机器人的控制系统PPT文件格式下载.ppt

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8.什么是虚功原理？

9.什么是虚位移？

10.写出机器人静力学的关系式，并解释之。

11.解释机器人运动学、静力学、动力学的关系。

12.写出机器人的动能公式。

13.写出机器人的位能公式。

机器人应用技术机器人应用技术第五章第五章机器人的控制系统第一节机器人控制系统概述第二节伺服控制系统及其参数第三节交流伺服电动机的调速第四节机器人控制系统的结构第五节机器人控制的示教再现第六节机器人控制系统举例Compiledby:

DongChunli第一节第一节机器人控制系统机器人控制系统概述概述o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力矩等进行控制。

o目前广泛使用的工业机器人中，控制机多为微型计算机，外部有控制柜封装。

n这类机器人一般采用示教-再现的工作方式，机器人的作业路径、运动参数由操作者手把手示教或通过程序设定，机器人重复再现示教的内容；

n机器人配有简单的内部传感器，用来感知运行速度、位置和姿态等，还可以配备简易的视觉、力传感器感知外部环境。

o近年来，智能机器人的研究如火如荼。

n这类机器人的控制机多为计算机，处理的信息量大，控制算法复杂。

n同时配备了多种内部、外部传感器，不但能感知内部关节运行速度及力的大小，还能对外部的环境信息进行感知、反馈和处理。

Compiledby:

DongChunli第一节第一节机器人控制系统机器人控制系统概述概述一、机器人控制系统及一、机器人控制系统及控制方式控制方式二、机器人二、机器人控制系统的基本单元控制系统的基本单元Compiledby:

DongChunli一、机器人控制系统及一、机器人控制系统及控制方式控制方式1.1.机器人控制系统的特点机器人控制系统的特点2.2.机器人的控制方式机器人的控制方式3.3.机器人的控制功能机器人的控制功能Compiledby:

DongChunli1.1.机器人控制系统的特点机器人控制系统的特点o机器人控制系统是与运动学动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的、多变量系统

（1）与机构运动学及动力学密切相关的控制系统o机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。

机器人手足的状态可以在各种坐标下进行描述，应当根据需要，选择不同的参考坐标系，并做适当的坐标变换。

经常要求解运动学正问题和逆问题，除此之外还要考虑惯性力、外力（包括重力）及哥氏力、向心力的影响。

（2）多变量控制系统o一个简单的机器人也至少有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。

每个自由度一般包含一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。

（3）计算机控制系统o把多个独立的伺服系统有机地协调起来，使其按照人的意志行动，甚至赋予机器人一定的“智能”，这个任务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。

同时，计算机软件担负着艰巨的任务。

DongChunli1.1.机器人控制系统的特点机器人控制系统的特点（4）耦合非线性控制系统o描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外方的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。

因此，仅仅利用位置闭环是不够的，还要利用速度闭环甚至加速度闭环。

系统中经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。

（5）寻优控制系统o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。

较高级的机器人可以用人工智能的方法，用计算机建立起庞大的信息库，借助信息库进行控制、决策、管理和操作。

根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况，按照给定的指标要求，自动地选择最佳的控制规律。

总而言之，o由于它的特殊性，经典控制理论和现代控制理论都不能照搬使用。

然而到目前为止，机器人控制理论还是不完整、不系统的。

相信随着机器人事业的发展，机器人控制理论必将日趋成熟。

DongChunli

（1）作用输出方式o按照机器人的控制作用输出方式，机器人的控制方式分为力控制方式、速度控制方式等类型。

1）力控制方式：

在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺服方式。

o这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号，因此系统中必须有力（力矩）传感器。

o有时也利用接近、滑动等传感功能进行自适应式控制。

2）速度控制方式：

机器人运动的控制实际上是通过各轴伺服系统分别控制来实现的o分解运动的速度控制要求各伺服系统的驱动器以不同的分速度同时联合运行，能保证机器人末端执行器沿笛卡儿坐标轴稳定地运行。

o控制时先把末端执行器期望的笛卡儿位姿分解为各关节的期望速度，然后再对各关节进行伺服控制。

2.2.机器人的控制方式机器人的控制方式Compiledby:

