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1、 工工業業機機器器人人第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.15.1概述概述5.25.2示教再現控制示教再現控制5.35.3運動控制運動控制 習題習題 工工業業機機器器人人5.15.1引言引言5.1.1 機器人控制特點機器人控制特點5.1.2 機器人控制方式機器人控制方式5.1.3 機器人控制功能機器人控制功能5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.15.1引言引言5.1.1 機器人控制特點機器人控制特點第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術1、大量的運動學、動力學運算，涉及向量、矩大量的運動學、動力學運算，
2、涉及向量、矩 陣、座標變換和微積分等運算。陣、座標變換和微積分等運算。 2、機器人的控制不僅是非線性的，而且是多變數機器人的控制不僅是非線性的，而且是多變數 耦合的。耦合的。 3、機器人的控制還必須解決優化、決策的問題。機器人的控制還必須解決優化、決策的問題。 工工業業機機器器人人 機器人的控制方式主要有以下兩種分類：機器人的控制方式主要有以下兩種分類： 1、按機器人手部在空間的運動方式分：、按機器人手部在空間的運動方式分： （1）點位元控制方式）點位元控制方式PTP 點位控制又稱為點位控制又稱為PTP控制，其特點是只控制機器控制，其特點是只控制機器人手部在作業空間中某些規定的離散點上的位姿。
3、人手部在作業空間中某些規定的離散點上的位姿。 這種控制方式的主要技術指標是這種控制方式的主要技術指標是定位定位精度精度和和運動運動所需的時間所需的時間。 常常被應用在上下料、搬運、點焊和在電路板上常常被應用在上下料、搬運、點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器人在目插接元器件等定位精度要求不高且只要求機器人在目標點處保持手部具有準確位姿的作業中。標點處保持手部具有準確位姿的作業中。5.15.1引言引言5.1.2 機器人控制方式機器人控制方式第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人 1、按機器人手部在空間的運動方式分：按機器人手部在空間的運動方式分：
4、（2）連續軌跡控制方式）連續軌跡控制方式CP 連續軌跡控制又稱為連續軌跡控制又稱為CP控制，其特點是連續的控控制，其特點是連續的控制機器人手部在作業空間中的位姿，要求其嚴格的按照制機器人手部在作業空間中的位姿，要求其嚴格的按照預定的路徑和速度在一定的精度範圍內運動。預定的路徑和速度在一定的精度範圍內運動。 這種控制方式的主要技術指標機器人手部位姿這種控制方式的主要技術指標機器人手部位姿的的軌跡跟蹤精度軌跡跟蹤精度及及平穩性平穩性。 通常弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業的機器人都通常弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業的機器人都採用這種控制方式。採用這種控制方式。 有的機器人在設計控制系統時，上述兩種控制方
5、有的機器人在設計控制系統時，上述兩種控制方式都具有，如對進行裝配作業的機器人的控制等。式都具有，如對進行裝配作業的機器人的控制等。5.15.1引言引言5.1.2 機器人控制方式機器人控制方式第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人2、按機器人控制是否帶回饋分：按機器人控制是否帶回饋分： （1）非伺服型控制方式）非伺服型控制方式 非伺服型控制方式非伺服型控制方式是是指指未採用回饋環節的開環控制未採用回饋環節的開環控制方式方式。 在這種控制方式下，機器人作業時嚴格按照在進行在這種控制方式下，機器人作業時嚴格按照在進行作業之前預先編制的控制程式來控制機器人的動作順作業之前預
6、先編制的控制程式來控制機器人的動作順序，在控制過程中沒有回饋信號，不能對機器人的作序，在控制過程中沒有回饋信號，不能對機器人的作業進展及作業的品質好壞進行監測，因此，這種控制業進展及作業的品質好壞進行監測，因此，這種控制方式只適用於作業相對固定、作業程式簡單、運動精方式只適用於作業相對固定、作業程式簡單、運動精度要求不高的場合，它具有費用省，操作、安裝、維度要求不高的場合，它具有費用省，操作、安裝、維護簡單的優點。護簡單的優點。5.15.1引言引言5.1.2 機器人控制方式機器人控制方式第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人2、按機器人控制是否帶回饋分：按機器人控制
