单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.l机器人的基本控制原则,1控制器分类,5.1.1 基本控制原则,本节将讨论工业机器人常用控制器的基本控制原则及控制器的设计问题。从关节（或连杆）角度看，可把工业机器人的控制器分为单关节（连杆）控制器和多关节（连杆）控制器两种。对于前者，设计时应考虑稳态误差的补偿问题；对于后者，则应首先考虑耦合惯量的补偿问题。,5.l机器人的基本控制原则,2主要控制变量,5.1.1 基本控制原则,图51表示一台机器人的各关节控制变量。如果要抓起工件A，那么就必须知道夹手在任何时刻相对于A的状态，包括位置、姿态和开闭状态等。工件A的位置是由它所在工作台的一组坐标轴给出的。这组坐标轴叫做任务轴。末端执行装置的状态是由这组坐标轴的许多数值或参数表示的，而这些参数是矢量X的分量。我们的任务就是要控制矢量X随时间变化的情况，即X（t），它表示末端执行装置在空间的实时位置。只有当关节,1,至,6,移动时，X才变化。我们用矢量,（t）来表示关节变量,1,至,6,。,5.l机器人的基本控制原则,5.l机器人的基本控制原则,3主要控制层次,5.1.1 基本控制原则,图52表示机器人的主要控制层次。从图可见，它主要分为三个控制级，即人工智能级、控制模式级和伺服系统级。现对它们进一步讨论如下。,5.l机器人的基本控制原则,3主要控制层次,5.1.1 基本控制原则,（2）第二级：控制模式级,在工业上一般不采用复杂的模型，而采用两种控制模型。这些控制模型是以稳态理论为基础的，即认为机器人在运动过程中依次通过一些平衡状态。这两种模型分别称为几何模型和运动模型。前者利用X和间的坐标变换，后者则对几何模型进行线性处理，并假定X和变化很小。属于几何模型的控制有位置控制和速度控制等；属于运动模型的控制有变分控制和动态控制等。,5.l机器人的基本控制原则,3主要控制层次,5.1.1 基本控制原则,（3）第三级：伺服系统级,第三级所关心是机器人的一般实际问题。我们将在本节后一部分举例介绍机器人伺服控制系统。在此，必须指出下列两点：,控制第一级和第二级并非总是截然分开的。是否把传动机构和减速齿轮包括在第二级，更是一个问题。这个问题涉及解决下列问题,5.l机器人的基本控制原则,3主要控制层次,5.1.1 基本控制原则,当前的趋向是研究具有组合减速齿轮的电动机，它能直接安装在机器人的关节上。不过，这样做的结果又产生惯性力矩和减速比的问题。这是需要进一步解决的。,一般的伺服系统是模拟系统，但它们已越来越普遍地为数字控制伺服系统所代替。,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,1液压缸伺服传动系统,采用液压缸作为液压传动系统的动力元件，能够省去中间动力减速器，从而消除了齿隙和磨损问题。加上液压缸的结构简单、比较便宜，因而使它在工业机器人机械手的往复运动装置和旋转运动装置上都获得广泛应用。,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,1液压缸伺服传动系统,为了控制液压缸或液压马达，在机器人传动系统中使用惯量小的液压滑阀，应用在电一液压随动系统中的滑阀装有正比于电信号的位移量电一机变换器。图,5.3,就是这种系统的一个方案。其中，机器人的执行机构由带滑阀的液压缸带动，并用放大器控制滑阀。放大器输入端的控制信号由三个信号叠加而成。主反馈回路（外环）,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,1液压缸伺服传动系统,由位移传感器把位移反馈信号送至比较元件，与给定位置信号比较后得到误差信号，经校正后再与另两个反馈信号比较。第二个反馈信号是由速度反馈回路（速度环）取得的。它包括速度传感器和校正元件。第三个反馈信号是加速度反馈，它是由液压缸中的压力传感器和校正元件实现的。,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,2电一液压伺服控制系统,在图,5.4,中，控制电流,I,与配油器输入信号,U,的关系可由下列传递函数表示：,同样可得活塞位移,X,与配油器输入信号（位移误差信号）,U,间的,关系为：,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,2电一液压伺服控制系统,据式（,5.5,）、（,5.6,）和图,5.4,可得系统的传递函数,:,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,3,滑阀控制液压传动系统,图,5,5,表示出一个简单的滑阀控制液压传动系统的结构框图。其中所用的控制阀为四通滑阀。,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,3,滑阀控制液压传动系统,据液压传动原理，四通滑阀具有下列关系式,式中，,Q1,和,Q2,为控制滑阀的输出流量，即传动活塞的输入控制流量；,Ps,为液压源压力；,P1,和,P2,为油缸内两部分的液压；,X,为滑阀的输入位移；,k1,为增益。