1、.,1.1 引言 1.2 示教再現(xiàn)控制 1.3 運(yùn)動(dòng)控制 習(xí)題,.,1.1 引言,1.1.1 機(jī)器人控制特點(diǎn) 1.1.2 機(jī)器人控制方式 1.1.3 機(jī)器人控制功能 1.1.4 機(jī)器人控制系統(tǒng),.,1.1.1 機(jī)器人控制特點(diǎn),1、大量的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)運(yùn)算，涉及矢量、矩陣、 坐標(biāo)變換和微積分等運(yùn)算。 2、機(jī)器人的控制不僅是非線性的，而且是多變量 耦合的。 3、機(jī)器人的控制還必須解決優(yōu)化、決策的問題。,1.1 引言,.,機(jī)器人的控制方式主要有以下兩種分類： 1、按機(jī)器人手部在空間的運(yùn)動(dòng)方式分： （1）點(diǎn)位控制方式PTP 點(diǎn)位控制又稱為PTP控制，其特點(diǎn)是只控制機(jī)器人手部在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)

2、上的位姿。 這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間。 常常被應(yīng)用在上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊和在電路板上插接元器件等定位精度要求不高且只要求機(jī)器人在目標(biāo)點(diǎn)處保持手部具有準(zhǔn)確位姿的作業(yè)中。,1.1.2 機(jī)器人控制方式,1.1 引言,.,1、按機(jī)器人手部在空間的運(yùn)動(dòng)方式分： （2）連續(xù)軌跡控制方式CP 連續(xù)軌跡控制又稱為CP控制，其特點(diǎn)是連續(xù)的控制機(jī)器人手部在作業(yè)空間中的位姿，要求其嚴(yán)格的按照預(yù)定的路徑和速度在一定的精度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)機(jī)器人手部位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。 通?；『浮娖?、去毛邊和檢測(cè)作業(yè)的機(jī)器人都采用這種控制方式。 有的機(jī)器人在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，上述

3、兩種控制方式都具有，如對(duì)進(jìn)行裝配作業(yè)的機(jī)器人的控制等。,1.1.2 機(jī)器人控制方式,1.1 引言,.,2、按機(jī)器人控制是否帶反饋分： （1）非伺服型控制方式 非伺服型控制方式是指未采用反饋環(huán)節(jié)的開環(huán)控制方式。 在這種控制方式下，機(jī)器人作業(yè)時(shí)嚴(yán)格按照在進(jìn)行作業(yè)之前預(yù)先編制的控制程序來控制機(jī)器人的動(dòng)作順序，在控制過程中沒有反饋信號(hào)，不能對(duì)機(jī)器人的作業(yè)進(jìn)展及作業(yè)的質(zhì)量好壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此，這種控制方式只適用于作業(yè)相對(duì)固定、作業(yè)程序簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)精度要求不高的場(chǎng)合，它具有費(fèi)用省，操作、安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。,1.1.2 機(jī)器人控制方式,1.1 引言,.,2、按機(jī)器人控制是否帶反饋分： （2）伺服型控制方式

4、伺服型控制方式是指采用了反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制方式。 這種控制方式的特點(diǎn)是在控制過程中采用內(nèi)部傳感器連續(xù)測(cè)量機(jī)器人的關(guān)節(jié)位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并反饋到驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成閉環(huán)伺服控制。 如果是適應(yīng)型或智能型機(jī)器人的伺服控制，則增加了機(jī)器人用外部傳感器對(duì)外界環(huán)境的檢測(cè)，使機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的變化具有適應(yīng)能力，從而構(gòu)成總體閉環(huán)反饋的伺服控制方式。,1.1.2 機(jī)器人控制方式,1.1 引言,.,1、示教再現(xiàn)功能 示教再現(xiàn)功能是指示教人員預(yù)先將機(jī)器人作業(yè)的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)先教給機(jī)器人，在示教的過程中，機(jī)器人控制系統(tǒng)的記憶裝置就將所教的操作過程自動(dòng)地記錄在存儲(chǔ)器中。當(dāng)需要機(jī)器人工作時(shí)，機(jī)器人的控制系統(tǒng)就調(diào)用存儲(chǔ)

5、器中存儲(chǔ)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，使機(jī)器人再現(xiàn)示教過的操作過程，由此機(jī)器人即可完成要求的作業(yè)任務(wù)。 機(jī)器人的示教再現(xiàn)功能易于實(shí)現(xiàn)，編程方便，在機(jī)器人的初期得到了較多的應(yīng)用。,1.1.3 機(jī)器人控制功能,1.1 引言,.,2、運(yùn)動(dòng)控制功能 運(yùn)動(dòng)控制功能是指通過對(duì)機(jī)器人手部在空間的位姿、速度、加速度等項(xiàng)的控制，使機(jī)器人的手部按照作業(yè)的要求進(jìn)行動(dòng)作，最終完成給定的作業(yè)任務(wù)。 它與示教再現(xiàn)功能的區(qū)別：在示教再現(xiàn)控制中，機(jī)器人手部的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)是由示教人員教給它的，其精度取決于示教人員的熟練程度。而在運(yùn)動(dòng)控制中，機(jī)器人手部的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)是由機(jī)器人的控制系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算得來的，且在工作人員不能示教的情況下，通過編程指令仍然

