第5章机器人控制技术ppt课件.pptx

第5章 機器人控制技術,5.1概述5.2示教再現控制5.3運動控制 習題,5.1引言,5.1.1 機器人控制特點5.1.2 機器人控制方式5.1.3 機器人控制功能5.1.4 機器人控制系統,第5章 機器人控制技術,5.1引言,5.1.1 機器人控制特點,第5章 機器人控制技術,1、大量的運動學、動力學運算，涉及向量、矩 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 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：（1）點位元控制方式PTP 點位控制又稱為PTP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。這種控制方式的主要技術指標是定位精度和運動所需的時間。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標點處保持手部具有準確位姿的作業中。,5.1引言,5.1.2 機器人控制方式,第5章 機器人控制技術,1、按機器人手部在空間的運動方式分：（2）連續軌跡控制方式CP 連續軌跡控制又稱為CP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的軌跡跟蹤精度及平穩性。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。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。,5.1引言,5.1.2 機器人控制方式,第5章 機器人控制技術,2、按機器人控制是否帶回饋分：（1）非伺服型控制方式 非伺服型控制方式是指未採用回饋環節的開環控制方式。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、維護簡單的優點。,5.1引言,5.1.2 機器人控制方式,第5章 機器人控制技術,2、按機器人控制是否帶回饋分：（2）伺服型控制方式 伺服型控制方式是指採用了回饋環節的閉環控制方式。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。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.2 機器人控制方式,1、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，在機器人的初期得到了較多的應用。,5.1引言,5.1.3 機器人控制功能,第5章 機器人控制技術,2、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。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，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任務。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.3 機器人控制功能,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，通常採用的是兩級電腦伺服控制系統。,5.1引言,5.1.4 機器人控制系統,第5章 機器人控制技術,機器人控制系統具體的工作過程是：主控電腦接到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，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統的給定信號。關節驅動器將此信號D/A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（作業任務要求的）。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 的信息。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成1、硬體,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成1、硬體上位機（個人微機或小型電腦）的功能：人機對话：人將作業任務給機器人，同時機器人將結 果回饋回來，即人與機器人之間的交流。數學運算：機器人運動學、動力學和數學插補運算。通信功能：與下位機進行資料傳送和相互交換。數據存储：存儲編制好的作業任務程式和中間資料。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成1、硬體下位機（單片機或運動控制器）的功能：伺服驅動控制：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，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。,10 January 2023,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成1、硬體單片機應用,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成1、硬體運動控制器介紹 運動控制器核心由ADSP2181數字信號處理器及其週邊部件組成，可以實現高性能的控制計算，同步控制多個運動軸，實現多軸協調運動。應用領域包括機器人、數控機床等。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成1、硬體運動控制器介紹 運動控制器以PC為主機，提供標準的ISA、PCI及通用的串口匯流排和數位I/O介面。運動控制器提供高階語言函式程式庫和Windows動態連接庫，可以實現複雜的控制功能。使用者能夠將這些控制函數與自己控制系統所需的資料處理、介面顯示、使用者介面等應用程式模組集成在一起，建造符合特定應用要求的控制系統，以適應各種應用領域的要求。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成1、硬體運動控制器應用,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成1、硬體內部感測器的功能：內部感測器的主要目的是對自身的運動狀態進行檢测，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。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成1、硬體外部感測器的功能：機器人要能在變化的作業環境中完成作業任務，就必須具備類似於人類對環境的感覺功能。將機器人用于對工作環境變化的檢测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。,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,機器人控制系統的組成2、軟體,5.1引言,第5章 機器人控制技術,5.1.4 機器人控制系統,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，由此完成要求的作業任務。