《機器人技術(shù)-建模、仿真及應(yīng)用》課件 第六章 機器人關(guān)節(jié)控制

ROBOT機器人技術(shù)——建模、仿真及應(yīng)用機器人關(guān)節(jié)控制第六章目錄機器人控制系統(tǒng)與控制方式PART.1單關(guān)節(jié)機器人模型和控制基于關(guān)節(jié)坐標的控制PART.3基于作業(yè)空間的伺服控制機器人末端執(zhí)行器的力/力矩控制PART.5機器人控制系統(tǒng)與控制方式機器人控制系統(tǒng)與控制方式PART.7PART.2PART.4PART.6PART.1機器人控制系統(tǒng)與控制方式機器人控制系統(tǒng)的特點機器人控制方式機器人控制系統(tǒng)的特點特

點對機器人動力學(xué)特性用公式進行描述為：3.是一個時變系統(tǒng)，其動力學(xué)參數(shù)隨著關(guān)節(jié)運動位置的變化而變化。2.1.本質(zhì)上是一個非線性系統(tǒng)。引起機器人非線性的因素很多，如機器人的結(jié)構(gòu)、傳動件等都會引起系統(tǒng)的非線性。特點由多關(guān)節(jié)組成的一個多變量控制系統(tǒng)，且各關(guān)節(jié)間具有耦合作用，具體表現(xiàn)為：某一個關(guān)節(jié)的運動，會對其他關(guān)節(jié)產(chǎn)生動力效應(yīng)，每一個關(guān)節(jié)都要受到其他關(guān)節(jié)運動所產(chǎn)生的擾動。工業(yè)機器人的機械臂多為由連桿通過關(guān)節(jié)串聯(lián)組成的空間開鏈機構(gòu)，其各個關(guān)節(jié)的運動是獨立的，為了實現(xiàn)末端點的運動軌跡，需要多關(guān)節(jié)的運動協(xié)調(diào)。因此，機器人機械臂的控制雖然與機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)密切相關(guān)，但比普通的自動化設(shè)備控制系統(tǒng)要復(fù)雜。式中，

為n個自由度機器人的廣義關(guān)節(jié)變量，，當(dāng)關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)時有，當(dāng)關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)時，

。為慣性矩陣；

為離心力和科氏力矢量；B為黏性摩擦因數(shù)矩陣；

為重力矢量；

為關(guān)節(jié)驅(qū)動力矢量。機器人控制系統(tǒng)的特點控制方式分類點位控制連續(xù)軌跡定義：點位控制（PTP）要求機器人末端以一定的姿態(tài)盡快且無超調(diào)地實現(xiàn)相鄰點之間的運動，但對相鄰點之間的運動軌跡不做具體要求。主要技術(shù)指標：是定位精度和運動速度，從事在印刷電路板上安插元件、點焊、搬運及上/下料等作業(yè)的工業(yè)機器人定義：連續(xù)軌跡（CP）控制要求機器人末端沿預(yù)定的軌跡運動，即在運動軌跡上任意特定數(shù)量的點處停留。主要技術(shù)指標：軌跡精度和運動的平穩(wěn)性，從事弧焊、噴漆、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人，采用的都是CP控制方式。機器人控制系統(tǒng)的特點控制方式分類力（力矩）控制方式定義：除要準確定位之外，還要求控制手部作用力或力矩，如對應(yīng)用于裝配、加工、拋光等作業(yè)的機器人，工作過程中要求機器人手爪與作業(yè)對象接觸，并保持一定的壓力。優(yōu)勢：防止由于機器人的位姿誤差及作業(yè)對象放置不準，或者手爪與作業(yè)對象脫離接觸，或者兩者相碰撞而引起過大的接觸力。確保機器人手爪不在空中晃動，或者造成機器人和作業(yè)對象的損傷。對于進行這類作業(yè)的機器人，一種比較好的控制方案是控制手爪與作業(yè)對象之間的接觸力。這樣，即使是作業(yè)對象位置不準確，也能保持手爪與作業(yè)對象的正確接觸。在力控制伺服系統(tǒng)中，反饋量是力信號，所以系統(tǒng)中必須有力傳感器。機器人控制系統(tǒng)的特點控制方式分類智能控制方式實現(xiàn)智能控制的機器人可通過傳感器獲得周圍環(huán)境的信息，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識庫做出相應(yīng)的決策。采用智能控制技術(shù)，可使機器人具有較強的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)習(xí)能力。智能控制技術(shù)方法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基因算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基因算法專家系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)的特點控制方式分類示教-再現(xiàn)控制直接示教定義：操作者使用安裝在機器人手臂末端的操作桿，按給定運動順序示教動作內(nèi)容，機器人自動把運動順序、位置和時間等數(shù)據(jù)記錄在存儲器中，再現(xiàn)時依次讀出存儲的信息，重復(fù)示教的動作過程。間接示教定義：采用示教盒進行示教。操作者通過示教盒上的按鍵操縱完成空間作業(yè)軌跡點及有關(guān)速度等信息的示教，然后通過操作盤用機器人語言進行用戶工作程序的編輯，并存儲在示教數(shù)據(jù)區(qū)。PART.2單關(guān)節(jié)機器人模型和控制數(shù)學(xué)模型阻抗匹配單關(guān)節(jié)位置與速度控制單關(guān)節(jié)機器人模型和控制數(shù)學(xué)模型由圖可知，直流伺服電動機經(jīng)傳動比為