7、是否帶回饋分： （2）伺服型控制方式）伺服型控制方式 伺服型控制方式伺服型控制方式是是指指採用了回饋環節的閉環控制採用了回饋環節的閉環控制方式方式。 這種控制方式的特點是在控制過程中採用內部感這種控制方式的特點是在控制過程中採用內部感測器連續測量機器人的關節位移、速度、加速度等運測器連續測量機器人的關節位移、速度、加速度等運動參數，並回饋到驅動單元構成閉環伺服控制。動參數，並回饋到驅動單元構成閉環伺服控制。 如果是適應型或智慧型機器人的伺服控制，則增如果是適應型或智慧型機器人的伺服控制，則增加了機器人用外部感測器對外界環境的檢測，使機器加了機器人用外部感測器對外界環境的檢測，使機器人對外界環境
8、的變化具有適應能力，從而構成總體閉人對外界環境的變化具有適應能力，從而構成總體閉環回饋的伺服控制方式。環回饋的伺服控制方式。5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.2 機器人控制方式機器人控制方式 工工業業機機器器人人1、示教再現功能、示教再現功能 示教再現功能是指示教人員預先將機器人作業的各示教再現功能是指示教人員預先將機器人作業的各項運動參數預先教給機器人，在示教的過程中，機器人項運動參數預先教給機器人，在示教的過程中，機器人控制系統的記憶裝置就將所教的操作過程自動地記錄在控制系統的記憶裝置就將所教的操作過程自動地記錄在記憶體中。當需要機器人工作時，機器人的
9、控制系統就記憶體中。當需要機器人工作時，機器人的控制系統就調用記憶體中存儲的各項資料，使機器人再現示教過的調用記憶體中存儲的各項資料，使機器人再現示教過的操作過程，由此機器人即可完成要求的作業任務。操作過程，由此機器人即可完成要求的作業任務。 機器人的示教再現功能易於實現，程式設計方便，機器人的示教再現功能易於實現，程式設計方便，在機器人的初期得到了較多的應用。在機器人的初期得到了較多的應用。 5.15.1引言引言5.1.3 機器人控制功能機器人控制功能第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人2、運動控制功能、運動控制功能 運動控制功能是指通過對機器人手部在空間的位運
10、動控制功能是指通過對機器人手部在空間的位元姿、速度、加速度等項的控制，使機器人的手部按元姿、速度、加速度等項的控制，使機器人的手部按照作業的要求進行動作，最終完成給定的作業任務。照作業的要求進行動作，最終完成給定的作業任務。 它與示教再現功能的區別：在示教再現控制中，它與示教再現功能的區別：在示教再現控制中，機器人手部的各項運動參數是由示教人員教給它的，機器人手部的各項運動參數是由示教人員教給它的，其精度取決於示教人員的熟練程度。而在運動控制中，其精度取決於示教人員的熟練程度。而在運動控制中，機器人手部的各項運動參數是由機器人的控制系統經機器人手部的各項運動參數是由機器人的控制系統經過運算得來
11、的，且在工作人員不能示教的情況下，通過運算得來的，且在工作人員不能示教的情況下，通過程式設計指令仍然可以控制機器人完成給定的作業過程式設計指令仍然可以控制機器人完成給定的作業任務。任務。5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.3 機器人控制功能機器人控制功能 工工業業機機器器人人 由於機器人的控制過程中涉及大量的座標變換和插由於機器人的控制過程中涉及大量的座標變換和插補運算以及較低層的即時控制，所以，目前的機器人控補運算以及較低層的即時控制，所以，目前的機器人控制系統在結構上大多數採用分層結構的微型電腦控制系制系統在結構上大多數採用分層結構的微型電腦控制系統，通
12、常採用的統，通常採用的是是兩級電腦伺服控制系統兩級電腦伺服控制系統。 伺服伺服驅動驅動人機對話人機對話內部感測器內部感測器通信通信一級（上位機）一級（上位機）微型電腦微型電腦數學運算數學運算資料存儲資料存儲二級（下位機）二級（下位機）單片機單片機運動控制器運動控制器驅動裝置驅動裝置關節運動關節運動手的運動手的運動外部感測器外部感測器局部回饋局部回饋全域回饋全域回饋5.15.1引言引言5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人 機器人控制系統具體的工作過程機器人控制系統具體的工作過程是是：主控電腦接到：主控電腦接到工作人員輸入的作業
13、指令後，首先分析解釋指令，確定工作人員輸入的作業指令後，首先分析解釋指令，確定手的運動參數，然後進行運動學、動力學和插補運算，手的運動參數，然後進行運動學、動力學和插補運算，最後得出機器人各個關節的協調運動參數。這些參數經最後得出機器人各個關節的協調運動參數。這些參數經過通信線路輸出到伺服控制級作為各個關節伺服控制系過通信線路輸出到伺服控制級作為各個關節伺服控制系統的給定信號。關節驅動器將此信號統的給定信號。關節驅動器將此信號D/A轉換後驅動各轉換後驅動各個關節產生協調運動，並通過感測器將各個關節的運動個關節產生協調運動，並通過感測器將各個關節的運動輸出信號回饋回伺服控制級電腦形成局部閉環控制