,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,5.2.1 示教方式5.2.2 記憶過程,5.2.1 示教方式 機器人示教的方式種類繁多，總的可以分為集中示教方式和分離示教方式。1、集中示教方式 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，示教一次即可生成關節運動的伺服指令。2、分離示教方式 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。,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,5.2.1 示教方式 當對用點位（PTP）控制的點焊、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。,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,5.2.1 示教方式 當對用連續軌跡（CP）控制的弧焊、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，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，也可通過示教盒示教。,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,10 January 2023,5.2.2 記憶過程,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參數資料。,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,1、記憶速度 取決於感測器的檢測速度、變換裝置的轉換速度和控制系統記憶體的存儲速度。2、記憶容量 取決於控制系統記憶體的容量。,5.2.2 記憶過程,5.2示教再現控制,第5章 機器人控制技術,機器人的運動控制是指機器人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、速度和加速度等運動參數的控制。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，所以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的。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,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，從而合成手在空間的運動，由此完成要求的作業任務。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,控制步驟：第一步：關節運動伺服指令的生成，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變化的函數。這一步一般可離線完成。第二步：關節運動的伺服控制，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，這是線上完成的。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成5.3.2 關節運動的伺服控制5.3.3機器人語言,5.3.1 關節運動伺服指令的生成1、軌跡規劃 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、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動伺服指令。*示教再現控制生產方法示教生成,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程 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。PTP下的軌跡規劃是在關節座標空间進行。CP下的軌跡規劃是在直角坐標空间進行。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃步驟：第一步：由手的位姿得到對應關節的位移；第二步：不同點對應關節位移之間的運動規劃；第三步：由關節運動變化計算關節驅動力（矩）。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃第一步：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。機器人運動學逆解,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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問题：起點的變數取值如何變化到終點的變數取值？,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點 的關節變數取值分析：起點的變數取值如何變化到終點的變數取值？若按線性變化，則有：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃第二步：已知機器人起點和終點 的關節變數取值分析：起點的變數取值如何變化到終點的變數取值？若加速度無衝擊，則有：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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A、三次多項式插值運算設起點到終點的位移變化規律為：則速度為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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A、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：位移約束速度約束,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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A、三次多項式插值運算由此可得有關係數 的4個線性方程為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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A、三次多項式插值運算 求解該方程組即可得：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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A、三次多項式插值運算 將其代入下式：即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為零的運動情況。