中职高教版《机器人技术与应用》第4章 第一节 机器人控制系统概述课件

机器人技术及应用 第四章 机器人控制 2023/5/22 2 第一节 机器人控制系统概述 控制是机器人技术中的一个关键问题，而控制系统的性能则是机器人发展水平一个重要标志。 机器人控制是控制领域的一个子集,一个独具特色的子集。 机器人控制系统是一个与机构学、运动学和动力学原理密切相关的、耦合紧密的、非线性和时变的多变量控制系统。 机器人控制系统一般由计算机和伺服控制器组成。 2023/5/22 3 工业机器人控制系统工作过程 机器人控制过程示意图 内部反馈 根据外界环境确定任务 确定运动轨迹（点动或轨迹） 计算目标任务在笛卡尔空间的位姿 任务执行 电机的伺服控制 转换为电机的给定值 转换为关节空间角度 外部反馈 作业控制器 组织层 伺服控制器 执行层 运动控制器 协调层 2023/5/22 4 （1）人工智能级—组织层—作业控制器 （2）控制模式级—协调层—运动控制器 （3）伺服系统级—执行层—驱动控制器 ——几种不同的称谓 机器人控制系统在物理上分为两级：工控机与伺服控制器，但在逻辑上一般分为三级（层）： 2023/5/22 5 作业控制器 驱动控制器3 驱动控制器1 驱动控制器2 驱动控制器4 运动控制器 机器人本体 机器人控制系统的构成 2023/5/22 6 分析各层（级）的关系与区别 知识粒度 数据处理 功能类别 作业控制级 粗 模糊 决策 运动控制级 中 精确 任务分解 驱动控制级 细 精确 控制 通过分层递阶的组织形式才能完成复杂任务 2023/5/22 7 工业机器人典型控制方式 点位式（PTP，point to point） 实现点的位置控制，而点与点之间的轨迹却无关紧要。如自动插件机，在贴片机上安插元件，点焊、搬运、装配。 轨迹式 (CP, continuous path) 指定点与点之间的运动轨迹为所要求的曲线，如直线或圆弧。在进行弧焊、喷漆、切割等作业时十分必要。 速度控制方式 对于机器人的行程要求遵循一定的速度变化曲线。 力（力矩）控制方式 要求对末端施加在对象上的力进行控制，如抓放操作、去毛刺、研磨和组装等作业。 智能控制方式 在不确定或未知条件下作业，通过传感器，内部的知识库，自主完成给定任务。 2023/5/22 8 机器人控制的特点 与机构学、运动学及动力学密切相关。 描述机器人状态和运动的数学模型是一个具有时变结构和参数的非线性模型，各关节变量之间存在紧密耦合。 一个简单的机器人至少也有3-5个自由度，于是机器人控制系统必须是一个计算机控制的多级递阶控制系统。 机器人的动作常常可以通过不同的方式和路径来完成，手臂解不唯一，这样便要处理在一定约束条件下的优化决策与控制问题。 伺服系统要求较高的位置精度，较大的调速范围，各关节的速度误差系数应尽量一致。 系统的静差率要小，位置无超调，动态响应尽量快。 2023/5/22 9 常用伺服控制策略 各种PID 控制方式 PID 控制是将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，算法简单，鲁棒性好，可靠性高；但反馈增益是常量 ，它不能在有效载荷变化的情况下改变反馈增益。 最优控制（Optimal Control） 基于某种性能指标的极大（小）控制，称之为最优控制。在高速机器人中，除了选择最佳路径外，还普遍采用最短时间控制，即所谓“砰—砰”控制。 2023/5/22 10 自适应控制 自适应控制则是根据系统运行的状态，自动补偿模型中各不确定因素，从而显著改善机器人的性能。分为模型参考自适应控制器、自校正自适应控制器和线性摄动自适应控制等 。 解耦控制 机器人各自由度之间存在着耦合，即某处的运动对另一处的运动有影响。在耦合严重的情况下，必须考虑一些解耦措施。 常用伺服控制策略(续) 2023/5/22 11 机器人特有伺服控制策略 重力补偿 在伺服系统的控制量中实时地计算重力项，并加入一个抵消重力的量，可补偿重力项的影响。 耦合惯量及摩擦力的补偿 在高速、高精度机器人中，必须考虑一个关节运动会引起另一个关节的等效转动惯量的变化，即耦合的问题；还要考虑摩擦力的补偿。 传感器的位置补偿 在内部反馈的基础上，再用一个外部位置传感器进一步消除误差，这种系统称为传感器闭环系统或大伺服系统。（否则为半闭环） 前馈控制和超前控制 前馈控制：从给定信号中提取速度、加速度信