第五章工業(yè)機(jī)器人控制

工業(yè)機(jī)器人的控制主要包括：機(jī)器人動(dòng)作的順序、應(yīng)實(shí)現(xiàn)的路徑與位置、動(dòng)作時(shí)間間隔以及作用于對(duì)象物上的作用力等。工業(yè)機(jī)器人要代替人完成某些操作，通常需要具有如圖5-1所示的控制機(jī)能。這些機(jī)能與工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的組成有著對(duì)應(yīng)關(guān)系。早期工業(yè)機(jī)器人的控制是通過(guò)示教再現(xiàn)方式進(jìn)行的，控制裝置是由凸輪、擋塊、插銷(xiāo)板、穿孔紙帶、磁鼓、繼電器等機(jī)電元件構(gòu)成。而進(jìn)入80年代的工業(yè)機(jī)器人則主要使用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)現(xiàn)上述裝置的功能。本章介紹的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)都是以計(jì)算機(jī)控制為前提的?！?-l工業(yè)機(jī)器人控制的特點(diǎn)及分類(lèi)一、工業(yè)機(jī)器人控制的特點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)與傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)械控制相比，沒(méi)有根本的不同之處。然而，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)一般是以機(jī)器人的單軸或多軸運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)為目的的控制系統(tǒng)。其控制結(jié)構(gòu)要比一般自動(dòng)機(jī)械的控制復(fù)雜得多，與一般的伺服系統(tǒng)或過(guò)程控制系統(tǒng)相比，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：(1)傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)械是以自身的動(dòng)作為重點(diǎn)，而工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對(duì)象的相互關(guān)系。無(wú)論以多么高的精度控制手臂，若不能央持并操作物體到達(dá)目的位置，作為工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，那就失去了意義，這種相互關(guān)系是首要的。

(2)工業(yè)機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。根據(jù)給定的任務(wù)，經(jīng)常要求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題和逆問(wèn)題，因此，往往要根據(jù)需要,選擇不同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并作適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。而且還因工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)之間慣性力、哥氏力的耦合作用以及重力負(fù)載的影響使問(wèn)題復(fù)雜化，所以使工業(yè)機(jī)器人控制問(wèn)題也變得復(fù)雜。(3)即使一個(gè)簡(jiǎn)單的工業(yè)機(jī)器人也至少有3~5個(gè)自由度。每個(gè)自由度一般包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)必須有機(jī)地協(xié)調(diào)起來(lái)，組成一個(gè)多變量的控制系統(tǒng)。所以，工業(yè)機(jī)器人的控制，一般是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)軟件擔(dān)負(fù)著艱巨的任務(wù)。(4)描述工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性模型，隨著狀態(tài)的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在精合。因此，僅僅是位置閉環(huán)是不夠的，還要利用速度、甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中還經(jīng)常采用一些控制策略,比如使用重力補(bǔ)償、前饋、解耦、基于傳感信息的控制和最優(yōu)PID控制等。(5)工業(yè)機(jī)器人還有一種特有的控制方式－示教再現(xiàn)控制方式。當(dāng)要工業(yè)機(jī)器人完成某作業(yè)時(shí)，可預(yù)先移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的手臂，來(lái)示教該作業(yè)順序、位置以及其它信息，在執(zhí)行時(shí)，依靠工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作再現(xiàn)功能，可重復(fù)進(jìn)行該作業(yè)。總而言之，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)與運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理密切相關(guān)的、有禍合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。隨著實(shí)際工作情況的不同，可以采用各種不同的控制方式，從簡(jiǎn)單的編程自動(dòng)化，微處理機(jī)控制到小型計(jì)算機(jī)控制等。

