工業(yè)機器人控制系統(tǒng)工業(yè)機器人組成與工作原理（控制概述）1.1工業(yè)機器人的基本組成1.2工業(yè)機器人工作原理與技術參數(shù)1.3工業(yè)機器人控制技術綜述1.1工業(yè)機器人的基本組成主要由機器人本體、控制器、示教器三大部件組成

六軸垂直多關節(jié)機器人機械結構簡圖

●S軸（回旋）●L軸（下臂傾動）●U軸（上臂傾動）●R軸（手臂橫擺）●B軸（手腕俯仰）●T軸（手腕回旋）Motoman工業(yè)機器人

機器人關節(jié)？控制器是根據(jù)指令以及傳感器信息控制機器人完成一定動作或作業(yè)任務的裝置，是決定機器人功能和性能的主要因素，也是機器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最快的部分。其基本功能有：示教、記憶、位置伺服、坐標設定。開發(fā)程度：封閉型、開放性和混合型。

【目前基本上都是封閉型系統(tǒng)（如日系）或混合型系統(tǒng)（如歐系）】控制方式：集中式控制和分布式控制。

機器人控制器工業(yè)機器人電動伺服系統(tǒng)的一般結構為三個閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。一般情況下，對于交流伺服驅動器，可通過對其內部功能參數(shù)進行設定而實現(xiàn)位置控制、速度控制、轉矩控制等多種功能。

集中式控制系統(tǒng)結構？？？組織層(作業(yè)控制)協(xié)調層(運動控制)執(zhí)行層(驅動控制)分布式控制系統(tǒng)結構KRC4性能參數(shù)：全部采用總線形式

處理器庫卡(工業(yè))PC（2.6GHZ

）操作系統(tǒng)微軟WINDOWS

XP

控制軸數(shù)8個

AC伺服馬達驅動

與外圍設備通訊接口:Profinet,

Profibus,Interbus,EtherCAT,

Ethernet

編程及控制庫卡SmartPAD例：庫卡工業(yè)機器人控制器KRC4例：電裝（DENSO）機械手系統(tǒng)組成1感受系統(tǒng)由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,用以獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。2智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。3對于一些特殊的信息,傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。感知系統(tǒng)

一、機器人的工作原理機器人的工作原理是一個比較復雜的問題。簡單地說，機器人的原理就是模仿人的各種肢體動作、思維方式和控制決策能力。從控制的角度，機器人可以通過如下四種方式來達到這一目標?！笆窘淘佻F(xiàn)”方式：它通過“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機械手如何動作，控制器將示教過程記憶下來，然后機器人就按照記憶周而復始地重復示教動作，如噴涂機器人。1.2工業(yè)機器人工作原理與技術參數(shù)“可編程控制”方式：工作人員事先根據(jù)機器人的工作任務和運動軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機器人的控制器，起動控制程序，機器人就按照程序所規(guī)定的動作一步一步地去完成，如果任務變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。大多數(shù)工業(yè)機器人都是按照前兩種方式工作的?！斑b控”方式：由人用有線或無線遙控器控制機器人在人難以到達或危險的場所完成某項任務。如防暴排險機器人、軍用機器人、在有核輻射和化學污染環(huán)境工作的機器人等?！白灾骺刂啤狈绞剑菏菣C器人控制中最高級、最復雜的控制方式，它要求機器人在復雜的非結構化環(huán)境中具有識別環(huán)境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。

示教再現(xiàn)示教－再現(xiàn)即分為示教－存儲－再現(xiàn)-操作四步進行。示教：方式有兩種：(1)直接示教－手把手；

(2)間接示教－示教盒控制。存儲：保存示教信息。再現(xiàn)：根據(jù)需要，讀出存儲的示教信息向機器人發(fā)出重復動作的命令。

控制信息順序信息：各種動作單元（包括機械手和外圍設備）按動作先后順序的設定、檢測等。位置信息：作業(yè)之間各點的坐標值，包括手爪在該點上的姿態(tài)，通常總稱為位姿（POSE）。時間信息：各順序動作所需時間，即機器人完成各個動作的速度。二、工業(yè)機器人的技術參數(shù)