的減速器驅(qū)動負載，這時負載軸的輸出轉(zhuǎn)矩將放大n倍，而轉(zhuǎn)速則減至原來的

，即

，，

。直流伺服電動機驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)的簡化模型為電樞電壓（V）為勵磁電壓（V）；為電樞電阻（

）；為電樞電感（H）；為電樞繞組電流（A）；為電動機輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）；為電動機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)（N·m/A）；為減速器向負載軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（N·m）為電動機軸的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；為電動機軸的阻尼系數(shù)（N·m/（rad/s））為電動機軸轉(zhuǎn)角（rad）；為負載軸轉(zhuǎn)角（rad）；為電動機齒輪齒數(shù)；為負載齒輪齒數(shù)；為負載軸的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；為負載軸的阻尼系數(shù)（N·m/（rad/s））圖中中符號含義分別為：RLi單關(guān)節(jié)機器人模型和控制數(shù)學(xué)模型該單關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由三部分組成：機械部分模型由電動機軸和負載軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程描述；電氣部分模型由電樞繞組的電壓平衡方程描述；機械部分與電氣部分相互耦合的部分模型由電樞電動機輸出轉(zhuǎn)矩與繞組電流的關(guān)系方程描述。電樞繞組電壓平衡方程為：

負載軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為

：

注意：由于減速器的存在，力矩將增大n倍。電動機軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為

：

（式中，

為電動機的反電動勢常數(shù)（V/（rad·s））直流伺服電動機驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)的簡化模型單關(guān)節(jié)機器人模型和控制數(shù)學(xué)模型該單關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由三部分組成：機械部分模型由電動機軸和負載軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程描述；電氣部分模型由電樞繞組的電壓平衡方程描述；機械部分與電氣部分相互耦合的部分模型由電樞電動機輸出轉(zhuǎn)矩與繞組電流的關(guān)系方程描述。直流伺服電動機驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)的簡化模型機械部分與電氣部分相互耦合部分的平衡方程為：再考慮到轉(zhuǎn)角

與

的關(guān)系為：通常與其他參數(shù)相比，L小到可以忽略不計，因此可令L=0，則將上式整理后得：（式中，

；

；

；。）對上式的兩邊在初始值為零時進行拉普拉斯變換，整理后可得到控制對象的傳遞函數(shù)為：單關(guān)節(jié)機器人模型和控制阻抗匹配直流伺服電動機驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)的簡化模型在電氣系統(tǒng)中，如果電源的內(nèi)部阻抗與負載阻抗相同，那么負載消耗的電能最大、效率最高。在機械系統(tǒng)和流體傳動系統(tǒng)中也有相似的性質(zhì)。要從某一能源以最高效率獲得能量，一般都要使負載的阻抗與能源內(nèi)部的阻抗一致，就稱為阻抗匹配。下面就電動機等驅(qū)動裝置與機械傳動系統(tǒng)的阻抗匹配問題加以說明。圖示的齒輪減速機構(gòu)中，由式

可知，若從負載側(cè)來計算，系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量為：為了使分析問題更簡單，忽略阻尼系數(shù)的影響，則由式

