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1、5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 1控制器分类5.1.1 基本控制原则基本控制原则本本节节将将讨讨论论工工业业机机器器人人常常用用控控制制器器的的基基本本控控制制原原则则及及控控制制器器的的设设计计问问题题。从从关关节节（或或连连杆杆）角角度度看看，可可把把工工业业机机器器人人的的控控制制器器分分为为单单关关节节（连连杆杆）控控制制器器和和多多关关节节（连连杆杆）控控制制器器两两种种。对对于于前前者者，设设计计时时应应考考虑虑稳稳态态误误差差的的补补偿偿问问题题；对对于于后后者者，则应首先考虑耦合惯量的补偿问题。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机器人的基
2、本控制原则 2主要控制变量5.1.1 基本控制原则基本控制原则 图图5 51 1表表示示一一台台机机器器人人的的各各关关节节控控制制变变量量。如如果果要要抓抓起起工工件件A A，那那么么就就必必须须知知道道夹夹手手在在任任何何时时刻刻相相对对于于A A的的状状态态，包包括括位位置置、姿姿态态和和开开闭闭状状态态等等。工工件件A A的的位位置置是是由由它它所所在在工工作作台台的的一一组组坐坐标标轴轴给给出出的的。这这组组坐坐标标轴轴叫叫做做任任务务轴轴。末末端端执执行行装装置置的的状状态态是是由由这这组组坐坐标标轴轴的的许许多多数数值值或或参参数数表表示示的的，而而这这些些参参数数是是矢矢量量X
3、 X的的分分量量。我我们们的的任任务务就就是是要要控控制制矢矢量量X X随随时时间间变变化化的的情情况况，即即X X（t t），它它表表示示末末端端执执行行装装置置在在空空间间的的实实时时位位置置。只只有有当当关关节节 1 1至至 6 6移移动动时时，X X才才变变化化。我我们们用矢量用矢量（t t）来表示关）来表示关节变节变量量 1 1至至 6 6。5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 3主要控制层次5.1.1 基本控制原则基本控制原则 图图5 52 2表表示示机机器器人人的的主主要要控控制制层层次次。从从图图可可见见，它它主主要要分
4、分为为三三个个控控制制级级，即即人人工工智智能能级级、控控制制模模式式级级和和伺伺服服系系统统级级。现现对对它它们们进进一一步步讨讨论如下。论如下。5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 3主要控制层次5.1.1 基本控制原则基本控制原则 （2 2）第二）第二级级：控制模式：控制模式级级在在工工业业上上一一般般不不采采用用复复杂杂的的模模型型，而而采采用用两两种种控控制制模模型型。这这些些控控制制模模型型是是以以稳稳态态理理论论为为基基础础的的，即即认认为为机机器器人人在在运运动动过过程程中中依依次次通通过过一一些些平平衡衡状状态态。这这两两种种模模型型分分别别称称为为几几何何模模型型
5、和和运运动动模模型型。前前者者利利用用X X和和间间的的坐坐标标变变换换，后后者者则则对对几几何何模模型型进进行行线线性性处处理理，并并假假定定X X和和变变化化很很小小。属属于于几几何何模模型型的的控控制制有有位位置置控控制制和和速速度度控控制制等等；属属于运于运动动模型的控制有模型的控制有变变分控制和分控制和动态动态控制等。控制等。5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 3主要控制层次5.1.1 基本控制原则基本控制原则 （3 3）第三）第三级级：伺服系：伺服系统级统级 第第三三级级所所关关心心是是机机器器人人的的一一般般实实际际问问题题。我我们们将将在在本本节节后后一一部部分分举
6、举例例介介绍绍机机器器人人伺伺服服控控制制系系统统。在在此此，必必须须指出下列两点：指出下列两点：控控制制第第一一级级和和第第二二级级并并非非总总是是截截然然分分开开的的。是是否否把把传传动动机机构构和和减减速速齿齿轮轮包包括括在在第第二二级级，更更是是一一个个问问题题。这这个个问题问题涉及解决下列涉及解决下列问题问题5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 3主要控制层次5.1.1 基本控制原则基本控制原则 当当前前的的趋趋向向是是研研究究具具有有组组合合减减速速齿齿轮轮的的电电动动机机，它它能能直直接接安安装装在在机机器器人人的的关关节节上上。不不过过，这这样样做做的的结结果果又又产
7、产生生惯惯性力矩和减速比的性力矩和减速比的问题问题。这这是需要是需要进进一步解决的。一步解决的。一一般般的的伺伺服服系系统统是是模模拟拟系系统统，但但它它们们已已越越来来越越普普遍遍地地为为数字控制伺服系数字控制伺服系统统所代替。所代替。5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 1 1液压缸伺服传动系统液压缸伺服传动系统 采采用用液液压压缸缸作作为为液液压压传传动动系系统统的的动动力力元元件件，能能够够省省去去中中间间动动力力减减速速器器，从从而而消消除除了了齿齿隙隙和和磨磨损损问问题题。加加上上液液压压缸缸的的结结构构简简单单、比比
8、较较便便宜宜，因因而而使使它它在在工工业业机机器器人人机机械械手手的的往往复复运运动动装装置置和和旋旋转转运运动动装装置置上上都都获获得得广广泛泛应用。应用。5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 1 1液压缸伺服传动系统液压缸伺服传动系统为为了了控控制制液液压压缸缸或或液液压压马马达达，在在机机器器人人传传动动系系统统中中使使用用惯惯量量小小的的液液压压滑滑阀阀，应应用用在在电电一一液液压压随随动动系系统统中中的的滑滑阀阀装装有有正正比比于于电电信信号号的的位位移移量量电电一一机机变变换换器器。图图5.3就就是是这这种种系系统统的
