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机器人编程控制原理
机器人编程控制原理
第一章机器人系统简介
2.1机器人的运动机构（执行机构）
机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体，可以大体
分为操作手（包括臂和手）和移动机构两类。
对机器人的操作手而言，它应该象
人的手臂那样，能把（抓持装工具的）手依次伸到预定的操作位置，并保持相应
的姿态，完成给定的操作；或者能够以一定速度，沿预定空间曲线移动并保持手
的姿态，并在运动过程中完成预定的操作。
移动机构应能将机器人移动到任意位
置，并保持预定方位姿势。
为此，它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本
移动功能。
在结构上它可以象人、兽、昆虫，具有二足、四足或六足的步行机构，
也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构
2.1.1机器人的臂结构
机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构，它由连杆和连杆间的关节组
成。
关节，又称运动副，是两个构件组成相对运动的联接。
在关节的约束下，两
连杆间只能有简单的相对运动。
机器人中常用的关节主要有两类：
（1）滑动关节（Prismaticjoint）:
与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直
线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或
平行。
（2）转动关节（Revolutejoint）:
与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对
旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂
直。
杆件和关节的构成方法大致可分为两种：
（1）杆件和手臂串联连接，开链机
械手
（2）杆件和手臂串联连接，闭链机械手。
以操作对象为理想刚体为例，物体的位置和姿态各需要3个独立变量来描
述。
我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度（DOF（degree
offreedom））。
而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决
定的（每个关节可以有一个或多个自由度，通常为1个）。
机器人的自由度是独
立的单独运动的数目，是表示机器人运动灵活性的尺度。
（由驱动器能产生主动
动作的自由度称为主动自由度，不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。
通常
开链机构仅使用主动自由度）机器人自由度的构成，取决于它应能保证完成与目
标作业相适应的动作。
分析可知，为使机器人能任意操纵物体的位姿，至少须
6DOF，通常用三个自由度确定手的空间位置（手臂），三个自由度确定手的姿态
（手）。
比较而言，人的臂有七个自由度，手有二十个自由度，其中肩3DOF，肘
2DOF，碗2DOF。
这种比6还多的自由度称为冗余自由度。
人的臂由于有这样的
冗余性，在固定手的位置和姿态的情况下，肘的位置不唯一。
因此人的手臂能灵
活回避障碍物。
对机器人而言，冗余自由度的设置易于增强运动的灵活性，但由
于存在多解，需要在约束条件下寻优，计算量和控制的难度相对增大。
典型的机器人臂结构有以下几种：
（1）直角坐标型（Cartesian/rectanglar/gantry）（3P）
由三个线性滑动关节组成。
三个关节的滑动方向分别和直角坐标轴x,y,z平行。
工作空间是个立方体
（2）圆柱坐标型（cylindrical）（R2P）
由一个转动关节和两个滑动关节组成。
两个滑动关节分别对应于圆柱坐标的径向和垂直方向位置，一个旋
转关节对应关于圆柱轴线的转角。
工作区域为矩形截面的旋转体。
（3）球坐标型（spherical）（2RP）
