第5章 工业机器人控制
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《机器人控制》PPT课件
同样可得活塞位移X与配油器输入信号（位移误 差信号）U间的关系为：
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29
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 2．电一液压伺服控制系统
据式（5.5）、（5.6）和图5.4可得系统的传递 函数:
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30
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 2．电一液压伺服控制系统 当采用力矩电动机作为位移给定元件时
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43
5.2 机器人的位置控制
机器人为连杆式机械手，其动态特性具有高度的非线性。 要控制这种由马达驱动的操作机器人，用适当的数学方 程式来表示其运动是十分重要的。这种数学表达式就是 数学模型，或简称模型。控制机器人运动的计算机，运 用这种数学模型来预测和控制将要进行的运动过程。
式中，1很小而又可以忽略时
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31
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
3．滑阀控制液压传动系统 图5．5表示出一个简单的滑阀控制液压传动系统 的结构框图。其中所用的控制阀为四通滑阀。
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32
5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 3．滑阀控制液压传动系统
5.1.2伺服控制系统举例
3．滑阀控制液压传动系统
式中，c＝k1n为闭环系统的自然角振荡频率；
c k1 为闭环系统的阻尼系数：2 1 为k1闭环系统
的第二时间常数；另一时间常数为1。
式（5.25）即为所求闭环系统的传递函数。从此式 可见，此闭环系统为一等价三阶系统。我们往往把 它简化为一个一阶环节与一个二阶环节串联的系统。 这样，便于对系统进行分析与研究。
13
PID控制器参数整定的一般规律
工业机器人编程技术--课件----第5章---熟悉ROBOGUIDE安装与基本功能
时的各时间节点。 Close Hand： 打开或闭合机器人手爪。 Restart Controller：重启控制系统，包括冷启动、控制启
动和初始化启动。 Turn On/Off Controller：打开/关闭机器人控制系统。 Launch MotionPRO...： 启动 MotionPRO。 Robot Properties：对机器人属性进行设置，也可以双击
2.1 任务三：认识ROBOGUIDE界面
4、元素菜单
Add Robot：添加机器人或添加与工作站中相同类型的 机器人。
Add Machine 至 Add Vision Sensor Unit：添加各种外部 设备的模型来构建仿真工作站场景，包括运动机械、工 装台、工件外围设备以及视觉传感器单元等。
制视频的 Logo 进行设置。
2.1 任务三：认识ROBOGUIDE界面
5、机器人菜单
Teach Pendant： 打开虚拟TP示教。 Lock Teach Tool Selection： 锁定一种示教工具。 Move To Retry： 移动到所选位置点。 Show Work Envelope： 显示机器人的工作范围。 Show Joint Jog Tool： 显示/隐藏机器人关节调节工具。 Alarms：显示机器人的所有程序报警信息。 Program Timer：程序时间器，记录整个工作站仿真动作
俯视图、右视图、左视图、前视图、后视图，第六个选项 Isometric表示的是在工作站中的固定三维空间视角。 Center on Selected Object： 选定目标对象置于显示中心。 Full View：工作站全景视角，可以观察到整个工作站。 Wire-frame：所有对象以线框显示。 Perspective：将三维视图切换到透视视图。 Camera View：切换相机视角，如果添加了多个相机，可在 不同相机视角之间切换。 Program Node Map：程序运动节点图显示选项。 Quick Bars：对机器人运动和仿真操作的快捷指令。 Mouse Commands：显示或隐藏鼠标快捷键提示窗口。
动和初始化启动。 Turn On/Off Controller：打开/关闭机器人控制系统。 Launch MotionPRO...： 启动 MotionPRO。 Robot Properties：对机器人属性进行设置，也可以双击
2.1 任务三：认识ROBOGUIDE界面
4、元素菜单
Add Robot：添加机器人或添加与工作站中相同类型的 机器人。
Add Machine 至 Add Vision Sensor Unit：添加各种外部 设备的模型来构建仿真工作站场景，包括运动机械、工 装台、工件外围设备以及视觉传感器单元等。
制视频的 Logo 进行设置。
2.1 任务三：认识ROBOGUIDE界面
5、机器人菜单
Teach Pendant： 打开虚拟TP示教。 Lock Teach Tool Selection： 锁定一种示教工具。 Move To Retry： 移动到所选位置点。 Show Work Envelope： 显示机器人的工作范围。 Show Joint Jog Tool： 显示/隐藏机器人关节调节工具。 Alarms：显示机器人的所有程序报警信息。 Program Timer：程序时间器，记录整个工作站仿真动作
俯视图、右视图、左视图、前视图、后视图，第六个选项 Isometric表示的是在工作站中的固定三维空间视角。 Center on Selected Object： 选定目标对象置于显示中心。 Full View：工作站全景视角，可以观察到整个工作站。 Wire-frame：所有对象以线框显示。 Perspective：将三维视图切换到透视视图。 Camera View：切换相机视角，如果添加了多个相机，可在 不同相机视角之间切换。 Program Node Map：程序运动节点图显示选项。 Quick Bars：对机器人运动和仿真操作的快捷指令。 Mouse Commands：显示或隐藏鼠标快捷键提示窗口。
