機器人的控制基礎(chǔ)課件

第5章機器人控制技術(shù)基礎(chǔ)控制器編成器安川六自由度工業(yè)機器人第5章機器人控制技術(shù)基礎(chǔ)控制器編成器安川六自由度工業(yè)機器人1機器人控制的功能、組成和分類機器人控制系統(tǒng)的組成機器人控制的功能、組成和分類機器人控制系統(tǒng)的組成2控制計算機控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機構(gòu)。一般為微型機、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU.示教盒示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互。操作面板有各種操作按鍵】狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。硬盤和軟盤存儲器存儲機器人工作程序的外圍存儲器數(shù)字和模擬量輸入輸出各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。打印機接口記錄需要輸出的各種信息傳感器接口由于信息的自動檢測，實現(xiàn)機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器軸控制器完成機器人各關(guān)節(jié)位置、速度控制輔助設(shè)備控制用于和機器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。通訊接口實現(xiàn)機器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。網(wǎng)絡(luò)接口控制計算機控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機構(gòu)。一般為微型機、微處理器有3機器人位置控制直角坐標位置控制：通過解逆運動方程，求出對應(yīng)的直角坐標位姿的關(guān)節(jié)位移量，然后驅(qū)動伺服機構(gòu)使末端執(zhí)行器到指定的目標位置和姿態(tài)。機器人位置控制直角坐標位置控制：通過解逆運動方程，求出對應(yīng)的41.點位式PTP

(PointtoPoint）：只以終點位置為目標，作準確的移動，而對移動中的軌跡不作控制要求。典型的應(yīng)用：spotWeldingrobot。5.1.2機器人的控制方式2.軌跡式CP（ContinuousPath）:在任意特定數(shù)量的點處停留。點與點之間的軌跡不做要求—插補。典型的應(yīng)用：ArcWeldingRobot。。

1.點位式PTP(PointtoPoint）：5.5如何插補？利用插補點之間的增量和雅可比逆矩陣,求出各關(guān)節(jié)的分增量各電機按照分增量進行位置控制。如何利用插補點之間的增量和雅可比逆矩陣,求出各關(guān)節(jié)的分63力（力矩）控制：裝配、抓取工件等工作時，除了準確定位之外，還要求使用適度的力（力矩）。力（力矩）反饋---力傳感器。4智能控制：AI技術(shù)（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳基因算法、模糊控制、專家系統(tǒng)等）。3力（力矩）控制：裝配、抓取工件等工作時，除了準確定位之外7示教---即教機器人如何去做。在示教過程中，機器人將作業(yè)順序、位置、速度等信息記錄下來。再現(xiàn)----根據(jù)這些存儲的信息再現(xiàn)示教的動作。5示教/再現(xiàn)（teaching/playback）控制-----一種主流控制方式：示教直接示教間接示教操作者使用安裝在機器人手臂末端的操作桿（joystick）操作者使用示教盒(teachingbox)示教---即教機器人如何去做。在示教過程中，機器人將作業(yè)順序85.2單關(guān)節(jié)機器人模型與控制工業(yè)機器人運動速度不高(通常小于1.5m/s)，由速度項引起的非線性作用也可以忽略。工業(yè)機器人在驅(qū)動負載時通常需要減速器，其減速比往往接近100，這使得負載的變化（例如由于機器人關(guān)節(jié)角度的變化使得轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變化）折算到電動機軸上要除以減速比的平方，因此電動機軸上負載變化很小，可以看作定常系統(tǒng)處理。各關(guān)節(jié)之間的耦合作用，也因減速器的存在而極大地削弱。工業(yè)機器人系統(tǒng)就變成了一個由多關(guān)節(jié)（多軸）組成的各自獨立的線性系統(tǒng)。由于機器人是耦合的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，嚴格說，各關(guān)節(jié)的控制必須考慮關(guān)節(jié)間的耦合作用，但通常：5.2單關(guān)節(jié)機器人模型與控制工業(yè)機器人運動速度不高(通常9直流伺服電機的等價回路5.2.1單關(guān)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直流伺服電動機驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)的簡化模型直流伺服電機的等價回路5.2.1單關(guān)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直流伺服10電機軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：負載軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

