1.工业机器人应用技术模块5机器人的控制系统机器人控制系统概述1机器人控制系统的分类和组成2机器人控制系统的结构和位置控制3机器人的力控制4机器人控制的示教再现4本模块主要介绍机器人的控制系统。内容包括机器人控制系统的特点、基本功能和控制方式，机器人控制系统的分类和组成，机器人控制系统的结构和位置控制，机器人控制的示教方式，关节运动的指令生成，控制软件和机器人示教实例，UP6机器人控制系统。学习本模块内容后，学生应能了解机器人控制系统的特点，掌握机器人控制系统的控制功能和基本单元；掌握控制系统的类型和分类， 并且能够用这些知识来解释机器人控制系统的技术。
2.能够解释机器人的控制框图；了解机器人控制系统的结构；熟悉机器人控制的教学方法；能够阅读控制机器人的教学范例；它具有实际操作UP6机器人示教控制系统的能力。学习要求学习单元——机器人控制系统概述大部分机器人是空间开链结构，各关节的运动相互独立。为了实现机器人末端执行器的运动，需要协调多个关节的运动。因此，机器人控制系统比普通控制系统更复杂。具体来说，机器人控制系统主要具有以下特点。(1)机器人控制系统是多变量控制系统，即使是简单的工业机器人也有35个自由度，而更复杂的机器人有十几个自由度，甚至几十个自由度， 并且每个自由度通常包括伺服机构。机构，多重独立伺服。
3、系统必须有机协调。例如，机器人的手部运动是所有关节的合成运动。为了使手按照一定的轨迹运动，需要控制各个关节的协调运动，包括运动轨迹、动作顺序等方面的协调。1.机器人控制系统的特点(2)运动描述复杂，机器人的控制与机构运动学和动力学密切相关。描述机器人状态和运动的数学模型是非线性模型。随着状态的变化，其参数也在变化，变量之间仍然存在耦合。所以只考虑位置闭环是不够的，还要考虑速度闭环甚至加速度闭环。在控制过程中，根据给定的任务， 我们应该选择不同的参考坐标系，并进行适当的坐标变换，以解决机器人的运动学正、逆问题。此外，还应考虑惯性力、科里奥利力的耦合作用以及关节间重力载荷的影响。因此，
4.系统中经常使用一些控制策略，如重力补偿、前馈、解耦或自适应控制。一、机器人控制系统的特点工业机器人应用技术培训教材(页数)工业机器人应用技术培训教材(页数)(3)它具有较高的重复定位精度和良好的系统刚性。除直角坐标机器人外，机器人关节上的位置检测元件不应安装在末端执行器上，而应安装在各自的驱动轴上，形成位置半闭环系统。但机器人的重复定位精度较高，一般为0.1 mm。此外，由于机器人需要平稳移动，不受外力干扰，因此系统应具有良好的刚性。(4)信息运算量大。机器人可以以不同的方式和路径移动， 所以存在一个最优问题。高级机器人可以采用人工智能的方法和使用
7.可以采用各种控制方法。一、机器人控制系统的特点工业机器人应用技术实训教材(页)一、机器人控制系统的特点工业机器人应用技术实训教材(页)工业机器人应用技术实训教材(页)机器人控制系统是机器人的主要组成部分，用于控制机械手完成特定的任务。其基本功能包括示教再现功能、坐标设定功能、与外围设备联系功能和位置伺服功能。(1)教学-复制功能。机器人控制系统可以实现离线编程、在线示教和间接示教。网上教学包括教学框教学和引导式教学。在示教过程中，可以存储操作顺序、运动路径、运动方式、运动速度以及与生产工人的关系。
8、美术相关信息，在再现过程中，可以根据示教处理信息控制机器人进行特定操作。二、机器人控制系统的功能工业机器人应用技术培训教材(页数)工业机器人应用技术培训教材(页数)(2)坐标设置功能。一般的工业机器人控制器有四种坐标系:关节坐标系、绝对坐标系、刀具坐标系和用户坐标系。用户可以根据工作要求选择不同的坐标系并进行转换。(3)与外围设备的联系功能。机器人控制器配有输入/输出接口、通信接口、网络接口和同步接口，具有示教盒、操作面板和显示屏等人机界面。此外，它还具有多种传感器接口，如视觉、触觉、接近度、听觉、 力(扭矩)传感器和其他传感器接口。(4)位置伺服功能。机器
9.人控系统可以实现多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、力控制和动态补偿。在运动过程中，还能实现状态监测、故障诊断下的安全保护和故障自诊断等功能。二、机器人控制系统的功能工业机器人应用技术培训教材(页数)工业机器人应用技术培训教材(页数)1。点对点控制模式点对点控制模式用于实现点位置控制，其运动是从一个给定点到另一个给定点，但点与点之间的轨迹无关。因此，这种控制模式的特点是只控制工业机器人末端执行器在工作空间中某些指定离散点的位置和姿态。控制时，只需要工业机器人快速准确地实现相邻点之间的移动， 而到达目标点的轨迹没有标注，比如自动插件机、贴片机。
10、插入部件、点焊、搬运、装配等操作。这种控制方法的主要技术指标是定位精度和运动所需时间。控制方法简单，但很难达到很高的定位精度。三、机器人的控制方式工业机器人应用技术培训教材(页数)工业机器人应用技术培训教材(页数)2。连续轨迹控制模式连续轨迹控制模式用于指定点之间的运动轨迹所需的曲线，如直线或圆弧。这种控制方法的特点是连续控制工业机器人末端执行器在工作空间的位置和姿态，使其严格按照预先设定的轨迹和速度在一定精度要求内运动，速度可控，轨迹平滑，运动平稳， 从而完成工作任务。工业机器人各关节连续同步运动，其末端执行器能形成连续轨迹。这种控制党