二、工業(yè)機(jī)器人控制的分類(lèi)工業(yè)機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)的選擇，是由工業(yè)機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)決定的，對(duì)不同類(lèi)型的機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展了不同的控制綜合方法，從來(lái)沒(méi)有人企圖用統(tǒng)一的控制模式對(duì)不同類(lèi)型的機(jī)器人進(jìn)行控制。工業(yè)機(jī)器人控制的分類(lèi)，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)控制的方式來(lái)分，有關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)控制、直角坐標(biāo)空間運(yùn)動(dòng)控制；按控制系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境變化的適應(yīng)程度來(lái)分，有程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)、人工智能控制系統(tǒng)；按同時(shí)控制機(jī)器人數(shù)目的多少來(lái)分，可分為單控系統(tǒng)、群控系統(tǒng)。除此以外，通常還按運(yùn)動(dòng)控制方式的不同，將機(jī)器人控制分為位置控制、速度控制、力控制（包括位置/力混合控制）三類(lèi)。下面按后一種分類(lèi)方法，對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制方式作具體分析。1.位置控制方式(1)點(diǎn)位控制；(2)連續(xù)軌跡控制。2.速度控制方式3.力(力矩)控制方式§5-2工業(yè)機(jī)器人位置控制一、位置控制問(wèn)題工業(yè)機(jī)器人位置控制的目的，就是要使機(jī)器人各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)預(yù)先所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)，最終保證工業(yè)機(jī)器人終端(手爪)沿預(yù)定的軌跡運(yùn)行。實(shí)際中的工業(yè)機(jī)器人，大多為串接的連桿結(jié)構(gòu),其動(dòng)態(tài)特性具有高度的非線性。但在其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，往往把機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)當(dāng)成一個(gè)獨(dú)立的伺服機(jī)構(gòu)來(lái)處理。伺服系統(tǒng)一般在關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間中指定參考輸入，采用基于關(guān)節(jié)坐標(biāo)的控制。在我們討論的工業(yè)機(jī)器人模型中，通常每個(gè)關(guān)節(jié)裝有位置傳感器，用以測(cè)量關(guān)節(jié)位移；有時(shí)還用速度傳感器（如測(cè)速電機(jī)）檢測(cè)關(guān)節(jié)速度。雖然關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)方式多種多樣，但作為模型，總可以認(rèn)為每一個(gè)關(guān)節(jié)是由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的。工業(yè)機(jī)器人很少采用步進(jìn)電機(jī)等開(kāi)環(huán)控制方式，應(yīng)用中的工業(yè)機(jī)器人幾乎總是采用反饋控制，利用各關(guān)節(jié)傳感器得到的反饋信息，計(jì)算所需的力矩，發(fā)出相應(yīng)的力矩指令，以實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動(dòng)。圖5-4所示表示機(jī)器人本身、控制系統(tǒng)和軌跡規(guī)劃器之間的關(guān)系。工業(yè)機(jī)器人接受控制系統(tǒng)發(fā)出的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩矢量τ，裝于機(jī)器人各關(guān)節(jié)上的傳感器測(cè)出關(guān)節(jié)位置矢量θ和關(guān)節(jié)速度矢量θ，再反饋到控制器上，這樣由反饋控制構(gòu)成了工業(yè)機(jī)器人的閉環(huán)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)，其中心問(wèn)題是保證所得到的閉環(huán)系統(tǒng)滿(mǎn)足一定的性能指標(biāo)要求，它最基本的準(zhǔn)則是系統(tǒng)的穩(wěn)定性。我們講系統(tǒng)是穩(wěn)定的，是指它在實(shí)現(xiàn)所規(guī)劃的路徑軌跡時(shí)，即使在一定的干擾作用下，其誤差仍然保持在很小的范圍之內(nèi)。在實(shí)際中，可以利用數(shù)學(xué)分析的方法蟲(chóng)根據(jù)系統(tǒng)的模型和假設(shè)條件判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，也可以采用仿真和實(shí)驗(yàn)的方法判別系統(tǒng)的優(yōu)劣。