6、可以控制機(jī)器人完成給定的作業(yè)任務(wù)。,1.1.3 機(jī)器人控制功能,1.1 引言,.,由于機(jī)器人的控制過程中涉及大量的坐標(biāo)變換和插補(bǔ)運(yùn)算以及較低層的實(shí)時(shí)控制，所以，目前的機(jī)器人控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上大多數(shù)采用分層結(jié)構(gòu)的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通常采用的是兩級(jí)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)。,1.1.4 機(jī)器人控制系統(tǒng),1.1 引言,.,機(jī)器人控制系統(tǒng)具體的工作過程是：主控計(jì)算機(jī)接到工作人員輸入的作業(yè)指令后，首先分析解釋指令，確定手的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和插補(bǔ)運(yùn)算，最后得出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。這些參數(shù)經(jīng)過通信線路輸出到伺服控制級(jí)作為各個(gè)關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)的給定信號(hào)。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器將此信號(hào)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)各

7、個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，并通過傳感器將各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)輸出信號(hào)反饋回伺服控制級(jí)計(jì)算機(jī)形成局部閉環(huán)控制，從而更加精確的控制機(jī)器人手部在空間的運(yùn)動(dòng)（作業(yè)任務(wù)要求的）。 在控制過程中，工作人員可直接監(jiān)視機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)，也可從顯示器等輸出裝置上得到有關(guān)機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 的信息。,1.1.4 機(jī)器人控制系統(tǒng),1.1 引言,.,機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成 1、硬件,1.1.4 機(jī)器人控制系統(tǒng),1.1 引言,.,機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成 1、硬件單片機(jī)應(yīng)用,1.1.4 機(jī)器人控制系統(tǒng),1.1 引言,.,機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成 1、硬件運(yùn)動(dòng)控制器介紹 運(yùn)動(dòng)控制器核 心由 ADSP2181 數(shù) 字信號(hào)處理器及 其外圍部件組成， 可

8、以實(shí)現(xiàn)高性能的 控制計(jì)算，同步 控制多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸， 實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。 應(yīng)用領(lǐng)域包括機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等。,1.1.4 機(jī)器人控制系統(tǒng),1.1 引言,.,機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成 1、硬件運(yùn)動(dòng)控制器介紹 運(yùn)動(dòng)控制器以 PC 為主機(jī)，提供標(biāo)準(zhǔn)的 ISA 、 PCI 及通用的串口總線和數(shù)字I/O接口。運(yùn)動(dòng)控制器提 供高級(jí)語言函數(shù)庫和 Windows 動(dòng)態(tài)連接庫，可以實(shí) 現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 用戶能夠?qū)⑦@些控制函數(shù)與自己控制系統(tǒng)所需的 數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成 在一起，建造符合特定應(yīng)用要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng) 各種應(yīng)用領(lǐng)域的要求。,1.1.4 機(jī)器人控制系統(tǒng),1.1 引言,.,機(jī)器人控制系

9、統(tǒng)的組成 1、硬件運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用,1.1 引言,1.1.4 機(jī)器人控制系統(tǒng),.,機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成 2、軟件,1.1.4 機(jī)器人控制系統(tǒng),1.1 引言,.,控制過程： 示教人員將機(jī)器人作業(yè)任務(wù)中要求手的運(yùn)動(dòng)預(yù)先教給機(jī)器人，在示教的過程中，機(jī)器人控制系統(tǒng)就將關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)記憶存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。當(dāng)需要機(jī)器人工作時(shí)，機(jī)器人的控制系統(tǒng)就調(diào)用存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人再現(xiàn)示教過的手的運(yùn)動(dòng)，由此完成要求的作業(yè)任務(wù)。,1.2 示教再現(xiàn)控制,.,1.2 示教再現(xiàn)控制,1.2.1 示教方式 1.2.2 記憶過程,.,1.2.1 示教方式 機(jī)器人示教的方式種類繁多，總的可以分為集中示教方式和

10、分離示教方式。 1、集中示教方式 將機(jī)器人手部在空間的位姿、速度、動(dòng)作順序等參數(shù)同時(shí)進(jìn)行示教的方式，示教一次即可生成關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服指令。 2、分離示教方式 將機(jī)器人手部在空間的位姿、速度、動(dòng)作順序等參數(shù)分開單獨(dú)進(jìn)行示教的方式，一般需要示教多次才可生成關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。,1.2 示教再現(xiàn)控制,.,1.2.1 示教方式 當(dāng)對(duì)用點(diǎn)位（PTP）控制的點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行示教時(shí)，可以分開編制程序，且能進(jìn)行編輯、修改等工作，但是機(jī)器人手部在作曲線運(yùn)動(dòng)而且位置精度要求較高時(shí)，示教點(diǎn)數(shù)就會(huì)較多，示教時(shí)間就會(huì)拉長，且在每一個(gè)示教點(diǎn)處都要停止和啟動(dòng)，因此就很難進(jìn)行速度的控制。,1.2

11、 示教再現(xiàn)控制,.,1.2.1 示教方式 當(dāng)對(duì)用連續(xù)軌跡（CP）控制的弧焊、噴漆機(jī)器人進(jìn)行示教時(shí)，示教操作一旦開始就不能中途停止，必須不中斷的連續(xù)進(jìn)行到底，且在示教途中很難進(jìn)行局部的修改。示教時(shí)，可以是手把手示教，也可通過示教盒示教。,1.2 示教再現(xiàn)控制,.,2020年9月22日星期二,1.2.2 記憶過程,在示教的過程中，機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化被傳感器檢測(cè)到，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，再通過變換裝置送入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)就將這些數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中，作為再現(xiàn)示教過的手的運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)。,1.2 示教再現(xiàn)控制,.,1、記憶速度 取決于傳感器的檢測(cè)速度、變換裝置的轉(zhuǎn)換速度和控制系統(tǒng)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)

