《机器人技术与应用》第5章-机器人控制系统

机电工程学院1机电工程学院机器人技术与应用第5章机器人控制系统机电工程学院25.1控制系统概述机器人控制系统——机器人的大脑，决定机器人功能和性能的主要因素。工业机器人控制技术的主要任务：控制它在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序、动作的时间等。机器人机械系统——执行机构驱动系统控制系统感知系统基座（固定或移动）手部腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器机电工程学院31.机器人控制系统的基本功能记忆功能：可存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度、与生产工艺有关的信息。示教功能：可离线编程、在线示教(示教盒、导引示教两种)、间接示教。与外围设备联系功能：I/O、通信、网络、同步等接口。坐标设置功能：关节、绝对、工具、自定义4种坐标系。人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等接口。位置伺服功能：可实现机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等功能。故障诊断、安全保护功能：系统运行时，可实现实时状态监视，系统故障状态下的安全保护和故障自诊断。5.1控制系统概述机电工程学院4机电工程学院2.机器人控制系统的组成5.1控制系统概述（1）控制计算机控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。（2）示教盒示教机器人的工作轨迹和参数设定,以及所有人机交互操作,拥有自己独立的CPU以及存储单元,与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。（3）操作面板由各种操作按键、状态指示灯构成,只完成基本功能操作。（4）硬盘和软盘存储存储机器人工作程序的外围存储器。（5）数字和模拟量输入输出各种状态和控制命令的输入或输出。（6）打印机接口记录需要输出的各种信息。（7）传感器接口用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。（8）轴控制器完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。（9）辅助设备控制用于和机器人配合的辅助设备控制,如手爪变位器等。（10）通信接口实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。（11）网络接口Ethernet接口、Fieldbus接口。机电工程学院5机电工程学院机器人控制系统组成框图机电工程学院63.机器人控制的关键技术与机器人示教5.1控制系统概述（1）机器人控制的关键技术开放性模块化的控制系统体系结构采用分布式CPU计算机结构，包括机器人控制器(RC)、运动控制器(MC)、光电隔离I/O控制板、传感器处理板、编程示教盒等。模块化与层次化的控制器软件系统基于实时操作系统(RTOS)，多任务、分层和模块化结构设计。机器人的故障诊断与安全维护技术通过各种信息，对机器人故障进行诊断及维护，以保证机器人的安全性。网络化机器人控制器技术由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人联网技术。机电工程学院73.机器人控制的关键技术与机器人示教5.1控制系统概述（2）机器人示教对机器人的示教——定义在机器人代替人作业时，必须预先对机器人发出指示，规定机器人进行应该完成的动作和作业的具体内容，此过程又称为对机器人的编程。让机器人实现指定动作，必须赋予它各种信息：①机器人动作顺序的信息及外围设备的协调信息；②与机器人工作时的附加条件信息；（与机器人具体作业任务及相关工艺要求有关）③机器人的位置和姿态信息。（机器人示教的重点）机电工程学院83.机器人控制的关键技术与机器人示教5.1控制系统概述（2）机器人示教位置和姿态示教的两种方式：1）直接示教即通常所说的“手把手示教”，由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教，如示教盒示教或操作杆示教等。可以选择在不同坐标系下示教。2）离线示教脱离实际作业环境生成示教数据，不要求机器人实际产生运动，间接地对机器人进行示教，即离线编程。位姿示教用实际机器人进行示教脱离机器人进行示教直接示教遥控示教离线示教虚拟示教机电工程学院93.机器人控制的关键技术与机器人示教5.1控制系统概述典型的微型计算机控制系统框图D/A转换器A/D转换器被控对象执行器输出量(被控参数)控制器微型计算机输入量(给定值)被控制对象检测系统早期工业机器人的控制主要是通过示教再现方式进行，控制装置由凸轮、挡块、插销板、穿孔纸带、磁鼓、继电器等机电元器件构成。20世纪80年代以来，工业机器人主要使用“微型计算机控制系统”实现控制功能。机电工程学院103.机器人控制的关键技术与机器人示教5.1控制系统概述微型计算机控制系统原理图机电工程学院113.机器人控制的关键技术与机器人示教5.1控制系统概述在工业机器人控制中，一般采用监督控制系统(SupervisoryComputerControl,SCC)，用以实现计算量较大的轨迹规划。两种不同结构形式的SCC系统：①SCC+模拟调节器②SCC+DDC(直接数字控制系统)监督控制系统(SCC)框图机电工程学院12机电工程学院监督控制系统(SCC+DDC)工作原理：实际是两级计算机控制系统，上一级为SCC，下一级为DDC。采集数据经AI、DI送DDC的同时也送SCC。SCC根据采集的数据，经过计算后获得最佳设定值传送给DDC。DDC对设定值和测量值进行比较，比较后的结果经AO、DO送出，对系统进行控制。SCC计算机DDC计算机输出通道输入通道被控对象系统要求：①SCC级数据处理能力强，存储容量大；②DDC级则需要实时性好、可靠性高和环境适应性好。