和式簡化得到：單關(guān)節(jié)機器人模型和控制阻抗匹配直流伺服電動機驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)的簡化模型當(dāng)圖中的機械手臂在短時間內(nèi)運動到指定的角度位置時，其角加速度為：要使角加速度達到最大，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x擇傳動比。由上式對傳動比求導(dǎo)，可得最佳傳動比為：這時，若從負載側(cè)來計算電動機的慣性矩(慣性阻抗)，則有：

即電動機的慣性矩與負載的慣性矩相等。單關(guān)節(jié)機器人模型和控制單關(guān)節(jié)位置與速度控制PID控制（比例積分微分控制）是自動化中廣泛使用的一種反饋控制，其控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成，利用信號的偏差值、偏差的積分值、偏差的微分值的組合來構(gòu)成操作量，PID控制的基本形式如圖所示。PID控制基本框圖PID控制若用表示偏差，則PID控制為:或式中，

為比例增益；

為積分增益；

為微分增益。它們統(tǒng)稱為反饋增益，反饋增益值的大小影響著控制系統(tǒng)的性能；稱為積分時間，稱為微分時間，兩者均具有時間量綱。比例單元：

按比例反映系統(tǒng)的偏差。積分單元：積分單元可使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分單元：反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，預(yù)見偏差變化的趨勢，產(chǎn)生超前控制提高無差度?？刂破鞲鲉卧恼{(diào)節(jié)作用利用直流伺服電動機自帶的光電編碼器，可以間接測量關(guān)節(jié)的固轉(zhuǎn)角度，或者直接在關(guān)節(jié)處安裝角位移傳感器測量出關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)角度，通過PID控制器構(gòu)成負反饋控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)框圖如圖所示。機器人單關(guān)節(jié)PID控制系統(tǒng)框圖控制規(guī)律為：

單關(guān)節(jié)PID控制單關(guān)節(jié)機器人模型和控制單關(guān)節(jié)位置與速度控制當(dāng)控制對象的庫倫摩擦力較小時，即使不用積分動作也可得到非常好的控制性能。這種控制方法稱為PD控制，其控制規(guī)律可表示為為了簡化問題，考慮目標值為定值的場合，則上式可轉(zhuǎn)化為此時的比例增益

又稱為反位置增益；微分增益

又稱為速度反饋增益，通常用

表示，則式上式表示為：此負反饋控制系統(tǒng)實際上就是帶速度反饋的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。PD控制單關(guān)節(jié)機器人模型和控制單關(guān)節(jié)位置與速度控制帶速度反饋的位置控制系統(tǒng)框圖如圖所示。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：與二階系統(tǒng)的標準形式對比，則系統(tǒng)的無阻尼自然頻率和阻尼比分別為顯然，引入速度反饋后，系統(tǒng)的阻尼比增加了。帶速度反饋的位置控制系統(tǒng)框圖單關(guān)節(jié)機器人模型和控制單關(guān)節(jié)位置與速度控制PD控制4.位置、速度反饋增益的確定二階系統(tǒng)的特性取決于它的無阻尼自然頻率

和阻尼比

。為了防止機器人與周圍環(huán)境物體發(fā)生碰撞，希望系統(tǒng)具有臨界阻尼或過阻尼，即要求系統(tǒng)的阻尼比

。于是由式可推導(dǎo)出：速度反饋增益K應(yīng)滿足下式：

另外，在確定位置反饋增益

時，必須考慮機器人關(guān)節(jié)部件的材料剛度和共振頻率

。假設(shè)已知機器人在空載時慣性矩為

，測出的結(jié)構(gòu)共振頻率為

，則加負載后，其慣性矩增至

,此時相應(yīng)的結(jié)構(gòu)共振頻率為：

單關(guān)節(jié)機器人模型和控制單關(guān)節(jié)位置與速度控制為了保證機器人能穩(wěn)定工作，防止系統(tǒng)振蕩，一般是將閉環(huán)系統(tǒng)無阻尼自然頻率

限制在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)共振頻率的一半之內(nèi)，即：根據(jù)這一要求來調(diào)整位置反饋增益