電樞繞組電壓平衡方程為：

相互耦合方程為：

微分方程電機軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：負載軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：11忽略電感后得系統(tǒng)微分方程再考慮到轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系：注：n電機經(jīng)傳動比：電機軸的轉(zhuǎn)動慣量J1和阻尼系數(shù)B1折算到負載側(cè)時與傳動比n2成正比；負載側(cè)的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)向電機軸側(cè)折算時要分別除以n2。式中：忽略電感后得系統(tǒng)微分方程再考慮到轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系：注：n電機12若采用傳動比n>1的減速機構(gòu)，則負載的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)減少為原來的1/

n2。------減速器的優(yōu)點（與直接驅(qū)動相比）開環(huán)傳遞函數(shù)為：

這一方程代表了單關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)所加電壓與關(guān)節(jié)角位移之間的傳遞函數(shù)。對于液壓或氣壓傳動系統(tǒng)，也可推出與上式完全類似的關(guān)系式，因此，此方程具有一定的普遍意義。若采用傳動比n>1的減速機構(gòu)，則負載的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)減少13機械傳動系統(tǒng)的阻抗包括慣性阻抗（慣性質(zhì)量的慣性矩，相當(dāng)于電氣系統(tǒng)中的線圈感抗）、摩擦阻抗（直線運動和旋轉(zhuǎn)運動摩擦，相當(dāng)于電氣系統(tǒng)中的電阻）和彈性阻抗（彈簧和軸的扭轉(zhuǎn)彈性變形，相當(dāng)于電氣系統(tǒng)中的電容器）。5.2.2阻抗匹配（略）在電氣系統(tǒng)中，如果電源的內(nèi)部阻抗與負載阻抗相同，那么負載消耗的電能最大，效率最高。在機械系統(tǒng)和流體傳動系統(tǒng)中也有相似的性質(zhì)。要從某一能源以最高效率獲得能量，一般都要使負載的阻抗與能源內(nèi)部的阻抗一致，這就叫阻抗匹配。機械傳動系統(tǒng)的阻抗包括慣性阻抗（慣性質(zhì)量的慣性矩，相當(dāng)于電氣14即電機的慣性矩與負載的慣性矩相等，就會使執(zhí)行裝置達到最大的驅(qū)動能力。適當(dāng)選擇減速器的傳動比，使執(zhí)行裝置的慣性矩與負載慣性矩一致。對于其它傳動機構(gòu)，采用不同的慣性矩變換系數(shù)也能得到同樣的效果。如果即電機的慣性矩與負載的慣性矩相等，就會使執(zhí)行裝置達到最大的驅(qū)155.2.3單關(guān)節(jié)位置與速度控制PID控制?1.5.2.3單關(guān)節(jié)位置與速度控制PID控制?1.16P-Proportional/比例；I-Integral/積分；D-Derivative/微分操作量u(t)P-Proportional/比例；I-Integral/積17分別為比例系數(shù)，積分時間，微分時間。分別為比例系數(shù)，積分時間，微分時間。18比例（P）調(diào)節(jié)作用：按比例反映當(dāng)前系統(tǒng)的偏差。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。積分（I）調(diào)節(jié)作用：是過去系統(tǒng)誤差的積累。使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。微分（D）調(diào)節(jié)作用：反映未來系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能產(chǎn)生超前的控制作用?？梢詼p少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。比例（P）調(diào)節(jié)作用：按比例反映當(dāng)前系統(tǒng)的偏差。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了19PID控制的比例考慮的是現(xiàn)在的偏差值；積分考慮的是過去的偏差值；微分考慮的是未來偏差的變化量。并且以當(dāng)前的誤差為主，兼顧到了誤差的過去與將來?？梢?，考慮問題之周全。PID控制是一種經(jīng)典的控制方法PID控制的比例考慮的是現(xiàn)在的偏差值；積分考慮的是過去的偏差20PID控制的哲理----人生控制論P就是你現(xiàn)在的力量，要抓住現(xiàn)在，立足于現(xiàn)在；I表示了過去經(jīng)驗的積累，要不斷地反思過去，從反思中取得經(jīng)驗；D是針對未來適應(yīng)突變的能力，不斷學(xué)習(xí)，提高自身的修養(yǎng)，增強對未來突變的適應(yīng)能力。如果你能按PID控制人生，才能不受一些外面因素的干擾，把握好人生的方向，快速、平穩(wěn)地達到追求的目標。