11.该公式的主要技术指标是机器人末端执行器的轨迹跟踪精度和平稳性。当机器人用于弧焊、喷漆和切割时，应选择连续轨迹控制模式。三、机器人的控制方式工业机器人应用技术培训教材(页数)工业机器人应用技术培训教材(页数)3。速度控制模式工业机器人应用技术培训教材(页数)工业机器人应用技术培训教材(页数)4。力(力矩)控制方式不仅要求定位准确，而且要求使用专一。这种控制方式的原理与位置伺服控制基本相同，只是输入输出不是位置信号，而是
12、力(力矩)信号，所以系统必须是强力(力矩)传感器。三、机器人的控制方式工业机器人应用技术培训教材(页数)工业机器人应用技术培训教材(页数)5。智能控制模式工作在不确定或未知的条件下，机器人需要通过传感器获取周围环境的信息，根据自身内部知识库做出决策，然后进行每次执行。机构独立控制和完成给定的任务。如果采用智能控制技术，机器人将具有很强的环境适应能力和自学习能力。智能控制方法与人工智能的发展密切相关，如人工神经网络、模糊算法、遗传算法和专家系统等。三、机器人的控制模式工业机器人应用技术培训教材(页数) 工业机器人应用技术培训教材(页数)学习单元2机器人控制系统
13.工业机器人应用技术实训教材的分类与组成(页)一、机器人控制系统的分类图5-1机器人控制系统的分类工业机器人应用技术实训教材(页)图5-2机器人控制系统的组成框图二。机器人控制系统的构成工业机器人应用技术实训教材(页)工业机器人应用技术实训教材(页)控制计算机是控制系统的调度指挥。机构一般是微型计算机，微处理器分为32位和64位，比如奔腾系列CPU。(2)教程序员。教学机器人的工作轨迹、参数设置和所有人机交互操作都有自己独立的CPU和内存。
14.存储单元通过串行通信实现与主机的信息交互。(3)操作面板。操作面板由各种操作键和状态指示灯组成，只完成基本的功能操作。(4)磁盘存储。机器人主要利用存储机器人工作程序的外围存储器来存储程序。二、机器人控制系统的组成工业机器人应用技术培训教材(页数)工业机器人应用技术培训教材(页数)(10)通信接口。通信接口用于机器人与其他设备之间交换信息，一般包括串行接口和并行接口。(11)网络接口。网络接口包括接口和接口。界面。该接口可通过以太网实现多个机器人或单个机器人之间的直接PC通信，数据传输速率高达10 Mb。
15./s，应用程序可以直接在PC机上用库函数编程，支持TCP/IP通信协议，通过接口将数据和程序加载到各个机器人控制器中。界面。该接口支持许多流行的现场总线规范，如net、AB I/O、MNET等。二、机器人控制系统的组成工业机器人应用技术培训教材(页数)工业机器人应用技术培训教材(页数)(5)数字和模拟输入/输出。数字和模拟输入/输出是指各种状态和控制命令的输入或输出。(6)打印机接口。打印机接口用来记录各种需要输出的信息。(7)传感
16.设备接口。传感器接口用于机器人信息的自动检测和柔顺控制，一般有力传感器、触觉传感器和视觉传感器。(8)轴控制器。轴控制器用于控制机器人各关节的位置、速度和加速度。(9)辅助设备控制。辅助设备控制用于控制与机器人配合的辅助设备，如手爪定位器等。二、机器人控制系统的组成工业机器人应用技术实训教材(页数)工业机器人应用技术实训教材(页数)学习单元3机器人控制系统的结构与位置控制工业机器人应用技术实训教材(页数)工业机器人应用技术实训教材(页数)2。集中控制模式集中控制模式用一台计算机实现所有控制功能， 结构简单，成本低；但实时性差，难以扩展。在机器人的早期，
17、经常使用这种结构，其组成框图如图5-3所示。一、机器人控制系统结构图5-3集中控制模式结构图工业机器人应用技术实训教材(页)工业机器人应用技术实训教材(页)在以计算机为基础的集中控制系统中，可以充分利用计算机资源开放性的特点，通过标准PCI插槽或标准串口、并口将各种控制卡和传感器设备集成到控制系统中。集控系统的优点是:硬件成本低，信息收集和分析方便，容易实现系统的最优控制，整体性和协调性好。其缺点是:系统控制缺乏灵活性，控制风险容易集中。一旦发生过错，影响面广，后果严重； 由于工业机器人的高实时性要求，当系统执行大量的数据计时，
18、计算时会降低系统的实时性能，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性能发生冲突；复杂的系统布线会降低系统的可靠性。1.机器人控制系统的结构2。主从控制模式主从控制模式利用主从处理器实现系统的所有控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断，所有关节都由CPU控制。其框图如图5-4所示。该主从控制系统实时性好，适合高精度、高速控制， 但其系统扩展性差，维护困难。一、机器人控制系统结构图5-4主从控制模式结构框图一、机器人控制系统结构3。分布式控制模式根据系统的性质和模式，将系统控制分为若干模块，每个模块有不同的控制任务和控制策略。
