工业机器人技术基础7.5.1工业机器人的运动控制(连续轨迹控制)-课件(2)

统。所以，工业机器人的控制，一般是一个计算机控 制系统，计算机软件担负着艰巨的任务。 仅仅是位置闭环是不够的，还要利用速度，甚至加速 度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比如使用 重力补偿、前馈、解耦、基于传感信息的控制和最优 PID控制等。
➢工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现 控制方式。
利用传感器检测出物体的位置和运动速度，并
且假设控制系统能利用这些信息，可按下述的控 制规律来计算驱动益器kp适和应当k该v，选施就择加可控于得制物到系体所统上希的望的增力：
的任意二阶系统的品质，实 现抑制干扰力，并使物体保
持在预定的位置上。
系统的运动方程为
不仅要求受控物体定位在某固定位置，而且要求
坐标系{c}，坐标系{c}为约束坐标系，它总是处于 与某项具体任务有关的位置。
执行一项作业任务就可以用一组在{c}坐标系中 定义的约束条件来表示。
约束坐标系的选择
特点
➢取决与所执行的任务；
(1) {C}➢为一直般角应坐建标立系在，机器以人方手便爪描述作业操作；
与作业对象相接触的界面上。
(2) 视任务的不同，{C}可能在环境中固定 不动，也可能随手爪一起运动；
力之一。
无体意根因作论到此适义据以达，当，给多目往的这定么的往坐种的高 位 要 标相任的 置 根 变互 务精 ， 据 换关 ，度 作 需 。系 经控 为 要 而是 常制 工 ， 且首 要手 业 选 还要 求臂 机 择 因的 解， 器 不 工。 运若 人 同 业动不 来 的 机学能说基器正夹，准人问持那坐各题并就标关和操失系节逆作去，之问物了并间题，
惯性力、哥氏力的耦合作用以及重力负载的影响使问
题复杂化，所以使工业机器人控制问题也变得复杂。
➢即使一个简单的工业机器人也至少有3～5个自由度 相关。

6.1 工业机器人控制的特点及分类
一、工业机器人控制的特点
工业机器人控制系统一般是以机器人的单轴或多轴运 动协调为目的的控制系统。 ➢传统的自动机械哥有是氏些以力书自，中身也Co的翻rio为动lis科作fo氏为rc力e重，。点，而工业机 器人的控制系统更在着地重理学本中体又与称操为作地对转象的相互关系。 ➢工业机器人的控偏制向与力机，构是运地球动在学转及动动力学密切相关。
工业机器人及应用－机电工程学院
工业机器人控制的特点及分类
二、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。
按运动坐标控制方式
关节空间运动控制 程序控制系统 直角坐标空间运动控制
按适应程度
适应性控制系统
按控制机器人数目 按运动控制方式
单人控工系智统能控制系统 位置控制 群控系统 速度控制
设 工计 业这机样器的人控的制 控系 制统 是， 个其多中输心入问一题多是输保出证控所制得系到统的。我 闭们环 把系 每统个满关足节一作定 为的 一性 个能 独指 立标 的要 系求 统， 。它 因最 而基，本对的于准一则个具 是有系m个统关的节稳的定工性业。机我器们人讲来系说统，是我稳们定可的以，把是它指分它解在成实m 现个独所立规划的的单路输径入轨一迹单时输，出即控使制在系一统定。的这干种扰独作立用关下节，控制 其方法误是差近仍似然的保，持因在为很它小忽的略范了围工之业内机。器在人实的际运中动，结可构以特 利点，用即数学各分个析关的节方之法间，相①互根耦据合系和统随的形模位型变和化假的设事条实件。如 判果断 对量系 于，机工统更装器业的高于人机稳性机本器定能器身人性 要人、 接和 求各控 受动 的关制 控态 机节系 制品 器上统 系质 人的和 统， 控传轨 发② 制感迹 出也 ，器规 的可 则测划 关以 必出器 节采须关之驱用考节间动仿虑位的力真更置关矩和有矢系矢效 实的验 动量的 态和方模关法型节判、速别更度系 高矢统 级量的 的，优 控再劣 制反。 方馈法到和控更制完器善上的，计这算样机由体反系