PID控制的哲理----人生控制論P就是你現(xiàn)在的力量，要抓21機器人單關(guān)節(jié)PID控制系統(tǒng)框圖2.機器人單關(guān)節(jié)PID控制（閉環(huán)）機器人單關(guān)節(jié)PID控制系統(tǒng)框圖2.機器人單關(guān)節(jié)PID控制（閉22舉例：設(shè)電機參數(shù)如表所示慣性J4.7×10-4Kgm2電阻R12.3Ω力矩常數(shù)kT0.12Nm/A反電勢常數(shù)ke4.87×10-3V/rpm粘性系數(shù)f21×10-5Nm/rpm舉例：設(shè)電機參數(shù)如表所示慣性J4.7×10-4Kgm2電阻R23用simulink進行PID控制仿真練習(xí)用simulink進行PID控制仿真練習(xí)24仿真結(jié)果加入積分動作可消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差；加入微分動作后，比例和積分系數(shù)可增大，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。仿真結(jié)果加入積分動作可消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差；加入微分動作后，比25二階系統(tǒng)，參數(shù)均為正時，穩(wěn)定，增大kp和阻尼，可減少誤差。但上式可以看出kp增大，系統(tǒng)響應(yīng)加快，但阻尼減小。有效方法是引入速度反饋系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為（僅有比例時）二階系統(tǒng)，參數(shù)均為正時，穩(wěn)定，增大kp和阻尼，可減少誤差26位置+速度反饋

在實際應(yīng)用中，特別是機械系統(tǒng)中控制對象的庫侖摩擦力小時，即使不用I動作也可得到非常好的控制性能。這種控制方法稱為PD控制，其控制規(guī)律可表示為3.實用PID控制—PD控制為了簡化問題，考慮目標值為定值的場合：速度反饋增益，通常用表示。位置+速度反饋在實際應(yīng)用中，特別是機械系統(tǒng)中控制對象的27位置+速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)框圖位置+速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)框圖28系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為294.位置，速度反饋增益的選擇自學(xué)，即引入速度反饋后，系統(tǒng)阻尼增大時很明顯：位置反饋增益變成了彈簧系數(shù)部分，即增大了系統(tǒng)的剛性；速度反饋增益變成了粘性摩擦系數(shù)的一部分，即增大了系統(tǒng)的阻尼。原來4.位置，速度反饋增益的選擇自學(xué)，即引入速度反饋后，系統(tǒng)阻尼30TheEnd謝謝！TheEnd31第5章機器人控制技術(shù)基礎(chǔ)控制器編成器安川六自由度工業(yè)機器人第5章機器人控制技術(shù)基礎(chǔ)控制器編成器安川六自由度工業(yè)機器人32機器人控制的功能、組成和分類機器人控制系統(tǒng)的組成機器人控制的功能、組成和分類機器人控制系統(tǒng)的組成33控制計算機控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機構(gòu)。一般為微型機、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU.示教盒示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互。操作面板有各種操作按鍵】狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。硬盤和軟盤存儲器存儲機器人工作程序的外圍存儲器數(shù)字和模擬量輸入輸出各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。打印機接口記錄需要輸出的各種信息傳感器接口由于信息的自動檢測，實現(xiàn)機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器軸控制器完成機器人各關(guān)節(jié)位置、速度控制輔助設(shè)備控制用于和機器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。通訊接口實現(xiàn)機器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。網(wǎng)絡(luò)接口控制計算機控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機構(gòu)。一般為微型機、微處理器有34機器人位置控制直角坐標位置控制：通過解逆運動方程，求出對應(yīng)的直角坐標位姿的關(guān)節(jié)位移量，然后驅(qū)動伺服機構(gòu)使末端執(zhí)行器到指定的目標位置和姿態(tài)。機器人位置控制直角坐標位置控制：通過解逆運動方程，求出對應(yīng)的351.點位式PTP