14、，從輸出信號回饋回伺服控制級電腦形成局部閉環控制，從而更加精確的控制機器人手部在空間的運動（作業任務而更加精確的控制機器人手部在空間的運動（作業任務要求的）。要求的）。 在控制過程中，工作人員可直接監視機器人的運動在控制過程中，工作人員可直接監視機器人的運動 狀態，也可從顯示器等輸出裝置上得到有關機器人運動狀態，也可從顯示器等輸出裝置上得到有關機器人運動 的信息。的信息。5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統 工工業業機機器器人人 機器人控制系統的組成機器人控制系統的組成1、硬體、硬體 参参数数变变化化检检测测外外部部传传感感器
15、器：外外部部环环境境运运动动状状态态检检测测内内部部传传感感器器：自自身身关关节节检检测测传传感感器器伺伺服服驱驱动动控控制制器器下下位位机机：单单片片机机、运运动动数数据据存存储储通通信信数数学学运运算算人人机机对对话话型型计计算算机机上上位位机机：个个人人微微机机、小小控控制制器器5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統 工工業業機機器器人人 機器人控制系統的組成機器人控制系統的組成1、硬體、硬體上位機（個人微機或小型電腦）的功能：上位機（個人微機或小型電腦）的功能：人機對话人機對话：人將作業任務給機器人，同時機器人將結：人將
16、作業任務給機器人，同時機器人將結 果回饋回來，即人與機器人之間的交流。果回饋回來，即人與機器人之間的交流。數學運算數學運算：機器人運動學、動力學和數學插補運算。：機器人運動學、動力學和數學插補運算。通信通信功能功能：與下位機進行資料傳送和相互交換。：與下位機進行資料傳送和相互交換。數據存储數據存储：存儲編制好的作業任務程式和中間資料。：存儲編制好的作業任務程式和中間資料。5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統 工工業業機機器器人人 機器人控制系統的組成機器人控制系統的組成1、硬體、硬體下位機（單片機或運動控制器）的功能：下位機（
17、單片機或運動控制器）的功能：伺服驅動控制伺服驅動控制：接收上位機的關節運動參數信號和傳：接收上位機的關節運動參數信號和傳 感器的回饋信號，並對其進行比較，感器的回饋信號，並對其進行比較， 然後經過誤差放大和各種補償，最終然後經過誤差放大和各種補償，最終 輸出關節運動所需的控制信號。輸出關節運動所需的控制信號。5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統 工工業業機機器器人人 機器人控制系統的組成機器人控制系統的組成1、硬體、硬體單片機應用單片機應用5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.4 機器人控制系
18、統機器人控制系統 工工業業機機器器人人 機器人控制系統的組成機器人控制系統的組成1、硬體、硬體運動控制器介紹運動控制器介紹 運動控制器核運動控制器核心由心由ADSP2181數數字信號處理器及字信號處理器及其週邊部件組成，其週邊部件組成，可以實現高性能的可以實現高性能的控制計算，同步控制計算，同步控制多個運動軸，控制多個運動軸，實現多軸協調運動。實現多軸協調運動。應用領域包括機器人、數控機床等。應用領域包括機器人、數控機床等。5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統 工工業業機機器器人人 機器人控制系統的組成機器人控制系統的組成1、
19、硬體、硬體運動控制器介紹運動控制器介紹 運動控制器以運動控制器以PC為主機，提供標準的為主機，提供標準的ISA、PCI及通用的串口匯流排和數位及通用的串口匯流排和數位I/O介面。運動控制器介面。運動控制器提提供高階語言函式程式庫和供高階語言函式程式庫和Windows動態連接庫，可以動態連接庫，可以實實現複雜的控制功能。現複雜的控制功能。 使用者能夠將這些控制函數與自己控制系統所需使用者能夠將這些控制函數與自己控制系統所需的的資料處理、介面顯示、使用者介面等應用程式模組集資料處理、介面顯示、使用者介面等應用程式模組集成成在一起，建造符合特定應用要求的控制系統，以適應在一起，建造符合特定應用要求的
20、控制系統，以適應各種應用領域的要求。各種應用領域的要求。5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統 工工業業機機器器人人 機器人控制系統的組成機器人控制系統的組成1、硬體、硬體運動控制器應用運動控制器應用5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統 工工業業機機器器人人 機器人控制系統的組成機器人控制系統的組成1、硬體、硬體內部感測器的功能：內部感測器的功能： 內部感測器的主要目的內部感測器的主要目的是是對自身的運動狀態進行對自身的運動狀態進行檢测檢测，即檢測機器人各個關節
