D/A速度单元位置反馈机 器 人二 级 计 算 机第52页，共60页。主从式控制主从式控制 n一一级级计计算算机机一一级级机机为为主主机机，它它担担当当系系统统管管理理、机机器器人人语语言言编编译译和和人人机机接接口口功功能能，同同时时也也利利用用它它的的运运算算能能力力完完成成坐坐标标变变换换、轨轨迹迹插插补补，并并定定时时地地把把运运算算结结果果作作为为关关节节运运动动的的增增量量值值送送到到公公共内存，供二级计算机二级机读取它。共内存，供二级计算机二级机读取它。n二二级级机机完完成成全全部部关关节节位位置置数数字字控控制制，它它从从公公共共内内存存读读给给定定值值，也把各关节实际位置送回到公共内存中，供一级机使用。也把各关节实际位置送回到公共内存中，供一级机使用。n公公共共内内存存是是由由容容量量为为几几KBKB的的双双口口RAMRAM或或普普通通静静态态RAMRAM加加上上总总线线控控制制逻逻辑辑电电路路组组成成。由由于于功功能能分分散散，控控制制质质量量较较集集中中式式控控制制明明显显提提高高。这这类类系系统统的的控控制制效效率率较较快快，一一般般可可达达15ms15ms，即即每每15ms15ms刷刷新一次给定，并实现位置控制一次。新一次给定，并实现位置控制一次。第53页，共60页。分布式构造n现代机器人控制系统中几乎无例外地采用分布式构造现代机器人控制系统中几乎无例外地采用分布式构造n上上一一级级主主控控计计算算机机负负责责整整个个系系统统管管理理以以及及坐坐标标变变换换和和轨轨插插补补运运算等，算等，n下下一一级级由由许许多多微微处处理理器器组组成成，每每一一个个微微处处理理器器控控制制一一个个关关节节运运动动，它它们们分分别别接接收收主主控控制制微微型型计计算算机机向向各各关关节节发发出出的的位位置置、速速度等运动指令信号，用以实时控制操作机各关节运行。度等运动指令信号，用以实时控制操作机各关节运行。n由由于于下下一一级级微微处处理理器器并并行行地地完完成成控控制制任任务务，因因而而提提高高了了工工作作速速度度和和处处理理器器能能力力。这这些些微微处处理理器器和和主主控控级级联联系系是是通通过过总总线线形形式式的紧耦合的紧耦合 第54页，共60页。操作机伺服控制级 主控制级终端键盘示教盒磁带机主 控 制 计 算 机接 口位置控制处理器 1位置反馈交流或直流伺服关节 1驱动位置控制处理器 n位置反馈交流或直流伺服关节 n驱动第55页，共60页。工业机器人的伺服控制系统工业机器人的伺服控制系统 n具有位置和速度反响的典型伺服控制系统，它有以下构造组成。具有位置和速度反响的典型伺服控制系统，它有以下构造组成。伺服控制系统输出轴驱动器关节运动参数输入功率放大器传感器制动器伺服电动机速度反馈位置反馈第56页，共60页。工业机器人的伺服控制系统工业机器人的伺服控制系统n伺服控制器伺服控制器n伺伺服服控控制制器器根根本本部部件件是是比比较较器器、误误差差放放大大器器和和各各种种补补偿器。偿器。n输输入入信信号号除除参参考考信信号号外外，还还有有各各种种反反响响信信号号，从从而而构构成具有位置、速度反响回路的伺服系统。成具有位置、速度反响回路的伺服系统。n控控制制器器可可以以采采用用模模拟拟器器件件组组成成。主主要要用用集集成成运运算算放放大大器器和和阻阻容容网网络络实实现现比比较较、补补偿偿和和放放大大等等功功能能，构构成模拟伺服系统。成模拟伺服系统。n控控制制器器也也可可以以采采用用数数字字器器件件，如如采采用用微微处处理理器器组组成成数数字字伺伺服服系系统统。其其中中比比较较、补补偿偿、放放大大等等功功能能由由软软件件完完成成，这这种种系系统统灵灵活活，便便于于实实现现各各种种复复杂杂的的控控制制，获获得得较高的性能指标。较高的性能指标。第57页，共60页。工业机器人的伺服控制系统工业机器人的伺服控制系统n功率放大器功率放大器n功功率率放放大大器器的的作作用用是是将将控控制制器器输输出出的的控控制制信信号号放大，驱动伺服机构运动。放大，驱动伺服机构运动。n由由于于机机器器人人伺伺服服驱驱动动功功率率不不大大，但但快快速速性性要要求较高。求较高。n常常采采用用脉脉宽宽调调制制PWMPWM放放大大原原理理，选选用用双双极极型型大大功功率率管管或或功功率率场场效效应应管管。在在一一些些大大型型电电力驱动机器人中可采用可控硅功率放大。力驱动机器人中可采用可控硅功率放大。第58页，共60页。工业机器人的伺服控制系统工业机器人的伺服控制系统n伺服驱动器伺服驱动器H电伺服驱动器通常由电伺服驱动器通常由电动机、位置传感器、速度传感器和制动器电动机、位置传感器、速度传感器和制动器组成。组成。H其其输输出出轴轴直直接接和和操操作作机机关关节节轴轴相相连连接接，以以完完成成关关节节运运动动的的控控制制和和关关节节位位置置、速度的检测，失电时制动器能自行制动，保持关节原位静止不动。速度的检测，失电时制动器能自行制动，保持关节原位静止不动。第59页，共60页。谢谢第60页，共60页。