9、的一一个个方方案案。其其中中，机机器器人人的的执执行行机机构构由由带带滑滑阀阀的的液液压压缸缸带带动动，并并用用放放大大器器控控制制滑滑阀阀。放放大大器器输输入入端端的的控控制制信信号号由由三三个个信信号号叠叠加加而而成成。主反馈回路（外环）主反馈回路（外环）5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 1 1液压缸伺服传动系统液压缸伺服传动系统由由位位移移传传感感器器把把位位移移反反馈馈信信号号送送至至比比较较元元件件，与与给给定定位位置置信信号号比比较较后后得得到到误误差差信信号号，经经校校正正后后再再与与另另两两个个反反馈馈信信号号
10、比比较较。第第二二个个反反馈馈信信号号是是由由速速度度反反馈馈回回路路（速速度度环环）取取得得的的。它它包包括括速速度度传传感感器器和和校校正正元元件件。第第三三个个反反馈馈信信号号是是加加速速度度反反馈馈，它它是是由由液液压压缸缸中中的的压压力力传感器和校正元件实现的。传感器和校正元件实现的。5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 2 2电电一液一液压压伺服控制系伺服控制系统统在在图图5.4中中，控控制制电电流流I与与配配油油器器输输入入信信号号U的的关系可由下列传递函数表示：关系可由下列传递函数表示：同同样样可可得得活活塞塞位位
11、移移X与与配配油油器器输输入入信信号号（位位移移误误差信号）差信号）U间的间的关系为：关系为：5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 2 2电电一液一液压压伺服控制系伺服控制系统统据据式式（5.55.5）、（5.65.6）和和图图5.45.4可可得得系系统统的的传传递递函数函数:5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统图图55表表示示出出一一个个简简单单的的滑滑阀阀控控制制液液压压传传动动系系统统的结构框图。其中所用的控制阀为四通
12、滑阀。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机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统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据液压传动原理，四通滑阀具有下列关系式式式中中，Q1和和Q2为为控控制制滑滑阀阀的的输输出出流流量量，即即传传动动活活塞塞的的输输入入控控制制流流量量；Ps为为液液压压源源压压力力；P1和和P2为为油油缸缸内内两两部部分分的的液液压压；X为为滑滑阀阀的的输输入入位位移移；k1为增益。为增益。5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统
13、举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统令令q1、q2、p1、p2和和x表表示示在在Q1、Q2、p1、p2和和X条条件件下下某某一一稳稳态态位位置置变变量量，则则可可得得滑滑阀阀液液流流方方程程式式中中，c1为为液液流流增增益益或或灵灵敏敏度度，c2为为液液流流压压力力系系数。它们可由稳态工作点求得。数。它们可由稳态工作点求得。5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统从从图图5.5可可知知，P1和和V1分分别别表表示示油油缸缸左左部部的的压压力力和和体体积积，P2和和
14、V2则则表表示示油油缸缸右右部部的的压压力力和和体体积积。据图据图5.5可列出油缸左部的功能守恒表达式可列出油缸左部的功能守恒表达式 式式中中，QL为为活活塞塞漏漏损损流流量量，M1为为油油缸缸左左部部所所储储存存的的功功能能，而而 dM1dt则则为为功功率率变变化化。因因为为M1P1V1，所以有，所以有 5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统令令B表示流体的容体弹性模数，则表示流体的容体弹性模数，则因因为为 dV1dtAdYdt，其其中中，Y为为活活塞塞的的位位移，移，A为活塞左侧面积。
15、代入式（为活塞左侧面积。代入式（5.15）得）得 5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统式中，式中，qL为漏损扰动流量为漏损扰动流量其中，其中，Lm为油液的漏损系数。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：在活塞推力作用下，负载的运动方程式为：式式中中，m和和mp分分别别为为负负载载质质量量和和活活塞塞质质量量，b为为粘粘性摩擦系数。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：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机器人的基本控制
16、原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统式式中中：n n为为自自然然振振荡荡角角频频率率，1 1为为时时间间常常数数，为阻尼系数。且：为阻尼系数。且：5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统从从式式（5 52222）可可知知，此此系系统统的的开开环环传传递递函函数数等等价价于于一一积积分分环环节节与与一一个个二二阶阶环环节节的的串串联联。再再求求整整个个传传动动系系统统的的闭环闭环函数函数G G（S S）。）。5.l机器人的基本控