,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,3,滑阀控制液压传动系统,令q1、q2、p1、p2和x表示在Q1、Q2、p1、p2和X条件下某一稳态位置变量，则可得滑阀液流方程,式中，,c1,为液流增益或灵敏度，,c2,为液流压力系数。它们可由稳态工作点求得。,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,3,滑阀控制液压传动系统,从图,5.5,可知，,P1,和,V1,分别表示油缸左部的压力和体积，,P2,和,V2,则表示油缸右部的压力和体积。据图,5.5,可列出油缸左部的功能守恒表达式,式中，,QL,为活塞漏损流量，,M1,为油缸左部所储存的功能，而,dM1,dt,则为功率变化。因为,M1,P1V1,，所以有,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,3,滑阀控制液压传动系统,令B表示流体的容体弹性模数，则,因为,dV1,dt,AdY,dt,，其中，,Y,为活塞的位移，,A,为活塞左侧面积。代入式（,5.15,）得,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,3,滑阀控制液压传动系统,式中，q,L,为漏损扰动流量,其中，Lm为油液的漏损系数。,在活塞推力作用下，负载的运动方程式为：,式中，m和m,p,分别为负载质量和活塞质量，b为粘性摩擦系数。,联立以上方程，可得阀控油缸的开环传递函数为：,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,3,滑阀控制液压传动系统,式中：,n,为自然振荡角频率，,1,为时间常数，,为阻尼系数。且：,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,3,滑阀控制液压传动系统,从式（522）可知，此系统的开环传递函数等价于一积分环节与一个二阶环节的串联。再求整个传动系统的闭环函数G（S）。,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,3,滑阀控制液压传动系统,因为：,联立得：,5.l机器人的基本控制原则,5.1.2伺服控制系统举例,3,滑阀控制液压传动系统,式中，,c,k,1,n,为闭环系统的自然角振荡频率；为闭环系统的阻尼系数：为闭环系统的第二时间常数；另一时间常数为,1,。,式（5.25）即为所求闭环系统的传递函数。从此式可见，此闭环系统为一等价三阶系统。我们往往把它简化为一个一阶环节与一个二阶环节串联的系统。这样，便于对系统进行分析与研究。,5.2,机器人的位置控制,在设计模型时，提出下列两个假设：,（,1,）机器人的各段是理想刚体，因而所有关节都是理想的，不存在摩擦和间隙。,（,2）相邻两连杆间只有一个自由度，要么为完全旋转的要么是完全平移的。,5.2 机器人的位置控制,l传递函数与等效方框图,5.2.1 直流传动系统的建模,在研究机械手的位置控制器之前，首先建立直流电动机伺服控制系统的数学模型。,图57表示具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图。,5.2 机器人的位置控制,5.2.1 直流传动系统的建模,5.2 机器人的位置控制,5.2.1 直流传动系统的建模,5.2 机器人的位置控制,5.2.1 直流传动系统的建模,2 直流电动机的转速调整,图5.10表示一个励磁控制直流电动机的闭环位置控制结构图。,5.2 机器人的位置控制,5.2.1 直流传动系统的建模,从稳定性和精度的观点看，要获得满意的伺服传动性能，必须在伺服电路内引入补偿网络。,5.2.2 位置控制的基本结构,1基本控制结构,许多机器人的作业是控制机械手末端工具的位置和姿态，以实现点到点的控制,(PTP,控制，如搬运、点焊机器人,),或连续路径的控制（,CP,控制，如弧焊、喷漆机器人）。因此实现机器人的位置控制是机器人的最基本的控制任务,5.2 机器人的位置控制,5.2.2 位置控制的基本结构,机器人位置控制有时也称位姿控制或轨迹控制。对于有些作业，如装配、研磨等，只有位置控制是不够的还需要力控制。,机器人的位置控制结构主要有两种形式，即关节空间控制结构和直角坐标空间控制结构，分别见图5.11（a）和（b）所示。,5.2 机器人的位置控制,5.2.2 位置控制的基本结构,5.2 机器人的位置控制,5.2.2 位置控制的基本结构,运行中的工业机器人一般采用图,5.11(a),所示控制结构。该控制结构的期望轨迹是关节的位置、速度和加速度，因而易于实现关节的伺服控制。这种控制结构的主要问题是：由于往往要求的是在直角坐标空间的机械手末端运动轨迹，因而为实现轨迹跟踪，需将机械手末端的期望轨迹经逆运动学计算变换为在关节空间表示的期望轨迹。,5.2 机器人的位置控制,5.2.2 位置控制的基本结构,2 PUMA机器人的伺服控制结构,机器人控制器一般均由计算机来实现。计算机的控制结构具有多种形式，常见的有集中控制、分散控制和递阶控制等。图5.12表示PUMA机器人两级递阶控制的结构图。,机器人控制系统以机器人作为控制对象，它的设计方法及参数选择，仍可参照一般计算机控制系统。不过，用得较多的仍是连续系统的设计方法，即首先把机器人控制系统当作连续系统进行设计，然后将设计好的控制规律离散化，最后由计算机来加以实现；,