教案-工业机器人基础第5章01
第五章机器人驱动系统5.1机器人驱动系统概述【内容提要】本课主要学习机器人驱动系统的主要几个指标:驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构。
知识要点：✓机器人的驱动方式✓机器人的驱动元件✓机器人的传动机构✓机器人的制动机构重点：✓机器人的驱动方式✓机器人的驱动元件难点：✓机器人的传动机构关键字：✓驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构【本课内容】【内容提要】本章主要介绍机器人的驱动系统。
内容包括机器人的直接与间接驱动方式，液压、气压、电动驱动元件与特点，驱动机构与传动机构，制动器；液压系统组成与工作原理，液压系统的主要设各；气压系统组咸与王作原理，气压系统的主要设备；直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，交流电动机与交流伺服电动机的结构原理与参数，步进电动机的结构原理与参数，直线步进电动机简介。
学习完本章的内容后，学生应能够；了解机器人的驱动方式，掌握不同类型机器人驱动元件的性能与特点，熟悉驱动机构、传动机构及其传动方式的图例与特点，了解制动器的基本功能；能够熟练地分析实际机器人的驱动机构、驱动方式与制动原理，能够绘制出传动原理图。
掌握机器人的液压驱动系统的组成，熟悉液压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析液压驱动系统的流程，能够找出液压驱动系统的故障环节。
掌握机器人的气压驱动系统的组成，熟悉气压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析气压驱动系统的流程，能够找出气压驱动系统的故障环节。
了解伺服系统与伺服电动机的要点，掌握直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，掌握交流电动机与交流伺服电动机的结构原理与参数，掌握步进电动机的结构原理与参数；能够分析电动机驱动系统的工作特性，能够找出电动机驱动系统的控制要点。
5.1机器人驱动系统概述机器人是运动的，各个部位都需要能源和动力，因此设计和选择良好的驱动系统是非常重要的.本节主要介绍机器人驱动系统的主要几个指标；驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构。
第5章5.1机器人驱动系统概述
交式 ➢ c)外部驱动机构驱动臂
部的形式 ➢ d)驱动电机安装在关节
内部
2020/2/27
5
第5章 机器人驱动系统
2020/2/27
❖如图5-2所示，耐磨球轴承，a)普通向心球轴承 b）向心力球轴承 c）四点接触球轴承
6
第5章 机器人驱动系统
2020/2/27
（2）移动关节
移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直 线导向作用的直线导轨部分组成。
❖为了使关节定位准确，制动器必须有足够的定位 精度。制动器应当尽可能地放在系统的驱动输入端， 这样利用传动链速比，能够减小制动器的轻微滑动 所引起的系统移动，保证了在承载条件下仍具有较 高的定位精度。在许多实际应用中机器人都采用了 制动器。
34
2020/2/27
工业机器人基础
35
驱动系统的性能如下： ➢1.刚度和柔性 ➢2.重量、功率-重量
比和工作压强
3
第5章 机器人驱动系统
2020/2/27
5.1.1驱动方式
机器人的驱动方式主要分为直接驱动和间接驱动。 两种无论何种方式，都是对机器人关节的驱动。
1.关节与关节驱动
❖机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有 转动型和移动型，分别称为转动关节移动关节。
1-电动机 2-蜗杆 3-臂架 4-丝杠 5-蜗轮 6-箱体 7-华健套 图5.8丝杠螺母传动的手臂升降机构
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第5章 机器人驱动系统
2020/2/27
4 带传动和链传动
❖带传动和链传动用于传递平行轴之间的回转运动， 或把回转运动转换成直线运动，机器人中的带传动 和链传动分别通过带轮或链轮传递回转运动，有时 还用来驱动平行轴之间的小齿轮。
部的形式 ➢ d)驱动电机安装在关节
内部
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第5章 机器人驱动系统
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❖如图5-2所示，耐磨球轴承，a)普通向心球轴承 b）向心力球轴承 c）四点接触球轴承
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第5章 机器人驱动系统
2020/2/27
（2）移动关节
移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直 线导向作用的直线导轨部分组成。
❖为了使关节定位准确，制动器必须有足够的定位 精度。制动器应当尽可能地放在系统的驱动输入端， 这样利用传动链速比，能够减小制动器的轻微滑动 所引起的系统移动，保证了在承载条件下仍具有较 高的定位精度。在许多实际应用中机器人都采用了 制动器。
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工业机器人基础
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驱动系统的性能如下： ➢1.刚度和柔性 ➢2.重量、功率-重量
比和工作压强
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第5章 机器人驱动系统
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5.1.1驱动方式
机器人的驱动方式主要分为直接驱动和间接驱动。 两种无论何种方式，都是对机器人关节的驱动。
1.关节与关节驱动
❖机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有 转动型和移动型，分别称为转动关节移动关节。
1-电动机 2-蜗杆 3-臂架 4-丝杠 5-蜗轮 6-箱体 7-华健套 图5.8丝杠螺母传动的手臂升降机构
