机器人技术基础及应用

本书是作者结合多年来在机器人方面的教学和科研成果与经验，精心组织和编写的。系统地介绍机器人技术，满足高等院校师生和广大工程技术人员的迫切需求。在内容的选择和编排上，注重理论与工程应用的结合、基础知识与现代技术的结合；在理论方面，包括机器人的基本概念与分类，机器人的运动学和动力学，机器人的运动规划，机器人的控制技术和传感器技术，能反映当前国内外机器人技术研究的*进展；在应用方面，不仅有焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人、洁净机器人与真空机器人、移动式搬运机器人等工业机器人的应用，而且还包括移动机器人定位与导航和机器人大赛方面的相关知识与应用实例。应用实例丰富、生动，拓展学生的视野。讲解简明概括，易于理解，内容包括机器人的基本概念、分类，机器人的运动学和动力学、运动规划、控制技术、传感器等。内容丰富，图文并茂，应用领域广泛，可作为机械、自动化及计算机等专业本科高年级学生或研究生的教材，也可供从事机器人学研究的科研人员学习和参考。
 

本书系统地介绍了机器人技术的基础知识和应用实例以及机器人竞赛的有关知识，比较全面地反映了国内外机器人研究和应用的*进展。全书共分为9章。主要内容有机器人的基本概念与分类、基本组成、技术参数，机器人的运动学和动力学，机器人的轨迹规划，机器人的控制，机器人传感器，焊接、喷漆、装配、洁净与真空机器人、移动式搬运机器人等工业机器人的应用实例，移动机器人定位与导航，以及机器人竞赛的种类及应用实例。
本书可作为从事机器人学研究、开发和应用的科研工作者和工程技术人员的参考书，也可以作为高等院校自动控制、机械工程、电子工程、机电一体化等相关专业本科生和研究生的教材。

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前言Foreword

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第5章chapter5
第5章机器人控制1.1微型计算机简介5.1机器人控制概述〖1〗5.1.1机器人控制系统及其功能对于一个具有高度智能的机器人，它的控制系统实际上包含“任务规划”“动作规划”“轨迹规划”和基于模型的“伺服控制”等多个层次，如图51所示。首先，机器人要通过人机接口获取操作者的指令，指令的形式可以是人的自然语言，或者是由人发出的专用的指令语言，也可以是通过示教工具输入的示教指令，或者键盘输入的机器人指令语言以及计算机程序指令；其次，机器人要对控制命令进行解释理解，把操作者的命令分解为机器人可以实现的“任务”，这是任务规划；然后，机器人针对各个任务进行动作分解，这是动作规划。为了实现机器人的一系列动作，应该对机器人每个关节的运动进行设计，即机器人的轨迹规划。底层是关节运动的伺服控制。 图51机器人控制系统的组成及功能实际应用的工业机器人，其控制系统并不一定都具有上述所有组成及功能。大部分工业机器人的“任务规划”和“动作规划”是由操作人员完成的，有的甚至连“轨迹规划”也要由人工编程来实现。一般的工业机器人，设计者已经完成轨迹规划的工作，因此操作者只要为机器人设定动作和任务即可。由于工业机器人的任务通常比较专一，为这样的机器人设计任务，对用户来说并不是一件困难的事情。◆机器人技术基础及应用第◆5章机器人控制1. 工业机器人控制系统的主要功能(1) 机器人示教。机器人示教指的是，为了让机器人完成某项作业，把完成该项作业内容的实现方法对机器人进行示教。随着机器人完成的作业内容复杂程度的提高，如果还是采用示教再现方式对机器人进行示教已经不能满足要求了。目前一般都使用机器人语言对机器人进行作业内容的示教。作业内容包括让机器人产生应有的动作，也包括机器人与周边装置的控制和通信等方面的内容。(2) 轨迹生成。为了控制机器人在被示教的作业点之间按照机器人语言所描述的指定轨迹运动，必须计算配置在机器人各关节处电机的控制量。(3) 伺服控制。把从轨迹生成部分输出的控制量作为指令值，再把这个指令值与位置和速度等传感器来的信号进行比较，用比较后的指令值控制电机转动，其中应用了软伺服。软伺服的输出是控制电机的速度指令值，或者是电流指令值。在软伺服中，对位置与速度的控制是同时进行的，而且大多数情况下是输出电流指令值。对电流指令值进行控制，本质是进行电机力矩的控制，这种控制方式的优点很多。(4) 电流控制。电流控制模块接受从伺服系统来的电流指令，监视流经电机的电流大小，采用PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)方式，对电机进行控制。2. 移动机器人控制系统的功能移动机器人控制系统是以计算机控制技术为核心的实时控制系统，它的任务就是根据移动机器人所要完成的功能，结合移动机器人的本体结构和机器人的运动方式，实现移动机器人的工作目标。控制系统是移动机器人的大脑，它的优劣决定了机器人的智能水平、工作柔性及灵活性，也决定了机器人使用的方便程度和系统的开放性。5.1.2机器人控制系统的特点机器人控制系统一般是以机器人的单轴或多轴协调运动为控制目的的系统，与一般的伺服系统或过程控制系统相比，机器人控制系统有如下特点。(1) 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。根据给定的任务，应当选择不同的基准坐标系，并做适当的坐标变换，经常要求解运动学正问题和逆问题。除此之外，还要考虑各关节之间惯性力、哥氏力等的耦合作用以及重力负载的影响。(2) 描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅利用位置闭环是不够的，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，比如重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等。(3) 机器人控制系统是一个多变量控制系统。即使一个简单的工业机器人也有3～5个自由度。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。例如，机器人的手部运动是所有关节运动的合成运动，要使手部按照一定的规律运动，就必须很好地控制各关节协调动作，包括运动轨迹、动作时序等多方面的协调。(4) 具有较高的重复定位精度。除直角坐标机器人以外，机器人关节上的位置检测元件不能安放在机器人末端执行器上，而是放在各自的驱动轴上，因此是位置半闭环系统。但机器人的重复定位精度较高，一般为±0.1mm。(5) 系统的刚性要好。由于机器人工作时要求运动平稳，不受外力干扰，为此系统应具有较好的刚性，否则将造成位置误差。(6) 位置无超调，动态响应尽量快。机器人不允许有位置超调，否则将可能与工件发生碰撞。加大阻尼可以减少超调，但却降低了系统的快速性，所以进行设计时要根据系统要求权衡。(7) 需采用加(减)速控制。过大的加(减)速度都会影响机器人运动的平稳，甚至发生抖动，因此在机器人起动或停止时采取加(减)速控制策略。通常采用匀加(减)速运动指令来实现。(8) 从操作的角度来看，要求控制系统具有良好的人机界面，尽量降低对操作者的要求。因此，多数情况要求控制器的设计人员不仅要完成底层伺服控制器的设计，而且还要完成规划算法的编程。5.1.3机器人的控制方式工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。随着实际工作情况的不同，可以采用各种不同的控制方式。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。其中，示教再现控制方式是当要让工业机器人完成某作业时，可预先移动工业机器人的手臂来示教该作业顺序、位置以及其他信息，在执行任务时，依靠工业机器人的动作再现功能，可重复进行该作业。按运动坐标控制的方式分为关节空间运动控制和直角坐标空间运动控制两类。按照被控对象可以分为位置控制、速度控制、力控制、力矩控制、力/位混合控制等。本书按后一种分类方法，对工业机器人控制方式做具体分析。