19.模式可以是主-从或相等的。该方法实时性好，易于实现高速高精度控制，易于扩展，可以实现智能控制。是目前比较流行的一种方法，其控制框图如图5-5所示。其主要思想是“分散控制、集中管理”，即系统可以对其总体目标和任务进行综合协调和分配，通过子系统的协调来完成控制任务。整个系统在功能、逻辑和物理上都是分散的，所以DCS系统也叫分散控制系统或分散控制系统。在这种结构中，子系统由控制器和不同的受控对象或设备组成，子系统之间通过网络进行通信。分布式控制结构提供了一个开放的， 实时精确的机器人控制系统。分布式系统中经常采用两级控制模式。一、机器人控制系统结构图5-5分散控制模式的控制
20.框图一、机器人控制系统的结构两级分布式控制系统通常由上位机、下位机和网络组成。上位机可以进行不同的轨迹规划和算法控制，下位机用于插补细分和控制优化。上位机和下位机通过通信总线协同工作。这里的通信总线可以是USB总线的形式。现在，以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快、更稳定、更有效的通信服务，尤其是现场总线。现场总线应用于生产现场，实现微机测控装置之间的双向多节点数字通信，从而形成一种新型的网络集成全分布式控制系统现场总线控制系统(FCS)。在工厂生产网络中，可以通过现场总线连接设备。
21.设备统称为现场设备/仪器。从系统论的角度来看，工业机器人作为工厂中的生产设备之一，也可以概括为现场设备。将现场总线技术引入机器人系统后，更有利于机器人在工业生产环境中的集成。一、机器人控制系统的结构分布式控制系统的优点是:系统灵活性好，降低了控制系统的风险，多处理器分散控制的采用有利于系统功能的并行执行，提高系统处理效率，缩短响应时间；对于多自由度的工业机器人，集中控制可以很好地处理控制轴之间的耦合关系，并且可以很容易地进行补偿。其缺点是:当重要官员的数量增加使控制算法非常复杂时， 其控制性能将恶化；当系统中的轴数或控制算法变得非常复杂时，可能导致系统的重新设计；分布式结构的每个操作
22.移动轴全部由控制器处理，这意味着系统轴之间的耦合更少，系统重构更高。一、机器人控制系统的结构机器人控制柜用于安装各种控制单元，处理和存储数据，执行程序。它是机器人系统的大脑，如图5-6所示。1.ABB工业机器人控制柜系统II。典型机器人控制柜系统图5-6 ABB工业机器人控制柜1)ABB工业机器人控制柜系统的特点(1)灵活性强。IRC5控制器由一个控制模块和一个驱动模块组成，可以选择性地添加一个过程模块，以适应定制的设备和接口，如点焊、 电弧焊和胶粘。配备这三个模块的柔性控制器完全能够控制六轴机器人加上伺服驱动的工件定位器和类似设备。如果你需要增加机器人的数量，你只需要为每个新的机器人增加一个驱动器。
23、动态模块，还可以选择安装一个流程模块，最多可以控制4个机器人在模式下工作。模块之间只需要两根连接电缆，一根是安全信号传输电缆，一根是以太网连接电缆，用于模块之间的通信，模块连接简单易行。二、典型的机器人控制柜系统二、典型的机器人控制柜系统(4)通讯方便。完善的通讯功能是ABB机器人控制系统的特点。几乎任何常见类型的现场总线板都可以安装在其IRC5控制器的PCI扩展槽中，包括符合ODVA标准的单通道，可以使用许多第三方设备，支持最高速度为12 Mb/s的双通道通信，可以使用铜线和光纤接口。二、机器人典型控制柜系统(1)
24.主电源开关。主电源开关是机器人系统的主开关。(2)紧急停止按钮。在任何模式下，按下紧急停止按钮，机器人将立即停止。为了使机器人再次移动，紧急停止按钮必须恢复到原来的位置。(3)电机的通电/断电按钮。电机的通电/断电按钮指示机器人电机的工作状态。按钮灯常亮时，表示通电状态，机器人的电机被激活，准备执行程序；当按键灯闪烁时，表示机器人未同步(未校准或计数器未更新)，但电机激活；当钥匙灯缓慢闪烁时，表示至少有一个安全停止生效，电机未启动。2)ABB工业机器人2的控制柜按钮。机器人典型控制柜系统(4) 模式选择按钮。ABB工业机器人模式选择按钮一般分为两位选择开关和三位选择开关，如图5所示。
25, -7.图5-7 ABB工业机器人模式选择按钮A自动模式；b手动差速模式；手动全速模式II。典型的机器人控制柜系统，用于在接近实际情况下调试程序。机器人只能低速运行，手动控制，电机只能按enabler才能启动。它在机器人运行时使用。在这种状态下，不能使用操纵杆。手动全速模式、手动差动模式和自动模式。二、机器人典型控制柜系统库卡机器人广泛应用于汽车制造、造船、冶金、娱乐等领域。机器人的配套设备包括KRC2控制柜和KCP控制面板，如图5-8所示。2.库卡机器人控制柜系统图5-8库卡工业机器人控制柜II。典型机器人控制柜系统2。典型机器人控制柜系统(1) 采用标准工业控制。
26、计算机处理器。(2)基于平台的操作系统，可以在线选择多种语言。(3)支持多种标准工业控制总线，包括I/O，其中，是标准配置。(4)配备标准ISA和PCI插槽，方便扩展，可直接插入各种标准调制解调器接入高速，实现远程监控和诊断。(5)采用高级语言编程，程序备份和恢复方便快捷。(6)集成了标准控制软件功能包，可适应各种应用。第二，典型的机器人控制柜系统(7)配有6D运动控制鼠标，这很方便。