指令。 程序说明如下： WAIT——等待指令 Value——取常数（Constant）
2、数字输出指令DO 指令格式：DO[i] = ON/OFF 指令注释：写操作，指令把ON= 1 / OFF=0赋值给指定的数字输出信号。 程序说明如下： DO——是可以被用户控制的输出信号 [i]——数字输出端口号，即寄存器号，范围为0-199 ON/OFF——ON=1/OFF=0打开/关闭数字输出信号
任务1 认识工业机器人 1.1.3 工业机器人的坐标系
工业机器人一般有四个坐标系，基坐标系、关节坐标系、工 具坐标系、工件坐标系。
任务1 认识工业机器人 1.2 手动操作工业机器人 1.2.1 手动操作功能简介 1.2.1 手动操作工业机器人 拓展与提高1——十大工业机器人品牌
任务1 认识工业机器人
任务1 认识工业机器人 1.1.1 工业机器人分类及应用 1.按臂部的运动形式分 （1）直角坐标型
臂部可沿三个直角坐标移动； （2）关节型
臂部有多个转动关节； （3）圆柱坐标型
臂部可作升降、回转和伸缩 动作；
任务1 认识工业机器人 1.1.1 工业机器人分类及应用 1.按臂部的运动形式分 4）组合结构 可以实现直线、旋转、回转、 伸缩； （5）球坐标型 臂部能回转、俯仰和伸缩。
任务3 机器人涂胶编程与操作 3.2.3 涂胶运动规划和示教前的准备 1、运动规划
机器人涂胶的动作，可分解成为“等待涂胶控制信 号”“打开胶枪”、“涂胶”、“关闭胶枪”等一系列子任务。 可以进一步分解为“把胶枪移到第一条轨迹线上”、“胶枪移 动到涂胶点”、“打开胶枪”、“移动胶枪涂胶”等一系列动 作。
任务2 搬运编程与操作 2.1.1 程序的基本信息 2.程序的基本信息包括：程序名、程序注释、子类型、写保护、 程序指令和程序结束标志。

f k p (xd x) kv x
若增益为正则系统稳定,在稳态作用于环境得力为
fe
k pke k p ke
(xd
xe )
若环境得刚性很大,则fe 可近似为 fe k p (xd xe )
2、机械手得阻抗控制
对于n自由度得机械手,可用以下方法实现阻抗控制。定义柔顺坐标
系 oc xc yc zc ,给出沿每个自由度得理想刚性,这可以用6×6得对角矩阵KX
vx
x
A
yz
vx B
(a)
(b)
(c)
(d)
大家有疑问得,可以询问与交流
可以互相讨论下,但要小声点
7、9 机器人力控制
• 实现柔顺控制得方法主要有两类,一类就是阻抗控制,一类就是力与位置 得混合控制(动态混合控制)。
• 阻抗控制不就是直接控制期望得力与位置,而就是通过控制力与位置之 间得动态关系实现柔顺控制。这样得动态关系类似于电路中得阻抗概 念,因而称为阻抗控制。在机械手末端施加一个作用力,相应地便会产生 一个运动(如速度)。如果只考虑静态,力与位置之间得关系可以用刚性 矩阵描述。如果考虑力与速度之间得关系,可以用粘滞阻尼矩阵来描述 。因此阻抗控制,就就是通过适当得控制方法使机械手末端呈现需要得 刚性与阻尼。
• 这类力控制不外乎基于位置与速度得两种基本形式。当把力反馈信号转 换为位置调整量时,这种力控制称为刚度控制;当把力反馈信号转换为速 度修正量时,这种力控制称为阻尼控制;当把力反馈信号同时转换为位置 与速度得修正量时,即为阻抗控制。
坐标变换 力/运动变换
伺服系统
机器人终端
反作用力
坐标变换
传感器
左图为阻抗控制结构,
感知一规划一行动得模型

一、机器人控制系统的特点
(3)具有较高的重复定位精度，系统刚性好。除直角坐标机器 人外，机器人关节上的位置检测元件不能安装在末端执行器上，而 应安装在各自的驱动轴上，构成位置半闭环系统。但机器人的重复 定位精度较高，一般为±0.1 mm。此外，由于机器人运行时要求 运动平稳，不受外力干扰，为此系统应具有较好的刚性。
(5-20)
随此着外实 ，际还工要作考情虑的况各作的关不节业同之，间信可惯息以性采力存用、各哥储种氏在不力同等内的的控耦存制合中方作式用，。和重在力执负载行的影任响务，因时此，，系依统中靠还经工常业采用机一些器控人制策的略，动如重力补偿、
前馈、解耦或自适应控制等。
与在自由空间运作动再的控现制相功比能，机，器人可在重受限复空间进运行动的该控制作主业要是。增加此了外对其，作用从端操与外作界接的触角作用度力（来包看括力，矩）要的控制要求，
图5-1 机器人控制系统的分类
二、机器人控制系统的组成
图5-2 机器人控制系统组成框图
二、机器人控制系统的组成
(1)控制计算机。控制计算机是控制系统的调度指挥机 构，一般为微型机，微处理器分为32位、64位等，如奔腾 系列CPU等。
(2)示教编程器。示教机器人的工作轨迹、参数设定和 所有人机交互操作拥有自己独立的CPU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。
因而受限运动的控制一般称为力控制。
四现、场机 总器线人应智用能于求力生控控产制现制方场法，系在统微机具化测有量良控制好设备的之人间实机现双界向面多结，点数尽字量通信降，从低而对形成操了新作型者的网的络集要成求式全。分布因控制系统—— 现位场置总 控线制控部制分系的此统输，出(fieΔl多dqb1u和数s速co度情nt控ro况制l s部y要s分tem的求，输F控出CΔS制q)。2相器加，的其设和作计为机人器员人的不关节仅控要制增完量Δ成q，底用于层控伺制机服器人控的制运动器。