12、速度。 2、記憶容量 取決于控制系統(tǒng)存儲(chǔ)器的容量。,1.2.2 記憶過程,1.2 示教再現(xiàn)控制,.,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是指機(jī)器人手部在空間從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的過程中或沿某一軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)其位姿、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的控制。 由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，機(jī)器人手部的運(yùn)動(dòng)是由各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)引起的，所以控制機(jī)器人手部的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是通過控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,控制過程： 根據(jù)機(jī)器人作業(yè)任務(wù)中要求的手的運(yùn)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解和數(shù)學(xué)插補(bǔ)運(yùn)算得到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加速度，再根據(jù)動(dòng)力學(xué)正解得到各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力（矩）。機(jī)器人控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)算得到的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)控制驅(qū)動(dòng)裝置，

13、驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而合成手在空間的運(yùn)動(dòng)，由此完成要求的作業(yè)任務(wù)。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,控制步驟： 第一步：關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成，即將機(jī)器人手部在空間的位姿變化轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)變量隨時(shí)間按某一規(guī)律變化的函數(shù)。這一步一般可離線完成。 第二步：關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制，即采用一定的控制算法跟蹤執(zhí)行第一步所生成的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令，這是在線完成的。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 1.3.3 機(jī)器人語言,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 1、軌跡規(guī)劃 機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的軌跡規(guī)劃生成方法是指根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的機(jī)器人手部在

14、空間的位姿、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化，通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的求解和各種插補(bǔ)運(yùn)算等數(shù)學(xué)方法最終生成相應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令。 *示教再現(xiàn)控制生產(chǎn)方法示教生成,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃時(shí)，首先要對(duì)機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)進(jìn)行描述，得到機(jī)器人手部在空間的位姿變化，然后根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及其逆解并通過適當(dāng)?shù)牟逖a(bǔ)運(yùn)算求出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的位移、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化，再通過動(dòng)力學(xué)運(yùn)算最終生成機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需的伺服指令。 PTP下的軌跡規(guī)劃是在關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間進(jìn)行。 CP下的軌跡規(guī)劃是在直角坐標(biāo)空間進(jìn)行。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)

15、運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 步驟： 第一步：由手的位姿得到對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的位移； 第二步：不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)位移之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃； 第三步：由關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變化計(jì)算關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力（矩）。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第一步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的位姿 得到機(jī)器人對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)變量的取值。 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 問題：起點(diǎn)的變量取值如何變化到終點(diǎn)的變

16、量取值？,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn) 的關(guān)節(jié)變量取值 分析：起點(diǎn)的變量取值如何 變化到終點(diǎn)的變量取值？ 若按線性變化，則有：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn) 的關(guān)節(jié)變量取值 分析：起點(diǎn)的變量取值如何 變化到終點(diǎn)的變量取值？ 若加速度無沖擊，則有：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)

17、和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 A、三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 設(shè)起點(diǎn)到終點(diǎn)的位移變化規(guī)律為： 則速度為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 A、三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)需要滿足的約束條件可表示為 ： 位移約束 速度約束,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 A、三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 由此可得有關(guān)系數(shù) 的4個(gè)線性方程為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成

18、 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 A、三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 求解該方程組即可得：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 A、三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 將其代入下式： 可得該關(guān)節(jié)變量隨時(shí)間的變化規(guī)律。此函數(shù)表達(dá)式適用于關(guān)節(jié)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)速度為零的運(yùn)動(dòng)情況。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 B、多點(diǎn)的三次多項(xiàng)

19、式插值運(yùn)算 如果要求在路徑點(diǎn)處的加速度連續(xù)，則可用兩條三次曲線在路徑點(diǎn)處連接起來，拼湊成所需要的運(yùn)動(dòng)軌跡，這時(shí)路徑點(diǎn)處的速度不僅要連續(xù)，而且加速度也要連續(xù)。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 B、多點(diǎn)的三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 設(shè)A點(diǎn)到C點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量變化為： 設(shè) C點(diǎn)到B點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量變化為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 B、多點(diǎn)的三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 三點(diǎn)處的

20、位移約束方程：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 B、多點(diǎn)的三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 起點(diǎn)和終點(diǎn)處的 速度約束方程： 中間點(diǎn)處的速度 和加速度約束方程：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和 終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 B、多點(diǎn)的三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 聯(lián)立上述8個(gè)線性方程， 若令 ， 則方程組的解為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PT

21、P下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 B、多點(diǎn)的三次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 將其代入以下兩式： 可得兩段曲線，將其拼接起來，就是該關(guān)節(jié)變量隨時(shí)間的變化規(guī)律。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 C、五次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 設(shè)起點(diǎn)到終點(diǎn)的位移變化規(guī)律為： 則速度和加速度為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 C、五次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 約束條件 線性方程組

22、為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 C、五次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 求解該方程組即可得：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 第二步：已知機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量取值 C、五次多項(xiàng)式插值運(yùn)算 將其代入下式： 可得該關(guān)節(jié)變量隨時(shí)間的變化規(guī)律，此函數(shù)表達(dá)式可適用于已知關(guān)節(jié)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)速度、加速度的運(yùn)動(dòng)情況。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的

