,*,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,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,*,第,5,章 机器人基本控制方法,（,The Basic Control Strategy of Robot,）,机器人控制系统的结构和工作原理,轨迹控制,机器人的力控制,第5章 机器人基本控,5.1,机器人控制系统的结构和工作原理,(The Structure and Principle of Robot Control System),一、机器人系统 机构本体,(Mechanism),控制系统,(Control System),控制系统的作用是根据用户的指令对机构本体进行操作和控制，完成作业的各种动作。,5.1 机器人控制系统的结构和工作原理(The Stru,下面通过,PUMA,机器人来说明机器人的控制系统,:,PUMA,机器人是美国,Unimation,公司于,20,世纪,70,年代末推出的商品化工业机器人。有多个系列的产品，每个系列产品都有腰旋转、肩旋转、肘旋转和手腕的回转、弯曲和旋转轴，构成六自由度的开链式机构。具有速度快、精度高、灵活精巧、编程控制容易等特点，广泛应用，,PUMA,机器人控制器采用逆运算机分级控制结构，使用,VAL,机器人编程言,。,下面通过PUMA机器人来说明机器人的控制系统:PUMA机器人,二、,PUMA-562,控制器硬件配置及结构,(Hardware),PUMA-562,控制器为多,CPU,两级控制结构,上位计算机采用,Q-Bus,总线作为系统总线,上位计算机配有,64kB RAM,内存，两块四串口板，一块,I,/,O,并行接口板，与下位机通信的,A,接口板,与上位机联接的,I/O,设备有,CRT,显示器和键盘、示教,盒、软盘驱动器，通过串口板还可接入视觉传感器、高,层监控计算机、实时路径修正控制计算机,二、PUMA-562 控制器硬件配置及结构(Hardware,接口板,A,、,B,是上下位机通们的桥梁。上位机经过,A,、,B,接,口板向下位机发送命令和读取下位机信息。,A,板插在上位,机的,Q-Bus,总线上，,B,板插在下位机的,J-Bus,总线上，,A,、,B,接口板之间通过扁平信号电缆通信。,B,板上有一个,A/D,转换器，用于读取,B,接口板传递的各关,节电位器信息，电位器用于各关节绝对位置的定位。,接口板A、B是上下位机通们的桥梁。上位机经过A、B接,机器人的基本控制方法课件,下位计算机系统,:,由六块以,6503CPU,为核心的单板机组成，每 块板负责一个关节的驱动，构成,6,个独立的数字伺服控制回路。,下位机的每块单板机上都有一个,D/A,转换器，其输出分 别接到,6,块功率放大器板的输入端。功率放大器输出与,6,台直流伺服电机相接,。,下位计算机系统:,机器人的基本控制方法课件,PUMA-562,机器人控制器硬件还包括一块,C,接口板、,一块高压控制板和六块功率放大器板，这几块板插,在另外的一个专门设计的功率放大器总线上。,C,接口,板用于手臂电源和电饥制动的控制信号传递，放障检,测，制动控制。高压控制板提供电机所需的电压，还,控制手爪开闭电磁阀。,PUMA-562 机器人控制器硬件,三、,PUMA-,562,控制器软件系统的工作原理,(Software),PUMA-562,控制器软件 上位机软件：系统编程软件,下位机软件：伺服软件,系统软件提供软件系统的各种系统定义、命令、语言及其编译系统。系统软件针对各种运动形式的轨迹规划，坐标变换，完成以,28ms,时间间隔的轨迹插补点的计算、与下位机的信息交换、执行用户编写的,VAL,语言机器人作业控制程序、示教盒信息处理、机器人标定、故障,检测及异常保护等。,PUMA-562,控制系统下位机软件驻留在下位单片机的,EPROM,中。伺服控制关节的运动。,PUMA,机器人仍然采用,PID,控制。,三、PUMA-562 控制器软件系统的工作原理(Softwa,5.2,轨迹控制,(The Robot Trajectory Control),路径：机械手由初始点,(,位置和姿态,),运动到终止点，经过的空,间曲线。