1、1三 機器人控制方法機器人由機構本體和控制系統組成。構成機器人控制系統的要素有：計算機硬件系統及控制軟件；輸入/輸出設備；驅動器；傳感系統。機器人控制系統結構和工作原理21. 對機器人控制系統的一般要求對機器人控制系統的一般要求 機器人控制系統是機器人的重要組成部分，用于對操作機的控制，以完成特定的工作任務，其基本功能如下： 記憶功能：記憶功能：存儲作業順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產工藝有關的信息。 示教功能：示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導引示教兩種。 與外圍設備聯系功能：與外圍設備聯系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網絡接口、同步接口。 坐標設置功

2、能：坐標設置功能：有關節、絕對、工具、用戶自定義四種坐標系。 人機接口：人機接口：示教盒、操作面板、顯示屏。 傳感器接口：傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。 位置伺服功能：位置伺服功能：機器人多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、動態補償等。 故障診斷安全保護功能：故障診斷安全保護功能：運行時系統狀態監視、故障狀態下的安全保護和故障自診斷。 32機器人控制系統的組成機器人控制系統的組成 （如下圖）（如下圖） （1）控制計算機 控制系統的調度指揮機構。一般為微型機、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。 （2）示教盒 示教機器人的工作軌跡和參數設定，以及所有人機

3、交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現信息交互。 （3）操作面板 由各種操作按鍵、狀態指示燈構成，只完成基本功能操作。 （4）硬盤和軟盤存儲存 儲機器人工作程序的外圍存儲器。 （5）數字和模擬量輸入輸出 各種狀態和控制命令的輸入或輸出。 （6）打印機接口 記錄需要輸出的各種信息。 （7）傳感器接口 用于信息的自動檢測，實現機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。 （8）軸控制器 完成機器人各關節位置、速度和加速度控制。 （9）輔助設備控制 用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。 （10）通信接口 實現機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接

4、口、并行接口等。 （11）網絡接口 453機器人控制系統結構機器人控制系統按其控制方式可分為三類。 集中控制方式：用一臺計算機實現全部控制功能，結構簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，其構成框圖如圖2所示。 主從控制方式：采用主、從兩級處理器實現系統的全部控制功能。主CPU實現管理、坐標變換、軌跡生成和系統自診斷等；從CPU實現所有關節的動作控制。其構成框圖如圖3所示。主從控制方式系統實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統擴展性較差，維修困難。 分散控制方式：按系統的性質和方式將系統控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不同的控制任務和控制策略，各模式之間可以是主從關系，也可以是平等關系。這種

5、方式實時性好，易于實現高速、高精度控制，易于擴展，可實現智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖4所示。 6789典型的控制方法 工業機器人要求能滿足一定速度下的軌跡跟蹤控制（如噴漆、弧焊等作業）或點到點（PTP）定位控制（點焊、搬運、裝配作業）的精度要求，為了得到每個關節的期望位置運動，必須設計一控制算法，算出合適的力矩，再將指令送至驅動器。PID控制 PID控制是指將比例（P）、積分（I）、微分（D）控制規律綜合起來的一種控制方式。 其控制器運動方程為：10式中 U控制器輸出控制信號； 控制器輸入偏差信號； Kp比例系數； Ti積分時間常數； 微分時間常數。 控制器的設計就是選擇Kp、T

6、i、或者加上其他補償控制，使系統達到所要求的性能。 提高控制器的增益Kp固然可減小控制系統的穩態誤差，從而提高控制精度。但此時相對穩定性往往因之而降低，甚至造成控制系統的不穩定，積分控制可以消除或減弱穩態誤差，微分控制能給出控制系統提前開始制動（P減速）的信號，且能反饋誤差信號的變化速率（變化趨勢），并能在誤差信號值變得太大之前，引起一個有效的早期修正信號，有助于增加系統的穩定性。 11機器人控制基本思想：機器人控制基本思想：控制機器人末端操作器沿直角坐標空間指定的軌跡運動，控制系統的輸入是期望的直角坐標軌跡。對于每個關節由電機單獨驅動的機器人來說，意味著為使機器人終端沿期望的軌跡運動，幾個關

7、節電機必須以不同的運動組合，即不同的速度匹配同時運轉。1213機械手的位置控制機械手的位置控制手爪位置控制手爪位置控制（1 1）使用逆運動學和關節角控制的方法）使用逆運動學和關節角控制的方法141516機械手的位置控制機械手的位置控制手爪位置控制手爪位置控制（2 2）注重靜力學關系的方法）注重靜力學關系的方法17控制系統硬件構成 以安川-MRC控制系統為例，介紹控制系統硬件結構 安川-MRC控制系統硬件結構框圖如圖1所示。 安川-MRC控制系統是一個分散型控制系統，系統共有8個相對獨立的微處理器芯片（即CPU）:SYS-CPU、M-CPU、ARITH-CPU、AXIS1-CPU、AXIS2-C

8、PU、SL-CPU、I/O-CPU、PP-CPU，下面分別加以介紹。 （1）SYS-CPU System-CPU即系統CPU，負責管理整個系統及協調工作。 （2）M-CPU Motioncutroc-CPU，負責完成運動控制工作，坐標變換軌跡規劃等。 （3）ARITH-CPU Arithmetic-CPU即數學運算協處理器，負責浮點數運算，使系統運算速度大大提高。 （4）AXIS1-CPU Axis-CPU即伺服控制CPU，負責第一、二、三軸的伺服控制功能，該CPU級芯片運算速度高。 （5） AXIS2-CPU 功能同AXIS1-CPU控制對象為第三、四、五軸。 （6）I/O-CPU 負責處理

9、并行I/O口信號，以及分散I/O串行口、I/O模擬量輸入輸出信號等。 （7）SL-CPU 負責處理突發性外部I/O信號，可迅速允許查知信號有效，并快速做出相應反應處理。 （8）PP-CPU 示教盒CPU (Program Pendant CPU）負責示教盒功能管理及操作。18192 軌跡控制在機器人初始位置和目標位置之間用多項式函數“內插”或“逼近”給定的路徑，并產生一系列“控制設定點”。路徑一般在笛卡兒坐標下，需要運動學逆問題求解，轉換到關節坐標。目標軌跡的給定和如何控制機器人使之高精度的跟蹤目標軌跡是軌跡控制的兩個主要內容。20實現軌跡控制的方式有示教再現和數控兩種。示教再現方式：示教再現方式：數控方式：數控方式： 示教再現方式是在機器人工作之前，讓機器人手延目標軌跡運動，同時將位置及速度等數據存入機器人控制計算機中。在機器人工作時再現所示教的動作，使手端延目標軌跡運動。 軌跡記憶再現的方式有點位控制（PTP)和連續路徑控制（CP)。 數控方式與數控機床的控制方式一樣，是把目標軌跡用數據的形式給出。這些數據是根據工作任務的需要