两个转动关节和一个滑动关节分别实现手的左右，上下及前后运动。
工作区域是扇形旋转体。
（4）关节坐标型（articulated/anthropomorphic）（3R）
用三个转动关节实现手在工作空间的任意定位。
工作区域是一个旋转体，其截面由转动关节转动行程角所确定的一
些弧线构成。
（5）平面关节型SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）
由两个转动关节和一个滑动关节组成。
两个转动关节控制前后，左右运动；滑动关节实现上下运动。
工作区域是截面为矩形的旋转体
这里只给出了几种简单的臂结构。
各类型结构的优缺点简要分析如下：
直角坐标型结构：
三个关节分别沿着直角坐标的三坐标轴移动，几何运动直
观，计算简单，便于控制。
该结构刚度好，可得到较高精度。
但机器人所占运行
空间大，滑动关节密封性及操作的灵活性差。
多转动关节型：
灵活性最强，可以避开一些障碍物到达操作点。
运行所占空
间及占地面积小，关节易于密封。
但是关节角与空间位置的关系复杂且相互关
联，因此控制计算量大，控制相对复杂。
圆柱坐标型和球坐标型的优缺点介于上述两类结构之间。
平面关节型：
结构简单，特别适合小型零件的插接装配。
注：
机器人的腕和手（操作器）的结构略
2.1.1机器人的移动机构
对机器人移动机构的基本要求是能承受机器人自身重力及操作过程中存在
的力和力矩，并保持平衡和具有一定的刚度；具有较高的机动性。
目前移动机构的主要类型有轮式、履带式、足式及其它（如机器鱼，爬壁机
器人等），下面对移动机器人的几种典型机构及特点给出简要介绍。
轮式移动机构：
轮式移动机构有移动平稳、机动性高、便于操纵等特点。
但只适合在平坦地
面运行，不能上下阶梯、越沟。
轮式移动机构一般具有三轮、四轮式两种，其中
驱动轮用以驱动机器人运动，控制移动的速度，有时也用以控制移动方向；转向
轮用以控制机器人移动方向；小脚轮和自由轮：
用以支撑机器人保持平衡，
被动地适应机器人转向运动的要求。
几种轮式移动机构。
三轮机构，四轮移动机构，全转向三轮移动机构，每个轮
子都同时用作驱动和转向轮，能随时向任意方向做直线运动，这时三轮的轴线均
与运动方向垂直。
它也能作任意孤线运动，只要三轮轴线均通过弧线的曲率中心
点，就可以作就地转动，以及完成这些运动的组合。
因此，这类机构又称为全方
位移动机构。
履带式移动机构
这是类似于履带坦克及拖拉机的移动机构，其特点是能在凹凸不平的地面上
行走，稳定性好，能跨越障碍物，爬越较大斜坡或阶梯。
但是履带式移动机构运
动方向的操纵，由左右履带的速度差值所控制。
因此，转向时必出现滑动，阻力
较大，转向半径及中心准确度较差。
有关各种特效的履带移动机构，可参考有关
文献。
步行式移动机构
步行式移动机构是指采用了类似人、兽或
昆虫用脚迈步移动的机构，有两足、四足、六
足、八足等移动机构，它们的特点是只需要离
散的着地点，能在平地也能在凹凸不平的地面
行走；能越过沟、穴等障碍物；能上、下阶梯，
具有较高的机动性。
然而步行控制复杂，尤其
是对于双足机器人，步行的稳定性不易控制。
除了模仿人的两足步行机构外，还有模仿
兽类的四足步行机构，它有四条腿，通常每条腿
有三个自由度。
还有模仿昆虫的六足步行机构，它有六条腿，每条腿通常有三个
自由度，共18个自由度。
这些机构能灵活地前进、后退、向左或向右以不同半
径转弯以及调整机器人离地高度及倾斜角度等。
2.2机器人的驱动机构
驱动机构通常包括驱动机、减速及传递机构。
2.2.1驱动机
常用于机器人的驱动机有液压、气压和电动驱动机。
液压驱动机的优点是能产生非常大的力（如在280×105牛顿／米工作压力
下，2厘米直径液压缸就能产生8000牛顿力）。
力矩-重量比值较高，能以体积
小重量轻的驱动器提供较大的驱动力，刚度大。
缺点是：
需液压动力源设备，内
部漏油及油温影响驱动特性；管理、维修技术要求高，一次性投资较高等。
目前
液压执行机构主要用于大型机器人的驱动
气压驱动机的优点是：
成本低，可靠性高，维修管理容易，无污染，不会失
火。
缺点是：
难于准确控制速度和位置，出力小，有噪声，易锈蚀等。
一般用于
控制要求不高、出力要求不大的场合。
电动驱动机即指电机，它的优点是：
便于控制，能实现快速精确的位置和速