27、运动轨迹的教学。(8)具有断电自动重启功能，无需重新进入程序。(9)具有示波器功能，便于故障诊断和系统优化。(10)显示器、鼠标和键盘可以直接连接，方便程序的读/写。(11)系统可以随时更新。(12)配备大容量硬盘，对程序指令基本没有限制，相关操作和系统日志可以长期保存。(13)组网方便，易于监控和管理。(14)拆卸方便，易于维护。2.典型的机器人控制柜系统如图5-9所示。OTC机器人控制柜系统在FD11控制柜前配有电源开关和操作面板，与示教编程器连接。它主要包括断路器、 示教编程器、操作面板(操作盒)等。3.场外机器人控制柜系统图5-9场外机器人FD1
28、一号控制柜二。典型机器人控制柜系统图5-11操作面板A操作准备按钮；b开始按钮；c停止按钮；d模式转换开关；紧急停止按钮II。机器人典型控制柜系统(1)断路器。断路器用于控制设备的电源开关。(2)教程序员。示教编程器配有用于示教、文件操作、各种条件设置等的按键和按钮。(3)操作面板。操作面板(操作盒)配有最小操作所需的按钮，以便执行操作准备、自动操作的启动和停止、紧急停止、示教/再生模式的切换等。，如图5-10和图5-11所示。图5-10操作面板A的操作准备按钮；b开始按钮；c停止按钮；d模式转换开关；紧急停止按钮II。机器人典型控制柜系统
29.操作准备按钮:进入操作准备和输入状态。一旦进入输入状态，移动机器人的准备工作就完成了。启动按钮:在再生模式下启动指定的运行程序。停止按钮:在再生模式下停止启动指定的运行程序。模式切换:切换模式，可以切换到示教再生模式。该开关与示教装置的TP选择开关结合使用。紧急停止按钮:按下该按钮，机器人紧急停止。无论按下操作盒和示教器上的哪一个，机器人都紧急停止。要释放紧急制动，向右旋转按钮(按钮返回到其原始位置)。2.典型机器人控制柜系统的主电源开关位于控制柜的面板上。4.控制柜二。典型的机器人控制柜系统工业机器人位置控制的目的是使机器人的各个关节实现预规划。
30，运动，最终保证工业机器人末端执行器沿着预定的轨迹运行。对于机器人的位置控制，给定关节位置与当前值比较得到的误差可作为位置控制器的输入，输出经位置控制器运算后作为给定关节速度控制，如图5-12所示。三、机器人的位置控制图5-12机器人位置控制示意图因此，工业机器人各关节的控制系统是一个闭环控制系统。此外，对于工业机器人的位置控制，位置检测元件是必不可少的。关节位置控制器往往采用PID算法，也可以采用模糊控制算法等智能方法。第三， 机器人的位置控制分为两种:点控制和连续轨迹控制。点控制的特点是只控制机器人末端在离散点的位置和姿态，要求尽可能快地实现机器人在相邻点的无超调。
31、运动之间，但相邻点之间的轨迹一般不作具体规定。点位控制的主要技术指标是定位精度和完成动作所需的时间。连续轨迹控制的特点是连续控制机器人末端的位置和姿态轨迹。一般速度可控，运动轨迹平滑，运动平稳。连续轨迹控制的技术指标是轨迹精度和稳定性。三、机器人的位置控制三、 机器人的位置控制速度控制通常用于跟踪目标的任务中。机器人的关节速度控制框图如图5-13所示。机器人末端笛卡尔空间位置和速度控制的基本原理类似于关节空间。图5-13机器人III关节速度控制框图。机器人的位置控制工业机器人的结构大多是串联连杆的形式，其动态特性是高度非线性的。但是在其控制系统设计中，通过
32、常把机器人的每个关节看成一个独立的伺服机构。机构想想吧。这是因为工业机器人的速度并不快(通常小于1.5 m/s)，速度变化引起的非线性效应可以忽略。另外，由于所有交流伺服电机都配有减速器，减速比往往接近100，所以当负载变化时，换算到电机轴上的负载变化值很小(除以速比的平方)，所以负载变化的影响可以忽略，而减速器的存在大大削弱了关节间的耦合作用。因此，工业机器人系统成为一个由多个关节组成的独立线性系统。几乎所有应用中的工业机器人都采用反馈控制，利用各关节传感器获得的反馈信息，计算出所需的力矩，并发出相应的力矩指令，实现所需的运动。三， 机器人单关节控制器的位置控制指测试。
33、考虑关节之间的相互作用时，只能按照一个关节独立地设置控制器。在单关节控制器中，机器人的机械惯性常被视为干扰项。将机器人视为刚性结构，图5-14显示了单关节电机的负载模型。接下来，研究负载旋转角S和电机电枢电压U之间的传递函数。1.单关节位置控制1)单关节位置控制的基本原理3。机器人位置控制图5-14单关节电机负载模型Ja单关节驱动电机转动惯量；Tm DC伺服电机的输出转矩；Jm单关节手爪负载在传动端的转动惯量；Bm传输端的阻尼系数；齿轮减速比；m传动端的角位移；s载荷端的角位移；Ti负载端总扭矩；Ji载荷端总惯性矩； 双负载端的阻尼系数。机器人III的位置控制。机器人III的位置控制。
机器人3的位置控制。机器人的位置控制为了形成负载轴的角位移控制器，必须进行负载轴的角位移反馈，即利用某一时刻t所需角位移d与实际角位移s之差产生的电压来控制系统。使用光学编码器作为实际位置传感器，可以得到位置误差，误差电压为U(t) = K( d -s) (5-10)。同时设e(t)= d (t)- s (t)和s (t)=m (t)，三个表达式可以分别进行拉普拉斯变换。要提高响应速度，可以增加系统的增益(比如增加K)和电机传动轴转速的负反馈，在系统中引入一些阻尼，加强反电动势的作用。为此，您可以