表示機器人特性的基本參數(shù)和性能指標主要有工作空間、自由度、有效負載、運動精度、運動特性、動態(tài)特性等。

(1)工作空間（Workspace）

工作空間是指機器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達空間的位置集合。工作空間的性狀和大小反映了機器人工作能力的大小。理解機器人的工作空間時，要注意以下幾點：

(2)有效負載(Payload)

有效負載是指機器人操作機在工作時臂端可能搬運的物體重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作機的負荷能力。

(3)運動精度(Accurucy)

機器人機械系統(tǒng)的精度主要涉及位姿精度、重復位姿精度、軌跡精度、重復軌跡精度等。

(4)運動特性（Sped）

速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。

(5)動態(tài)特性結構動態(tài)參數(shù)主要包括質量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和振動模態(tài)。工作精度可以用精密度、正確度、和準確度三個參數(shù)來衡量。包括定位精度和重復定位精度。定位精度（Positioningaccuracy）：指機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置之間的差距。重復性（Repeatability）或重復精度：指機器人重復到達某一目標位置的差異程度?；蛟谙嗤奈恢弥噶钕拢瑱C器人連續(xù)重復若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復度。oo精度和重復精度，哪個重要

精度機器人到達指定點的精確程度（與驅動和傳感的分辨率有關）。（可預測可校正）

重復精度

機器人動作重復多次，到達同樣位置的精確程度。（隨機誤差的范圍，無法消除）任務機床上下料沖床上下料點焊模鍛噴漆裝配測量弧焊重復性±（0.05~1)±1±1±0.1~2±3±(0.01~0.5)±(0.01~0.5)±(0.2~0.5)？分辨率

是指機器人每根軸能夠實現(xiàn)的最小移動距離或最小轉動角度。精度和分辨率不一定相關。反饋尺實際位置重復精度精度分辨率TBRU給定位置

分辨率、精度、重復精度的關系控制的目的是使被控對象產生控制者所期望的行為方式控制的基本條件是了解被控對象的特性控制的實質是對驅動器輸出力矩的控制輸入X被控對象的模型輸出Y目的輸入X輸出Y？？？1.3工業(yè)機器人控制技術綜述機器人控制的兩個問題：1）求機器人的動態(tài)模型（動力學問題）2）根據(jù)動態(tài)模型設計控制規(guī)律機器人技術與控制學科的關系如果被控對象的模型能夠精確知道，但模型是變化的，怎么辦？如果模型的變化是可以預測的X1/P（T）P（T）Y開環(huán)預測控制如果模型的變化是可以實時辯識的X1/P（T）P（T）Y辨識器開環(huán)辨識控制以被控對象的實際輸出構成某種評價標準來修正控制器的輸入信號，以使對象的輸出接近期望值----閉環(huán)反饋控制被控對象的特性（數(shù)學模型）不能完全確定或完全不能確定的情況下，怎么辦？最常用的評價標準就是輸入與輸出（期望的輸出與實際輸出）之間的偏差例如：工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成25控制系統(tǒng)的組成工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)一般分為上、下兩個控制層次：上級—組織級

其任務是將期望的任務轉化為運動軌跡或適當?shù)牟僮?，并隨時檢測機器人各部分的運動及工作情況，處理意外事件。下級—實時控制級

它根據(jù)機器人動力學特性及機器人當前運動情況，綜合出適當?shù)拿?，驅動機器人機構完成指定的運動和操作。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成26工業(yè)機器人控制的分類按運動坐標控制方式關節(jié)空間運動控制直角坐標空間運動控制按適應程度程序控制系統(tǒng)適應性控制系統(tǒng)按控制機器人數(shù)目群控系統(tǒng)按運動控制方式位置控制速度控制力控制人工智能控制系統(tǒng)單控系統(tǒng)按照期望控制量分為：位置控制和力控制位置控制單關節(jié)位置控制（位置反饋，速度反饋，加速度反饋）多關節(jié)位置控制分解運動控制（decentralizedcontrol）集中控制(centralizedcontrol)力控制直接力控制（directforcecontrol）阻抗控制(impedancecontrol)力位混合控制(Hybridforce/Motioncontrol)智能化的控制策略模糊控制(fuzzycontrol)自適應控制（adaptivecontrol）最優(yōu)控制(optimalcontrol)神經網絡控制(neurocontrol)模糊神經網絡控制專家控制(expertcontrol)Others