右图就处于a）的奇异状态，直角下示教会报警。
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
直角坐标系
Never Stop Improving
— 6—
1 机器人工坐业标系机器人坐标系
机器人系统 关节坐标系
两者关系？？？
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
— 2—
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
1 机器人坐标系
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
在分析机器人时会牵涉诸多坐标系，一些是操作者不须关心的，另外一些却是和工艺相 关的。常见的坐标系有： 关节坐标系 基座坐标系 工具坐标系 用户坐标系
Never Stop Improving
px a
p


py



b

1pz

c w
— 12 —
2 机器人位姿变换
坐标轴方向的描述：
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
i、j、k分别是直角坐标系中x、y、Z坐标轴的单位向量。若用齐次坐标来描述x、y、z轴的方向， 则
基坐标系
Never Stop Improving
— 7—
1 机器人工坐业标系机器人坐标系
变频器 | PLC | HMI | 伺服驱动器 | 电机 | 大传动 | 新能源
用户坐标系（工件坐标系）:
用于描述各个物体或工位的方位的需要。用户常常在自
z
己关心的平面建立自己的坐标系，以方便示教。

•
工业机器人的机械结构又称执行机构，也称操作机，通常
由杆件和关节组成。
肘 肩
• 从功能角度，执行机构可分为：
臂
腰
腕
机 座
6
二、机械部分 1.机械结构系统
工业机器人
机械结构 手部 腕部 臂部 腰部 机座
手部：末端执行器，其作用是直接抓取和 放置物件。 腕部：连接手部和臂部的部件，其作用是 调整或改变手部的姿态。
本节主要借鉴论文 《山东海洋渔业资源问题分析及其可持续发展策略》 （傅秀梅 戴桂林 管华诗）和《山东海洋渔业的现代化及其科技发展对策》 （山东海洋经济技术研究会)
4
渔业资源利用过程中面临的问题
山东省海洋渔业发展
渔业生态环境恶化
➢ 由于沿海城市工业和生活污水的排放以及养殖自污染,导致海洋生态环境恶 化和海底植被荒漠化； ➢ 近岸局部水域富营养化,赤潮等海洋灾害频发,严重影响了渔业的发展。 ➢ 养殖量大大超过环境容纳量，种质退化，养殖病害不断。
16
四、传感部分 1. 感受系统
• 感受系统包括内部检测系统与外部检测系统两部分。 • 内部检测系统的作用就是通过各种检测器，检测执行机
构的运动境况，根据需要反馈给控制系统，与设定值进 • 外行部比检测较系后统对检测执机行器机人所构处进环行境、调外整部以保证其动作符合设计要
物求体。状态或机器人与外部物体的关系。
• 臂部：手臂，用以连接 腰部和腕部，用以带动 腕部运动。
• 腰部：立柱，是支撑手 臂的部件，其作用是带 动臂部运动，与臂部运 动结合，把腕部传递到 需到的工作位置。
• 机座（行走机构）：机 7 座是机器人的支持部分，
2
历史上的山东省海洋渔业发展概况
山东省海洋渔业发展

