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1、 第第2章章 机器人基本控制方法机器人基本控制方法 （The Basic Control Strategy of The Basic Control Strategy of RobotRobot）机器人控制系统的结构和工作原理机器人控制系统的结构和工作原理轨迹控制轨迹控制机器人的力控制机器人的力控制2.1 2.1 机器人控制系统的结构和工作原理机器人控制系统的结构和工作原理(The Structure and Principle of Robot Control System)(The Structure and Principle of Robot Control System)一、机器人系
2、统一、机器人系统一、机器人系统一、机器人系统 机构本体机构本体机构本体机构本体(Mechanism)(Mechanism)控制系统控制系统控制系统控制系统(Control System)(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。控制，完成作业的各种动作。控制，完成作业的各种动作。控制，完成作业的各种动作。下面通过下面通过下面通过下面通过PUMAPUMA机器人来说明机器人的控制系统机
3、器人来说明机器人的控制系统机器人来说明机器人的控制系统机器人来说明机器人的控制系统:PUMA机器人是美国机器人是美国Unimation公司于公司于20 世纪世纪70 年代末推出的年代末推出的商品化工业机器人。有多个系商品化工业机器人。有多个系列的产品，每个系列产品都有列的产品，每个系列产品都有腰旋转、肩旋转、肘旋转和手腰旋转、肩旋转、肘旋转和手腕的回转、弯曲和旋转轴，构腕的回转、弯曲和旋转轴，构成六自由度的开链式机构。具成六自由度的开链式机构。具有速度快、精度高、灵活精巧、有速度快、精度高、灵活精巧、编程控制容易等特点，广泛应编程控制容易等特点，广泛应用，用，PUMA机器人控制器采用机器人控制
4、器采用逆运算机分级控制结构，使用逆运算机分级控制结构，使用VAL机器人编程言机器人编程言。二、二、二、二、PUMA-562 PUMA-562 控制器硬件配置及结构控制器硬件配置及结构控制器硬件配置及结构控制器硬件配置及结构(Hardware)(Hardware)PUMA-562PUMA-562控制器为多控制器为多控制器为多控制器为多CPUCPU两级控制结构两级控制结构两级控制结构两级控制结构 上位计算机采用上位计算机采用上位计算机采用上位计算机采用Q-BusQ-Bus总线作为系统总线总线作为系统总线总线作为系统总线总线作为系统总线 上位计算机配有上位计算机配有上位计算机配有上位计算机配有64k
5、B RAM64kB RAM内存，两块四串口板，一块内存，两块四串口板，一块内存，两块四串口板，一块内存，两块四串口板，一块 I I/OO并行接口板，与下位机通信的并行接口板，与下位机通信的并行接口板，与下位机通信的并行接口板，与下位机通信的A A接口板接口板接口板接口板 与上位机联接的与上位机联接的与上位机联接的与上位机联接的I/OI/O设备有设备有设备有设备有CRTCRT显示器和键盘、示教显示器和键盘、示教显示器和键盘、示教显示器和键盘、示教 盒、软盘驱动器，通过串口板还可接入视觉传感器、高盒、软盘驱动器，通过串口板还可接入视觉传感器、高盒、软盘驱动器，通过串口板还可接入视觉传感器、高盒、软
6、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层监控计算机、实时路径修正控制计算机层监控计算机、实时路径修正控制计算机层监控计算机、实时路径修正控制计算机 接口板接口板接口板接口板A A、B B是上下位机通们的桥梁。上位机经过是上下位机通们的桥梁。上位机经过是上下位机通们的桥梁。上位机经过是上下位机通们的桥梁。上位机经过A A、B B接接接接 口板向下位机发送命令和读取下位机信息。口板向下位机发送命令和读取下位机信息。口板向下位机发送命令和读取下位机信息。口板向下位机发送命令和读取下位机信息。A A板插在上位板插在上位板插在上位板插在上位 机的机的机的机的Q-