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第5章 机器人驱动系统
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4 带传动和链传动
❖带传动和链传动用于传递平行轴之间的回转运动， 或把回转运动转换成直线运动，机器人中的带传动 和链传动分别通过带轮或链轮传递回转运动，有时 还用来驱动平行轴之间的小齿轮。
教案-工业机器人基础第5章02
第五章机器人驱动系统5.2机器人气压驱动 5.3 机器人液压驱动【内容提要】本课主要学习机器人气压驱动系统，气源装置、气动控制元件、气动执行元件和辅助元件；液压驱动系统及其特性。
知识要点：✓气压驱动系统的组成✓气源装置、气动控制元件、气动执行元件和辅助元件的功能✓液压驱动系统的组成和作用重点：✓掌握气压驱动系统的组成和元件功能✓掌握液压驱动系统的作用难点：✓气压驱动和液压驱动的对比关键字：✓气压驱动、气动三大件、液压驱动【本课内容】5.2机器人气压驱动系统气压驱动系统是以压缩空气为工作介质进行能量和信号传递的技术.气压系统的工作原理是利用空压机把电动机或其他原动机输出的机槭能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功。
由此可知，气压驱动系统和液压驱动系统类似，也是由四部分组成的，分别为气源装置、气动控制元件、气动执行元件和辅助元件。
5.2.1 气源装置气源装置是获得压缩空气的装置。
其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能。
气压驱动系统中的气源装置是为气动系统提供满足一定质量要求的压缩空气，它是气压传动系统的重要组咸部分。
由空气压缩机产生的压缩空气，必须经过降温、净化、减压、稳压等一系列处理后`才能供给控制元件和执行元件使用。
而用过的压缩空气排向大气时，会产生噪声，应采取措施，降低噪声，改善劳动条件和环境质量。
1 压缩空气站的设备组成压缩空气站的设备一般包括产生压缩空气的空气压缩机和使气源洚化的辅助设备。
图5.16是压缩空气站设各组成及布置示意图。
在图中，空气压缩机用以产生压缩空气，一般由电动机带动。
其吸气口装有空气过滤器以减少进入空气压缩机的杂质量，后冷却器用以降温冷却压缩空气，使净化的水凝结出来.油水分离器用以分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等，贮气罐用以储存压缩空气，稳定压缩空气的压力并除去部分油分和水分。
第5章 工业机器人PLC控制
5.2 PLC的硬件结构
❖ 为了进一步提高PLC的可靠性，对大型PLC还采 用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式 系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统 仍能正常运行。
❖ CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决 定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等， 因此限制着控制规模。
（如按钮、开关等）与PLC的输入端子连接，将接收输出
信号的被控设备（如接触器、电磁阀等）与PLC的输出端
子连接，仅用螺丝刀即可完成全部接线工作。
❖
PLC的用户程序可在实验室模拟调试，输入信号用
开关来模拟，输出信号可以观察PLC的发光二极管。调试
后再将PLC在现场安装通调。调试工作量要比继电器控制
系统少得多。
❖
PLC的故障率很低，并且有完善的自诊断功能和运
行故障指示装置。一旦发生故障，可以通过PLC机上各种
发光二极管的亮灭状态迅速查明原因，排除故障。
5.1 可编程序逻辑控制器概要
❖ 5．体积小、重量轻、功耗低
❖
由于PLC采用半导体大规模集成电路，因
此整个产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低，
PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体
化的理想的控制设备。
5.1 可编程序逻辑控制器概要
❖5.1.3 PLC编程语言
❖PLC普遍流行的梯形图进行讲解，直观易懂。它 是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的 连通图，与电气原理图相似。梯形图通常有左右两 条母线，两母线之间是内部“软继电器”的常开、常 闭触点以及继电器线圈组成的平行的逻辑行，每个 逻辑行以触点与左母线开始，以线圈和右母线结束。
5.1 可编程序逻辑控制器概要
❖ 在硬件方面采取的主要措施有： ❖ （1）隔离 ❖ PLC的输入、输出接口电路一般都采用光电耦合
工业机器人第五章
（2）在线示教（On －line Teaching）
在机器人工作现场操纵机器人完成全部操作运动，并记录 下位姿等参数的方法，称为～。
条件： 机器人各个关节采用闭环控制（？），具备获得位姿 值的条件（例如利用编码器可以获得关节转角值）。
手把手示教 示教装置示教
手把手示教：
操作员用手直接推动机器人经过一系列示教点。
条件：
编程工具（语言）和显示界面。
机器人控制柜（或示教盒）要含有输入界面（如键盘）和 显示界面（如显示屏）等！ 先进机器人基本采用混和示教方式！
四. 示教－再现原理（Teach－Playback)
借助于示教获得机器人的轨迹参数，然后再依靠控制系统 将运动复现出来的方法，称为示教－再现。 关键在于“示教”！再现功能的实现相对容易。 示教再现机器人：
轨迹参数； 示教再现原理； 关节控制曲线； 多轴协调； 轨迹插补； 学习基础： 电机学 古典控制理论 测试技术
§5.1 轨迹参数
从运动学的角度看，机器人控制的目的就是实现要求的运动！ 问题：如何向机器人描述希望的运动？
一.轨迹参数
轨迹： 机器人末端执行器标架在运动过程中的广义位移、 广义速度和广义加速度，称为～ 轨迹参数： 描述轨迹的参数，称为～ 主要参数 位姿－轨迹上各点位姿
使用机器人语言的目的是为了进行运动编程； 许多通用计算机语言都具备此类功能； 通用计算机语言功能更多； 现在的机器人控制器远比早期时强大。 对通用计算机编程语言进行改造，保留相关功能，剪裁无 用功能，增加新的函数，即可以快速得到一种不错的机器 人语言，例如ROBOC。
§5.2 轨迹实现
一. 控制方式 1. 点到点控制（PTP-Point To Point）
第五章