23、軌跡規(guī)劃 第三步：已知機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度和加速度 由此可得關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力（矩）。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,機(jī)器人動(dòng)力學(xué)正解,實(shí)現(xiàn)方法,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （1） PTP下的軌跡規(guī)劃 在關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃時(shí)，要注意關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度的突變引起的剛性沖擊，嚴(yán)重時(shí)可使機(jī)器人產(chǎn)生較大的振動(dòng)，而且在關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間內(nèi)規(guī)劃的直線只表示它是某個(gè)關(guān)節(jié)變量的線性函數(shù)，當(dāng)所有關(guān)節(jié)變量都規(guī)劃為直線時(shí)，并不代表機(jī)器人手部在直角坐標(biāo)空間中的路徑就是直線。 關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間的軌跡規(guī)劃是直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)

24、現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 步驟： 第一步：連續(xù)軌跡離散化。 第二步：PTP下的軌跡規(guī)劃。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 解決問題：離散點(diǎn)處的位置和姿態(tài)。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 A：離散點(diǎn)處的位置計(jì)算 對(duì)于機(jī)器人手部在空間的位置變化，用時(shí)間的參數(shù)方程可表示為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)

25、軌跡離散化 A：離散點(diǎn)處的位置計(jì)算 為了保證離散后的路徑點(diǎn)均勻連續(xù)且便于控制，一般利用弧長公式： 可將時(shí)間 轉(zhuǎn)換為弧長的函數(shù)：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 A：離散點(diǎn)處的位置計(jì)算 假設(shè)起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的弧長為 ，則路徑就可表示為以弧長為參數(shù)的方程：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 A：離散點(diǎn)處的位置計(jì)算 將整個(gè)路徑以適當(dāng)?shù)幕￠L單位 等分為n段，則任一點(diǎn)處的位置為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1

26、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 A：離散點(diǎn)處的位置計(jì)算 由此可得任意點(diǎn)處的位置為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 B：離散點(diǎn)處的姿態(tài)計(jì)算 設(shè)整個(gè)路徑的起始點(diǎn)A和終止點(diǎn)B的姿態(tài)矩陣為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 B：離散點(diǎn)處的姿態(tài)計(jì)算 若將機(jī)器人的手部姿態(tài)化成繞三個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)變換，即先繞軸x旋轉(zhuǎn)角度，再繞軸y旋轉(zhuǎn)角度，最后繞

27、軸z旋轉(zhuǎn)角度，由坐標(biāo)變換左乘原則得：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 B：離散點(diǎn)處的姿態(tài)計(jì)算 已知,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 B：離散點(diǎn)處的姿態(tài)計(jì)算 當(dāng)給定R的值， 則有：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 B：離散點(diǎn)處的姿態(tài)計(jì)算 根據(jù)以上計(jì)算公式，由路徑兩個(gè)端點(diǎn)A、B的姿態(tài)矩陣即可得機(jī)器人手部

28、在整個(gè)路徑上繞三個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度變化為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 B：離散點(diǎn)處的姿態(tài)計(jì)算 由作業(yè)任務(wù)的要求可將其用時(shí)間t的參數(shù)方程表示為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 B：離散點(diǎn)處的姿態(tài)計(jì)算 同樣利用弧長公式將時(shí)間化為弧長的函數(shù)，并以等間隔弧長等分整個(gè)路徑，則任一離散點(diǎn)處繞三個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2

29、） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 B：離散點(diǎn)處的姿態(tài)計(jì)算 由此可得任一離散點(diǎn)處的位姿為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第一步：連續(xù)軌跡離散化 根據(jù)以上計(jì)算，最終 可得離散點(diǎn)n處的位姿為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成 2、軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)過程 （2） CP下的軌跡規(guī)劃 第二步：PTP下的軌跡規(guī)劃 有了各個(gè)離散點(diǎn)處的位姿，就可以用PTP下的軌跡規(guī)劃實(shí)現(xiàn)方法，從而完成CP下的軌跡規(guī)劃。至此，在直角坐標(biāo)空間中兩點(diǎn)之間連續(xù)路徑的軌跡規(guī)劃就全部完成了。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2

30、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 多關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)往往可以分解成若干個(gè)帶耦合的單關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)。如果耦合是弱耦合，則每個(gè)關(guān)節(jié)的控制可近似為獨(dú)立的，看成是每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)簡(jiǎn)單的伺服系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服指令生成以后，就要采用一定的控制算法對(duì)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行伺服控制，常用的控制方法有以下幾種： 1、基于前饋和反饋的計(jì)算力矩的控制方法 注意：前饋指的是加速度，反饋指的是速度和位移。 已知多自由度機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型為： 且各項(xiàng) 均可精確計(jì)算。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 1、基于前饋和反饋的計(jì)算力矩的控制方法 具有前饋

31、補(bǔ)償?shù)?閉環(huán)伺服系統(tǒng)的性能 取決于本體和控制對(duì) 象的動(dòng)力學(xué)模型的估 算準(zhǔn)確性。當(dāng)?shù)貌坏?準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型或 是環(huán)境變動(dòng)超出系統(tǒng) 反饋補(bǔ)償范圍時(shí)，控 制性能就會(huì)改變。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 1、基于前饋和反饋的計(jì)算力矩的控制方法 選取控制規(guī)律為： 式中， 關(guān)節(jié)控制的輸入力（矩）向量； 關(guān)節(jié)速度誤差反饋系數(shù)； 關(guān)節(jié)位置誤差反饋系數(shù)； 希望跟蹤的關(guān)節(jié)速度和位移； 實(shí)際的關(guān)節(jié)速度和位移。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 1、基于前饋和反饋的計(jì)算力矩的控制方法 假定選取 ，則有： 由于慣性矩陣 可逆，所以可得誤差微分方程為： 式中， 關(guān)節(jié)位移誤差；