度控制，信号处理方便，配线容易，比较清洁。
缺点是：
力矩一重量比值较低，
为得到低速大力矩，需使用减速器，并因减速器存在齿隙而引起一些控制问题。
常用的电机主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机三种。
其中直流伺服
电机应用最广，这是由于直流伺服电机的机械特性和控制特性好，调速范围宽，
起动力矩大，效率高等。
随着电子技术的发展，近年来出现了采用电子换向技术
的直流无刷电机，避免了机械换向可能带来的火花问题。
交流伺服电机的电源提
供简单，但控制相对复杂。
步进电机直接用脉冲数字信号控制，控制简单，位置
控制准确。
但一般效率较低，长期工作有丢步问题。
一般用于小型普及型机器人。
还有一些特殊的驱动方式，如气囊驱动：
英国的“Shadow”计划研制的双足
步行机器人的传动结构就是采用的气囊肌肉的方式进行驱动。
它具有重量轻，输
出力大，柔顺性好等优点；记忆合金驱动器（SMA）：
功率重量比大，驱动电压低，
无噪音，无污染等优点；压电驱动器：
体积小、精度高、响应快、输出力大，可
用于微动机器人。
关节的驱动方式有直接驱动方式和间接驱动方式两种。
直接驱动方式是驱动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连；这种方式
的优点是驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦、间隙等非线性
因素的影响，可以做到控制性能比较好。
然而，在另一方面，为了直接驱动手臂
的关节，驱动器的输出力矩必须很大，此外，必须考虑手臂的动力学问题。
间接驱动方式是把驱动器的力通过减速器等传递给关节。
大部分机器人的关
节是间接驱动。
这种间接驱动，通常其驱动器的输出力矩大大小于驱动关节所需
要的力矩，所以必须使用减速器。
2.2.2减速机构
减速机构的目的是把电动机输出的高转速小力矩的运动变换成低转速大力
矩的关节旋转运动，或变换成低速驱动力大的关节直线运动。
描述减速机构的基
本参数是传动比，又称减速比。
传动比与传动效率
定义2.1传动比i：
输入转速与输出转速之比
定义2.2传动效率η：
输出功率与输入功率之比
在忽略传动机构功耗的情况下，输出转速是输入转速的1/i，输出
力矩是输入力矩的i倍。
常用的减速机构有两类:
旋转减速机构和平移减速机构。
旋转减速机构：
一般输入轴由电机带动作高速旋转运动，输出轴作低转速运动。
主要有齿轮
减速机构、蜗轮－蜗杆减速机构、行星齿轮减速机构和谐波减速机构等。
齿轮减速机构
输入轴与输出轴可以平行（见图2.5（a））也可以垂直相交（见图2.5（b）），转
速比即为输出齿轮的齿数与输入齿轮的齿数之比。
一级齿轮减速比较小，且有齿
隙。
为获得大减速比，通常需多级。
蜗轮－蜗杆减速机构
用于交错轴间传递运动与力，轴交角通常为90度。
它有较大的转速比。
有
自锁功能（即在外力作用下能自行保持关节位
置）。
但其机械效率低（＜60%），且有齿隙。
行星减速机构
由太阳轮S、行星齿轮P、行星轮支架（即
转臂）C和内齿轮A组成。
太阳轮位于行星减
速机构“太阳系”中心，是有外齿的中心轮。
中
心轮是指与行星齿轮相啮合，且轴线固定的齿
轮。
行星齿轮在转臂的带动下围绕太阳轮做行
星运动，行星齿轮既有公转，又有自转。
内齿
轮位于行星减速机构的最外侧，是具有内齿的
中心轮。
用Z表示齿数，ω表示转速，即ZS表示太
阳轮齿数，ZA表示内齿轮齿数。
为表示各组件
间的运动关系，将传动比表示为a
ibc，其中上标
a表示固定件，下标b表示主动件c表示从动
件太炎；传动比为正，表示主动件与从动件转向
相同，传动比为负，表示主动件与从动件转向相
反。
（1）转臂固定，太阳轮与输入轴相连，内齿轮
与输出轴相连时
太阳轮顺时针旋转一周，带动行星轮逆时针
转过ZS个齿，从而带动内齿轮也转过ZS个齿，即ZS/ZA周.当转臂不是固定件时，
可采用转臂固定法来计算传动比。
转臂固定法的基本
思想是：
根据相对运动原理，如果给整个行星机构加上一个与转臂C的角速度Cω
大小相等、方向相反的公共角速度−ωC，则行星机构中各构件之间的相对运动关
系仍然保持不变。
（2）内齿轮固定，太阳轮与输入轴相连，转臂与输出轴相连时....