21、的位移、速度和加速度，即檢測機器人各個關節的位移、速度和加速度等運動參數，為機器人的控制提供回饋信號。機器人等運動參數，為機器人的控制提供回饋信號。機器人使用的內部感測器主要包括位置、位移、速度和加速使用的內部感測器主要包括位置、位移、速度和加速度等感測器。度等感測器。5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統 工工業業機機器器人人 機器人控制系統的組成機器人控制系統的組成1、硬體、硬體外部感測器的功能：外部感測器的功能： 機器人要能在變化的作業環境中完成作業任務，機器人要能在變化的作業環境中完成作業任務，就必須具備類似於人類對環境
22、的感覺功能。將機器人就必須具備類似於人類對環境的感覺功能。將機器人用用于于對工作環境變化的檢對工作環境變化的檢测测的感測器稱為外部傳感的感測器稱為外部傳感器，有時也擬人的稱為環境感覺感測器或環境感覺器器，有時也擬人的稱為環境感覺感測器或環境感覺器官。目前，機器人常用的環境感覺技術主要有視覺、官。目前，機器人常用的環境感覺技術主要有視覺、聽覺、觸覺、力覺等。聽覺、觸覺、力覺等。5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統 工工業業機機器器人人 程程序序实实时时监监视视、故故障障报报警警等等监监控控软软件件程程序序作作业业任任务务程程序序
23、编编制制环环境境编编程程软软件件程程序序运运动动学学、动动力力学学和和插插补补运运算算软软件件实实时时动动作作解解释释执执行行程程序序动动作作控控制制软软件件应应用用软软件件单单片片机机、运运动动控控制制器器系系统统初初始始化化程程序序个个人人微微机机、小小型型计计算算机机计计算算机机操操作作系系统统系系统统软软件件 機器人控制系統的組成機器人控制系統的組成2、軟體、軟體5.15.1引言引言第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.1.4 機器人控制系統機器人控制系統 工工業業機機器器人人控制過程控制過程： 示教人員將機器人作業任務中要求手的運動預先教示教人員將機器人作業任務中要求手的運
24、動預先教給機器人，在示教的過程中，機器人控制系統就將關節給機器人，在示教的過程中，機器人控制系統就將關節運動狀態參數記憶存儲在記憶體中。當需要機器人工作運動狀態參數記憶存儲在記憶體中。當需要機器人工作時，機器人的控制系統就調用記憶體中存儲的各項資料時，機器人的控制系統就調用記憶體中存儲的各項資料，驅動關節運動，使機器人再現示教過的手的運動，由，驅動關節運動，使機器人再現示教過的手的運動，由此完成要求的作業任務。此完成要求的作業任務。 作業任務作業任務手的運動手的運動關節產生運動關節產生運動關節運動參數關節運動參數控制系統控制系統驅動裝置驅動裝置關節產生運動關節產生運動示教示教記憶記憶再現再現驅
25、動驅動回饋回饋5.25.2示教再現控制示教再現控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.25.2示教再現控制示教再現控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.2.1 示教方式示教方式5.2.2 記憶過程記憶過程 工工業業機機器器人人5.2.1 示教方式示教方式 機器人示教的方式種類繁多，總的可以分為機器人示教的方式種類繁多，總的可以分為集集中中示示教教方式方式和和分離示教方式分離示教方式。 1、集中示教方式、集中示教方式 將機器人手部在空間的位元姿、速度、動作順將機器人手部在空間的位元姿、速度、動作順序等參數同時進行示教的方式，示教一次即可生成序等參數
26、同時進行示教的方式，示教一次即可生成關節運動的伺服指令。關節運動的伺服指令。2、分離示教方式、分離示教方式 將機器人手部在空間的位元姿、速度、動作順將機器人手部在空間的位元姿、速度、動作順序等參數分開單獨進行示教的方式，一般需要示教序等參數分開單獨進行示教的方式，一般需要示教多次才可生成關節運動的伺服指令，但其效果要好多次才可生成關節運動的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。于集中示教方式。 5.25.2示教再現控制示教再現控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.2.1 示教方式示教方式 當對用當對用點位（點位（PTPPTP）控制控制的點焊、搬運機器人進的點
27、焊、搬運機器人進行示教時，可以分開編制程式，且能進行編輯、修行示教時，可以分開編制程式，且能進行編輯、修改等工作，但是機器人手部在作曲線運動而且位置改等工作，但是機器人手部在作曲線運動而且位置精度要求較高時，示教點數就會較多，示教時間就精度要求較高時，示教點數就會較多，示教時間就會拉長，且在每一個示教點處都要停止和啟動，因會拉長，且在每一個示教點處都要停止和啟動，因此就很難進行速度的控制。此就很難進行速度的控制。5.25.2示教再現控制示教再現控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.2.1 示教方式示教方式 當對用當對用連續軌跡（連續軌跡（CPCP）控制控制的