32、分別為關(guān)節(jié)速度和加速度的誤差。只要選取合適的 和 值，就可使關(guān)節(jié)變量的各項(xiàng)誤差漸趨于零。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 1、基于前饋和反饋的計(jì)算力矩的控制方法 這種控制方法是基于關(guān)節(jié)變量加速度的前饋和速度、位移誤差的反饋以及對(duì)耦合力項(xiàng)和重力項(xiàng)的補(bǔ)償而實(shí)現(xiàn)的，其考慮的主要是位移和速度的誤差對(duì)慣性力項(xiàng)的影響，所以適合于低速、重載的機(jī)器人。 它的缺點(diǎn)是計(jì)算 的工作量大，且控制的精度主要依賴于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的精確度。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 2、線性多變量控制方法 線性多變量控制方法是利用機(jī)器人在工作點(diǎn)p0 附近的線性模型工作的。 對(duì)任一多自由度

33、機(jī)器人，其在工作點(diǎn)處的初始關(guān)節(jié)控制力（矩）向量與該點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)位移、速度和加速度之間的動(dòng)力學(xué)模型為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 2、線性多變量控制方法 當(dāng)機(jī)器人在工作點(diǎn)處有一微小擾動(dòng)時(shí)，上述動(dòng)力學(xué)模型就變?yōu)椋?式中， 關(guān)節(jié)控制輸入力（矩）的微小變化； 關(guān)節(jié)位移的微小變化； 關(guān)節(jié)速度的微小變化； 關(guān)節(jié)加速度的微小變化。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 2、線性多變量控制方法 在工作點(diǎn)附近應(yīng)用臺(tái)勞級(jí)數(shù)將 和 展開，并忽略展開式中 及 的二階及二階以上的各次高階項(xiàng)，且假定它們足夠小，則上式可改寫為：,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服

34、控制 2、線性多變量控制方法 若令 則得： 該式即為機(jī)器人在工作點(diǎn)附近的增量線性定常模型。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 2、線性多變量控制方法 若再令 、 、 則得： 對(duì)耦合線性定常微分方程應(yīng)用以下的反饋控制律： 式中， 關(guān)節(jié)位移誤差； 關(guān)節(jié)速度誤差；,反饋的關(guān)節(jié)速度和位移；,設(shè)定的關(guān)節(jié)速度和位移。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 2、線性多變量控制方法 對(duì)控制律兩邊求拉普拉氏變換可得 則其傳遞函數(shù)為： 由此可以看出，線性多變量控制選用的是一個(gè)比例微分（PD）控制器，其考慮的主要是位移和速度的誤差對(duì)耦合力項(xiàng)和重力項(xiàng)的影響，所以適合于高速、輕載機(jī)器

35、人的控制。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 3、自適應(yīng)控制 自適應(yīng)控制就是指機(jī)器人根據(jù)傳感器對(duì)外界環(huán)境和對(duì)象物的感知，利用人工智能中的各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)，對(duì)外界信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，然后對(duì)自己行為作出自主決策以自動(dòng)地完成任務(wù)的控制方式。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 3、自適應(yīng)控制 理想自適應(yīng)控制是 在基于模型控制的基礎(chǔ) 上，增添自適應(yīng)控制規(guī) 律，不斷觀測(cè)機(jī)器人各 個(gè)關(guān)節(jié)的狀態(tài)和伺服誤 差，驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)算法，重新調(diào)整或更新非線性模型參數(shù)，直至伺服誤差消失為止。由此可見，這種控制方法對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能具有自我調(diào)整功能，并且可以達(dá)到全局的穩(wěn)定。

36、,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 4、自學(xué)習(xí)控制 自學(xué)習(xí)控制是近年來提出的一種智能控制方法，它可利用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的控制器實(shí)現(xiàn)高精度的控制。 目前人們提出的自學(xué)習(xí)控制方案主要有： 迭代自學(xué)習(xí)控制 重復(fù)自學(xué)習(xí)控制。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 4、自學(xué)習(xí)控制 迭代自學(xué)習(xí)控制： 迭代自學(xué)習(xí)控制是以數(shù)學(xué)模型模仿人類在每次操作均在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)結(jié)束，且在期望值給定的條件下重復(fù)進(jìn)行一件同樣的工作為基本思路，若每次操作開始時(shí)系統(tǒng)的初始值已知，每次輸出值可測(cè)，則輸出與輸入的誤差信號(hào)就可作為下一次的控制輸入，用簡(jiǎn)單的迭代律更新存入存儲(chǔ)裝置的控制輸入，從而改善系統(tǒng)在輸入作

37、用下的輸出，直至獲得期望的控制結(jié)果。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制 4、自學(xué)習(xí)控制 重復(fù)自學(xué)習(xí)控制： 重復(fù)自學(xué)習(xí)控制同樣適用于進(jìn)行重復(fù)操作的機(jī)器人，但它與迭代自學(xué)習(xí)控制不同，它不是簡(jiǎn)單的生成期望的前饋控制信號(hào)，而是利用“內(nèi)模原理”，在穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個(gè)可以產(chǎn)生與參考輸入同周期的內(nèi)部模型，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外周期信號(hào)的跟蹤。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 世界上最早開展機(jī)器人語言研究的是美國斯坦福 大學(xué)、麻省理工學(xué)院以及英國的一些大學(xué)，他們?cè)?0 世紀(jì)60年代初期就著手這方面的工作。 1973年斯坦福大學(xué)人工智能研究室研制出實(shí)用的 WAVE 語言，這是