工业机器人技术基础及其应用没章思考题练习题参考答案
《工业机器人技术基础及其应用》（戴凤智，乔栋主编）的每章思考与练习题及其参考答案第1章工业机器人概述1.机器人系统由哪四部分组成？答：（教材第2页）机器人系统由以下四部分组成：机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统。
2.工业机器人有哪些基本特点？答：（教材第3页）工业机器人主要有以下三个基本特点：可编程、拟人化、通用性。
3.工业机器人的传感部分有哪些子系统组成？答：（教材第12页）机器人的传感部分相当于人类的五官，机器人可以通过传感部分来感觉自身和外部环境状况，帮助机器人工作更加精确。
工业机器人的传感部分主要分为两个子系统：感受（传感）系统、机器人与环境交互系统。
4.工业机器人的机械部分有哪些子系统组成？答：（教材第11页）机械部分是机器人的硬件组成，也称为机器人的本体。
工业机器人的机械部分主要分为两个子系统：驱动系统、机械结构系统。
5.工业机器人的控制部分有哪些子系统组成？答：（教材第11页）控制部分相当于机器人的大脑，可以直接或者通过人工对机器人的动作进行控制。
工业机器人的控制部分分为两个子系统：人机交互系统、控制系统。
6.工业机器人一般有哪些主要技术指标？答：（教材第12页）工业机器人的技术指标是机器人生产厂商在产品供货时所提供的技术数据，反映了机器人的适用范围和工作性能，是选择机器人时必须考虑的问题。
工业机器人的主要技术指标一般包括：自由度、工作精度、工作范围、额定负载、最大工作速度等。
7.工业机器人是如何进行分类的？答：（教材第14页）工业机器人的分类方法有很多，本书主要介绍了以下三种分类方法。
（1）按机械结构可以分为串联机器人和并联机器人。
（2）按机器人的机构特性可以分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、多关节坐标机器人。
（3）按程序输入方式可以分为编程输入型机器人、示教输入型机器人。
第2章工业机器人的机械结构系统和驱动系统1.工业机器人的机械系统有哪三部分组成？答：（教材第22页）工业机器人的机械系统由手部、手臂、基座三部分组成。
第5章机器人控制系统
5.2.3 力(力矩)控制方式
机器人行程的速度 /时间曲线
在进行装配或抓取物体等作业时，工业机器人末端操作器与环境或作业对象
的表面接触，除了要求准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时 就要采取力 (力矩)控制方式。力(力矩)控制是对位置控制的补充，这种方式的控制 原理与位置伺服控制原理也基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是 力 (力矩 )信号，因此，系统中有力 (力矩)传感器。
5.1.4 工业机器人控制的特点
1) 传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统则更 着重本体与操作对象的相互关系。
2) 工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。
3) 每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协
调起来，组成一个多变量的控制系统。
4) 描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的
姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。 机器人控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。
5.1.1 机器人控制系统的基本功能
机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以 完成特定的工作任务，其基本功能如下：
（1）记忆功能 （ 2）示教功能 （ 3）与外围设备联系功能 （ 4）坐标设置功能 （ 5）人机接口 （ 6）传感器接口 （ 7）位置伺服功能
第八页，编辑于星期二：二十点 二十一分。
5.2 工业机器人控制的分类
工业机器人控制结构的选择，是由工业机器人所执行的任务决定的，对不 同类型的机器人已经发展了不同的控制综合方法。工业机器人控制的分类，
没有统一的标准。
? 按运动坐标控制的方式来分：有关节空间运动控制、直角坐标空间 运动控制
机器人行程的速度 /时间曲线
在进行装配或抓取物体等作业时，工业机器人末端操作器与环境或作业对象
的表面接触，除了要求准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时 就要采取力 (力矩)控制方式。力(力矩)控制是对位置控制的补充，这种方式的控制 原理与位置伺服控制原理也基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是 力 (力矩 )信号，因此，系统中有力 (力矩)传感器。
5.1.4 工业机器人控制的特点
1) 传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统则更 着重本体与操作对象的相互关系。
2) 工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。
3) 每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协
调起来，组成一个多变量的控制系统。
4) 描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的
姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。 机器人控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。
5.1.1 机器人控制系统的基本功能
机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以 完成特定的工作任务，其基本功能如下：
（1）记忆功能 （ 2）示教功能 （ 3）与外围设备联系功能 （ 4）坐标设置功能 （ 5）人机接口 （ 6）传感器接口 （ 7）位置伺服功能
第八页，编辑于星期二：二十点 二十一分。
5.2 工业机器人控制的分类
工业机器人控制结构的选择，是由工业机器人所执行的任务决定的，对不 同类型的机器人已经发展了不同的控制综合方法。工业机器人控制的分类，