7、BusQ-Bus总线上，总线上，总线上，总线上，B B板插在下位机的板插在下位机的板插在下位机的板插在下位机的J-BusJ-Bus总线上，总线上，总线上，总线上，A A、B B 接口板之间通过扁平信号电缆通信。接口板之间通过扁平信号电缆通信。接口板之间通过扁平信号电缆通信。接口板之间通过扁平信号电缆通信。B B板上有一个板上有一个板上有一个板上有一个A/DA/D转换器，用于读取转换器，用于读取转换器，用于读取转换器，用于读取B B接口板传递的各关接口板传递的各关接口板传递的各关接口板传递的各关 节电位器信息，电位器用于各关节绝对位置的定位。节电位器信息，电位器用于各关节绝对位置的定位。节电位器
8、信息，电位器用于各关节绝对位置的定位。节电位器信息，电位器用于各关节绝对位置的定位。下位计算机系统下位计算机系统下位计算机系统下位计算机系统:由六块以由六块以由六块以由六块以6503CPU6503CPU为核心的单板机组成，每为核心的单板机组成，每为核心的单板机组成，每为核心的单板机组成，每 块板块板块板块板负责一个关节的驱动，构成负责一个关节的驱动，构成负责一个关节的驱动，构成负责一个关节的驱动，构成6 6个独立的数字伺服控制个独立的数字伺服控制个独立的数字伺服控制个独立的数字伺服控制回路。回路。回路。回路。下位机的每块单板机上都有一个下位机的每块单板机上都有一个下位机的每块单板机上都有一个下
9、位机的每块单板机上都有一个D/AD/A转换器，其输出转换器，其输出转换器，其输出转换器，其输出分分分分 别接到别接到别接到别接到6 6块功率放大器板的输入端。功率放大块功率放大器板的输入端。功率放大块功率放大器板的输入端。功率放大块功率放大器板的输入端。功率放大器输出与器输出与器输出与器输出与6 6台直流伺服电机相接台直流伺服电机相接台直流伺服电机相接台直流伺服电机相接。PUMA-562 PUMA-562 机器人控制器硬件还包括一块机器人控制器硬件还包括一块机器人控制器硬件还包括一块机器人控制器硬件还包括一块C C 接接接接口板、口板、口板、口板、一块高压控制板和六块功率放大器板，这几块一块高
10、压控制板和六块功率放大器板，这几块一块高压控制板和六块功率放大器板，这几块一块高压控制板和六块功率放大器板，这几块板插板插板插板插 在另外的一个专门设计的功率放大器总线上。在另外的一个专门设计的功率放大器总线上。在另外的一个专门设计的功率放大器总线上。在另外的一个专门设计的功率放大器总线上。C C 接口接口接口接口 板用于手臂电源和电饥制动的控制信号传递，放板用于手臂电源和电饥制动的控制信号传递，放板用于手臂电源和电饥制动的控制信号传递，放板用于手臂电源和电饥制动的控制信号传递，放障检障检障检障检 测，制动控制。高压控制板提供电机所需的电压测，制动控制。高压控制板提供电机所需的电压测，制动控制
11、。高压控制板提供电机所需的电压测，制动控制。高压控制板提供电机所需的电压，还，还，还，还 控制手爪开闭电磁阀。控制手爪开闭电磁阀。控制手爪开闭电磁阀。控制手爪开闭电磁阀。三、三、三、三、PUMA-PUMA-562 562 控制器软件系统的工作原理控制器软件系统的工作原理控制器软件系统的工作原理控制器软件系统的工作原理(Software)(Software)PUMA-562 PUMA-562 控制器软件控制器软件控制器软件控制器软件 上位机软件：系统编程软件上位机软件：系统编程软件上位机软件：系统编程软件上位机软件：系统编程软件 下位机软件：伺服软件下位机软件：伺服软件下位机软件：伺服软件下位机
12、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，完成以系统软件针对各种运动形式的轨迹规划，坐标变换，完成以系统软件针对各种运动形式的轨迹规划，坐标变换，完成以系统软件针对各种运动形式的轨迹规划，坐标变换，完成以28ms28ms时间时间时间时间间隔的轨迹插补点的计算、与下位机的信息交换、执行用户编写的间隔的轨迹插补点的计算、与下位机的信息交换、执
13、行用户编写的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VALVAL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。检测及异常保护等。检测及异常保护等。检测及异常保护等。PUMA-562 PUMA-562 控制系统下位机软件驻留在下位单片机的控制系统下位机软件驻留在下位单片机的控制系统下位机软件驻留在下位单片机的控制系统下位机软件
14、驻留在下位单片机的EPROMEPROM中。伺中。伺中。伺中。伺服控制关节的运动。服控制关节的运动。服控制关节的运动。服控制关节的运动。PUMAPUMA机器人仍然采用机器人仍然采用机器人仍然采用机器人仍然采用PIDPID控制。控制。控制。控制。2.2 2.2 轨迹控制轨迹控制(The Robot Trajectory Control)路径：机械手由初始点路径：机械手由初始点路径：机械手由初始点路径：机械手由初始点(位置和姿态位置和姿态位置和姿态位置和姿态)运动到终止点，经过的空运动到终止点，经过的空运动到终止点，经过的空运动到终止点，经过的空 间曲线。间曲线。间曲线。间曲线。规划规划规划规划 直