38、第一個(gè)機(jī)器人語言。 WAVE 語言具有動(dòng)作的描述、力和接觸的控制， 配合視覺系統(tǒng)可以完成手眼協(xié)調(diào)編程。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 之后斯坦福大學(xué)人工智能研究室在WAVE語言的 基礎(chǔ)上，又開發(fā)出了AL 語言。 AL語言不僅能用來描述機(jī)器人手爪的操作，而且 還能記憶作業(yè)環(huán)境以及環(huán)境內(nèi)各個(gè)對(duì)象物之間的相對(duì) 位置，可以用來控制多臺(tái)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 美國 IBM 公司在機(jī)器人語言研究上作了很多工 作，也取得過不少成果。 該公司在20世紀(jì)70年代中期開發(fā)了應(yīng)用于直角坐 標(biāo)機(jī)器人上的EMILY和ML語言，能用于機(jī)器人的裝配 作業(yè)。此后又研制出

39、用于裝配機(jī)器人的AUTOPASS 語 言，這是一種比較高級(jí)的機(jī)器人語言，它可以對(duì)幾何 模型類任務(wù)進(jìn)行半自動(dòng)編程。在1982年，IBM公司又 推出了AML語言，目前，AML 語言已作為商業(yè)化產(chǎn)品 用于 IBM 機(jī)器人的控制。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 1979年,美國Unimation公司推出了VAL語言， 主要用于PUMA和Unimate等系列的機(jī)器人上，是 一種比較成功的機(jī)器人語言。 VAL 語言是在BASIC 語言的基礎(chǔ)上擴(kuò)展的機(jī)器人語言，它具有BASIC語 言的結(jié)構(gòu)，比較簡(jiǎn)單，易于編程，為工業(yè)機(jī)器人所 適用。 1984年該公司推出VAL -語言，它是在VAL 語言的基

40、礎(chǔ)上，增加開發(fā)利用傳感器信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 控制和數(shù)據(jù)處理以及通訊等功能?，F(xiàn)在VAL語言已 經(jīng)升級(jí)為V+語言，性能得到了更大的提高。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 20世紀(jì)80年代初，美國 Automatix 公司開發(fā)了 RAIL 語言，它能利用視覺傳感器信息，進(jìn)行檢測(cè)零 件作業(yè)。同期，麥道公司研制出了MCL語言，它是在 數(shù)控語言APT基礎(chǔ)上發(fā)展起來的機(jī)器人語言。MCL 語言應(yīng)用于由機(jī)床及機(jī)器人組成的柔性加工單元的編 程，其功能較強(qiáng)。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 到目前為止，國內(nèi)外尚無通用的機(jī)器人語言， 雖然現(xiàn)有的品種繁多，僅在美、日、西歐實(shí)用的機(jī) 器人語言就至少有

41、數(shù)十種。但即使這樣，新的機(jī)器 人語言還不斷出現(xiàn)。究其原因，就在于目前開發(fā)的 機(jī)器人語言絕大多數(shù)是根據(jù)專用機(jī)器人而單獨(dú)開發(fā) 的，存在著通用性差的問題。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 有的國家正嘗試在數(shù)控機(jī)床通用語言的基礎(chǔ)上， 形成統(tǒng)一的機(jī)器人語言，但由于機(jī)器人控制不僅要考 慮機(jī)器人本身的運(yùn)動(dòng)，還要考慮機(jī)器人與配套設(shè)備間 的協(xié)調(diào)通訊以及多個(gè)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)工作，因而技 術(shù)難度非常大，目前尚處于研究探索階段。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 1、機(jī)器人語言的特點(diǎn) （1）機(jī)器人語言描述的內(nèi)容主要是機(jī)器人的作業(yè)動(dòng) 作、工作環(huán)境、操作內(nèi)容、工藝和過程。 （2）機(jī)器人語言逐漸向

42、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、概念統(tǒng)一和容易 擴(kuò)展等方向發(fā)展。 （3）機(jī)器人語言越來越接近自然語言，并且具有良 好的對(duì)話性。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 2、機(jī)器人語言的分類 （1）根據(jù)機(jī)器人語言對(duì)作業(yè)任務(wù)描述水平的高低可 分為動(dòng)作級(jí)、對(duì)象級(jí)和任務(wù)級(jí)三大類。 動(dòng)作級(jí) 動(dòng)作級(jí)的機(jī)器人語言是以機(jī)器人手部的運(yùn)動(dòng)作為 作業(yè)描述的中心，將機(jī)器人作業(yè)任務(wù)中的每一步動(dòng)作 都用命令語句來表述，每一條語句對(duì)應(yīng)于一個(gè)機(jī)器人 動(dòng)作。若動(dòng)作的目的是移動(dòng)某一物體，基本運(yùn)動(dòng)語句 形式為： MOVE TO 目的地 這一級(jí)語言的典型代表是 VAL 語言。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 2、機(jī)器人語言的分類 對(duì)象