。由于

≥0(表示負反饋)，由可得、、三式可得：故有：單關(guān)節(jié)機器人模型和控制單關(guān)節(jié)位置與速度控制

的最小值則取決于對系統(tǒng)伺服剛度

的要求。可以證明，在具有位置和速度反饋的伺服系統(tǒng)中，伺服剛度

為：

4.位置、速度反饋增益的確定PART.3基于關(guān)節(jié)坐標的控制基于關(guān)節(jié)坐標的控制減速比較大時，慣性矩陣可以表示為：式中，為第軸的減速比；為第軸電動機轉(zhuǎn)子的慣性矩。同樣，黏性摩擦因數(shù)矩陣也可以近似地轉(zhuǎn)化為對角矩陣，即機器人動力學(xué)方程可以簡化為

式中，為第軸電動機轉(zhuǎn)子的黏性摩擦因數(shù)?；陉P(guān)節(jié)坐標的控制或關(guān)節(jié)位置或關(guān)節(jié)軌跡為目標值，令為關(guān)節(jié)角目標值。對有個關(guān)節(jié)的機器人，有：其伺服控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。在該系統(tǒng)中，目標值以關(guān)節(jié)角度值給出，各關(guān)節(jié)可以構(gòu)成獨立的伺服系統(tǒng)?；陉P(guān)節(jié)坐標的伺服控制系統(tǒng)框圖基于關(guān)節(jié)坐標的控制關(guān)節(jié)目標值

可以根據(jù)機器器人末端目標值

由逆運動學(xué)方程求出，即：

忽略驅(qū)動器的動態(tài)性能，機器人全部關(guān)節(jié)的驅(qū)動力可以直接給出，作為一種簡單的線性PD控制規(guī)律可表示為：式中，為關(guān)節(jié)角控制變量矩陣，；為關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩陣，

；為速度反饋增益矩陣，，其中

為第軸的速度反饋增益；為重力補償項?；陉P(guān)節(jié)坐標的控制關(guān)節(jié)角目標值隨著時間變化時，即CP控制。這時機器人末端的目標位置是隨著時間變化的位置目標軌跡

，相應(yīng)的關(guān)節(jié)角目標值也成為隨著時間變化的角度目標軌跡

，此時描述機器人全部關(guān)節(jié)的伺服控制系統(tǒng)的控制規(guī)律可表示為：上式稱為軌跡追蹤控制的力矩方程。PART.4基于作業(yè)空間的伺服控制三自由度機器人的基于作業(yè)空間的伺服系統(tǒng)控制原理如圖所示。利用PD控制實現(xiàn)上述控制過程時，其中的力與力矩用公式可以表示為

三自由度機器人的基于作業(yè)空的伺服系統(tǒng)控制原理基于作業(yè)空間的伺服控制系統(tǒng)框圖基于作業(yè)空間的伺服控制（1）（2）（3）采用基于作業(yè)空間的伺服控制系統(tǒng)，其閉環(huán)系統(tǒng)的平衡點

可達到漸進穩(wěn)定，即當(dāng)

時，

也即經(jīng)過無限長的時間保證手臂末端收斂于位姿目標值。采用位置目標軌跡控制方式的伺服控制系統(tǒng)的控制規(guī)律可以表示為：由式(1)來計算大小，用來使手臂末端手爪向目標方向動作。由式(2)的靜力學(xué)關(guān)系式把它分解為關(guān)節(jié)力矩

。由式(3)把末端拉向目標值。PART.5機器人末端執(zhí)行器的力/力矩控制阻抗控制位置與力的混合控制圖中所示為關(guān)節(jié)空間內(nèi)的阻抗控制。

關(guān)節(jié)空間內(nèi)的阻抗控制末端執(zhí)行器的力/力矩控制阻抗控制如圖所示，用質(zhì)量-阻尼-彈簧模型來表示末端執(zhí)行器與環(huán)境之間的作用，對該系統(tǒng)實施力控制的方法稱為阻抗控制。當(dāng)機器人末端的位置和理想的軌跡，存在偏差時，即，機器人在其末端產(chǎn)生相應(yīng)的阻抗力F。目標阻抗由下式確定

式中，

、

和

分別為阻抗控制的慣量、阻尼和彈性系數(shù)矩陣。阻抗控制原理圖

1-力傳感器2-手臂末端末端執(zhí)行器的力/力矩控制阻抗控制讓機器人的每一個關(guān)節(jié)都體現(xiàn)出由彈簧-阻尼-質(zhì)量組成的二階系統(tǒng)的動態(tài)特性即：式中的