(PointtoPoint）：只以終點位置為目標，作準確的移動，而對移動中的軌跡不作控制要求。典型的應(yīng)用：spotWeldingrobot。5.1.2機器人的控制方式2.軌跡式CP（ContinuousPath）:在任意特定數(shù)量的點處停留。點與點之間的軌跡不做要求—插補。典型的應(yīng)用：ArcWeldingRobot。。

1.點位式PTP(PointtoPoint）：5.36如何插補？利用插補點之間的增量和雅可比逆矩陣,求出各關(guān)節(jié)的分增量各電機按照分增量進行位置控制。如何利用插補點之間的增量和雅可比逆矩陣,求出各關(guān)節(jié)的分373力（力矩）控制：裝配、抓取工件等工作時，除了準確定位之外，還要求使用適度的力（力矩）。力（力矩）反饋---力傳感器。4智能控制：AI技術(shù)（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳基因算法、模糊控制、專家系統(tǒng)等）。3力（力矩）控制：裝配、抓取工件等工作時，除了準確定位之外38示教---即教機器人如何去做。在示教過程中，機器人將作業(yè)順序、位置、速度等信息記錄下來。再現(xiàn)----根據(jù)這些存儲的信息再現(xiàn)示教的動作。5示教/再現(xiàn)（teaching/playback）控制-----一種主流控制方式：示教直接示教間接示教操作者使用安裝在機器人手臂末端的操作桿（joystick）操作者使用示教盒(teachingbox)示教---即教機器人如何去做。在示教過程中，機器人將作業(yè)順序395.2單關(guān)節(jié)機器人模型與控制工業(yè)機器人運動速度不高(通常小于1.5m/s)，由速度項引起的非線性作用也可以忽略。工業(yè)機器人在驅(qū)動負載時通常需要減速器，其減速比往往接近100，這使得負載的變化（例如由于機器人關(guān)節(jié)角度的變化使得轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變化）折算到電動機軸上要除以減速比的平方，因此電動機軸上負載變化很小，可以看作定常系統(tǒng)處理。各關(guān)節(jié)之間的耦合作用，也因減速器的存在而極大地削弱。工業(yè)機器人系統(tǒng)就變成了一個由多關(guān)節(jié)（多軸）組成的各自獨立的線性系統(tǒng)。由于機器人是耦合的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，嚴格說，各關(guān)節(jié)的控制必須考慮關(guān)節(jié)間的耦合作用，但通常：5.2單關(guān)節(jié)機器人模型與控制工業(yè)機器人運動速度不高(通常40直流伺服電機的等價回路5.2.1單關(guān)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直流伺服電動機驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)的簡化模型直流伺服電機的等價回路5.2.1單關(guān)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直流伺服41電機軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：負載軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

電樞繞組電壓平衡方程為：

相互耦合方程為：

微分方程電機軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：負載軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：42忽略電感后得系統(tǒng)微分方程再考慮到轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系：注：n電機經(jīng)傳動比：電機軸的轉(zhuǎn)動慣量J1和阻尼系數(shù)B1折算到負載側(cè)時與傳動比n2成正比；負載側(cè)的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)向電機軸側(cè)折算時要分別除以n2。式中：忽略電感后得系統(tǒng)微分方程再考慮到轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系：注：n電機43若采用傳動比n>1的減速機構(gòu)，則負載的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)減少為原來的1/