43、級(jí) 對(duì)象級(jí)的機(jī)器人語言是以近似自然語言的方式，按 照作業(yè)對(duì)象的狀態(tài)變化來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，是以描述操作 物體之間關(guān)系為中心的語言。由操作者給出作業(yè)本身的 順序過程的描述及環(huán)境模型的描述，機(jī)器人即可自行決 定如何動(dòng)作。這種語言可以利用傳感器信息來修改、更 新環(huán)境的描述和模型，也可以利用傳感器信息進(jìn)行控制 、測(cè)試和監(jiān)督。 這一級(jí)語言的代表是AUTOPASS語言。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 2、機(jī)器人語言的分類 任務(wù)級(jí) 在任務(wù)級(jí)語言環(huán)境下，使用者只要按某種原則給 出作業(yè)起始狀態(tài)和作業(yè)目標(biāo)狀態(tài)，機(jī)器人語言系統(tǒng)即 可利用已有的環(huán)境信息和知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫自動(dòng)進(jìn)行推 理、計(jì)算，最后自動(dòng)生成機(jī)器

44、人詳細(xì)的動(dòng)作、順序和 相應(yīng)數(shù)據(jù)。因此，這類語言必須具有判斷環(huán)境、描述 環(huán)境的能力，同時(shí)，也必須有自動(dòng)完成許多規(guī)劃任務(wù) 的能力。 這一級(jí)語言現(xiàn)仍處于基礎(chǔ)研究階段，還有許多 問題沒有解決。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 2、機(jī)器人語言的分類 （2）根據(jù)機(jī)器人語言的實(shí)際應(yīng)用水平可分為動(dòng)作指示 語言和作業(yè)指示語言兩大類。 動(dòng)作指示語言 機(jī)器人的動(dòng)作指示語言是直接表述機(jī)器人臂部、腕 部、手部等動(dòng)作控制的語言系統(tǒng)，它相當(dāng)于上面所述的 動(dòng)作級(jí)機(jī)器人語言。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 2、機(jī)器人語言的分類 （2）根據(jù)機(jī)器人語言的實(shí)際應(yīng)用水平可分為動(dòng)作指示 語言和作業(yè)指示語言兩

45、大類。 作業(yè)指示語言 機(jī)器人的作業(yè)指示語言是僅表述機(jī)器人（如裝配機(jī) 器人）的某種操作過程的語言系統(tǒng)，它相當(dāng)于上面所述 的對(duì)象級(jí)機(jī)器人語言。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 3、機(jī)器人語言的處理過程 當(dāng)用機(jī)器人語言編寫的程序?qū)C(jī)器人進(jìn)行控制 時(shí)，它的處理過程主要有以下幾個(gè)方面： （1）分析程序 分析程序要分析的對(duì)象是工作人員用機(jī)器人語言 編寫的作業(yè)程序。分析程序首先進(jìn)行語法檢查，并將 程序中的錯(cuò)誤指示出來。此外，分析程序還能對(duì)數(shù)據(jù) 的維數(shù)和形式進(jìn)行檢查。一旦消除了所有的語法錯(cuò) 誤，作業(yè)程序就可以進(jìn)行下一步的處理。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 3、機(jī)器人語言的處理過

46、程 （2）編譯程序 編譯程序就是對(duì)作業(yè)程序的語義進(jìn)行檢查，它能檢 驗(yàn)有沒有發(fā)出對(duì)存取不可能地址的移動(dòng)命令和有沒有使 機(jī)器人手部過高速度的移動(dòng)等。編譯程序還要進(jìn)行一些 軌跡計(jì)算，即在編譯作業(yè)程序時(shí)模擬機(jī)器人手部的位置 和各個(gè)變量的值，跟蹤其與坐標(biāo)系相結(jié)合的狀態(tài)，然后 根據(jù)這個(gè)值進(jìn)行軌跡計(jì)算，最后得到軌跡數(shù)據(jù)。 編譯程序還可將作業(yè)程序變換成實(shí)行解釋程序可以 解釋的代碼。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 3、機(jī)器人語言的處理過程 （3）實(shí)時(shí)解釋程序 實(shí)時(shí)解釋程序是將編譯程序生成的代碼實(shí)時(shí)解釋并 執(zhí)行。實(shí)現(xiàn)動(dòng)作結(jié)合時(shí)，將必要的軌跡數(shù)據(jù)給予伺服模 塊，通過狀態(tài)監(jiān)視模塊監(jiān)視它的動(dòng)作。 （4）

47、伺服模塊 伺服模塊的作用是根據(jù)軌跡數(shù)據(jù)，通過關(guān)節(jié)位移和 速度等所組成的反饋控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)被指定的運(yùn)動(dòng)。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 3、機(jī)器人語言的處理過程 （5）狀態(tài)監(jiān)視模塊 狀態(tài)監(jiān)視模塊的作用是處理各種傳感器的反饋信 號(hào)，抽出必要的信息交給實(shí)行解釋程序。 以上只是機(jī)器人語言處理系統(tǒng)的梗概，完整的系 統(tǒng)還應(yīng)包括生成作業(yè)程序的編輯程序、排除錯(cuò)誤的調(diào) 試程序和輸出環(huán)境數(shù)據(jù)的示教系統(tǒng)程序等。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 1979年美國Unimation公司推出的VAL語言，是 在BASIC語言的基礎(chǔ)上擴(kuò)展的機(jī)器人語言，它具有 BASlC語言的結(jié)構(gòu)