控制系统通信协议
通信协议：是控制系统中的通信标准，用于实现主控制器、伺服驱动器、传感器 等设备之间的数据传输和控制。
常见的通信协议包括EtherCAT、Profinet、EtherNet/IP等。这些协议支持高速 数据传输和实时控制，确保机器人在实际应用中的快速响应和精确控制。
PART 03
工业机器人常用控制方法
降低传感器制造成本，促进其在工业机器 人领域的广泛应用。
PART 05
工业机器人安全与维护
工业机器人安全防护措施
防护栏隔离
在工业机器人周围设置防护栏，防止人员误入危 险区域。
安全锁控制
通过安全锁控制，确保在机器人运行过程中，只 有经过授权的人员才能操作。
急停按钮
在紧急情况下，操作人员可以迅速按下急停按钮 ，停止机器人的运动。
未来工业机器人的发展趋势与展望
01
智能化
随着人工智能技术的发展，工业机器人将更加智能化，能够自主完成更
复杂的任务。
02
柔性化
未来工业机器人将更加柔性化，能够适应不同的生产环境和生产需求。
03
集成化
未来工业机器人将更加集成化，能够与其他设备和系统无缝集成，实现
更高效的生产流程。
2023-2026
END
专家系统
借助专家系统，提供故 障排除建议和解决方案 。
维修手册
参考维修手册，按照步 骤进行故障排除和修复 。
PART 06
工业机器人未来发展趋势 与挑战
新技术驱动下的工业机器人发展
01
人工智能技术
利用AI算法优化工业机器人的控 制策略，提高自主决策和学习能 力。
物联网技术
02
03
5G通信技术

图2-6 点的平移变换
第2章 工业机器人运动学
(2.8)
记为: a′=Trans(Δx, Δy, Δz)a 其中,Trans(Δx, Δy,Δz)称为平移算子,Δx、Δy、Δz分别 表示沿X、Y、Z轴的移动量。 即:
(2.9)
第2章 工业机器人运动学
注: ① 算子左乘: 表示点的平移是相对固定坐标系进行的坐 标变换。 ② 算子右乘: 表示点的平移是相对动坐标系进行的坐标 变换。 ③ 该公式亦适用于坐标系的平移变换、 物体的平移变换, 如机器人手部的平移变换。
图 2-11 连杆的关系参数连杆可以由四个参数来描述,其中两个是连杆 尺寸, 两个表示连杆与相邻连杆的连接关系。
确定连杆的运动类型, 同时根据关节变量即可设计关节 运动副,从而进行整个机器人的结构设计。
已知各个关节变量的值, 便可从基座固定坐标系通过连 杆坐标系的传递, 推导出手部坐标系的位姿形态。
图 2-12 SCARA装配机器人的坐标系
第2章 工业机器人运动学
该机器人的参数如表2.2所示。
连杆 连杆1 连杆2 连杆3
表2.2 SCARA装配机器人连杆参数
转角（变量）θ θ1
两连杆间距离d 连杆长度a
d1=0
a1=l1=100
当α=60°, β=60°, γ=45°时, 矢量为
第2章 工业机器人运动学
4. 动坐标系位姿的描述就是用位姿矩阵对动坐标系原点位
置和坐标系各坐标轴方向的描述。该位姿矩阵为(4×4)的方 阵。如上述直角坐标系可描述为:
(2.4)
第2章 工业机器人运动学
5. 机器人的每一个连杆均可视为一个刚体, 若给定了刚体
αn
扭角
连杆n两关节轴线之间的扭 角，尺寸参数

p


py



b

1pz

c w
2 机器人位姿 变换
坐标轴方向的描述：
i、j、k分别是直角坐标系中x、y、Z坐标轴的单位向量。若用齐次坐标 来描述x、y、z轴的方向，则
X 1 0 0 0T Y 0 1 0 0T Z 0 0 1 0T
1.已知机器人各关节的位置，求机器人 末端的位姿； 2.已知机器人末端的位姿，求机器人 各关节的位置.
3学机器人工运业动机器人基础知识
为什么要研究运动学：机器人的运动无非有两种：PTP(点到点) 及CP(连续运动)
3学机器人工运业动机器人基础知识
运动学的实用方式：
位置反 馈
3 机器人运动
学
D-H参数：
关节 坐标
系
两个关节轴线沿公垂线的距离an，称为连杆长度；另一个是 垂直于an的平面内两个轴线的夹角αn，称为连杆扭角，这两 个参数为连杆的尺寸参数；是沿关节n轴线两个公垂线的距离，
刚体的姿态可由动坐标系的坐标轴方向来表示。 令n、o、a分别为X′、y ′、z ′坐标轴的单位 方向矢量，每个单位方向矢量在固定坐标系上的 分量为动坐标系各坐标轴的方向余弦，用齐次坐 标形式的(4×1)列阵分别表示为：
2 机器人位姿 变换
刚体的位姿可用下面(4×4)矩
阵来描述：
nx ox ax xo
a）4、6轴共线附件，即5轴角度0附件。 b）2、3、5轴关节坐标系原点接近共线，即 已经到达工作范围边界。
c） 5轴关节坐标系原点在Z轴正上方附近。
右图就处于a）的奇异状态，直角下示 教会报警。
直角坐标系
1 系
机器人工坐业标机器人坐标系