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1、5.3 5.3 基于关节坐标的控制基于关节坐标的控制 由于机器人各关节之间存在着惯性项惯性项和速度项速度项的动态耦合动态耦合，严格地讲每个关节都不是单输入单输出单输入单输出系统。为了减少外部干扰的影响，在保持稳定性范围内，通常把增益增益Kp和Kv尽量设置的大一些。特别是当减速比减速比较大时，惯性矩阵和粘性系数矩阵（包含Kv）,对角线上各项数值相对增大，起支配作用，非对角线上各项的干扰影响相对减小。p 惯性矩阵M(q)：式中ni为第i轴的减速比；Iri为第i轴电机转子的惯性矩。p 粘性摩擦系数矩阵B：式中Bri为第i轴电机转子的粘性摩擦系数。而且，可以认为速度以及重力的影响相对较小，即和G(q)
2、可以忽略不计。机器人动力学方程式可简化为上式为采用减速器的一般工业机器人的动力学运动方程式，表示各轴之间无干涉，与机器人的位姿无关的情况，而把这些耦合当作外部干扰来处理的。因此，在控制器中各轴相互独立构成PID控制系统，由于近似而产生的误差看作是外部干扰可以通过反馈控制来解决。令关节位置qd为目标值，对于n个关节的机器人，则根据机器人末端目标值Xd由逆运动学方程求出 基于关节坐标的控制基于关节坐标的控制：以关节位置或关节轨迹为目标值。关节目标值qd可以如何计算？作为一种简单的线性PD控制规律可表示为q(t)：关节角控制变量，：关节驱动力，KP为位置反馈增益矩阵，KP=diag(kpi)，其中k
3、pi为第i轴的位置反馈增益；KV为速度反馈增益矩阵，KV=diag(kvi)，其中kvi为第i轴的速度反馈增益；G(q)为重力项补偿。注意：这里操作量是驱动力。实际控制时，由于电机的输注意：这里操作量是驱动力。实际控制时，由于电机的输出力矩与电枢线圈中的电流成正比，所以调节驱动器的控制出力矩与电枢线圈中的电流成正比，所以调节驱动器的控制电压信号即可控制驱动电压信号即可控制驱动器的输出电流器的输出电流，从而控制电机额的输，从而控制电机额的输出出力矩力矩。电机的力矩如何控制？图 基于关节坐标的伺服控制系统框图这种控制方式称为局部线性PD反馈控制，对于非线性多变量的机器人动态性而言，可以证明该控制方
4、法是有效的，其闭环系统的平衡点qd达到渐进稳定。即当即经过无限长的时间，保证关节角度收敛于各自的目标值(global asymptotic stability)，机器人末端也收敛于位置目标。对工业机器人而言，多数情况下用该种控制方法已足够对工业机器人而言，多数情况下用该种控制方法已足够。如MOTOMAN系列机器人重复定位精度为0.03mm。这种关节伺服系统把每一个关节作为单纯的单输入单输出系统来处理，所以结构简单，现在的工业机器人大部分都由这种关节伺服系统来控制。对于CP控制问题，即关节角目标值随着时间变化。这时机器人末端的目标位置是随着时间变化的位置目标轨迹Xd(t)，相应的关节角目标值也成
5、为随着时间变化的角度目标轨迹qd(t)，此时描述机器人全部关节的伺服控制系统为：式称为轨迹追踪控制（Trajectory Tracking Control）的力矩方程式。-把Xd 本身作为目标值来构成伺服系统。5.4 5.4 基于作业空间的伺服控制基于作业空间的伺服控制伺服控制思路：伺服控制思路：先将末端位置姿态误差矢量位置姿态误差矢量乘上相应的增益得到手臂末端抓手的操作力矢量操作力矢量，该力作用在末端抓手上以减小末端位置姿态误差；再将末端抓手的操作力矢量由力雅可比矩阵力雅可比矩阵映射为等价的关节力矩矢量关节力矩矢量，从而控制机器人手臂末端减少所测量的运动误差。三自由度机器人的伺服系统控制原理
6、图操作力矢量位姿误差矢量（Xd-X）关节力矩矢量PD控制这里F为末端抓手的假象操作力假象操作力，把末端拉向目标值，消除误差。该方法不仅直观、易理解，而且最大的优点是不含逆运动学计算，提高控制运算速度。基于作业坐标的伺服控制系统框图可以证明，该伺服控制系统，其闭环系统的平衡点Xd达到渐进稳定，即当 时，同理，位置目标轨迹控制的的伺服控制系统为：p 阻抗控制（Impedance control）p 位置/力混合控制（Hybrid position/Force control）p 柔顺控制（Compliance control）p 刚性控制（Stiffness control）5.4 5.4 机械手
7、的力（力矩）控制（机械手的力（力矩）控制（自学自学）5.5 工业机器人硬件电路-开放式机器人控制系统图 开放式机器人控制系统结构例：控制系统硬件配置采用工控机+MP2300运动控制器+现场总线的系统结构虽然伺服控制器中也有位置控制环，但控制器参数在线调整困难，一些智能控制算法受到限制。所以通常采用多轴运动控制器+交流电机伺服驱动器构成方案。运动控制器，如PMAC运动控制器，实现电机的位置环控制，交流电机伺服驱动器实现电机的电流控制和速度控制。电流环主要实现电流控制和功率放大，速度环采用PI控制器，提高抗负载扰动能力，抑制速度波动，位置环用于保证动态跟踪性能和稳态跟踪精度。在实际的机器人控制系统