項包含了離心力、科里奧利力和黏性摩擦力的影響。機器人末端執(zhí)行器施加的環(huán)境外力

與關(guān)節(jié)抵抗力矩

之間的關(guān)系為

末端執(zhí)行器的力/力矩控制阻抗控制機器人動力學(xué)方程：機器人在關(guān)節(jié)坐標系下的運動方程為：機器人在受到環(huán)境外力F作用后的運動方程為

（1）再根據(jù)機器人作業(yè)空間速度與關(guān)節(jié)空間速度的關(guān)系

可得：

（2）將式和式(2)代入式(1)，可得機器人的驅(qū)動力矩的控制規(guī)律為：

末端執(zhí)行器的力/力矩控制阻抗控制（3）若手臂動作速度緩慢，可以認為

，

，

，不考慮重力的影響。同時，假設(shè)

較小，則

近似成立。式（3）可以簡化為上式表示的控制規(guī)律稱為剛度控制規(guī)律，

稱為剛度矩陣。剛度控制是阻抗控制的一個特例，它是對機器人機械臂靜態(tài)力和位置的雙重控制?？刂频哪康氖钦{(diào)整機器人機械臂與外部環(huán)境接觸時的伺服剛度，以使機器人具有順應(yīng)外部環(huán)境的能力。的逆矩陣稱為柔順矩陣，即表示的控制規(guī)律也稱為柔順控制規(guī)律。末端執(zhí)行器的力/力矩控制阻抗控制讓機器末端執(zhí)行器在笛卡兒空間內(nèi)的每個方向都體現(xiàn)出由彈簧-阻尼-質(zhì)量組成的二階系統(tǒng)的動態(tài)特性即：

假定機器人的控制任務(wù)仍是跟隨一條提前規(guī)劃的軌跡，即：，，，則可定義如下的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制輸入：

速度和加速度求解分別為：

末端執(zhí)行器的力/力矩控制阻抗控制位置與力的混合控制設(shè)與壁面平行的軸為

軸，與壁面垂直的軸為

軸，如圖所示的二自由度極坐標機器人，關(guān)節(jié)1具有回轉(zhuǎn)自由度，關(guān)節(jié)2具有移動自由度?？刂颇繕藶閷蓚€自由度實施控制，生成壁面作用力的同時，機器人末端沿預(yù)定軌跡運動。二自由度極坐標機器人壁面打磨作業(yè)舉例末端執(zhí)行器的力/力矩控制假設(shè)期望的施加于壁面的垂直力為

，兩個關(guān)節(jié)的位移分別為

、

，由圖可以得到

且

式中，

為壁面反力，是關(guān)節(jié)1產(chǎn)生的力矩

和關(guān)節(jié)2產(chǎn)生的力矩

導(dǎo)致的。關(guān)節(jié)1和2追蹤目標軌跡

的同時，所產(chǎn)生的力矩必須滿足力矩關(guān)系式。位置與力的混合控制末端執(zhí)行器的力/力矩控制二自由度極坐標機器人壁面打磨作業(yè)舉例機器人末端的實際位移

是可以測量的，另一方面，機器人末端關(guān)節(jié)2軸線方向和其垂直方向的力通過質(zhì)量為

、彈簧剛度系數(shù)為

的力傳感器來測量?；谝陨系募僭O(shè)，考慮以下的偏差方程，即

式中，

為由圖中力傳感器測量的分力

、

構(gòu)成的力矢量。驅(qū)動力矩的確定位置與力的混合控制末端執(zhí)行器的力/力矩控制二自由度極坐標機器人壁面打磨作業(yè)舉例

為圖中從關(guān)節(jié)2處建立的坐標系到固定在基座上的作業(yè)坐標系之間的變換矩陣，定義為：

下面來構(gòu)造位置與力混合控制系統(tǒng)。沿

軸方向的位置和速度相關(guān)偏差構(gòu)成位置控制，與力相關(guān)的z軸方向位置和速度相關(guān)偏差作為輸入力構(gòu)成力控制。這里，把