35、使用测速发电机，或计算传动轴在一定时间间隔内的角位移之差。单关节位置控制器如图5-15(a)所示。图5-15(b)所示为具有速度反馈功能的位置控制系统，其中Kt为测速发电机的传递系数，K1为速度反馈信号放大器的增益。由于电机电枢回路的反馈电压已经从Kb m (t)增加到Kb m (t)+ K1Kt m (t)=(Kb+K1Kt) m (t)，其对应的开环传递函数为III。机器人的位置控制图5-15单关节机械手的位置控制器的结构图5-15(c)。将任意扰动作为干扰输入，可以写出干扰的输出和传播。
36.传递函数。利用拉普拉斯变换中的终值定理，可以得到干涉引起的静态误差。图5-15单关节机械手III的位置控制器结构。机器人的位置控制2)力矩闭环的关节位置控制力矩闭环的单关节位置控制系统是一个三闭环控制系统，由位置环、力矩环和速度环组成。图5-16带转矩闭环的单关节位置控制系统III。机器人的位置控制速度环是控制系统的内环，其作用是通过控制电机电压使电机表现出期望的速度特性。给定的速度环是转矩环偏差放大后的输出(电机角速度D)，速度环的反馈是关节角速度M，D和M之间的偏差作为电机电压驱动器的输入， 并且放大后变成电压U，其中K代表转换常数(比例系数)。在电压u的作用下，电机
37.以角速度m旋转1/( Ls+ R)为电机的电磁惯性环节，其中l为电枢电感，R为电枢电阻，I为电枢电流。考虑到一般情况下，L R，电感L的影响可以忽略，环节1/(L s +R)可以用1/r代替，1/(+B)是电机的机电惯性环节，KC是电流转矩常数，即电机转矩T m与电枢电流I之间的系数，第三，机器人的位置控制转矩环是控制系统的内环，介于速度环和位置环之间，其作用是通过控制电机电压使电机表现出期望的转矩特性。给定转矩回路由两部分组成:一部分是位置回路的位置调节器的输出， 另一部分是前馈转矩T f和期望转矩T D。转矩回路的反馈是关节转矩t j. K tf
38，是转矩前馈通道的比例系数，K1是转矩回路的比例系数。给定转矩和反馈转矩T j之间的偏差被比例系数K1放大，比例系数K1作为速度环的给定d。关节到达期望位置后，如果位置环调节器的输出为零，关节力矩T j Ktf(T f +T d)。由于力矩回路采用比例调节，稳态时关节力矩与期望力矩存在偏差。三、位置控制机器人的位置回路是控制系统的外环，用来控制关节到达期望的位置。给定位置回路是期望的关节位置d，反馈是关节位置m，d和m之间的偏差是位置调节器的输入， 位置调节器运行后形成的输出是给定力矩回路的一部分。位置调节器常采用PID或PI控制器，位置闭环系统是静态无误差系统。第三，机器
39，人类位置控制2。多关节位置控制多关节位置控制是指考虑各关节之间的相互作用，分别为各关节设计的控制器。上述单关节控制器锁定机器人的其他关节，并在工作过程中依次移动(旋转)一个关节。这种工作方式效率明显较低，但如果多个关节同时运动，运动关节之间的力或力矩会相互作用，因此上述单关节的位置控制原理无法适用。为了克服多关节之间的这种相互作用，必须加入补偿，即在多关节控制器中，机器人的机械惯性往往被认为是一个前馈项。多关节机器人的动力学方程为(5-15)。3.机器人的位置控制。3.机器人的位置控制。图5-17多关节位置控制器设计示意图。3.机器人的第二位置控制方程(5-15)。
40.Item表示万向节I传动装置的惯性矩，相当于传动轴上j的惯性矩，这在单万向节控制器中已经讨论过。第三项代表科里奥利力和向心力，这些力矩项也必须前馈到关节I的控制器，以补偿关节间的实际相互作用，如图5-17所示。公式(5-15)中的第四项表示关节重量的影响，这也可以通过前馈项I来补偿，前馈项I是估计的转矩信号，可以通过下面的公式来计算:在公式中，它是重转矩g的估计值三、机器人的位置控制三、机器人的位置控制学习单元四、机器人1的力控制。机器人的柔顺性是指机器人的末端能够对外力的变化做出反应，表现为低刚度。如果终端设备的刚性， 工具或周围环境较高时，机械手执行与表面接触的操作将非常困难。
41.这时，如果机器人只采用位置控制，往往不能满足要求。例如，机器人拿起鸡蛋，机器人用海绵擦洗玻璃。如果海绵是柔性的，这个任务就能顺利进行。在机器人刚度较高的情况下，机器人对外力变化的反应较弱，缺乏灵活性。为了使机器人更好地适应工作任务的要求，往往希望机器人灵活()。因此，有必要使机器人成为一个灵活的机器人系统。根据是否通过控制方法获得顺从，顺从可以分为主动顺从和被动顺从。一、机器人的柔顺与柔顺控制类型1)主动柔顺1。机器人的顺从性和顺从性控制类型借助于辅助顺从性，机构当它与环境接触时，它能自然地服从外力， 这被称为被动顺从()
42.如图5-18(b)所示。对于与图5-18(a)相同的任务，如果不采用反馈控制，可以使机械手末端的机械结构变形，以适应操作过程中遇到的阻力。在图5-18(b)中，类似弹簧的机械结构布置在销和操纵器之间。当插销插入孔中遇到阻力时，弹簧系统会变形以减小阻力，从而使插销轴线与孔轴线重合，保证插销顺利插入孔中。由于被动柔顺控制的种种缺点，主动柔顺控制(力控制)逐渐成为主流研究方向。2) 被动顺从1。机器人的顺应性和顺应性控制类型3。气动执行器图5-18主动柔顺和被动柔顺示意图3。远程中心合规1。机器人的符合性和符合性控制类型远程中心符合性(Co