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1 關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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B、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，而且加速度也要連續。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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B、多點的三次多項式插值運算設A點到C點的關節變數變化為：設C點到B點的關節變數變化為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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B、多點的三次多項式插值運算三點處的位移約束方程：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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B、多點的三次多項式插值運算起點和終點處的速度約束方程：中間點處的速度和加速度約束方程：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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B、多點的三次多項式插值運算聯立上述8個線性方程，若令，則方程組的解為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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B、多點的三次多項式插值運算 將其代入以下兩式：即可得兩段曲線，將其拼接起來，就是該關節變數隨時間的變化規律。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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C、五次多項式插值運算設起點到終點的位移變化規律為：則速度為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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C、五次多項式插值運算約束條件線性方程組為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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C、五次多項式插值運算求解該方程組即可得：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP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C、五次多項式插值運算 將其代入下式：即可得該關節變數隨時間的變化規律。此函數運算式可適用於關節起始點和終止點速度、加速度均為零的運動情況。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃第三步：已知機器人關節的運動速度和加速度 由此可得關節的驅動力（矩）。機器人動力學正解,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（1）PTP下的軌跡規劃 在關節座標空間進行軌跡規劃時，要注意關節運動時加速度的突變引起的剛性衝擊，嚴重時可使機器人產生較大的振動，而且在關節座標空間內規劃的直線只表示它是某個關節變數的線性函數，當所有關節變數都規劃為直線時，並不代表機器人手部在直角坐標空間中的路徑就是直線。關節座標空間的軌跡規劃是直角坐標空間軌跡規劃的基礎。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃步驟：第一步：連續軌跡離散化。第二步：PTP下的軌跡規劃。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化解決問題：離散點處的位置和姿態。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化A：離散點處的位置計算 對於機器人手部在空間的位置變化，用時間的參數方程可表示為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化A：離散點處的位置計算 為了保證離散後的路徑點均勻連續且便於控制，一般利用弧長公式：可將時間轉換為弧長的函數：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化A：離散點處的位置計算 假設起點所對應的弧長為，則路徑就可表示為以弧長為參數的方程：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化A：離散點處的位置計算 將整個路徑以適當的弧長單位 等分為n段，則任一點處的位置為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化A：離散點處的位置計算 由此可得任意點處的位置為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化B：離散點處的姿態計算設整個路徑的起始點A和終止點B的姿態矩陣為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化B：離散點處的姿態計算 若將機器人的手部姿態化成繞三個坐標軸的旋轉變換，即先繞軸 旋轉 角度，再繞軸 旋轉 角度，最後繞軸 旋轉 角度，由座標變換左乘原則得：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化B：離散點處的姿態計算 已知,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化B：離散點處的姿態計算 當給定R的值，則有：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化B：離散點處的姿態計算 根據以上計算公式，由路徑兩個端點A、B的姿態矩陣即可得機器人手部在整個路徑上繞三個坐標軸的旋轉角度變化為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化B：離散點處的姿態計算 由作業任務的要求可將其用時間t的參數方程表示為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化B：離散點處的姿態計算 同樣利用弧長公式將時間化為弧長的函數，並以等間隔弧長等分整個路徑，則任一離散點處繞三個坐標軸的旋轉角度為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化B：離散點處的姿態計算 由此可得任一離散點處的位姿為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第一步：連續軌跡離散化 根據以上計算，最終可得離散點n處的位姿為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.1關節運動伺服指令的生成2、軌跡規劃的實現過程（2）CP下的軌跡規劃第二步：PTP下的軌跡規劃 有了各個離散點處的位姿，就可以用PTP下的軌跡規劃實現方法，從而完成CP下的軌跡規劃。