定義為模式選擇矩陣即：

由上式可得出：

為目標值；

為實際值。位置與力的混合控制末端執(zhí)行器的力/力矩控制二自由度極坐標機器人壁面打磨作業(yè)舉例

當(dāng)偏差較小時，上三式是成立的。為了使機器人的末端位置偏差和末端力偏差

分別收斂到0，可采用下面的控制規(guī)律。（1）位置控制規(guī)律

為位置控制中的力矩均為基于位置偏差的PID控制的系矩陣。二自由度極坐標機器人壁面打磨作業(yè)舉例位置與力的混合控制末端執(zhí)行器的力/力矩控制從作業(yè)坐標系變換到關(guān)節(jié)坐標系，可以得到：（2）力控制規(guī)律

式中，

為力控制規(guī)律中的力矩。應(yīng)該注意的是：

和

可由運動學(xué)方程算出，

可由靜力學(xué)關(guān)系式算出。最終混合控制時，要把位置控制規(guī)律中

的和力控制規(guī)律中

的合在一起構(gòu)成的驅(qū)動力

施加到關(guān)節(jié)上，即：

式中，

為基于力偏差的負反饋控制的增益矩陣。位置與力的混合控制位置與力混合控制原理位置與力混合控制原理如圖所示，依據(jù)該控制原理，可以實現(xiàn)機器人手臂末端一邊在約束方向用目標力

推壓、一邊在約束方向的位置收斂到目標位置

的操作。PART.6工業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計單關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成工業(yè)機器人的末端要安裝各種類型的工具來完成作業(yè)任務(wù)，所以難以在末端安裝位移傳感器來直接檢測手部在空中的位姿。采取的辦法是利用各個關(guān)節(jié)電動機自帶的編碼器檢測的角度信息，依據(jù)正運動學(xué)間接地計算出手部在空中的位姿，所以工業(yè)機器人單關(guān)節(jié)電動機的控制系統(tǒng)是一個典型的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉系統(tǒng)控制精度有限半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計單關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)缺點：工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上主要分為控制系統(tǒng)硬件設(shè)計單片機(MCU)為核心的機器人控制系統(tǒng)優(yōu)點：電路原理簡潔、運行性能良好、系統(tǒng)成本低缺點：系統(tǒng)運算速度、數(shù)據(jù)處理能力有限且抗干擾能力較差可編程序控制器（PLC）為核心的機器人控制系統(tǒng)優(yōu)點：技術(shù)成熟、編程方便、體積小、方便安裝維護、互換性強缺點：無法進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理以及滿足機器人系統(tǒng)的多軸聯(lián)動等復(fù)雜的運動軌跡基于工業(yè)控制計算機（IPC+）運動控制卡的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)優(yōu)點：分工明確，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、實時性強、滿足復(fù)雜運動的算法要求、抗干擾能力強、開放性強缺點：對網(wǎng)絡(luò)通信要求實時性高、數(shù)據(jù)安全隱患IPC+運動控制卡的開放式工業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成基于IPC+運動控制卡的開放式工業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖所示。采用上、下位機的二級主從控制結(jié)構(gòu)。采用上、下位機的二級主從控制結(jié)構(gòu)。IPC為主機：主要實現(xiàn)人機交互管理、顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、發(fā)送運動指令、監(jiān)控反饋信號等功能。運動控制卡：以IPC為基礎(chǔ)，專門完成機器人系統(tǒng)的各種運動控制，主要是數(shù)字交流伺服系統(tǒng)及相關(guān)的信號輸入、輸出。IPC將指令通過PC總線傳送到運動控制器，運動控制器根據(jù)來自IPC的應(yīng)用程序命令，按照設(shè)定的運動模式，向伺服驅(qū)動器發(fā)出指令，完成相應(yīng)的實時控制?？刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成采用運動控制卡控制伺服電動機，通常使用以下兩種指令方式。（1）數(shù)字脈沖指令方式：這種方式與步進電動機的控制方式類似，運動控制卡向伺服驅(qū)動器發(fā)送“脈沖/方向”或“CW/CCW”類型的脈沖指令信號。（2）模擬信號指令方式：在這種方式下，運動控制卡向伺服驅(qū)動器發(fā)送±10V的模擬電壓指令，同時接受來自電動機編碼器的位置反饋信號。脈沖數(shù)量控制電動機轉(zhuǎn)動的角度脈沖頻率電動機轉(zhuǎn)動的速度控制伺服驅(qū)動器工作在位置控制模式位置閉環(huán)由伺服驅(qū)動器完成。優(yōu)點：系統(tǒng)調(diào)試簡單、不易產(chǎn)生干擾等。缺點：伺服系統(tǒng)響應(yīng)稍慢、控制精度較低。優(yōu)點：伺服響應(yīng)快、可以實現(xiàn)軟件伺服、控制精度高等。缺點：對現(xiàn)場干擾較敏感、調(diào)試稍復(fù)雜。伺服驅(qū)動器工作在速度控制模式，位置閉環(huán)控制由運動控制卡實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成伺服控制系統(tǒng)軟件控制把位置環(huán)從伺服驅(qū)動器移到運動控制卡上，在運動控制卡中實現(xiàn)電動機的位置環(huán)控制，伺服驅(qū)動器實現(xiàn)電動機的電流環(huán)控制和速度環(huán)控制，這樣可以在運動控制卡中實現(xiàn)一些復(fù)雜的控制算法，來提高系統(tǒng)的控制性能。圖中的動力學(xué)補償為對其他軸連接時所產(chǎn)生的離心力、科里奧利力等進行的補償，重力補償為對重力所產(chǎn)生的干擾力進行的補償。在軟件設(shè)計時，每隔一個控制周期求出機器人各關(guān)節(jié)的目標位置、目標速度、目標加速度和力矩補償值。對各個關(guān)節(jié)進行控制，達到提高系統(tǒng)的控制精度和魯棒性的目的。疊加多種補償值的前饋PID控制控制系統(tǒng)硬件設(shè)計工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成PART.7機器人關(guān)節(jié)控制仿真實例考慮一個二階對象模型，研究分別采用P、PI、PD、PID、阻抗、力/位置混合控制策略下閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。1.只有比例控制的情況。當(dāng)只有比例控制時，取值為0.8～3.2，變化增量為0.8。代碼：