15、角坐标空间直角坐标空间直角坐标空间直角坐标空间 关节空间关节空间关节空间关节空间轨迹控制解决的问题轨迹控制解决的问题轨迹控制解决的问题轨迹控制解决的问题 轨迹的给定轨迹的给定轨迹的给定轨迹的给定 如何高精度地跟踪轨迹如何高精度地跟踪轨迹如何高精度地跟踪轨迹如何高精度地跟踪轨迹一、示教再现方式一、示教再现方式一、示教再现方式一、示教再现方式 (Teach-replay)(Teach-replay)示教使机器人手臂运动的方法示教使机器人手臂运动的方法示教使机器人手臂运动的方法示教使机器人手臂运动的方法 用示教盒上的控制按钮用示教盒上的控制按钮用示教盒上的控制按钮用示教盒上的控制按钮 直接用手抓住机
16、器人手部直接用手抓住机器人手部直接用手抓住机器人手部直接用手抓住机器人手部 使其手端按目标轨迹运动使其手端按目标轨迹运动使其手端按目标轨迹运动使其手端按目标轨迹运动 轨迹再现方式轨迹再现方式轨迹再现方式轨迹再现方式 点位控制点位控制点位控制点位控制(PTP)(PTP)连续路径控制连续路径控制连续路径控制连续路径控制(CP)(CP)二、数控方式二、数控方式二、数控方式二、数控方式(Numerical Control)(Numerical Control)数控方式是把目标轨迹用数值数据的形式给出。数控方式是把目标轨迹用数值数据的形式给出。数控方式是把目标轨迹用数值数据的形式给出。数控方式是把目标轨
17、迹用数值数据的形式给出。要求要求要求要求 轨迹平滑轨迹平滑轨迹平滑轨迹平滑;位置、速度及加速度位置、速度及加速度位置、速度及加速度位置、速度及加速度 的连续性的连续性的连续性的连续性 由于机器人手端的位移、速度及加速度与关节由于机器人手端的位移、速度及加速度与关节由于机器人手端的位移、速度及加速度与关节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变量间不是线性关系，通过生成平滑的关节轨迹不变量间不是线性关系，通过生成平滑的关节轨迹不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能保证生成平滑的手端路径，因此有必要
18、首先直接能保证生成平滑的手端路径，因此有必要首先直接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生成手端的平滑路径，然后根据运动学逆问题求解生成手端的平滑路径，然后根据运动学逆问题求解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关节位移、速度及加速度变化规律关节位移、速度及加速度变化规律关节位移、速度及加速度变化规律。2.3 2.3 机器人的力控制机器人的力控制(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控制和力控制融合在一起的控制问题就是位置控制和力控制融合在一
19、起的控制问题就是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、拧位置和力混合控制问题，例：擦玻璃、拧位置和力混合控制问题，例：擦玻璃、拧位置和力混合控制问题，例：擦玻璃、拧 螺丝、转动曲柄螺丝、转动曲柄螺丝、转动曲柄螺丝、转动曲柄力控制是在正确的位置控制基础上进一步的控力控制是在正确的位置控制基础上进一步的控力控制是在正确的位置控制基础上进一步的控力控制是在正确的位置控制基础上进一步的控 制内容。制内容。制内容。制内容。一、作业约束与力控制一、作业约束与力控制一、作业约束与力控制一、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自然约束：当机
20、器人手端（常为机器人乎臂端部安装的工自然约束：当机器人手端（常为机器人乎臂端部安装的工自然约束：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，环境的几何具）与环境（作业对象）接触时，环境的几何具）与环境（作业对象）接触时，环境的几何具）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特性构成对作业的约束特性构成对作业的约束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，不能自由自然位置约束：当手部与固定刚性表面接触时，不能自由自然位置约束：当手部与固定刚性表面接触时，不能自由自然位置约束：当手部与固定刚性表面接触时，不能自由 穿过这个表面穿过