行星减速机构的特点是机械效率高，具有中等程度的减速比，但有齿隙。
谐波减速机构
谐波减速机构一般由波形发生器
H、柔轮A和刚轮B三个基本构件组成。
波形发生器（WaveGenerator）是椭圆形凸
轮。
通常将波形发生器装在电机轴上。
柔轮（又称FlexSpline）是由弹性金属制
成具有外齿；刚轮（又称CircularSpline）
是有内齿的圆形刚体构件，内齿的大小
与柔轮外齿的大小相同，但齿数多于柔
轮外齿。
谐波齿轮传动是在谐波发生器H的作用下迫使柔轮A产生弹性变形，并与
刚轮B相互啮合而实现传递运动或动力的目的。
它的主要特征是：
在H的作用
下，柔轮A的各点依次与刚轮啮合时，柔轮A各点的径向位移随转角的变化为
一基本对称的简谐波，这也是该机构被称为谐波减速机构的原因。
传动比可如下
计算：
（1）刚轮B固定，波形发生器H与输入轴相连，柔轮A与输出轴相连时。
凸轮转一周时，柔轮沿相反方向转过ZB-ZA个齿，相当于（ZB-ZA）/ZA转。
（2）柔轮固定，凸轮与输入轴相连，刚轮与输出轴相连时
当凸轮转一周时，刚轮沿相同方向转过ZB-ZA个齿
谐波减速机构具有以下特点：
（1）结构简单，体积小，重量轻体积小，构造
简单，减速比大。
（2）传动比大，且传动比范围宽。
（3）传动精度高。
（4）齿面磨损
小，且均匀。
（5）传动效率高。
（6）间隙（空回量）小，甚至可实现无间隙传动。
（7）运动平稳，无冲击。
（8）同轴性好。
也有一些局限性：
（1）传动比下限值较高。
（2）柔轮和波发生器的制造较复杂，制造成本较高。
（3）一般不能做成相交轴和交
错轴的传动机构。
平移减速机构：
将旋转运动转换为平移运动，输入与高速旋转的电机轴相连，
输出与滑动关节相连。
常用的有齿轮齿条机构和滚珠丝杠等。
此外，为了减轻各关节驱动器的负载，解决安装空间的限制和实现机器人臂
的重力平衡，机器人的驱动机构常常不能直接安装在关节上带动臂运动，而是安
装在适当的位置（如基座）通过转递机构实现力或力矩的传输，如可采用链条等
间接驱动机构。
2.3机器人控制系统
2.3.1机器人的典型运动方式
分析机器人在各类作业中的运动，可以看到两种基本运动形式：
点－点
PTP（PointtoPoint）运动和连续CP（ContinualPath）运动
点－点的运动：
机器人只在某些指定点上进行操作。
因此只要求在这些点上，
操作器应有准确的位置和姿态，以保证操作质量。
对于操作器在各相邻点间的运
动（包括路径和姿态）不做任何规定。
如进行点焊。
上料、下料、搬运等作业。
连续的运动：
指机器人沿指定轨迹运动的同时进行连续操作的运动过程。
因
此，要求机械手末端的操作器严格按预定轨迹运动，才有可能完成作业要求。
如
用于喷漆、弧焊等作业。
显然，连续运动可以看作是密集的PTP运动的总和，
点和点之间的轨迹可用折线近似。
只要预定点足够密，就可以用点－点运动控制
的方法实现所需精度的连续运动。
2.3.2机器人控制系统分类
控制系统的结构和工作原理与机器人的功能和精度要求有密切的关系。
机
器人控制系统从基本原理和系统结构上可分为两类：
非伺服型系统和伺服型系
统。
非伺服型系统包括不采用反馈信号的开环非伺服型系统和仅采用开关反馈
的非伺服型系统，一些采用步进电机控制的机器人均属于这种类型。
非伺服型控
制系统适用于作业相对固定，操作程序简单，运动要求不很高的作业。
采用这类
控制系统的机器人，具有价格低廉，操作、安装和维护简单，可靠性较好等特点。
伺服型控制系统：
主要特点是系统中采用传感器测量关节参数，如关节位置、
速度，并反馈到驱动器构成闭环伺服系统。
在伺服系统控制下，能保证机器人各