DongChunli

（2）控制命令来源o按照机器人的控制命令来源不同，机器人的控制方式分为程序控制方式、自适应控制方式、智能控制方式和其他控制方式。

1）程序控制方式：

o给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。

2）自适应控制方式：

o当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。

这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变3）智能控制方式：

o事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。

它能以一定方式理解人的命令，感知周围的环境、识别操作的对象，并自行规划操作顺序以完成赋予的任务，这种机器人更接近人的某些智能行为。

4）其他控制方式：

o基于传感器的控制、非线形控制、分解加速度控制、滑模控制、最优控制、自适应控制、递阶控制等方式。

DongChunlio机器人的控制功能就是对机器人工作过程中的动作顺序、位置、姿态、路径、动作时间，末端执行器施加的力和力矩等如何进行控制。

（1）示教再现功能o示教再现功能是指示教人员预先将机器人作业的各项运动参数预先教给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统的记忆装置就将所教的操作过程自动地记录在存储器中。

o当需要机器人工作时，机器人的控制系统就调用存储器中存储的各项数据，使机器人再现示教过的操作过程，由此机器人即可完成要求的作业任务。

o机器人的示教再现功能易于实现，编程方便，在机器人的初期得到了较多的应用。

（2）运动控制功能o运动控制功能是指通过对机器人手部在空间的位姿、速度、加速度等项的控制，使机器人的手部按照作业的要求进行动作，最终完成给定的作业任务。

o它与示教再现功能的区别：

o在示教再现控制中，机器人手部的各项运动参数是由示教人员教给它的，其精度取决于示教人员的熟练程度。

o而在运动控制中，机器人手部的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算得来的，且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完成给定的作业任务。

3.3.机器人的控制功能机器人的控制功能Compiledby:

DongChunlio构成机器人的全控制系统的基本要素包括驱动装置、传动装置、运动特性检测传感器、控制器硬件和控制系统软件。

（1）驱动装置o作为驱动机器人运动的驱动力，常见的有液压驱动、气压驱动、直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。

o随着驱动电路元件的性能提高，当前应用最多的是直流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动。

o由于直流伺服电动机或交流伺服电动机的流经电流较大，一般为几安培到几十安培，机器人电动机的驱动需要使用大功率的驱动电路，o为了实现对电动机运动特性的控制，机器人常采用脉冲宽度调制（PWM）方式进行驱动。

（2）传动装置o传动装置是为了增加驱动力矩、降低运动速度。

二、机器人控制的基本单元二、机器人控制的基本单元Compiledby:

DongChunli（3）运动特性检测传感器o机器人运动特性传感器用于检测机器人运动的位置、速度、加速度等参数。

机器人常用的传感器将在本书的第六章进行了详细的讨论。

（4）控制器的硬件o机器人的控制器是以计算机为基础的，机器人控制器的硬件系统采用的是二级结构，第一级为协调级，第二级为执行级。

o协调级实现对机器人各个关节的运动，实现机器人和外界环境的信息交换等功能，o执行级实现机器人的各个关节的伺服控制，获得机器人内部的运动状态参数等功能。

（5）控制系统的软件o机器人的控制系统软件实现对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换等功能。

DongChunli一、自动控制系统二、PID控制三、伺服控制系统四、伺服系统的动态参数第二节第二节伺服控制系统及其参数伺服控制系统及其参数Compiledby:

DongChunli1.开环和闭环控制系统1）开环控制系统2）闭环控制系统2.模拟和数字控制系统1）模拟控制系统2）数字控制系统一、自动控制系统Compiledby:

DongChunlio开环控制系统是最基本的控制系统，是由手动控制基础上发展起来的。

o如果系统的输出端与输入端之间不存在反馈，也就是控制系如果系统的输出端与输入端之间不存在反馈，也就是控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这样的系统称开统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这样的系统称开环系统。

环系统。

o开环控制调速系统的输入量Vi由手动调节也可以由上一级控制装置给出，系统的输出量是电动机的转动角度。

11）开环控制系统）开环控制系统Compiledby:

DongChunlio控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈。

与输入量进行比较的过程，就是反馈。

o由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统自动控制系统，称为称为闭环控制系统，闭环控制系统，又称又称反馈控制系统反馈控制系统22）闭环控制系统）闭环控制系统Compiledby:

DongChunlio对于反馈控制系统，按照给定信号的不同，控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

o恒值控制系统：

给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。

如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。

o随动控制系统：

给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。

如跟随卫星的雷达天线系统。

o程序控制系统：

给定值按一定时间函数变化。

如程控机床。

22）闭环控制系统）闭环控制系统Compiledby:

DongChunli2.2.模拟和数字控制系统模拟和数字控制系统o凡表示数据的信号在时间上和幅度上是连续变化的则为模拟信号。

凡表示数据的信号在时间上和幅度上是连续变化的则为模拟信号。

o凡表示数据的信号在时间上和幅度上是离散变化的则为数字信号。

凡表示数据的信号在时间上和幅度上是离散变化的则为数字信号。

o模拟控制是指在控制系统中传递的信号的是模拟信号。

模拟控制是指在控制系统中传递的信号的是模拟信号。

o数字控制是指在控制系统中传递的信号的是数字信号。

数字控制是指在控制系统中传递的信号的是数字信号