没有统一的标准。
? 按运动坐标控制的方式来分：有关节空间运动控制、直角坐标空间 运动控制
第5章-机器人控制
5.4 机器人的智能控制
–4.遗传算法
•遗传算法（Genetic Algorithm）是模拟达尔文生物进 化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模 型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。 •主要特点：直接对结构对象进行操作，不存在求导和函 数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局寻 优能力；采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优 化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要确定的 规则。
k0
Vf s s 1es1ms
电气时间常数
机械时间常数
m s Vf s
s
k0
1 m s
5.2 机器人的位置控制
–因为转子转速ω=dθm/dt，所以：
m s Vf s
k0
s 1ms
m s Vf s
k0
1ms
–电枢控制直流电动机的传递函数：
S
1
22
S
2
S2
22
1
5.2 机器人的位置控制
机器人为串续连杆式机械手，其动态特性具有高 度的非线性。控制这种由马达驱动的操作机器 人，用适当的数学方程式来表示其运动是十分重 要的。这种数学表达式就是数学模型，或简称模 型。控制机器人运动的计算机，运用这种数学模 型来预测和控制将要进行的运动过程。
–3. 主要控制层次
•（3）伺服系统级 •解决机器人的一般实际问题。主要包括伺服电机的控 制、液压缸伺服控制、电-液伺服控制等。
5.1 机器人的基本控制原则
–液压缸伺服传动系统
•作为液压传动系统的动力元件， 能够省去中间动力减速器，从而消 除齿隙和磨损问题。 •结构简单、比较便宜，在工业机 器人机械手的往复运动装置和旋转 运动装置上都获得了广泛应用。
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步距角为90°或45°。
31
2015年5月11日
VR型步进电机的工作原理
转子由齿轮状的低碳钢构成。 转子在通电相定子磁场的作用
下，旋转到磁阻为最小的位臵 。 通常使用的步距角为0.9°、 1.8°及3.6°等。
11
12
2015年5月11日
机器人控制方法的分类
根据不同的分类方法，机器人控制方式可以有不同的 分类。下图是一种常用的分类方法。从总体上，机器人的 控制方式可以分为动作控制方式和示教控制方式。 按照被控对象来分，可以分为位臵控制、速度控制、加 速度控制、力控制、力矩控制、力和位臵混合控制等等。 无论是位置控制或速度控制，从伺服反馈信号的形式 来看，又可以分为基于关节空间的伺服控制和基于作业空间(手
5
2015年5月11日
机器人的结构组成
四大组成部分 • 执行机构 • 驱动单元 • 控制系统 • 智能系统
6
2015年5月11日
执行机构
执行机构是机器人完成工作任务的机械实体一般为“ 机械手臂+末端操作器” 机械手臂manipulator： 一般为由杆件机构和关节机构 组成的空间开链机构常常进一步细分为机座腰部臂部 肩和肘腕部 末端操作器end-effector ：按作业用途定（是机器人完 成特定作业的关键装臵）
26
2015年5月11日
直流电机的基本特性
由图可知直流电机产生
的转矩与电机电流成比 例。 当电机转速为零时电流 为最大值，同时产生最 大转矩（启动转矩）， 随着转速的升高，线圈 的反电动势相应增大， 电流逐渐减小，转矩也 随之变小。
27
2015年5月11日
直流电机的线性控制
也可称为电阻控制方式。在电机 与电源之间插入晶体三极管，这 个晶体三极管相当于一个可变电 阻器，也就相当于控制了加于电 机上的电压，从而改变电机的转 速和转矩。晶体管工作于不饱和 区，基本上与低频功率放大器的 电路结构相同
3
2015年5月11日
第五章 工业机器人控制
5.1机器人控制系统与控制方式 5.2单关节机器人模型和控制 5.3基于关节坐标的控制 5.4基于作业空间的伺服控制 5.5机器人末端操作器的力/力矩控制
4
2015年5月11日
5.1机器人控制系统与控制方式
机器人控制的基本目的
告诉机器人要做什么; 机器人接受命令，并形成作业的控制策略; 保证正确完成作业; 通报作业完成情况。
15
16
2015年5月11日
机器人控制系统的组成
（1）控制计算机 控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32 位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU； （2）示教盒 示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作， 拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信 息交互； （3）操作面板 由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作； （4）硬盘和软盘存储 存储机器人工作程序的外围存储器； （5）数字和模拟量输入输出 各种状态和控制命令的输入或输出； （6）打印机接口 记录需要输出的各种信息； （7）传感器接口 用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉 、触觉和视觉传感器； （8）轴控制器 完成机器人各关节位臵、速度和加速度控制； （9）辅助设备控制 用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等； （10）通信接口 实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行 接口等； （11）网络接口 。
29
2015年5月11日
步进电机的分类
PM型
(Permanent Magnet) VR型 (Variable Reluctance ) HB型 （HyBrid ）
30
2015年5月11日
PM型步进电机的工作原理
转子为圆筒形永磁钢，定子位
于转子的外侧。 定子线圈中流过电流时产生定 子磁场。 定子和转子磁场间相互作用， 产生吸引力或排斥力从而使转 子旋转。
部坐标)的伺服控制。
12
13
2015年5月11日