至此，在直角坐標空間中兩點之間連續路徑的軌跡規劃就全部完成了。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制 多關節的工業機器人控制系統往往可以分解成若干個帶耦合的單關節控制系統。如果耦合是弱耦合，則每個關節的控制可近似為獨立的，看成是每個關節由一個簡單的伺服系統單獨驅動。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制 機器人關節運動的伺服指令生成以後，就要採用一定的控制演算法對關節的運動進行伺服控制，常用的控制方法有以下幾種：1、基於前饋和回饋的計算力矩的控制方法注意：前饋指的是加速度，回饋指的是速度和位移。已知多自由度機器人的動力學模型為：且各項 均可精確計算。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制1、基於前饋和回饋的計算力矩的控制方法 具有前饋補償的閉環伺服系統的性能取決於本體和控制對象的動力學模型的估算準確性。當得不到準確的動力學模型或是環境變動超出系統回饋補償範圍時，控制性能就會改變。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制1、基於前饋和回饋的計算力矩的控制方法 選取控制規律為：式中，關節控制的輸入力（矩）向量；關節速度誤差回饋係數；關節位置誤差回饋係數；希望跟蹤的關節速度和位移；實際的關節速度和位移。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制1、基於前饋和回饋的計算力矩的控制方法 假定選取，則有：由於慣性矩陣 可逆，所以可得誤差微分方程為：式中，關節位移誤差；分別為關節速度和加速度的誤差。只要選取合適的 和 值，就可使關節變數的各項誤差漸趨於零。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制1、基於前饋和回饋的計算力矩的控制方法 這種控制方法是基於關節變數加速度的前饋和速度、位移誤差的回饋以及對耦合力項和重力項的補償而實現的，其考慮的主要是位移和速度的誤差對慣性力項的影響，所以適合於低速、重載的機器人。它的缺點是計算 的工作量大，且控制的精度主要依賴于機器人動力學模型的精確度。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制2、線性多變數控制方法 線性多變數控制方法是利用機器人在工作點p0附近的線性模型工作的。對任一多自由度機器人，其在工作點處的初始關節控制力（矩）向量與該點處對應的關節位移、速度和加速度之間的動力學模型為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制2、線性多變數控制方法 當機器人在工作點處有一微小擾動時，上述動力學模型就變為：式中，關節控制輸入力（矩）的微小變化；關節位移的微小變化；關節速度的微小變化；關節加速度的微小變化。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制2、線性多變數控制方法 在工作點附近應用台勞級數將 和 展開，並忽略展開式中 及 的二階及二階以上的各次高階項，且假定它們足夠小，則上式可改寫為：,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制2、線性多變數控制方法 若令則得：該式即為機器人在工作點附近的增量線性定常模型。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制2、線性多變數控制方法 若再令、則得：對耦合線性定常微分方程應用以下的回饋控制律：式中，關節位移誤差；關節速度誤差；,回饋的關節速度和位移；,設定的關節速度和位移。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制2、線性多變數控制方法 對控制律兩邊求拉普拉氏變換可得則其傳遞函數為：由此可以看出，線性多變數控制選用的是一個比例微分（PD）控制器，其考慮的主要是位移和速度的誤差對耦合力項和重力項的影響，所以適合於高速、輕載機器人的控制。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制3、自我調整控制 自我調整控制就是指機器人根據感測器對外界環境和物件物的感知，利用人工智慧中的各種學習、推理和決策技術，對外界資訊進行準確處理，然後對自己行為作出自主決策以自動地完成任務的控制方式。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制3、自我調整控制 理想自我調整控制是在基於模型控制的基礎上，增添自我調整控制規律，不斷觀測機器人各個關節的狀態和伺服誤差，驅動自我調整演算法，重新調整或更新非線性模型參數，直至伺服誤差消失為止。由此可見，這種控制方法對機器人控制系統的動態性能具有自我調整功能，並且可以達到全域的穩定。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制4、自學習控制 自學習控制是近年來提出的一種智慧控制方法，它可利用結構簡單的控制器實現高精度的控制。目前人們提出的自學習控制方案主要有：反覆運算自學習控制重複自學習控制。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制4、自學習控制反覆運算自學習控制：反覆運算自學習控制是以數學模型模仿人類在每次操作均在規定的時間內結束，且在期望值給定的條件下重複進行一件同樣的工作為基本思路，若每次操作開始時系統的初始值已知，每次輸出值可測，則輸出與輸入的誤差信號就可作為下一次的控制輸入，用簡單的反覆運算律更新存入存儲裝置的控制輸入，從而改善系統在輸入作用下的輸出，直至獲得期望的控制結果。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.2關節運動的伺服控制4、自學習控制重複自學習控制：重複自學習控制同樣適用於進行重複操作的機器人，但它與反覆運算自學習控制不同，它不是簡單的生成期望的前饋控制信號，而是利用“內模原理”，在穩定的閉環系統內設置一個可以產生與參考輸入同週期的內部模型，從而使系統實現對外週期信號的跟蹤。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言 世界上最早開展機器人語言研究的是美國斯坦福大學、麻省理工學院以及英國的一些大學，他們在20世紀60年代初期就著手這方面的工作。1973年斯坦福大學人工智慧研究室研製出實用的WAVE語言，這是第一個機器人語言。