,规划 直角坐标空间,关节空间,轨迹控制解决的问题 轨迹的给定,如何高精度地跟踪轨迹,5.2 轨迹控制(The Robot Trajector,一、示教再现方式,(Teach-replay),示教使机器人手臂运动的方法 用示教盒上的控制按钮,直接用手抓住机器人手部,使其手端按目标轨迹运动,轨迹再现方式 点位控制,(PTP),连续路径控制,(CP),一、示教再现方式(Teach-replay),二、数控方式,(Numerical Control),数控方式是把目标轨迹用数值数据的形式给出。,要求 轨迹平滑,;,位置、速度及加速度,的连续性,二、数控方式(Numerical Control),由于机器人手端的位移、速度及加速度与关节变量间不是线性关系，通过生成平滑的关节轨迹不能保证生成平滑的手端路径，因此有必要首先直接生成手端的平滑路径，然后根据运动学逆问题求解关节位移、速度及加速度变化规律,。,由于机器人手端的位移、速度,机器人的基本控制方法课件,5.3,机器人的力控制,(The Force Control of Robots),位置控制和力控制融合在一起的控制问题就是,位置和力混合控制问题，例：擦玻璃、拧,螺丝、转动曲柄,力控制是在正确的位置控制基础上进一步的控,制内容。,5.3 机器人的力控制(The Force Contro,一、作业约束与力控制,自然约束：当机器人手端（常为机器人乎臂端部安装的工,具）与环境（作业对象）接触时，环境的几何,特性构成对作业的约束,自然位置约束：当手部与固定刚性表面接触时，不能自由,穿过这个表面,(,在法线方向,),自然力约束：若这个表面是光滑的，则不能对手施加沿表,面切线方向的力,(,在切线方向,),一、作业约束与力控制,位置约束可以用手端在约束坐标系中的位置分最表示,V=v,x,v,y,v,z,x,y,z,T,力约束可以用手端在约束坐标中的力、力矩分量表示,F=f,x,f,y,f,z,x,y,z,T,自然约束 力：在切线方向上,位置：在法线方向,人为约束 力：在法线方向,以保证与自然约束相符,位置：在切线方向上,机器人的基本控制方法课件,二、例：插销入孔的控制,a,）自然约束力：,F=0,人为约束：,(,产生一个沿,Z,轴向下的运动,),V,=,0,0,v,z,0,0 0,T,v,z,为竖直向下的速度,b,）自然约束：,v,z,=0,x,=0,y,=0,f,x,=0,f,y,=0,z,=0,人为约束：,v,x,=0,v,y,=,v,h,z,=0,f,z,=,f,j,x,=0,y,=0,在平面上滑动为保持与平面接触,所需要的小的正压力。,f,j,为销子对平面的正压力，,v,h,为,销的滑动速度。当检测到沿,Z,的速度，表明销子进入孔中。,二、例：插销入孔的控制,c,、自然约束：,v,x,=0,v,y,=0,x,=0,y,=0,f,z,=0,z,=0,人为约束：,v,z,=,v,c,z,=0,f,x,=0,f,y,=0,x,=0,y,=0,V,c,为销子插入孔中的速度,c、自然约束：vx=0 vy=0 x=,自然约束发生变化的情况总是通过对一些量的,检测发现的而检测量并不是受控量；,手部的位置控制是沿着有自然力约束的方向；,手部的力控制是沿着有自然位置约束的方向。,三、作业约束与力控制的总结,自然约束发生变化的情况总是通过对一些量的三、作业约束与力控制,四、顺应控制,(Appliance Control),分为 主动式顺应控制,被动式顺应控制,四、顺应控制(Appliance Control),五、刚性控制,(Robust Control),位置和力混合控制系统的特点：,是位置和力是独立控制的以及控制规律是以关节坐标给出的。但当作业环境的约束给出后，在实际环境约束中有不确定的部分，就可能出现控制不稳定的危险。例如，在理应有约束的方向上没有约束时，由于按照作用力保持一定进行控制，就有失控的危险；在理应没有约束的方向上出现了约束时，由于位置控制而产生过大的力。刚性控制就是为了解决此类问题而产生的。刚性控制是将位置和力联合起来进行控制，即在纯粹的位置控制和力控制之问采用能实现弹簧特性的控制，并用作业坐标系表示控制规律。,五、刚性控制(Robust Control),F,=,K,sp,(,x,d,-,x,),F,作业坐标系中的力向量；,x,d,作业坐标系中的目标位置向量；,x,一 作业坐标系中的当前位置向量；,K,sp,一 作业坐标系中的位置反馈增益，即弹簧常数。,若考虑稳定性和速度控制，可增加阻尼特性的控制,则：,F,=,K,sp,(,x,d,-,x,),+,K,sd,(,x,d,-,x,),K,sd,一 作业坐标系中的速度反馈增益，,即阻尼常数,F=Ksp(xd -x),第,5,章,结 束,本田公司机器人,P2,本田公司机器人,P3,本田公司机器人P2 本田公司机器人P3,