8、中：首先使交流伺服驱动器工作在速度控制模式下，根据速度闭环PI控制器的参数寻优结果，将各关节在最大惯量和最小惯量时的速度闭环增益和积分时间常数分别取平均，固化在交流伺服控制器中。然后通过优化算法在线调整运动控制卡中的位置闭环PID控制器参数，以求获得比固定PID参数更好的轨迹跟踪控制性能。图 交流伺服电机驱动系统的近似模型运动控制卡提供的前馈控制原理（实际上考虑的动力学的影响）将计算机、运动控制、逻辑控制、现场网络和可组态人机技术结合在一起的高度集成化的软硬件平台。保留了计算机控制系统的高速的数据处理能力，大容量的数据存储，强大的网络功能等优点，同时还具有传统PLC系统的使用可靠、开发简单、使
9、用维护方便的优点。计算机可编程自动化控制器(Computerized Programmable Automation Controller，CPAC)运动控制器的发展方向运动控制器的发展方向-运动控制器运动控制器+PLC+PLC例：例：FUNACFUNAC机器人控制器构造机器人控制器构造nMAIN BOARD：主板主板nMAIN BOARD BATTERY：主板电池主板电池1.1.主要单元主要单元主板电池主板电池电压不足时，则会在TP 上显示报警（SYST-035 Low SYST-035 Low or No Battery Power in PSUor No Battery Power in
10、 PSU），这时需要及时更换。如不及时更换，SRAM中的内容将不能备份，因此，平时注意用Memory Card 或软盘定期备份数据。建议：主板电池两年更换一次两年更换一次，具体步骤如下：1)准备一节新的锂电池（推荐使用FANUC 原装电池）。2）机器人通电开机正常后，等待30 秒。3）机器人关电，打开控制器柜子，拔下接头取下主板上的旧电池。4）装上新电池，插好接头。主板上电池的更换主板上电池的更换nI/O BOARD：开关量输入开关量输入/输出单元输出单元。输入/输出连接到FANUC 输入/输出连接器。nE-STOP UNIT：紧急停止单元紧急停止单元控制着两个设备的紧急停止系统，即磁电流接触
11、器和伺服放大器预加压器。nPSU：电源供给单元电源供给单元将AC电源转换成不同大小的DC电源。nTEACH PENDANT：示教盒示教盒包括机器人编程在内的所有操作都能由该设备完成。控制器状态和数据都显示在示教盒的液晶显示器（LCD）上。nSERVO AMPLIFIER：伺服放大器伺服放大器控制着伺服马达的电源，脉冲编码器，制动控制，超行程，以及手制动。nOPERATION BOX：操作面板和操作盒操作面板和操作盒上的按钮和二级管用来启动机器人以及显示机器人状态。面板上有一个串行接口的端口，供外部设备连接，另外还有一个连接存储卡的接口，用来备份数据。操作面板盒操作盒还控制着紧急停止控制线路。n
12、TRANSFORMER：变压器变压器将输入的电压转换成控制器所需的AC电压。nFAN UNITS：风扇单元风扇单元，热交换器，这些设备为控制单元内部降温。nBREAKER：线路断开器线路断开器，如果控制器内的电子系统故障，或者非正常输入电源造成系统内的高电流，则输入电源连接到线路断开器，以保护设备。nDISCHARGE RESISTOR：再生电阻器再生电阻器为了释放伺服马达的逆向电场强度，在伺服放大器上接一个再生电阻器。2.2.控制器故障诊断控制器故障诊断 错误分类概述：错误分类的目的是为了更容易地进行故障诊断，每一次故障诊断前都要进行错误分类，每一类错误在机器人操作中都同等严重。错误类型分为
13、：第一类错误 第二类错误 第三类错误 第四类错误第一类错误第一类错误 症状：症状：p 控制器死机；p 示教盒屏幕空白 潜在的原因：潜在的原因：控制器AC电源存在问题 断开器的问题 变压器的问题 控制器DC电源线路的问题 电缆线问题 示教盒/缆线问题 电源供给单元损坏 电源供给单元保险丝熔断 开/关电路的问题 面板电路板保险丝第二类错误概述 症状：症状：p 示教盒锁死，没反应 潜在的原因：潜在的原因：软件故障 主板的问题 CPU 模块，连同DRAM FROM/SRAM 模块 示教盒/缆线/ISB 单元的问题 PSU 或者底板（激活信号）的问题 辅助轴控制卡的问题第三类错误概述 症状：症状：p 错
14、误指示灯亮p KM1 和KM2 关闭，因此伺服没有电源p 屏幕上显示诊断信息 潜在的原因：潜在的原因：伺服放大器的问题马达/SPC 的问题编码器/制动模块的问题紧急停止线路的问题紧急停止线路板的问题紧急停止单元，连带KM1 和KM2 的问题面板电路板的问题缆线问题第四类错误概述 症状：症状：p 机器人只能在手动模式下工作p 能够从示教盒运行程序 潜在的原因：潜在的原因：通讯或输入/输出的问题 与PLC 之间没有通信 行程开关等损坏 不正确的当地/远程开关设置。双电子安全链：每一条电子安全链都是由若干个开关串联组成的运行链，机器人只有在所有开关都闭合的情况下，才能使机器人设置MOTOR 0N 模式，机器人只有在MOTOR 0N状态下才能给伺服电机上电。如果安全链一旦断开，机器人就转换成MOTOR 0FF模式，机器人伺服电机掉电，只有复位停止信号机器人才能再次上电。机器人安全系统机器人安全系统作业：1.何为点位控制和连续轨迹控制？举例说明在工业中的应用。2.PID控制的意义。谢谢观看！