28、弧焊、噴漆機器的弧焊、噴漆機器人進行示教時，示教操作一旦開始就不能中途停止人進行示教時，示教操作一旦開始就不能中途停止，必須不中斷的連續進行到底，且在示教途中很難，必須不中斷的連續進行到底，且在示教途中很難進行局部的修改。示教時，可以是手把手示教，也進行局部的修改。示教時，可以是手把手示教，也可通過示教盒示教。可通過示教盒示教。5.25.2示教再現控制示教再現控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.2.2 記憶過程記憶過程示教示教關節產生運動關節產生運動變換裝置變換裝置控制系統控制系統傳感裝置傳感裝置記憶體記憶體檢測檢測轉換轉換保保 存存 在示教的過程中，機器
29、人關節運動狀態的變化在示教的過程中，機器人關節運動狀態的變化被感測器檢測到，經過轉換，再通過變換裝置送入被感測器檢測到，經過轉換，再通過變換裝置送入控制系統，控制系統就將這些資料保存在記憶體中控制系統，控制系統就將這些資料保存在記憶體中，作為再現示教過的手的運動時所需要的關節運動，作為再現示教過的手的運動時所需要的關節運動參數資料。參數資料。 5.25.2示教再現控制示教再現控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人示教示教關節產生運動關節產生運動變換裝置變換裝置控制系統控制系統傳感裝置傳感裝置記憶體記憶體檢測檢測轉換轉換保保 存存1、記憶速度、記憶速度 取決於感測
30、器取決於感測器的的檢測速度檢測速度、變換裝置的、變換裝置的轉換速轉換速度度和控制系統記憶體和控制系統記憶體的的存儲速度存儲速度。2、記憶容量、記憶容量 取決於控制系統記憶體的容量。取決於控制系統記憶體的容量。 5.2.2 記憶過程記憶過程5.25.2示教再現控制示教再現控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人 機器人的機器人的運動控制運動控制是指機器人是指機器人手部在空間從一點移手部在空間從一點移動到另一點的過程中或沿某一軌跡運動時，對其位元姿動到另一點的過程中或沿某一軌跡運動時，對其位元姿、速度和加速度等運動參數的控制、速度和加速度等運動參數的控制。 由機器人運
31、動學可知，機器人手部的運動是由各個由機器人運動學可知，機器人手部的運動是由各個關節的運動引起的，關節的運動引起的，所以所以控制機器人手部的運動實際上控制機器人手部的運動實際上是通過控制機器人各個關節的運動實現是通過控制機器人各個關節的運動實現的的。5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人控制過程控制過程： 根據機器人作業任務中要求的手的運動，通過運動根據機器人作業任務中要求的手的運動，通過運動學逆解和數學插補運算得到機器人各個關節運動的位移學逆解和數學插補運算得到機器人各個關節運動的位移、速度和加速度，再根據動力學正解得到各個關節的驅、速度
32、和加速度，再根據動力學正解得到各個關節的驅動力（矩）。機器人控制系統根據運算得到的關節運動動力（矩）。機器人控制系統根據運算得到的關節運動狀態參數控制驅動裝置，驅動各個關節產生運動，從而狀態參數控制驅動裝置，驅動各個關節產生運動，從而合成手在空間的運動，由此完成要求的作業任務。合成手在空間的運動，由此完成要求的作業任務。 驅動驅動動力學動力學正解正解運動學運動學逆解逆解作業任務作業任務手的運動手的運動關節位移、關節位移、速度、加速度速度、加速度關節驅動力關節驅動力（矩）（矩）驅動裝置驅動裝置關節產生運動關節產生運動控制系統控制系統回饋回饋5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技
33、術機器人控制技術 工工業業機機器器人人控制步驟控制步驟： 第一第一步步：關節運動伺服指令的關節運動伺服指令的生成生成，即將機器人手，即將機器人手部在空間的位姿變化轉換為關節變數隨時間按某一規律部在空間的位姿變化轉換為關節變數隨時間按某一規律變化的函數。這一步一般變化的函數。這一步一般可可離線完成離線完成。 第二第二步步：關節運動的伺服關節運動的伺服控制控制，即採用一定的控制，即採用一定的控制演算法跟蹤執行第一步所生成的關節運動伺服指令，這演算法跟蹤執行第一步所生成的關節運動伺服指令，這是是線上完成線上完成的。的。第一步第一步第二步第二步驅動驅動動力學動力學正解正解運動學運動學逆解逆解作業任務作
34、業任務手的運動手的運動關節位移、關節位移、速度、加速度速度、加速度關節驅動力關節驅動力（矩）（矩）驅動裝置驅動裝置關節產生運動關節產生運動控制系統控制系統回饋回饋5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術5.3.1 關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成5.3.2 關節運動的伺服控制關節運動的伺服控制5.3.3機器人語言機器人語言 工工業業機機器器人人5.3.1 關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成1、軌跡規劃、軌跡規劃 機器人關節運動伺服指令的軌跡規劃生成