21、这个表面穿过这个表面穿过这个表面(在法线方向在法线方向在法线方向在法线方向)自然力约束：若这个表面是光滑的，则不能对手施加沿表自然力约束：若这个表面是光滑的，则不能对手施加沿表自然力约束：若这个表面是光滑的，则不能对手施加沿表自然力约束：若这个表面是光滑的，则不能对手施加沿表 面切线方向的力面切线方向的力面切线方向的力面切线方向的力(在切线方向在切线方向在切线方向在切线方向)位置约束可以用手端在约束坐标系中的位置分最表示位置约束可以用手端在约束坐标系中的位置分最表示位置约束可以用手端在约束坐标系中的位置分最表示位置约束可以用手端在约束坐标系中的位置分最表示 V=vV=vx x v vy y v
22、 vz z x x y y z z T T 力约束可以用手端在约束坐标中的力、力矩分量表示力约束可以用手端在约束坐标中的力、力矩分量表示力约束可以用手端在约束坐标中的力、力矩分量表示力约束可以用手端在约束坐标中的力、力矩分量表示 F=fF=fx x f fy y f fz z x x y y z z T T自然约束自然约束自然约束自然约束 力：在切线方向上力：在切线方向上力：在切线方向上力：在切线方向上 位置：在法线方向位置：在法线方向位置：在法线方向位置：在法线方向人为约束人为约束人为约束人为约束 力：在法线方向力：在法线方向力：在法线方向力：在法线方向 以保证与自然约束相符以保证与自然约束
23、相符以保证与自然约束相符以保证与自然约束相符 位置：在切线方向上位置：在切线方向上位置：在切线方向上位置：在切线方向上 二、二、二、二、例：插销入孔的控制例：插销入孔的控制例：插销入孔的控制例：插销入孔的控制 a a）自然约束力：）自然约束力：）自然约束力：）自然约束力：F=0F=0 人为约束：人为约束：人为约束：人为约束：(产生一个沿产生一个沿产生一个沿产生一个沿Z Z轴向下的运动轴向下的运动轴向下的运动轴向下的运动)V V=0 0 0 0 v vz z 0 0 0 00 0 T T v vz z为竖直向下的速度为竖直向下的速度为竖直向下的速度为竖直向下的速度 b b）自然约束：）自然约束：
24、）自然约束：）自然约束：v vz z=0=0 x x=0=0 y y=0=0 f fx x=0=0 f fy y=0=0 z z =0=0 人为约束：人为约束：人为约束：人为约束：v vx x=0 =0 v vy y=v vh h z z=0=0 f fz z=f fj j x x=0 =0 y y=0=0 在平面上滑动为保持与平面接触在平面上滑动为保持与平面接触在平面上滑动为保持与平面接触在平面上滑动为保持与平面接触 所需要的小的正压力。所需要的小的正压力。所需要的小的正压力。所需要的小的正压力。f fj j为销子对平面的正压力，为销子对平面的正压力，为销子对平面的正压力，为销子对平面的正压
25、力，v vh h 为为为为 销的滑动速度。当检测到沿销的滑动速度。当检测到沿销的滑动速度。当检测到沿销的滑动速度。当检测到沿Z Z的速度，表明销子进入孔中。的速度，表明销子进入孔中。的速度，表明销子进入孔中。的速度，表明销子进入孔中。c)c)c c、自然约束：、自然约束：、自然约束：、自然约束：v vx x=0 =0 v vy y=0=0 x x=0=0 y y=0=0 f fz z=0=0 z z =0=0 人为约束：人为约束：人为约束：人为约束：v vz z=v vc c z z=0=0 f fx x=0=0 f fy y=0=0 x x =0=0 y y=0=0 V Vc c为销子插入孔
26、中的速度为销子插入孔中的速度为销子插入孔中的速度为销子插入孔中的速度 自然约束发生变化的情况总是通过对一些量的自然约束发生变化的情况总是通过对一些量的自然约束发生变化的情况总是通过对一些量的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；检测发现的而检测量并不是受控量；检测发现的而检测量并不是受控量；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；手部的位置控制是沿着有自然力约束的方向；手部的位置控制是沿着有自然力约束的方向；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。手部的力控制是沿着有自然位置约束的方向。