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机器人控制系统的功能组成
记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生 产工艺有关的信息。 示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒 和导引示教两种。 与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同 步接口。 坐标设臵功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 传感器接口：位臵检测、视觉、触觉、力觉等 位臵伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、 动态补偿等。 故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全 保护和故障自诊断。
启动转矩大、体积小、质量轻、转矩和转速容易控制及效率高等十 分优良的特性。 但是，由于有电刷和换向器，在其寿命、噪声等方面必然存在不足 。为了克服这一缺点，开发研制出了无刷直流电机。 在进行位臵控制和速度控制时，需要使用转速传感器，实现位臵、 速度负反馈的闭环控制方式。
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5.2单关节机器人模型和控制
机器人对关节驱动电机的主要要求归纳如下： ①快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的
工作状态的时间应短。
②启动转矩惯量比大。 ③控制特性的连续性和直线性。 ④调速范围宽。能使用于1:1000至1:10000的调速范围。 ⑤体积小、质量小、轴向尺寸短。 ⑥能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向 和加减速运行，并能在短时间内承受过载。
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数控方式
数控方式与数控机床的控制方式一样，是把目标轨迹用数 值数据的形式给出。这些数据是根据工作任务的需要设臵 的。 与点之间的目标轨迹。此种目标轨迹要根据不同的情况要 求生成。但是也要遵循一些共同的原则。 例如，生成的目标轨迹应是实际上能实现的平滑的轨 迹；要保证位臵、速度及加速度的连续性。保证手端轨迹 、速度及加速度的连续性，是通过各关节变量的连续性实 现的。
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机器人控制系统框图
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机器人的轨迹控制
机械手由初始点(位臵和姿态)运动到终止点经过的空间曲线称为路径 。 轨迹规划方法一般是在机器人初始位臵和目标位臵之间用多项式函 数来“内插”或“逼近”给定的路径，并产生一系列“控制设定点 ”。路径端点一般是在笛卡儿坐标中给出的。如果需要某些位臵的 关节坐标，则可调用运动学逆问题求解程序，进行必要的转换。 在给定的两端点之间，常有多条可能的轨迹。而轨迹控制就是控制 机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因此，目标轨迹的给定方法 和如何控制机器人手臂使之高精度地跟踪目标轨迹的方法是轨迹控 制的两个主要内容。 给定目标轨迹的方式有示教再现方式和数控方式（离线编程）两种 。
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机器人控制系统的特点
典型的机器人有5至6个关节，每个关节由一个伺服系统控制， 关节的运动要求各个伺服系统协同工作。 机器人的工作任务是使末端执行器进行空间点位运动或轨迹运 动。对于机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算以 及矩阵函数的逆运算。 机器人数学模型是多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变 量之间还存在着耦合，因此机器人的控制中常使用前馈、补偿 、解耦、自适应等复杂控制技术。 较高级的机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析， 采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、 决策、管理和操作，按照给定的要求自动选择最佳控制规律。
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示教再现方式
示教再现方式是在机器工作之前，让机器人手端沿目标轨
迹移动，同时将位臵及速度等数据存入机器人控制计算机 中。在机器人工作时再现所示教的动作，使手端沿目标轨 迹运动。
示教时使机器人手臂运动的方法有两种：一种是用示教盒
上的控制按钮发出各种运动指令；另一种是操作者直接用 手抓住机器人手部，使其手端按目标轨迹运动。轨迹记忆 再现的方式有点位控制(PTP)和连续路径控制(CP)。点位控 制主要用于点焊作业、更换刀具或其他工具等情况。连续 路径控制主要用于弧焊、喷漆等作业。
工业机器人技术
Technology of Industry Robots
北京联合大学 Beijing Union University
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章节安排
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
绪论 工业机器人机械系统设计 工业机器人运动学 工业机器人静力计算及动力学分析 工业机器人控制 工业机器人感觉系统 工业机器人轨迹规划与编程 工业机器人应用
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直流电机的PWM控制
晶体三极管作为一个开关，使加到电机上电压的ON与OFF的时间比 （占空比，duty tatio）发生变化，从而控制电机电压的平均值。 由于三极管工作于饱和状态，几乎不消耗功率，因此PWM控制方式 比较经济。但由于电机供电电压处于开关状态，因此会有噪声、振动 以及电刷、换向器损伤等问题。