WAVE語言具有動作的描述、力和接觸的控制，配合視覺系統可以完成手眼協調程式設計。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言 之後斯坦福大學人工智慧研究室在WAVE語言的基礎上，又開發出了AL語言。AL語言不僅能用來描述機器人手爪的操作，而且還能記憶作業環境以及環境內各個物件物之間的相對位置，可以用來控制多台機器人協調工作。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言 美國IBM公司在機器人語言研究上作了很多工作，也取得過不少成果。該公司在20世紀70年代中期開發了應用於直角坐標機器人上的EMILY和ML語言，能用於機器人的裝配作業。此後又研製出用於裝配機器人的AUTOPASS語言，這是一種比較高級的機器人語言，它可以對幾何模型類任務進行半自動程式設計。在1982年，IBM公司又推出了AML語言，目前，AML語言已作為商業化產品用於IBM機器人的控制。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言 1979年,美國Unimation公司推出了VAL語言，主要用於PUMA和Unimate等系列的機器人上，是一種比較成功的機器人語言。VAL語言是在BASIC 語言的基礎上擴展的機器人語言，它具有BASIC語言的結構，比較簡單，易於程式設計，為工業機器人所適用。1984年該公司推出VAL-語言，它是在VAL 語言的基礎上，增加開發利用感測器資訊進行運動控制和資料處理以及通訊等功能。現在VAL語言已經升級為V+語言，性能得到了更大的提高。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言 20世紀80年代初，美國Automatix公司開發了 RAIL語言，它能利用視覺感測器資訊，進行檢測零件作業。同期，麥道公司研製出了MCL語言，它是在數控語言APT基礎上發展起來的機器人語言。MCL 語言應用于由機床及機器人組成的柔性加工單元的編程，其功能較強。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言 到目前為止，國內外尚無通用的機器人語言，雖然現有的品種繁多，僅在美、日、西歐實用的機器人語言就至少有數十種。但即使這樣，新的機器人語言還不斷出現。究其原因，就在於目前開發的機器人語言絕大多數是根據專用機器人而單獨開發的，存在著通用性差的問題。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言 有的國家正嘗試在數控機床通用語言的基礎上，形成統一的機器人語言，但由於機器人控制不僅要考慮機器人本身的運動，還要考慮機器人與配套設備間的協調通訊以及多個機器人之間的協調工作，因而技術難度非常大，目前尚處於研究探索階段。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言1、機器人語言的特點（1）機器人語言描述的內容主要是機器人的作業動 作、工作環境、操作內容、工藝和過程。（2）機器人語言逐漸向結構簡明、概念統一和容易 擴展等方向發展。（3）機器人語言越來越接近自然語言，並且具有良 好的對話性。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言2、機器人語言的分類（1）根據機器人語言對作業任務描述水準的高低可 分为動作級、對象級和任務级三大類。動作級 動作級的機器人語言是以機器人手部的運動作為作業描述的中心，將機器人作業任務中的每一步動作都用命令語句來表述，每一條語句對應于一個機器人動作。若動作的目的是移動某一物體，基本運動語句形式為：MOVE TO 目的地 這一級語言的典型代表是VAL語言。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言2、機器人語言的分類對象級 物件級的機器人語言是以近似自然語言的方式，按照作業物件的狀態變化來進行程式設計，是以描述操作物體之間關係為中心的語言。由操作者給出作業本身的順序過程的描述及環境模型的描述，機器人即可自行決定如何動作。這種語言可以利用感測器資訊來修改、更新環境的描述和模型，也可以利用感測器資訊進行控制、測試和監督。這一級語言的代表是AUTOPASS語言。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言2、機器人語言的分類任務級 在任務級語言環境下，使用者只要按某種原則給出作業起始狀態和作業目標狀態，機器人語言系統即可利用已有的環境資訊和知識庫、資料庫自動進行推理、計算，最後自動生成機器人詳細的動作、順序和相應資料。因此，這類語言必須具有判斷環境、描述環境的能力，同時，也必須有自動完成許多規劃任務的能力。這一級語言現仍處於基礎研究階段，還有許多問題沒有解決。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言2、機器人語言的分類（2）根據機器人語言的實際應用水準可分为動作指示 語言和作業指示語言兩大類。動作指示語言 機器人的動作指示語言是直接表述機器人臂部、腕部、手部等動作控制的語言系統，它相當於上面所述的動作级機器人語言。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言2、機器人語言的分類（2）根據機器人語言的實際應用水準可分为動作指示 語言和作業指示語言兩大類。作業指示語言 機器人的作業指示語言是僅表述機器人（如裝配機器人）的某種操作過程的語言系統，它相當於上面所述的對象级機器人語言。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言3、機器人語言的處理過程 當用機器人語言編寫的程式對機器人進行控制時，它的處理過程主要有以下幾個方面：（1）分析程式 分析程式要分析的物件是工作人員用機器人語言編寫的作業程式。分析程式首先進行語法檢查，並將程式中的錯誤指示出來。此外，分析程式還能對資料的維數和形式進行檢查。一旦消除了所有的語法錯誤，作業程式就可以進行下一步的處理。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言3、機器人語言的處理過程（2）編譯器 編譯器就是對作業程式的語義進行檢查，它能檢驗有沒有發出對存取不可能位址的移動命令和有沒有使機器人手部過高速度的移動等。編譯器還要進行一些軌跡計算，即在編譯作業程式時類比機器人手部的位置和各個變數的值，跟蹤其與坐標系相結合的狀態，然後根據這個值進行軌跡計算，最後得到軌跡資料。編譯器還可將作業程序變換成實行解釋程式可以解釋的代碼。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言3、機器人語言的處理過程（3）即時解釋程式 即時解釋程式是將編譯器生成的代碼即時解釋並執行。實現動作結合時，將必要的軌跡資料給予伺服模塊，通過狀態監視模組監視它的動作。（4）伺服模組 伺服模組的作用是根據軌跡資料，通過關節位移和速度等所組成的回饋控制系統來實現被指定的運動。,5.3運動控制,第5章 機器人控制技術,5.3.3機器人語言3、機器人語言的處理過程（5）狀態監視模組 狀態監視模組的作用是處理各種感測器的回饋信號，抽出必要的資訊交給實行解釋程式。以上只是機器人語言處理系統的梗概