27、手部的力控制是沿着有自然位置约束的方向。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三、作业约束与力控制的总结四、顺应控制四、顺应控制四、顺应控制四、顺应控制(Appliance Control)(Appliance Control)分为分为分为分为 主动式顺应控制主动式顺应控制主动式顺应控制主动式顺应控制 被动式顺应控制被动式顺应控制被动式顺应控制被动式顺应控制五、刚性控制五、刚性控制五、刚性控制五、刚性控制(Robust Control)(Robust Control)位置和力混合控制系统的特点：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
28、标是位置和力是独立控制的以及控制规律是以关节坐标是位置和力是独立控制的以及控制规律是以关节坐标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，在实际环境约束中给出的。但当作业环境的约束给出后，在实际环境约束中给出的。但当作业环境的约束给出后，在实际环境约束中给出的。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，有不确定的部分，就可能出现控制不稳定的危险。例如，有不确定的部分，就可能出现控制不稳定的危险。例如，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在理应有约
29、束的方向上没有约束时，由于按照作用力保持在理应有约束的方向上没有约束时，由于按照作用力保持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一定进行控制，就有失控的危险；在理应没有约束的方向一定进行控制，就有失控的危险；在理应没有约束的方向一定进行控制，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。刚性控上出现了约束时，由于位置控制而产生过大的力。刚性控上出现了约束时，由于位置控制而产生过大的力。刚性控上出现了约束时，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制就是为了
30、解决此类问题而产生的。刚性控制是将位置和制就是为了解决此类问题而产生的。刚性控制是将位置和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力联合起来进行控制，即在纯粹的位置控制和力控制之问力联合起来进行控制，即在纯粹的位置控制和力控制之问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采用能实现弹簧特性的控制，并用作业坐标系表示控制规采用能实现弹簧特性的控制，并用作业坐标系表示控制规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。律。律。律。F F=K Ksp sp(x xd d -x
31、 x)F F 作业坐标系中的力向量；作业坐标系中的力向量；作业坐标系中的力向量；作业坐标系中的力向量；x xd d 作业坐标系中的目标位置向量；作业坐标系中的目标位置向量；作业坐标系中的目标位置向量；作业坐标系中的目标位置向量；x x 一一一一 作业坐标系中的当前位置向量；作业坐标系中的当前位置向量；作业坐标系中的当前位置向量；作业坐标系中的当前位置向量；K Ksp sp 一一一一 作业坐标系中的位置反馈增益，即弹簧常数。作业坐标系中的位置反馈增益，即弹簧常数。作业坐标系中的位置反馈增益，即弹簧常数。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若考虑稳定性和速度控制，可增加阻尼特性的控制若考虑稳定性和速度控制，可增加阻尼特性的控制若考虑稳定性和速度控制，可增加阻尼特性的控制 则：则：则：则：F F=K Ksp sp(x xd d -x x)+K Ksd sd(x xd d -x x)K Ksdsd一一一一 作业坐标系中的速度反馈增益，作业坐标系中的速度反馈增益，作业坐标系中的速度反馈增益，作业坐标系中的速度反馈增益，即阻尼常数即阻尼常数即阻尼常数即阻尼常数 第2章 结 束本田公司机器人P2 本田公司机器人P3