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2015年5月11日
驱动电动机
机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1~10kW。工 业机器人驱动系统中所采用的电动机，可细分为以下几种
：
①交流伺服电动机。包括同步型交流伺服电动机等。 ②直流伺服电动机。包括小惯量永磁直流伺服电动机、
印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、 空心杯电枢直流伺服电动机。
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VR型步进电机的工作原理
转子由齿轮状的低碳钢构成。 转子在通电相定子磁场的作用
下，旋转到磁阻为最小的位臵 。 通常使用的步距角为0.9°、 1.8°及3.6°等。
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机器人控制方法的分类
根据不同的分类方法，机器人控制方式可以有不同的 分类。下图是一种常用的分类方法。从总体上，机器人的 控制方式可以分为动作控制方式和示教控制方式。 按照被控对象来分，可以分为位臵控制、速度控制、加 速度控制、力控制、力矩控制、力和位臵混合控制等等。 无论是位置控制或速度控制，从伺服反馈信号的形式 来看，又可以分为基于关节空间的伺服控制和基于作业空间(手
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机器人的结构组成
四大组成部分 • 执行机构 • 驱动单元 • 控制系统 • 智能系统
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执行机构
执行机构是机器人完成工作任务的机械实体一般为“ 机械手臂+末端操作器” 机械手臂manipulator： 一般为由杆件机构和关节机构 组成的空间开链机构常常进一步细分为机座腰部臂部 肩和肘腕部 末端操作器end-effector ：按作业用途定（是机器人完 成特定作业的关键装臵）
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2015年5月11日
直流电机的基本特性
由图可知直流电机产生
的转矩与电机电流成比 例。 当电机转速为零时电流 为最大值，同时产生最 大转矩（启动转矩）， 随着转速的升高，线圈 的反电动势相应增大， 电流逐渐减小，转矩也 随之变小。
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直流电机的线性控制
也可称为电阻控制方式。在电机 与电源之间插入晶体三极管，这 个晶体三极管相当于一个可变电 阻器，也就相当于控制了加于电 机上的电压，从而改变电机的转 速和转矩。晶体管工作于不饱和 区，基本上与低频功率放大器的 电路结构相同
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第五章 工业机器人控制
5.1机器人控制系统与控制方式 5.2单关节机器人模型和控制 5.3基于关节坐标的控制 5.4基于作业空间的伺服控制 5.5机器人末端操作器的力/力矩控制
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2015年5月11日
5.1机器人控制系统与控制方式
机器人控制的基本目的
告诉机器人要做什么; 机器人接受命令，并形成作业的控制策略; 保证正确完成作业; 通报作业完成情况。
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机器人控制系统的组成
（1）控制计算机 控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32 位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU； （2）示教盒 示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作， 拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信 息交互； （3）操作面板 由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作； （4）硬盘和软盘存储 存储机器人工作程序的外围存储器； （5）数字和模拟量输入输出 各种状态和控制命令的输入或输出； （6）打印机接口 记录需要输出的各种信息； （7）传感器接口 用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉 、触觉和视觉传感器； （8）轴控制器 完成机器人各关节位臵、速度和加速度控制； （9）辅助设备控制 用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等； （10）通信接口 实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行 接口等； （11）网络接口 。
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步进电机的分类
PM型
(Permanent Magnet) VR型 (Variable Reluctance ) HB型 （HyBrid ）
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PM型步进电机的工作原理
转子为圆筒形永磁钢，定子位
于转子的外侧。 定子线圈中流过电流时产生定 子磁场。 定子和转子磁场间相互作用， 产生吸引力或排斥力从而使转 子旋转。
部坐标)的伺服控制。
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机器人控制系统的功能组成
记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生 产工艺有关的信息。 示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒 和导引示教两种。 与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同 步接口。 坐标设臵功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 传感器接口：位臵检测、视觉、触觉、力觉等 位臵伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、 动态补偿等。 故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全 保护和故障自诊断。
