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1、第5章 机器人基本控制方法（The Basic Control Strategy of Robot）,机器人控制系统的结构和工作原理轨迹控制机器人的力控制,5.1 机器人控制系统的结构和工作原理(The Structure and Principle of Robot Control System),一、机器人系统 机构本体(Mechanism)控制系统(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，完成作业的各种动作。,下面通过PUMA机器人来说明机器人的控制系统:,PUMA机器人是美国Unimation公司于20 世纪70 年代末推出的商品化工业机器
2、人。有多个系列的产品，每个系列产品都有腰旋转、肩旋转、肘旋转和手腕的回转、弯曲和旋转轴，构成六自由度的开链式机构。具有速度快、精度高、灵活精巧、编程控制容易等特点，广泛应用，PUMA机器人控制器采用逆运算机分级控制结构，使用VAL机器人编程言。,二、PUMA-562 控制器硬件配置及结构(Hardware)PUMA-562控制器为多CPU两级控制结构 上位计算机采用Q-Bus总线作为系统总线 上位计算机配有64kB RAM内存，两块四串口板，一块 I/O并行接口板，与下位机通信的A接口板 与上位机联接的I/O设备有CRT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 层监
3、控计算机、实时路径修正控制计算机,接口板A、B是上下位机通们的桥梁。上位机经过A、B接 口板向下位机发送命令和读取下位机信息。A板插在上位 机的Q-Bus总线上，B板插在下位机的J-Bus总线上，A、B 接口板之间通过扁平信号电缆通信。B板上有一个A/D转换器，用于读取B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。,下位计算机系统:由六块以6503CPU为核心的单板机组成，每 块板负责一个关节的驱动，构成6个独立的数字伺服控制回路。下位机的每块单板机上都有一个D/A转换器，其输出分 别接到6块功率放大器板的输入端。功率放大器输出与6台直流伺服电机相接。,PUMA-562 机
4、器人控制器硬件还包括一块C 接口板、一块高压控制板和六块功率放大器板，这几块板插 在另外的一个专门设计的功率放大器总线上。C 接口 板用于手臂电源和电饥制动的控制信号传递，放障检 测，制动控制。高压控制板提供电机所需的电压，还 控制手爪开闭电磁阀。,三、PUMA-562 控制器软件系统的工作原理(Software)PUMA-562 控制器软件 上位机软件：系统编程软件 下位机软件：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。系统软件针对各种运动形式的轨迹规划，坐标变换，完成以28ms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VAL语言机器人作业控制
5、程序、示教盒信息处理、机器人标定、故障 检测及异常保护等。PUMA-562 控制系统下位机软件驻留在下位单片机的EPROM中。伺服控制关节的运动。PUMA机器人仍然采用PID控制。,5.2 轨迹控制(The Robot Trajectory Control),路径：机械手由初始点(位置和姿态)运动到终止点，经过的空 间曲线。规划 直角坐标空间 关节空间轨迹控制解决的问题 轨迹的给定 如何高精度地跟踪轨迹,一、示教再现方式(Teach-replay)示教使机器人手臂运动的方法 用示教盒上的控制按钮 直接用手抓住机器人手部 使其手端按目标轨迹运动 轨迹再现方式 点位控制(PTP)连续路径控制(CP
6、),二、数控方式(Numerical Control)数控方式是把目标轨迹用数值数据的形式给出。要求 轨迹平滑;位置、速度及加速度 的连续性,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关节位移、速度及加速度变化规律。,5.3 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 位置和力混合控制问题，例：擦玻璃、拧 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 制内容。,一、作业约束与力控制 自
7、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 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 穿过这个表面(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 面切线方向的力(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 V=vx vy vz x y z T 力约束可以用手端在约束坐标中的力、力矩分量表示 F=fx fy fz x y z T自然约束 力：在切线方向上 位置：在法线方向人为约束 力：在法线方向 以保证与自然约束相符 位置：在切线方向上,二、例：插销入孔的控制 a）自然约束力：F=
8、0 人为约束：(产生一个沿Z轴向下的运动)V=0 0 vz 0 0 0 T vz为竖直向下的速度 b）自然约束：vz=0 x=0 y=0 fx=0 fy=0 z=0 人为约束：vx=0 vy=vh z=0 fz=fj x=0 y=0 在平面上滑动为保持与平面接触 所需要的小的正压力。fj为销子对平面的正压力，vh 为 销的滑动速度。当检测到沿Z的速度，表明销子进入孔中。,c、自然约束：vx=0 vy=0 x=0 y=0 fz=0z=0 人为约束：vz=vc z=0 fx=0 fy=0 x=0y=0 Vc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 检测发现的而检测量并不是受控
9、量；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。,三、作业约束与力控制的总结,四、顺应控制(Appliance Control)分为 主动式顺应控制 被动式顺应控制,五、刚性控制(Robust Control)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标给出的。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，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律。,F=Ksp(xd-x)F 作业坐标系中的力向量；xd 作业坐标系中的目标位置向量；x 一 作业坐标系中的当前位置向量；Ksp 一 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 则：F=Ksp(xd-x)+Ksd(xd-x)Ksd一 作业坐标系中的速度反馈增益，即阻尼常数,第5章 结 束,