n2。------減速器的優(yōu)點（與直接驅(qū)動相比）開環(huán)傳遞函數(shù)為：

這一方程代表了單關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)所加電壓與關(guān)節(jié)角位移之間的傳遞函數(shù)。對于液壓或氣壓傳動系統(tǒng)，也可推出與上式完全類似的關(guān)系式，因此，此方程具有一定的普遍意義。若采用傳動比n>1的減速機構(gòu)，則負載的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)減少44機械傳動系統(tǒng)的阻抗包括慣性阻抗（慣性質(zhì)量的慣性矩，相當(dāng)于電氣系統(tǒng)中的線圈感抗）、摩擦阻抗（直線運動和旋轉(zhuǎn)運動摩擦，相當(dāng)于電氣系統(tǒng)中的電阻）和彈性阻抗（彈簧和軸的扭轉(zhuǎn)彈性變形，相當(dāng)于電氣系統(tǒng)中的電容器）。5.2.2阻抗匹配（略）在電氣系統(tǒng)中，如果電源的內(nèi)部阻抗與負載阻抗相同，那么負載消耗的電能最大，效率最高。在機械系統(tǒng)和流體傳動系統(tǒng)中也有相似的性質(zhì)。要從某一能源以最高效率獲得能量，一般都要使負載的阻抗與能源內(nèi)部的阻抗一致，這就叫阻抗匹配。機械傳動系統(tǒng)的阻抗包括慣性阻抗（慣性質(zhì)量的慣性矩，相當(dāng)于電氣45即電機的慣性矩與負載的慣性矩相等，就會使執(zhí)行裝置達到最大的驅(qū)動能力。適當(dāng)選擇減速器的傳動比，使執(zhí)行裝置的慣性矩與負載慣性矩一致。對于其它傳動機構(gòu)，采用不同的慣性矩變換系數(shù)也能得到同樣的效果。如果即電機的慣性矩與負載的慣性矩相等，就會使執(zhí)行裝置達到最大的驅(qū)465.2.3單關(guān)節(jié)位置與速度控制PID控制?1.5.2.3單關(guān)節(jié)位置與速度控制PID控制?1.47P-Proportional/比例；I-Integral/積分；D-Derivative/微分操作量u(t)P-Proportional/比例；I-Integral/積48分別為比例系數(shù)，積分時間，微分時間。分別為比例系數(shù)，積分時間，微分時間。49比例（P）調(diào)節(jié)作用：按比例反映當(dāng)前系統(tǒng)的偏差。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。積分（I）調(diào)節(jié)作用：是過去系統(tǒng)誤差的積累。使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。微分（D）調(diào)節(jié)作用：反映未來系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能產(chǎn)生超前的控制作用?？梢詼p少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。比例（P）調(diào)節(jié)作用：按比例反映當(dāng)前系統(tǒng)的偏差。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了50PID控制的比例考慮的是現(xiàn)在的偏差值；積分考慮的是過去的偏差值；微分考慮的是未來偏差的變化量。并且以當(dāng)前的誤差為主，兼顧到了誤差的過去與將來。可見，考慮問題之周全。PID控制是一種經(jīng)典的控制方法PID控制的比例考慮的是現(xiàn)在的偏差值；積分考慮的是過去的偏差51PID控制的哲理----人生控制論P就是你現(xiàn)在的力量，要抓住現(xiàn)在，立足于現(xiàn)在；I表示了過去經(jīng)驗的積累，要不斷地反思過去，從反思中取得經(jīng)驗；D是針對未來適應(yīng)突變的能力，不斷學(xué)習(xí)，提高自身的修養(yǎng)，增強對未來突變的適應(yīng)能力。如果你能按PID控制人生，才能不受一些外面因素的干擾，把握好人生的方向，快速、平穩(wěn)地達到追求的目標。

PID控制的哲理----人生控制論P就是你現(xiàn)在的力量，要抓52機器人單關(guān)節(jié)PID控制