43，RCC)是比较成功的合规技术。使用这个术语是因为机械结构的弹性变形不是发生在手或工件上，而是发生在离工件一定距离的地方。如图5-19所示，有一个能在机械手的手爪和手臂之间产生弹性变形的远程中央柔顺装置，该装置的中心位置距手爪夹持的工件有一定距离。图5-19远程中心合规1示意图。机器人柔顺性和柔顺控制的类型由此可见一斑。采用远程中心柔顺技术可以使机械手的结构设计更加合理。诸如RCC的被动顺从机械设备具有快速响应能力，并且价格低，但适用范围小。可编程有源顺从装置可以操作不同类型的部件， 并且还可以根据组装操作的不同阶段的要求修改终端装置的弹性性能。总而言之，你可以
44.具有柔顺技术的机器人统称为柔顺机器人系统。该机器人系统适应性强，已在工程中得到广泛应用。一、机器人的柔顺性和柔顺控制的类型实现柔顺控制的方法主要有两种:一种是阻抗控制，另一种是力和位置的混合控制。阻抗控制不直接控制所需的力和位置，而是通过控制力和位置的动态关系来实现柔顺功能。因为这种动态关系类似于电路中阻抗的概念，所以称为阻抗控制。如果只考虑静态特性，力与位置的关系可以用刚性矩阵描述，如果考虑力与速度的关系，可以用粘性阻尼系数矩阵描述。因此， 阻抗控制是指通过适当的控制方法使机械手末端执行器表现出期望的刚度和阻尼。通常，对于需要位置控制的自由度，要求具有
45、刚性大，即表现出很硬的特点。对于需要力控制的自由度，要求在这个方向上有较小的刚性，也就是表现出柔软的特性。2.合规控制的类型。机器人的柔顺与柔顺控制力与位置混合控制方法的基本思想是在柔顺坐标空间将任务分解为部分自由度的位置控制和其他自由度的力控制，在任务空间分别计算位置控制和力控制，将计算结果转换到关节空间，合并为统一的关节控制力矩，驱动机械手实现期望的柔顺功能。因此，柔顺运动控制包括阻抗控制、力和位置的混合控制、动态混合控制等。根据机器人人力控制的发展过程， 机器人力控制一般可分为三类:经典力控制法、先进力控制法和智能能力控制法。首先，机器人的灵活性和柔顺性
46.控制的类型。相对于自由空间的控制，受限空间机器人运动的控制主要是增加了对其作用端与外界接触力(包括力矩)的控制要求，所以受限运动的控制一般称为力控制。在实际应用中，如果这个力控制不当，不仅可能达不到控制要求，还可能造成工件之间过于强烈的碰撞，导致工件变形、损坏甚至报废，从而损坏机器人。所以这个时候控制力很重要。因为在受限空间内改变轨迹会同时改变力的大小，而控制要求机器人沿着一定的轨迹运动，力要在一定的范围内， 这使它们成为一个矛盾体的两个方面，必须同时加以考虑。目前，实现力的控制有两种方法:直接控制和间接控制。在一些操作中(组装
47等。)，可以简单地采用轨迹控制方法，间接达到控制力的目的。但是很明显，这个时候机器人的轨迹运行和工件的位置都会要求有很高的精度，尤其是对精度要求高的操作(比如允许公差小)。提高轨迹控制精度是一个苛刻的要求，但也有一定的限制，而且经济成本也很高。直接控制法是在轨迹控制的基础上给机器人提供力或触觉传感器，使机器人在受限方向运动时能够检测到外力，并根据检测到的力信号按照一定的控制规则控制力， 以便对施加在操作上的限制产生顺从运动，并确保力是恒定的或在一定范围内变化。柔顺运动是从轨迹控制的角度出发，控制器施加的外力的干扰不像常规位置控制器那样被抵抗或消除。
48、除此之外，还要有一定程度的“妥协”，即顺从或顺从，从而以一定的位置偏差为代价满足力控制的要求。由于力信号的引入，该方法提高了轨迹控制的精度和控制器对外界条件变化的适应能力。当我们谈到力控制时，我们通常指的是这种控制模式。第二，机器人1的经典力控制模式。阻抗控制1) 力反馈阻抗控制机器人末端执行器上的力或扭矩可以通过各种六维力或扭矩传感器来测量。力反馈型阻抗控制可以通过将由力或扭矩传感器测量的力信号引入位置控制系统来形成。图5-20显示了力反馈型阻抗控制的原理。二。机器人经典力控制模式图4-33步进电机驱动器II原理框图。机器人经典力控制模式2。机器人经典力控制模式2。机器人经典力控制模式的定位2
49.控制部分的输出q1和速度控制部分的输出q2相加，它们的和就是机器人的关节控制增量Q，用来控制机器人的运动。因此，图5-20所示的力反馈阻抗控制基本上是基于位置控制的。应当注意，对于这种力反馈型阻抗控制，机器人末端的刚度在控制周期内不受控制，即，机器人末端在控制周期内不顺从。二、机器人的经典力控制模式2)位置型阻抗控制假设机器人的动力学方程如下。式(5-20)中，是关节空间的力或力矩矢量，h是机器人的惯性矩阵，c是阻尼矩阵，g( q) 是引力项。基于位置的阻抗控制是指机器人末端不受外力作用时，通过位置和速度的协调产生柔顺性的一种控制方法。这种控制方法利用位置偏差和速度偏差来产生顺应性。
50.将笛卡尔空间中的广义控制力转换成关节空间中的力或力矩来控制机器人的运动。二。机器人的经典力控制模式图5-21位置型阻抗控制原理框图二。经典力控制模式II。经典力控制模式III。顺从阻抗控制模式II。机器人的经典力控制模式图5-22柔顺阻抗控制原理框图二。机器人的经典力控制模式当机器人的末端执行器接触一个弹性目标时，目标会因弹性变形而产生弹力，作用于机器人的末端执行器。当机器人末端执行器挤压弹性目标时，机器人末端执行器的位置与弹性目标的原始表面位置之间的偏差就是变形。显然，当机器人末端执行器没有到达弹性目标时， 虽然机器人末端位置和弹性目标表面位置之间存在偏差，但是弹性目标的表面变形为零。为了方便起见