17、制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统因为：因为：联立得：联立得：5.l机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 5.1.25.1.2伺服控制系统举例伺服控制系统举例 3滑阀控制液压传动系统滑阀控制液压传动系统式式中中，c ck k1 1 n n为为闭闭环环系系统统的的自自然然角角振振荡荡频频率率；为为闭闭环环系系统统的的阻阻尼尼系系数数：为为闭闭环环系系统统的的第第二二时时间间常常数数；另一另一时间时间常数常数为为 1 1。式式（5.255.25）即即为为所所求求闭闭环环系系统统的的传传递递函函数数。从从此
18、此式式可可见见，此此闭闭环环系系统统为为一一等等价价三三阶阶系系统统。我我们们往往往往把把它它简简化化为为一一个个一一阶阶环环节节与与一一个个二二阶阶环环节节串串联联的的系系统统。这样这样，便于，便于对对系系统进统进行分析与研究。行分析与研究。5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制 在在设计设计模型模型时时，提出下列两个假，提出下列两个假设设：（1）机机器器人人的的各各段段是是理理想想刚刚体体，因因而而所所有有关关节节都都是是理理想想的，不存在摩擦和间隙。的，不存在摩擦和间隙。（2 2）相相邻邻两两连连杆杆间间只只有有一一个个自自由由度度，要要么么为为完完全全旋旋转转的的要么是完全平移的。要
19、么是完全平移的。5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制l l传递传递函数与等效方框函数与等效方框图图5.2.1 5.2.1 直流传动系统的建模直流传动系统的建模 在在研研究究机机械械手手的的位位置置控控制制器器之之前前，首首先先建建立立直直流流电动电动机伺服控制系机伺服控制系统统的数学模型。的数学模型。图图5 57 7表表示示具具有有减减速速齿齿轮轮和和旋旋转转负负载载的的直直流流电电动动机机工工作作原原理图。理图。5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.1 5.2.1 直流传动系统的建模直流传动系统的建模5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.1 5
20、.2.1 直流传动系统的建模直流传动系统的建模5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.1 5.2.1 直流传动系统的建模直流传动系统的建模2 2 直直 流流电电动动机机的的转速调整转速调整 图图 5.105.10表表示示一一个个励励磁磁控控制制直直流流电电动动机机的的闭闭环环位位置置控控制制结构图。结构图。5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.1 5.2.1 直流传动系统的建模直流传动系统的建模 从从稳稳定定性性和和精精度度的的观观点点看看，要要获获得得满满意意的的伺伺服服传动传动性能，必性能，必须须在伺服在伺服电电路内引入路内引入补偿补偿网网络络。5.2.2
21、 5.2.2 位置控制的基本位置控制的基本结结构构1 1基本控制结构基本控制结构 许多机器人的作业是控制机械手末端工具的位置和姿态，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以实现点到点的控制(PTP控制，如搬运、点焊机器人控制，如搬运、点焊机器人)或或连续路径的控制（连续路径的控制（CP控制，如弧焊、喷漆机器人）。因控制，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 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.2 5.2.2 位置控制的基本位置控制的基本结结构构机机器器人人位位置置
22、控控制制有有时时也也称称位位姿姿控控制制或或轨轨迹迹控控制制。对对于于有有些些作作业业，如如装装配配、研研磨磨等等，只只有有位位置置控控制制是是不不够够的的还还需需要要力控制。力控制。机机器器人人的的位位置置控控制制结结构构主主要要有有两两种种形形式式，即即关关节节空空间间控控制制结结构构和和直直角角坐坐标标空空间间控控制制结结构构，分分别别见见图图5.115.11（a a）和和（b b）所示。）所示。5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.2 5.2.2 位置控制的基本位置控制的基本结结构构5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.2 5.2.2 位置控制的基本
23、位置控制的基本结结构构运行中的工业机器人一般采用图运行中的工业机器人一般采用图5.11(a)所示控制结构。该所示控制结构。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：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，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。动学计算变换为在关节空间表示的期
24、望轨迹。5.2 5.2 机器人的位置控制机器人的位置控制5.2.2 5.2.2 位置控制的基本位置控制的基本结结构构2 PUMA2 PUMA机器人的伺服控制结构机器人的伺服控制结构 机机器器人人控控制制器器一一般般均均由由计计算算机机来来实实现现。计计算算机机的的控控制制结结构构具具有有多多种种形形式式，常常见见的的有有集集中中控控制制、分分散散控控制制和和递递阶阶控制等。图控制等。图5.125.12表示表示PUMAPUMA机器人两级递阶控制的结构图。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；化，最后由计算机来加以实现；