比例控制閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線G0=zpk([],[-1-5],5);%建立零極點形式數(shù)學(xué)模型Kp=[0.8,1.6,2.4,3.2]；fori=1:length(Kp)G=feedback(Kp(i)*G0,1)%閉環(huán)反饋函數(shù)step(G)%求取系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)holdonendgtext('K_p=0.8')%函數(shù)的添加說明gtext('K_p=1.6')gtext('K_p=2.4')gtext('K_p=3.2')機器人關(guān)節(jié)控制仿真實例例2.采用PI控制。采用PI控制時，令，取值為0.2～0.5，變化增量為0.1。代碼：

PI控制閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線G0=zpk([],[-1-5],5);%建立零極點形式數(shù)學(xué)模型T=[0.2,0.3,0.4,0.5];Kp=1;fori=1:length(T)Gc=tf([Kp,Kp/T(i)],[1,0]);%采用傳遞函數(shù)形式建立系統(tǒng)模型sys=feedback(G0*Gc,1)%閉環(huán)反饋函數(shù)step(sys)%畫出任意一個動態(tài)系統(tǒng)模型sys的階躍響應(yīng)holdonendgtext('T_i=0.2')%函數(shù)的添加說明gtext('T_i=0.3')gtext('T_i=0.4')gtext('T_i=0.5')機器人關(guān)節(jié)控制仿真實例考慮一個二階對象模型例3.采用PD控制。采用PD控制時，令

，

的取值為0.5～1.1，變化增量為0.2。代碼：

PD控制閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線G0=zpk([],[-1-5],5);%建立零極點形式數(shù)學(xué)模型Kd=[6,8,10,12];Kp=1000;fori=1:length(Kd)Gc=tf([Kd(i),Kp],[0,1]);%采用傳遞函數(shù)形式建立系統(tǒng)模型sys=feedback(G0*Gc,1)%閉環(huán)反饋函數(shù)step(sys)%畫出任意一個動態(tài)系統(tǒng)模型sys的階躍響應(yīng)holdonendgtext('K_d=6')%函數(shù)的添加說明gtext('K_d=8')gtext('K_d=10')gtext('K_d=12')機器人關(guān)節(jié)控制仿真實例例考慮一個二階對象模型4.采用PID控制若采用PID控制，令

，