51.为了描述目标的弹性变形，这里我们先定义一个正定函数，即机器人的两个经典力控制模式和机器人的两个经典力控制模式。1)混合力/位置控制的概述。根据末端执行器是否与外界环境接触，机器人的运动可以分为两类:一类是没有任何约束的自由空间运动，如喷漆、搬运、点焊等操作，可以通过位置控制来完成。另一种操作是机器人终端与外部环境接触。在操作过程中，终端不能以一个或几个自由度自由移动，要求终端在一个或几个方向上与工件(环境)保持给定的力。例如，机器人完成诸如转动曲柄、拧螺丝、清洁玻璃， 精确装配和去毛刺。这种操作仅靠位置控制是无法完成的，必须考虑末端与外界环境之间的作用力。二、机器人的经典力控制
52.模式二:机器人经典力控制模式图5-23力/位置混合控制原理框图。力/位置混合控制是将任务空间分成两个正交互补的子空间，即力控制空间和位置控制空间，在力控制空间应用力控制方法，在位置控制空间应用位置控制方法。其核心思想是采用不同的控制方法直接控制力和位置，即首先通过选择矩阵确定当前接触点的力控制和位置控制方向，然后利用力反馈信息和位置反馈信息分别在力控制回路和位置控制回路进行闭环控制，最终在有限的运动中实现力和位置的同时控制。二、机器人的经典力控制模式二、机器人的经典力控制模式2) 力/位置混合控制方案机器人末端执行器的六个自由度为笛卡尔空间中的六个变量提供控制。当致动器
53.当某个自由度受到约束时，试图驱动所有关节会对机器人或接触面造成损伤。在这方面，1979年首次提出了同时控制力和位置的概念以及联合柔顺的概念。基本思想是根据具体的任务要求，独立控制机器人不同关节的力和位置。这种方法显然有一定的局限性。并根据提出的理论进一步发展了自由关节的思想，进行了机器人操作手的力和位置混合控制的重要实验，得到了满意的结果，最终形成了力/位置混合控制理论，后被称为RC型力/位置混合控制器，其结构如图5-24所示。二、机器人经典力控制模式图5-24 R-C混合力/位置控制器结构二、 机器人经典力控制模式
54.R-C混合力/位置控制在笛卡尔空间描述约束，区分位置控制和力控制，在某些方向控制力，在其他方向控制位置，用两组平行互补的反馈回路控制一个共同的目标。在该方法中，通过正向运动学方程T将测量的关节位置Q转换为笛卡尔坐标位置X，并与期望的笛卡尔坐标位置xd进行比较，从而产生笛卡尔坐标中的位置误差。在转换到关节坐标之前，力控制方向上的位置误差被设置为零，然后通过逆雅可比变换J-1转换到关节坐标，该逆雅可比变换J-1用于通过PID控制器减小位置误差。同样的， 通过比较由力转换矩阵Kfb转换的检测力F和预期力Fd，获得笛卡尔坐标中的力误差。在这个误差被转换成关节力矩之前，任何位置控制方向上的力误差被设置为零并被改变。
55.PID控制器利用改变后的误差来消除力控制方向的误差。其具体工作原理描述如下。2.机器人经典力控制模式的位置/速度控制部分由两条路径组成:位置和速度。位置路径以末端执行器期望的笛卡尔位置坐标xd为输入，利用正向运动学方程t从关节位置q计算位置反馈，利用雅可比矩阵的逆矩阵J-1，将笛卡尔空间的位置偏差转化为关节空间的位置偏差，经过PI处理后作为关节控制力或力矩的一部分。速度路径以末端执行器期望的笛卡尔空间速度为输入，通过雅可比矩阵j计算关节速度得到速度反馈，同样， 速度路径利用雅可比矩阵的逆矩阵J-1将笛卡尔空间的速度偏差转化为关节空间的速度偏差。比例计算后，结果用作联合控制。
56.力或力矩的一部分。第二，机器人的经典力控制模式。第二，机器人的经典力控制模式。力控制部分由PI和力前馈通道组成。PI通道以机器人末端执行器期望的笛卡尔空间力Fd为输入，利用雅可比矩阵的变换方程JT，将笛卡尔空间的力偏差转化为关节空间的力偏差，经PI运算后成为关节控制力或力矩的一部分。力前馈通道直接利用雅可比矩阵的转换方程，将期望力Fd转换到关节空间，作为整个关节控制力或力矩的一部分。力前馈通道的作用是加快系统对期望力Fd的响应速度。C f是力控制部分的每个部件的选择矩阵， 用于选择每个组件的动作大小。力控制部分产生的关节空间力或力矩为公式，其中K fp和Kfi分别为力通道的比例和积分系数。
57、;Cf是力控制部分的选择矩阵；KfbF是测得的力。二、机器人经典的力控制方法将前两部分(位置/速度控制部分和力控制部分)的力或力矩合成，总的力或力矩表达式可以得到如下。=p+f其次，机器人的经典力控制模式和提出的R-C控制器的控制方案都不完善。为此，R等人提出了一种改进方法，用等效关节位置环代替操作空间的位置环，但必须根据精确的环境约束方程实时确定雅可比矩阵，并且必须计算其坐标系， 并且力控制和位置控制的方向需要由实时反映任务需求的选择矩阵来确定。通过在原位置控制系统中引入并行力控制回路，实现了力/位置混合控制。当检测到笛卡尔坐标中的位置误差时，末端效应器演奏长笛。