关节准确跟踪给定位置、速度，能根据要求完成复杂、灵巧的操作。
几乎所有的
多功能、高性能的机器人，均采用伺服型控制系统
近年来出现的各种智能型机器人控制系统：
在伺服型系统的基础上，增加了
环境检测，构成机器人总体的闭环反馈控制系统，增加了决策功能，并使系统具
有自主性。
2.3.3机器人控制系统
本节以工业机器人的控制系统为例来介绍机器人的控制系统。
机器人控制系统在结构上是分层结构的计算机控制系统。
一般的工业机器人
系统由伺服控制和协调控制层组成。
协调层由协调控制计算机及其外围设备组
成，用以接受作业指令，完成个关节运动的协调计算等功能。
伺服控制层由一组
伺服系统组成，用以控制机械系统各关节跟随指定轨迹运动。
系统工作过程简述如下：
操纵者利用控制计算机的键盘或者示教盒输入作业
要求，如要求机械手末端由A点沿直线运动到B点。
协调层计算机接到指令后
完成以下工作：
（1）分析解释指令，确定运动参数;
（2）进行插值计算;（3）进行坐
标变换，得到相应的各关节协调运动参数;（4）将关节运动参数输出到伺服控制
级，作为各伺服系统的给定信号。
伺服系统实现各关节的跟踪运动，从而控制机
械系统完成运动。
协调控制计算机
完成从任务、运动指令到关节运动之间的全部运算，这些任务需要特定的
协调控制软件来完成，协调控制软件的功能主要包括：
指令的分析解释；运动规
划；根据运动规划和轨迹关键点规划出沿轨迹的运动参数，并通过插值计算，得
到适当密度的中间点；完成坐标变换（作业空间坐标与关节空间坐标等），得到
关节的指令参数。
有关坐标变化、运动规划等内容将在后续章节中详细讨论。
伺服控制系统
机器人的每个关节分别由一个伺服系统驱动。
系统的输入来自协调控制级
输出的关节运动参数。
系统控制各关节机械运动跟踪输入值。
电伺服控制系统通常由控制器、驱动器（功放等）、电机、位置传感器，速
度传感器及制动器组成。
电机输出轴通过传动机构与机器人的关节相联。
制动器
在失电时使关节能自行制动，保持静止状态。
驱动器及电机（略）
位置速度传感器
位置、速度传感器用以测量关节位置和速度，并用作反馈信号，构成具有预
期静态和动态特性的位置（或速度）伺服系统。
用于机器人的位置传感器有电位
计、差动变压器、光码盘和旋转变压器等。
其中光码盘的可靠性、准确性较高，
应用最广。
现将其基本工作原理简述如下：
光码盘由光源、光敏元件、编码盘和
信号处理电路组成，它的工作原理如图2.9
所示。
光码盘有两类：
绝对式光码盘和增
量式光码盘（又称相对码盘）。
其主要差别
是所用码盘编码格式不同。
图2.10（a）是四
位绝对式光码盘，含四道码环。
其中黑色
为不透光部分，白色为透光部分。
一个N
位绝对码盘有：
N道码环，N个沿半径方
向、对准各码环分布的光源和光敏器件
对．工作时光线透过码盘，经光敏器件接
收，信号处理电路放大整形后输出与码盘位置对应的二进制位置信号。
当然，码
盘也可以按照其它方式编码，如格雷码等。
图2.10（b）是增量式光码盘，它含三
道码环，其中A、B道的编码图形完全相同，但布置上相差半个窄缝。
主要用以
测量位置的变化及方向。
C道只有一个窄缝，用以校准初始位。
有三个沿半径对
准各码环分布的光源、光敏器件对。
当位置变化时，光线透过码盘的情况也改变，
经接收放大后输出测量信号。
在等速运动时对应码道A、B的测量信号是等宽脉冲信号，脉冲的频率反映
位移的速率，脉冲数反映位置变化的增量值，而波形相位的领先或落后反映位移
方向是正向或反向。
以长春第一光学仪器厂生产的增量码盘产品LBJ-007-500为，每转脉冲数为
500，经过四细分电路，可得2000脉冲/转，角度分辨率可达：
0.18deg；输出方
式为长线驱动，电源电压：