35、方法是機器人關節運動伺服指令的軌跡規劃生成方法是指根據作業任務要求的機器人手部在空間的位元姿、指根據作業任務要求的機器人手部在空間的位元姿、速度等運動參數的變化，通過機器人運動學方程的求速度等運動參數的變化，通過機器人運動學方程的求解和各種插補運算等數學方法最終生成相應的關節運解和各種插補運算等數學方法最終生成相應的關節運動伺服指令。動伺服指令。 *示教再現控制生產方法示教再現控制生產方法示教生成示教生成 5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1 關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過
36、程 在對機器人進行軌跡規劃時，首先要對機器人的在對機器人進行軌跡規劃時，首先要對機器人的作業任務進行描述，得到機器人手部在空間的位元姿作業任務進行描述，得到機器人手部在空間的位元姿變化，然後根據機器人運動學方程及其逆解並通過適變化，然後根據機器人運動學方程及其逆解並通過適當的插補運算求出機器人各個關節的位移、速度等運當的插補運算求出機器人各個關節的位移、速度等運動參數的變化，再通過動力學運算最終生成機器人關動參數的變化，再通過動力學運算最終生成機器人關節運動所需的伺服指令。節運動所需的伺服指令。 PTP下的軌跡規劃是下的軌跡規劃是在在關節座標空间關節座標空间進行。進行。 CP下的軌跡規劃是下的
37、軌跡規劃是在在直角坐標空间直角坐標空间進行。進行。 5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃步驟：步驟：第一第一步步：由手的位姿得到對應關節的位移；：由手的位姿得到對應關節的位移；第二第二步步：不同點對應關節位移之間的運動規劃；：不同點對應關節位移之間的運動規劃；第三第三步步：由關節運動變化計算關節驅動力（矩）。：由關節運動變化計算關節驅動力（矩）。5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器
38、人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1 關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第一步：已知機器人起點和終點的位姿第一步：已知機器人起點和終點的位姿得到機器人對應的關節變數的取值。得到機器人對應的關節變數的取值。 機器人運動學逆解機器人運動學逆解BAMMiBiAqq實現方法實現方法5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1 關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二
39、步：已知機器人起點和終點的關節變數取值第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值問题問题：起點的變數取值如何變化到終點的變數取值？：起點的變數取值如何變化到終點的變數取值？iBiAqqt05.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1 關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點第二步：已知機器人起點和終點 的關節變數取值的關節變數取值分析分析：起點的變數取值如何：起點的變數取值如何變化到終點的變數取值？變化到終點的變數取值？ 若按
40、線性變化，則有：若按線性變化，則有：iBiAqqt0)(tq)(tq )(tq t00 5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點第二步：已知機器人起點和終點 的關節變數取值的關節變數取值分析分析：起點的變數取值如何：起點的變數取值如何變化到終點的變數取值？變化到終點的變數取值？ 若加速度無衝擊，則有：若加速度無衝擊，則有：iBiAqqt0)(tq)(tq )(tq t005.35.3
41、運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1 關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值A、三次多項式插值運算、三次多項式插值運算設起點到終點的位移變化規律為：設起點到終點的位移變化規律為：則速度為：則速度為：332210)(tatataatq 232132)(tataatq 5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1 關節