机电工程学院13机电工程学院直接数字控制系统(DirectDigitControl)DDC管理命令DDC微型机报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件D/A反多路开关生产过程一台微型机代替多个模拟调节器可以同时控制多达十几个回路可以实现复杂控制律DDC无法使生产过程处于最优状态。SCC属于优化控制。机电工程学院14机电工程学院机器人示教过程机电工程学院15机电工程学院PUMA560机器人控制系统监督控制系统——SCC+DDC机电工程学院16与传统的自动机械控制没有本质不同，但更复杂，是以机器人单轴或多轴运动协调为目的。机器人的控制与机构运动学和动力学密切相关。从控制观点看，机器人系统是一种典型的冗余多变量非线性控制系统，同时又是复杂的耦合动态系统。每个控制任务本身就是一个动力学任务。在实际研究中，往往把机器人控制系统简化为若干个低阶子系统来描述。5.1控制系统概述4.工业机器人控制的特点机电工程学院175.2工业机器人控制的分类机器人控制的基本目的告诉机器人要做什么;机器人接受命令，并形成作业的控制策略;保证正确完成作业;通报作业完成情况。机电工程学院185.2工业机器人控制的分类按运动坐标控制的方式分类：①关节空间运动控制；②直角坐标空间运动控制。按控制系统对工作环境变化的适应程度分类：①程序控制系统；②适应性控制系统；③人工智能控制系统。按同时控制机器人数目多少分类：①单控系统；②群控系统。按运动控制方式的不同分类：①位置控制；②速度控制；③力控制(包括位置与力的混合控制)。分类方法不同，机器人控制方式可以有不同的分类。机电工程学院195.2工业机器人控制的分类机电工程学院20（1）点位控制(PTP,pointtoPointcontro1):通常只给出机械手末端的起点和终点，有时也给出一些中间经过点，所有这些点统称为路径点。应注意这里所说的“点”不仅包括机械手末端的位置，而且包括姿态（方位），因此描述一个点通常需要6个量。通常希望机械手末端的运动是光滑的，即它具有连续的一阶导数，有时甚至要求具有连续的二阶导数。不平滑的运动容易造成机构的磨损和破坏，甚至可能激发机械手的振动。因此规划的任务便是要根据给定的路径点规划出通过这些点的光滑的运动轨迹。5.2工业机器人控制的分类1.位置控制方式机电工程学院215.2工业机器人控制的分类（2）连续轨迹(路径)控制(CP,continuouspathcontrol):机械手末端的运动轨迹是根据任务的需要给定的，但是它也必须按照一定的采样间隔，通过逆运动学计算，将其变换到关节空间。然后，在关节空间中寻找光滑函数来拟合这些离散点。最后，还有在机器人的计算机内部如何表示轨迹，以及如何实时地生成轨迹的问题。典型应用：弧焊、喷漆、切割等场所，要求工业机器人的速度可控、轨迹光滑、运行平稳（技术指标：轨迹精度、平稳性）。1.位置控制方式机电工程学院225.2工业机器人控制的分类2.速度控制方式在位置控制的同时，有时还要进行速度控制:【例】在CP控制方式下，工业机器人按预定程序指令，控制运动部件的速度，实现加、减速，以满足运动平稳、定位准确的要求。起动加速阶段快速运动阶段减速定位阶段t/sv/(m/s)机器人行程的速度-时间曲线速度与平稳的矛盾:由于运行工况复杂(负载多变)、惯性负载大，工业机器人起动加速、停止前的减速必须进行控制。机电工程学院235.2工业机器人控制的分类3.力(力矩)控制方式机器人手部与环境或作业对象表面接触，除了要求准确定位外，还要求使用适度的力(力矩)进行工作。机器人的力控制是对位置控制的补充，一般与位置控制融合在一起形成位置和力的混合控制。【例】步行机器人在行走时，足与地面的接触力在不断变化，对腿的各关节控制是一个典型且严格的位置和力混合控制问题。腿在支撑状态时，由于机体的运动，支撑点与步行机器人重心间的相对位置在不断变化，导致足与地面接触力的不断变化，同时要对各关节的位置进行控制。在这种情况下，位置控制与力控制组成一个有机整体，力控制是在正确的位置控制基础上进一步的控制内容。机电工程学院24机电工程学院位置和力控制系统结构具有力反馈的控制系统如下图：坐标变换关节伺服机械手位置机器人本体传感器策略坐标变换原运动指令新运动指令反作用变形环境位置+-+-力其工作过程为：①机器人开始工作时，机器人手端(或安装在手臂端部的工具)按指令要求沿目标轨迹和给定速度运动。②当手端与环境接触时，安装在机器人上的接触传感器或力传感器感觉到接触的发生。③机器人控制程序按新的自然约束和人工约束来执行新的控制策略，即位置与力的混合控制。机电工程学院255.3工业机器人的位置控制工业机器人位置控制的目的使机器人各关节实现预先所规划的运动，最终保证末端(手抓)沿预定轨迹运行。工业机器人的动态特性具有高度的非线性：在设计控制系统时，通常把机器人的每个关节视作一个独立的伺服机构，采用基于关节坐标的控制。作为模型，可以认为每个关节是由一个驱动器单独驱动。大多采用反馈控制：利用各个关节传感器获得的反馈信息，计算所需力矩，发出相应的力矩指令，以实现要求的运动。机电工程学院265.4工业机器人的运动轨迹控制1.机器人规划的基本概念规划(P1anning)：指的是机器人根据自身的任务，求得完成该任务解决方案的过程。这里所说的任务，具有广义的概念，既可以指机器人要完成的某一具体任务，也可以是机器人的某个动作，比如手部或关节的某个规定的运动等。机器人的规划是分层次的，从高至低依次为“任务规划、动作规划、手部轨迹规划和关节轨迹规划、关节的运动控制。路径(Path)：它是机器人位姿的一定序列。不考虑机器人位姿参数随时间变化的因素。路径点：这个术语包括了所有的中间点以及初始点和最终点。需要记住的是，虽然通常使用“点”这个术语，但实际上它们是表达位置和姿态的坐标系，描述需6个量。机电工程学院275.4工业机器人的运动轨迹控制1.机器人规划的基本概念轨迹(trajectory)：泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点的位移、速度和加速度。（或表述为：机器人在运动过程中，每个自由度的位移、速度和加速度的时间历程）轨迹规划：轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为~。机器人运动轨迹的描述一般是对其手部位姿的描述，此位姿