48、，在此基礎(chǔ)上添加了機(jī)器人編程指 令和VAL監(jiān)控操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)包括用戶交聯(lián)、編 輯和磁盤管理等部分。VAL語言適用于機(jī)器人兩級(jí)控 制系統(tǒng)，上級(jí)機(jī)是LSI1123小型計(jì)算機(jī)，機(jī)器人 各關(guān)節(jié)則由6503微處理器控制。上級(jí)機(jī)還可以和用戶 終端、示教盒、I/O模塊和機(jī)器視覺模塊等交聯(lián)。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 VAL語言在調(diào)試過程中可以和BASIC語言以及 6503匯編語言聯(lián)合使用。VAL語言目前主要用在各種 類型的PUMA機(jī)器人以及UNIMATE2000、UNIMATE 4000系列機(jī)器人上。 在VAL語言中，機(jī)器人終端位置和姿態(tài)用齊次變 換表征。當(dāng)精度要求較

49、高時(shí)，可以用精確點(diǎn)的數(shù)據(jù)表 征終端位置和姿態(tài)。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 VAL語言指令分為二類：程序指令和監(jiān)控指令。 （1）程序指令 運(yùn)動(dòng)指令 MOVE 關(guān)節(jié)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。 MOVES 苗卡爾直線運(yùn)動(dòng)。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 （1）程序指令 運(yùn)動(dòng)指令 可以在運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行手爪的控制，如 MOVE PI，75 該指令產(chǎn)生從目前位置到PI點(diǎn)的關(guān)節(jié)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)， 并在運(yùn)動(dòng)過程中，手爪打開75mm。相應(yīng)的笛卡爾直 線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)指令為： MOVES PI，75,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 （1）程序指令

50、 運(yùn)動(dòng)指令 APPRO 表示終端從當(dāng)前位置以關(guān)節(jié)插補(bǔ)方式移動(dòng)到與目 標(biāo)點(diǎn)在z軸方向上相隔一定距離的處。 APPROS 含意同APPRO，但終端移動(dòng)方式為直線運(yùn)動(dòng)。 DEPART 或 DEPARTS 表示終端從當(dāng)前位置以關(guān)節(jié)插補(bǔ)形式（或直線運(yùn) 動(dòng)）在z軸方向移動(dòng)移動(dòng)一段距離。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 （1）程序指令 手爪控制指令 OPEN， CLOSE 分別使手爪全部張開和全部閉合，并且在機(jī)器人 下個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中執(zhí)行。 OPENI， CLOSEI 表示立即執(zhí)行，執(zhí)行完后，再轉(zhuǎn)下一個(gè)指令。 GRASP 使手爪立即閉合，并檢查最后的開啟量是否滿足 給定的要求。,1

51、.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 （1）程序指令 程序控制指令 GOTO 無條件轉(zhuǎn)移指令。 GOSUB 子程序調(diào)用指令。 位姿控制指令 RIGHTY 右手； LEFTY 左手； ABOVE 上肘； BELOW 下肘； FLIP 上腕； NOFLIP 下腕。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 （1）程序指令 賦值指令 HERE 把當(dāng)前的位置賦給定位變量。 SET 把變量2的值給1。 控制方式指令 COARSEALWAYS 在伺服控制中允許較大的誤差。 FIWDALWAYS 在伺服控制中允許比較小的誤差。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器

52、人語言 4、VAL語言 （2）監(jiān)控指令 定義位置、姿態(tài) POINT 終端位置、姿態(tài)的齊次變換或以 關(guān)節(jié)位置表征的精確點(diǎn)賦值。 DPOINT 取消已賦值。 BASE 機(jī)器人基準(zhǔn)坐標(biāo)系位置。 TOOI 工具終端相對(duì)于工具支承端面的位 置、姿態(tài)賦值。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 （2）監(jiān)控指令 程序編輯指令 EDIT 編輯指令進(jìn)入編輯狀態(tài)后，可使用 各種編輯指令字。 列表指令 DIRECTORY 顯示存儲(chǔ)器中的全部用戶程序名。 LISTP 顯示用戶的全部程序。 LISTL 顯示位置變量值。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 （2）監(jiān)控指令

53、 存儲(chǔ)指令 STOREP 在磁盤文件內(nèi)，存儲(chǔ)指定程序。 LOADP 將文件中的程序送入內(nèi)存。 控制程序指令 ABORT 緊急停止。 DO 執(zhí)行單指令。 EXECUTE 按給定次數(shù)執(zhí)行用戶程序。 NEXT 控制程序單步執(zhí)行。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 （2）監(jiān)控指令 系統(tǒng)狀態(tài)控制 STATUS 顯示機(jī)器人狀態(tài)。 FREE 顯示當(dāng)前未使用的存儲(chǔ)容量。 ZERO 清除全部用戶程序和定義的位置。,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 VAL語言編程舉例 任務(wù)要求：將工件從傳送線上拿到加工位置。 設(shè)程序名為WORK。 進(jìn)入編輯狀態(tài) 鍵入： EDIT WORK PROGRAM WORK,1.3 運(yùn)動(dòng)控制,.,1.3.3 機(jī)器人語言 4、VAL語言 VAL語言編程舉例 輸入源程序 1？OPEN 打開手指，同時(shí)亦向下步； 2？APPRO TAKE，40 以關(guān)節(jié)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)移至 TAKE點(diǎn)40mm處停下； 3？SPEED 30 速度降為標(biāo)準(zhǔn)速度的30%； 4？MOVE TAKE！ 以關(guān)節(jié)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)移至TAKE點(diǎn)， “！”表示手指位置成為TAKE點(diǎn)；