42、運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值A、三次多項式插值運算、三次多項式插值運算關節運動需要滿足的約束條件可表示為關節運動需要滿足的約束條件可表示為 ：位移約束位移約束速度約束速度約束 BAqtqqq)()0(0 0)(0)0(0tqq5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1 關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）P
43、TP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值A、三次多項式插值運算、三次多項式插值運算由此可得有關係數由此可得有關係數 的的4個線性方程為：個線性方程為：3210,aaaa 203021130320201003200tataaatatataaqaqBA5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1 關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值第二步：已
44、知機器人起點和終點的關節變數取值A、三次多項式插值運算、三次多項式插值運算 求解該方程組即可得：求解該方程組即可得： )(2)(3030320210ABABAqqtaqqtaaqa5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1 關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值A、三次多項式插值運算、三次多項式插值運算 將其代入下式：將其代入下式：即可得該關節變數隨時間的變化規律。即
45、可得該關節變數隨時間的變化規律。 此函數運算式只適用於關節起始點和終止點速度此函數運算式只適用於關節起始點和終止點速度為零的運動情況。為零的運動情況。332210)(tatataatq 5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1 關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值B、多點的三次多項式插值運算、多點的三次多項式插值運算 如果要求在路徑點處的加速度連續，則可用兩條如果
46、要求在路徑點處的加速度連續，則可用兩條三次曲線在路徑點處連接起來，拼湊成所需要的運動三次曲線在路徑點處連接起來，拼湊成所需要的運動軌跡，這時路徑點處的速度不僅要連續，而且加速度軌跡，這時路徑點處的速度不僅要連續，而且加速度也要連續也要連續。ACBt01t025.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值B、多點的三次多項式插值運算、多
47、點的三次多項式插值運算設設A點到點到C點的關節變數變化為：點的關節變數變化為：設設C點到點到B點的關節變數變化為：點的關節變數變化為：ACBt10t2031321211101)(tatataatq 32322221202)(tatataatq 5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值B、多點的三次多項式插值運算、多點的三次多項式
48、插值運算三點處的位移約束方程：三點處的位移約束方程： 320232202220212020310132101210111010tatataaqaqtatataaqaqBCCA5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值B、多點的三次多項式插值運算、多點的三次多項式插值運算起點和終點處的起點和終點處的速度約束方程：速度約束方程：中間點
49、處的速度中間點處的速度和加速度約束方程：和加速度約束方程： 22023202221113200tataaa 22101312212101310121126232ataaatataa5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和第二步：已知機器人起點和 終點的關節變數取值終點的關節變數取值B、多點的三次多項式插值運算、多點的三次多項式插值運算聯立上述聯立上述8個線性方程，個線性方程，若令若令 ，
50、則方程組的解為：則方程組的解為： 02010ttt )538(41)2(23)(43)835(41)34(4303023202202120301320121110BACCBAABCCBABACAqqqtaqqqtaqqtaqaqqqtaqqqtaaqa5.35.3運動控制運動控制第第5 5章章 機器人控制技術機器人控制技術 工工業業機機器器人人5.3.1關節運動伺服指令的生成關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值第二步：已知機器人起點和終點的關節變數取值B、多點的三次多項式插值運算、多點的三