5±0.25V。
尺寸：
φ38*40mm，重量：
100g。
制动器：
一般由电磁铁、摩擦盘等组成，工作时电磁铁线圈通电，街铁吸合，并与
固定在电机轴上的摩擦盘脱开，这时轴可自由转动．当失电时，衔铁在弹簧作用
下打开，并紧压在摩擦盘上，产生足够大的摩擦力制动。
制动器结构多种多样的，
目前一些电机产品本身即带有制动器。
控制器
控制器的基本部件是比较器、误差放大器和补偿器。
输入信号除参考输入外，
还有各种反馈信号及前馈信号，构成具有位置、速度反馈和前馈补偿的伺服系统
控制器可以采用模拟器件，也可以采用数字器件（如微处理器）。
目前大多采用
微处理器与必要的模拟器件的组合构成伺服控制器，控制参数由软件设定，便于
实现各种控制算法，获得高的性能指标。
伺服驱动系统的技术要求
伺服系统是把指令变为现实运动的关键设备。
它的品质直接影响机器人的
性能。
作为机器人用伺服系统的要求，可表示为静态特性，动态特性及抗扰性等
三个方面。
静态性能：
要求系统静态位置误差小，以保证机器人的重复定位精度。
要求
调速范围大，速度误差小，以保证机器人各种运动速度对精度的要求。
动态性能：
要求系统快速、平稳、无超调，以保证机器人动态跟踪精度，防
止碰撞。
抗扰性能：
要求系统具有较强的抗于扰能力及鲁棒性能。
由于机器人作业内
容的多样性和复杂性，以及机器人机械系统的特点，使伺服系统的参数和负载力
矩在作业过程中有快速、大幅度的变化，并且各伺服系统间有相互影响，要求系
统在此情况下保持稳定。
2.3.4机器人控制系统实例
1.PUMA工业机器人的控制系统
PUMA机器人的控制系统可分为协调控制级和伺服控制级。
协调控制级
包括由LSI-11处理器为CPU的控制计算机及其外围设备组成。
控制机采用
VAL机器人语言完成编程工作，并进行协调控制计算（包括运动的规划、插值和
坐标变换等）。
最后每28ms输出六个伺服系统的给定位置信号。
伺服控制级
包括六套伺服系统，各系统的输入是协调层输出的给定关节位置信号qd，
输出为关节实际位置。
系统选用直流伺服电机、增量式光码盘分别作为系统的驱
动和测量元件，由速度放大器、晶体管脉冲调宽功率放。
大器和脉冲频率、电压
变换器构成速度反馈回路。
由微处理器6503μp构成位置反馈环，其功能是每
28ms接收伺服控制计算机给定的位置信号，并完成间隔为0.875ms的插值计算。
伺服控制回路的控制周期为0.875ms,即每0.875ms读入关节实际位置，与所得
插值比较，将误差信号放大经DAC输出并传递到驱动关节的模拟伺服板。
2.仿人机器人P2/P3/Asimo的控制系统结构及功能分布
控制器:
acontrolcomputerwith4microprocessors（microSPARCⅡ）
操作系统：
VxWorks
对于仿人机器人的控制系统而言，伺服控制级和协调控制级构成了运动控制
子系统，为使系统具有灵活的移动能力，不仅需要各关节状态的局部反馈，还需
要又反映整体运动状态的身体姿态、脚底受到的力、力矩等传感信息，并在此基
础上增强对环境的感知能力（如视觉等），以这些信息为基础，进行决策。
2.4RM-501机器人控制系统
RM-501机器人是日本三菱电气株式会社生产的轻型关节式5自由度机器
人，由直流电机驱动。
图2.13仿人机器人P2控制系统结构（P3/ASIMO的控制系结构与之类似）
图2.14RM-501机械结构
2.4.1.性能及参数
（1）主要技术指标
运动范围:
腰旋转300°
肩部旋转130°
肘部旋转90°
腕部俯仰±90°
腕部旋转
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