速度高 精度高 控制范围广（一般速度控制比要求在1：10000以上。）
传统的、有效的单自由度机构的控制技术已远远不能满足机器人这样的特
别对象。新的运动控制思想即在这种背景之下被提出。
5.1 工业机器人控制系统的特点
机器人控制上的特殊要求
不仅高速运动中突然停止时的位置精度要求高，而且还要求高精度地跟 踪时变的速度与空间轨迹，对加速度和力也要进行高精度的控制。 机构多为开式串联结构，因此刚性差且具有多个固有振动频带。与1kHz 以上的单体机械和300Hz左右的机床相比，关节式多自由度机器人的机构 共振频率多在5—30Hz范围内，航天机器人仅在1Hz以下并伴有强烈的高 频过渡振荡现象。 负载以及各构件对各个回转轴的转动惯量，随机器人的位形而变，其变 化幅度很大，一般可达4—8倍。 摩擦、传动间隙、检测精度等对机器人的高速、高精度的运动制约严重 。
精度
机器人的最终精度主要依存于机械误差、 控制算法与系统分辨率。
精度—机械误差
机械误差主要产生于传动误差、关节间隙与联杆 机构的挠性。
传动误差是由轮齿误差、螺距误差等; 关节间隙是关节处轴承间隙、谐波齿隙等; 连杆的挠性，随机器人的位形、负载的变化 而变化。
精度—控制算法误差
控制算法误差，主要指能否得到直接解的算法和 算法在计算机内的运算字长所造成的“bit”(比 特)误差。 因为16位以上CPU可达到82位以上浮点运算，所 以“bit”误差与机构误差相比，基本可以忽略不 计。
伸缩轴：10/1000=0.01mm 旋转轴： (1/22)x(360/1000)x500xπ/180=0.14mm
多关节机器人
机器人的精度将由各个回转关节的误差之和来决定
机器人的精度将由各个回转关节的误 差之和来决定 关节形机器人精度最差。 由于它占地面积最小，而动作范围最 大，空间速度快，灵活，通用性好等 优点，而成为机器人发展的主流。
编程分辨率
编程分辨率是指程序中可以设定的最小距离 单位，又称基准分辨率。 例如：当电机旋转0.1度，机器人腕点(手臂 尖端点)移动的直线距离为0.01mm时，其基 准分辨率为0．01mm。
控制分辨率
控制分辨率是位置反馈回路能够检测到的最 小位移量
例如：若每周(转)1000个脉冲的增量方式的 光码盘与电机同轴安装的话，则电机每旋转 0.36度(360度／1000rpm)，光码盘就发出一 个脉冲，因此，0.36度以下的角度变化无法 检测，该系统的控制分辨率为0.36度。
5.1 工业机器人控制系统的特点
机器人的结构是一个空间开链机构, 需要多关节的运动协调。 因此, 其控制 系统与普通的控制系统相比要复杂得多,具体有如下特点:
(1) 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。 经常要求正向运动学和 反向运动学的解, 还要考虑惯性力、 外力(包括重力)、哥氏力及向心力的影响。
精度—系统分辨率
分辨率的系统误差可取1/2基准分辨率。 理由是基准分辨率以下的变位我们既无法编程又无法检 测，故误差的平均值可取1/2基准分辨率。 机器人的精度＝1/2基准分辨率十机构误差。 如果做到使机构的综合误差达到1/2基准分辨率，则精度 ＝分辨率。
位置重复精度
位置重复精度是关于精度的统计数据。 位置重复精度不受负载变化的影响； 通常用位置重复精度这一指标作为示教／再现方 式工业机器人水平的重要精度指标。
第5章 工业机器人控制
5.1 工业机器人控制系统的特点 5.2 运动控制中的基本概念 5.3 工业机器人控制系统的主要功能
5.4 工业机器人的控制方式 5.5 工业机器人的运动控制技术
5.1 工业机器人控制系统的特点
运动控制是物体在空间、时间中的位置、速度、加速度和力的控制技术。 机器人是运动控制的典型代表。 工业机器人与传统机械有着很大的差异，主要表现：
精度、分辨率与位置重复精度
精度常常容易和分辨率、位置重复精 度相混淆。 实际是三个不同的概念。
分辨率
机器人的分辨率是由系统设计参数所决定，并 受到位置反馈检测单元性能的影响。 分辨率又分为编程分辨率与控制分辨率。 当编程分辨率与控制分辨率相等时，系统性能 达到最高。上述两个分辨率统称系统分辨率。
(5) 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成, 因此存在一个“最优” 的问题。 根据传感器和模式识别的方法获得的工况, 自动选择最佳的控制规律。
5.2 运动控制中的基本概念
精度、分辨率与位置重复精度 位置与轨迹 点位(PTP)与连续(CP)控制 多轴协调控制 T／P方式工业机器人的基本控制思想
位置重复精度
R=0.1mm
位置重复精度=±0.1mm
精度与位置重复精度的关系
机型与精度等的关系
直角坐标形机器人
精度可以很高
其直线距离可表示为：
L x2y2z2
圆柱坐标形机器人
其分辨率不定，随r的变化而变化
设回转轴分辨率为α时，则腕 点分辨率为αr
例如：回转轴的位置检测单元 采 用 6000P ／ 周 的 增 量 方 式 光 码盘与电机同轴联接，水平腕 最长为1m的话，则腕点位置分 辨率是最坏的情况，
(甚至几十个 自由度。 每个自由度包含一个伺服机构, 它们必须协调 组成一个多变量控制系统。
(3) 机器人的协调控制以及“智能”, 只能由计算机来完成。 因此, 机器人控制 系统必须是一个计算机控制系统。
(4) 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,参 数也在变化, 变量间存在耦合。因此还要利用速度甚至加速度闭环。
36 /6 000 0.006 r0.0 6 10 0/1 08 1 0 .0m 5
极坐标机器人
手腕长度的变化，将造成3个轴中的2个轴分辨率的下降
例 如 ： 3 个 1000P ／ 周 增 量 式 光 码 盘 ， 一 个 装 在 与 螺 距 为 10mm 的 滚 珠丝杠同轴驱动伸缩臂的电机轴 上，2个安装在通过1：22速比的 减速器驱动2个旋转轴的电机上， 腕 的 臂 长 为 500mm 。 此 时 ， 3 个 轴 的分辨率分别为：