1．機器人位置控制任務分類：點位控制－PTP（PointtoPoint）：只考慮起始點和目的點的位置，而不考慮兩點之間的移動路徑的控制方式，適用于上下料、點焊、搬運等；連續(xù)路徑控制－CP（ContinuousPath）：不但要求機器人以一定的精度到達目標點，而且對其移動的軌跡形式有一定精度范圍的要求。（如弧焊、噴漆機器人）2.位置控制方法：關節(jié)空間控制結構直角坐標空間控制結構機器人的位置控制機器人的力控制力控制簡介直接力控制（Directforcecontrol）間接力控制（Indirectforcecontrol）1.力控制簡介目的:控制機器人各關節(jié)使其末端表現(xiàn)出一定的力或力矩特性。分類

直接力控制（Directforcecontrol）PID控制

間接力控制（Indirectforcecontrol）被動柔順（變剛度）主動柔順（阻抗控制）為什么采用力控制軸孔配合？形狀適應性接觸碰撞直接力控制作用：實現(xiàn)機器人與環(huán)境作用力的精確控制實例：力的PI控制方法特點：直接力控制具有力回路，直接控制期望力間接力控制分類：主動柔順-阻抗控制；被動柔順-變剛度特點：間接力控制（阻抗控制、力/位混合控制）【通過控制位置實現(xiàn)力控制，沒有明確的力回路】阻抗控制分類區(qū)別在內環(huán)被動柔順控制目的：基于安全性考慮阿西莫夫三定律：1950年,美國作家埃薩克·阿西莫夫在科幻小說《I，Robot》中首次使用了“Robotics”，即“機器人學”。阿西莫夫提出了“機器人三定律”：1）機器人不應傷害人類,且在人類受到傷害時不可袖手旁觀；2）機器人應遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3）機器人應能保護自己，與第一條相抵觸者除外。工業(yè)機器人通常遠離人，當人進入其工作范圍，會造成意外傷害與人交互需求安全性是第一位的從仿人的角度變剛度人體關節(jié)構造前臂肘關節(jié)Cassie的全新雙足機器人

工業(yè)機器人控制方式43工業(yè)機器人的速度控制假設：在連續(xù)軌跡控制方式的情況下，工業(yè)機器人按預定的指令、控制運動部件的速度和實行加、減速，以滿足運動平穩(wěn)、定位準確的要求。速度變化曲線要處理好快速與平穩(wěn)的矛盾，必須控制啟動加速和停止前的減速這兩個過渡運動區(qū)段。仿生機器人關節(jié)工業(yè)機器人控制策略45變結構控制變結構系統(tǒng)是一種非連續(xù)反饋控制系統(tǒng)，是將具有不同結構的反饋控制系統(tǒng)按照一定邏輯切換變化得到的，并且具備了原來各個反饋控制系統(tǒng)并不具有的漸近穩(wěn)定性。變結構控制方法對于系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律、非線性程度以及外界干擾等不需要精確的數(shù)學模型，只需要知道它們的變化范圍，就能對系統(tǒng)進行精確的軌跡跟蹤控制。優(yōu)點：設計比較簡單，便于理解和應用，具有很強的魯棒性。缺點：存在抖振。工業(yè)機器人控制策略46模糊控制方法模糊控制系統(tǒng)的控制對象可以是實際的閉環(huán)控制、專家系統(tǒng)或任何類型的人機系統(tǒng)，其中決策部分由近似推理完成。近似推理是根據(jù)客觀實際情況以及已有的規(guī)則獲取未知信息的過程，在獲得輸入變量取值的可能性分布后，由復合推理給出輸出變量取值的可能性分布。模糊產生器模糊邏輯決策模糊消除器知識庫被控過程工業(yè)機器人控制策略47神經網絡控制方法人工神經網絡是利用物理器件來模擬生物神經網絡的某些結構和功能。在控制領域主要是從功能上進行模擬，盡可能使人工神經網絡具有生物神經網絡的某些功能特性，如學習、識別和控制等。神經網絡具有非線性逼近、并行分布處理、學習和自適應、數(shù)據(jù)融合等能力，具有多輸入和多輸出的網絡結構，便于硬件的實現(xiàn)。工業(yè)機器人控制策略48自適應控制策略自適應控制的方法就是在運行過程中不