58.笛卡尔坐标下的PID控制产生一个修正加速度，该加速度首先通过笛卡尔空间中的惯性矩阵转化为修正力，然后转化为力矩控制末端执行器。R-C力/位置混合控制的发展过程可以从上述代表性研究和其他人的研究中看出。3)改进的钢筋混凝土控制方案二。机器人的经典力控制模式上面描述的R-C控制器没有考虑机械臂动力学耦合的影响，这会导致机械臂在工作空间中的一些非奇异位形不稳定。在深入分析了控制器的不足后，研究人员提出了以下改进措施。(1)混合控制器考虑了机械手的动态响应，补偿了机械手受到的重力、科里奥利力和向心力， 如图5-25和位置/速度/加速度控制部分所示。
59.惯性矩阵增大。(2)考虑到力控制系统的欠阻尼特性，在力控制回路中加入阻尼反馈，以削弱振荡因素的影响。在图5-25所示的阻尼反馈通道中，信号来自机器人的当前速度。第二，机器人的经典力控制模式如图5-25所示。改进的R-C混合力/位置控制器结构二、机器人的经典力控制方式(4)考虑了环境力满足弹性目标对机器人刚度的要求的影响，设置了如图5-25所示的JT-K f P通道。如图5-25所示，改进的R-C力/位置混合控制方案由三部分组成，即位置/速度/加速度控制部分、力控制部分和动态补偿部分(环境力控制部分和阻尼反馈部分)。第二， 机器人经典的力控制模式位置/速度/加速度控制部分由四部分组成。
60.通道由位置通道、速度通道、加速度前馈通道和阻尼通道组成。Cp用作前三个通道的选择矩阵，Cf用作阻尼通道各元件的选择控制矩阵。这四个通道产生的关节空间力或力矩的表达式如下。其中K fd是阻尼通道的比例系数。2.机器人经典力控制模式的力控制部分由期望力前馈通道、PI通道和环境力通道组成，该部分产生的关节空间力或力矩的表达式如下。动态补偿部件产生的力或力矩的表达式是机器人关节空间中上述部件产生的合力或力矩的表达式如下。第二， 机器人的经典力控制模式——混合力/位置控制是一种非常清晰的控制方案，但在实施中存在很多困难和问题。虽然力/位置混合控制理论不断改进和完善，但仍然难以应对。
61.用于复杂的实际生产中。目前国外已经将混合控制原理应用到机器人上，可以实现清洁玻璃这样简单的任务，比如斯坦福大学的机器人。国内也有一些大学和研究所。机构混合力/位置控制的研究已经开展，但对于复杂的任务，目前还处于理论研究和仿真实验阶段，离实际应用还很远。综上所述，力/位置混合控制之所以难以应用于复杂的实际工作场合，主要是因为还存在一些难以解决的问题。4)混合力/位置控制中存在的问题2。机器人经典力控制模式(1)工作环境空间精确建模。工作环境空间的建模对混合控制有很大影响。如果工作环境空间的建模不准确， 混合控制很难完成既定任务，精确建模工作环境非常困难。(2)联系方式
62、改造。接触的变换不仅指从自由空间运动到约束空间运动的变换，还指从一个约束曲面到另一个约束曲面的变换。这种变换大多存在不可避免的碰撞，刚性末端执行器与刚性环境的接触没有很好的定义。碰撞瞬间产生的巨大相互作用力的相互作用时间是微秒级的，控制器的响应时间跟不上这个速度，所以末端执行器或工作可能还没反应过来就已经损坏了。(3)控制策略的生成。很少有指导原则和理论来决定每项任务采用何种控制策略，如何根据在线传感器信息自动生成控制策略更是难上加难。第二，机器人的经典力控制方法可以有效地控制简单操作任务中的力和位置， 但是在完成复杂任务的过程中，面临着模型参数不
63.测定、接触环境不确定、外界干扰等问题，在防治效果和适用范围上还存在不足，无法推广应用。因此，有必要研究先进的力控制方法来克服这些问题。影响机器人人力控制稳定性的因素很多，其中接触环境和机器人本体参数影响最为明显。对于特定的已知接触环境，可以调整力控制器的参数，使整个力控制系统稳定，具有理想的控制性能。但当接触环境发生变化时，控制器会不稳定，需要重新调整控制器参数。目前，大多数先进的力控制方法都是在经典力控制方法的基础上，增加了适应性或鲁棒性。三、机器人先进的力控制方法三、 机器人先进力控制方法直接自适应力控制方法通过自适应机制自调整控制增益，使跟踪误差矢量收敛到零。自适应力控制器
64.该方法仅适用于模型参数变化缓慢、环境干扰小的控制过程。图5-26机器人III自适应力控制的一般结构。机器人的先进力控制方法。机器人的先进力控制方法鲁棒力控制器的输出包括两部分:鲁棒控制律和反馈控制律，通常是PI、PD、PID等。鲁棒力控制的难点在于如何设计一个好的鲁棒控制律，这通常通过李亚普诺夫方法得到。迄今为止，主要有两种鲁棒力控制策略:鲁棒力/位置混合控制和鲁棒阻抗控制。鲁棒力控制方法必须在系统鲁棒性和控制精度之间进行折衷。图5-27机器人鲁棒力控制结构三示意图。机器人学习控制的先进力控制方法已用于机器人位置控制， 近年来，它也在力/位置混合控制中得到了应用。可以使用学习能力控制
65.当执行重复操作时，通过使用位置、速度、加速度误差或力误差来学习操作所需的输入指令，可以显著提高控制性能。当参数不确定性和干扰足够小时，学习力控制可以保证位置和力跟踪误差收敛。图5-28机器人学习控制四的力控制结构示意图。机器人智能控制方法。机器人智能控制方法。近年来，神经网络由于其强大的学习能力，在机器人控制中的应用引起了极大的关注。神经网络方法具有模糊性、适应性和自学习习惯的特点，与传统控制方法相比具有很大的优势。该领域的研究大致可分为两类:一类是假设机器人动力学完全未知， 通过学习训练神经网络逼近系统的动态或逆动态。