启动转矩大、体积小、质量轻、转矩和转速容易控制及效率高等十 分优良的特性。 但是，由于有电刷和换向器，在其寿命、噪声等方面必然存在不足 。为了克服这一缺点，开发研制出了无刷直流电机。 在进行位臵控制和速度控制时，需要使用转速传感器，实现位臵、 速度负反馈的闭环控制方式。
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5.2单关节机器人模型和控制
机器人对关节驱动电机的主要要求归纳如下： ①快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的
工作状态的时间应短。
②启动转矩惯量比大。 ③控制特性的连续性和直线性。 ④调速范围宽。能使用于1:1000至1:10000的调速范围。 ⑤体积小、质量小、轴向尺寸短。 ⑥能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向 和加减速运行，并能在短时间内承受过载。
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数控方式
数控方式与数控机床的控制方式一样，是把目标轨迹用数 值数据的形式给出。这些数据是根据工作任务的需要设臵 的。 与点之间的目标轨迹。此种目标轨迹要根据不同的情况要 求生成。但是也要遵循一些共同的原则。 例如，生成的目标轨迹应是实际上能实现的平滑的轨 迹；要保证位臵、速度及加速度的连续性。保证手端轨迹 、速度及加速度的连续性，是通过各关节变量的连续性实 现的。
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机器人控制系统框图
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机器人的轨迹控制
机械手由初始点(位臵和姿态)运动到终止点经过的空间曲线称为路径 。 轨迹规划方法一般是在机器人初始位臵和目标位臵之间用多项式函 数来“内插”或“逼近”给定的路径，并产生一系列“控制设定点 ”。路径端点一般是在笛卡儿坐标中给出的。如果需要某些位臵的 关节坐标，则可调用运动学逆问题求解程序，进行必要的转换。 在给定的两端点之间，常有多条可能的轨迹。而轨迹控制就是控制 机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因此，目标轨迹的给定方法 和如何控制机器人手臂使之高精度地跟踪目标轨迹的方法是轨迹控 制的两个主要内容。 给定目标轨迹的方式有示教再现方式和数控方式（离线编程）两种 。
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机器人控制系统的特点
典型的机器人有5至6个关节，每个关节由一个伺服系统控制， 关节的运动要求各个伺服系统协同工作。 机器人的工作任务是使末端执行器进行空间点位运动或轨迹运 动。对于机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算以 及矩阵函数的逆运算。 机器人数学模型是多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变 量之间还存在着耦合，因此机器人的控制中常使用前馈、补偿 、解耦、自适应等复杂控制技术。 较高级的机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析， 采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、 决策、管理和操作，按照给定的要求自动选择最佳控制规律。
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示教再现方式
示教再现方式是在机器工作之前，让机器人手端沿目标轨
迹移动，同时将位臵及速度等数据存入机器人控制计算机 中。在机器人工作时再现所示教的动作，使手端沿目标轨 迹运动。
示教时使机器人手臂运动的方法有两种：一种是用示教盒
上的控制按钮发出各种运动指令；另一种是操作者直接用 手抓住机器人手部，使其手端按目标轨迹运动。轨迹记忆 再现的方式有点位控制(PTP)和连续路径控制(CP)。点位控 制主要用于点焊作业、更换刀具或其他工具等情况。连续 路径控制主要用于弧焊、喷漆等作业。
工业机器人技术
Technology of Industry Robots
北京联合大学 Beijing Union University
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章节安排
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
绪论 工业机器人机械系统设计 工业机器人运动学 工业机器人静力计算及动力学分析 工业机器人控制 工业机器人感觉系统 工业机器人轨迹规划与编程 工业机器人应用
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2015年5月11日
直流电机的PWM控制
晶体三极管作为一个开关，使加到电机上电压的ON与OFF的时间比 （占空比，duty tatio）发生变化，从而控制电机电压的平均值。 由于三极管工作于饱和状态，几乎不消耗功率，因此PWM控制方式 比较经济。但由于电机供电电压处于开关状态，因此会有噪声、振动 以及电刷、换向器损伤等问题。
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驱动电动机
机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1~10kW。工 业机器人驱动系统中所采用的电动机，可细分为以下几种
：
①交流伺服电动机。包括同步型交流伺服电动机等。 ②直流伺服电动机。包括小惯量永磁直流伺服电动机、
印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、 空心杯电枢直流伺服电动机。
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