圖5-4中所示的所有信號(hào)線都是n*1維矢量，這表明工業(yè)機(jī)器人的控制是個(gè)多輸入-多輸出(MIMO)系統(tǒng)。在后面討論的模型中，我們對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即把每個(gè)關(guān)節(jié)作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。因而，對(duì)于一個(gè)具有n個(gè)關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，我們可以把它分解成n個(gè)獨(dú)立的單輸入-單輸出(SISO)控制系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都采用這種簡(jiǎn)化方法。很顯然，這種獨(dú)立關(guān)節(jié)控制方法是近似的，因?yàn)樗雎粤斯I(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即各個(gè)關(guān)節(jié)之間相互耦合和隨形位變化的事實(shí)。如果對(duì)于更高性能要求的機(jī)器人控制，則必須考慮更有效的動(dòng)態(tài)模型、更高級(jí)的控制方法和更完善的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)?？傊?，與其它控制系統(tǒng)相比，機(jī)器人控制是相當(dāng)復(fù)雜的。對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)施位置控制，位置檢測(cè)元件是必不可少的。檢測(cè)是為進(jìn)行比較和判斷提供依據(jù)，是對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)行操作和控制的基礎(chǔ)。為此，我們首先來(lái)討論位置傳感器。二、位置檢測(cè)傳感器常用的位置檢測(cè)元件有模擬和數(shù)字兩類(lèi)。應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人上的輸出信號(hào)為模擬量的位置檢測(cè)元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、線性電位計(jì)等。輸出信號(hào)為數(shù)字量的位置檢測(cè)元件有光電盤(pán)、編碼盤(pán)、光柵等。下面將簡(jiǎn)單介紹一些常用位置檢測(cè)元件的基本原理。1.旋轉(zhuǎn)變壓器；2.感應(yīng)同步器；3.光電盤(pán)；4.編碼盤(pán)（或稱(chēng)碼盤(pán)）。三、位置控制器模型1.定點(diǎn)位置控制；2.軌跡跟蹤的位置控制；3.控制規(guī)律的分解。四、工業(yè)機(jī)器人單關(guān)節(jié)的建模和控制我們?cè)谟懻撐恢每刂茊?wèn)題時(shí)就已指出，多關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)往往可以分解成若干個(gè)帶精合的單關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)。如果精合是弱輯合，則每個(gè)關(guān)節(jié)的控制可近似為獨(dú)立的，看成是每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)簡(jiǎn)單的伺服系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。至于重力以及各關(guān)節(jié)間相互作用力的影響，則可由預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制策略來(lái)消除。實(shí)際上，采用常規(guī)控制技術(shù)，單獨(dú)控制每個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人位置控制是可能的。下面我們來(lái)建立工業(yè)機(jī)器人單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的簡(jiǎn)化模型，推導(dǎo)出它的傳遞函數(shù)，并依此實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人單關(guān)節(jié)位置控制。1.數(shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù)2.單關(guān)節(jié)的位置控制3.位置、速度反饋增益的選擇五、基于直角坐標(biāo)的控制

前面我們討論的工業(yè)機(jī)器人位置控制問(wèn)題，是在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行的，系統(tǒng)的輸入是期望的關(guān)節(jié)軌跡，但是在許多應(yīng)用場(chǎng)合，采用基于直角坐標(biāo)的控制更為適宜。所謂基于直角坐標(biāo)的藍(lán)古制，就是控制機(jī)器人未端操作器沿直角坐標(biāo)空間指定的軌跡運(yùn)動(dòng)，控制系統(tǒng)的輸入是期望的主角坐標(biāo)軌跡。這對(duì)于每個(gè)關(guān)節(jié)由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，意味著為使機(jī)器人終端沿期望的軌跡運(yùn)動(dòng)，幾個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)必須以不同的運(yùn)動(dòng)組合，即不同的速度匹配同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種控制方式大大簡(jiǎn)化了完成作業(yè)時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)序列的規(guī)定，方便了用戶(hù)。實(shí)際上，用戶(hù)總是希望在直角坐標(biāo)系中規(guī)定作業(yè)路徑、運(yùn)動(dòng)方向和速度的。1.直角坐標(biāo)路徑輸入時(shí)的控制方案我們已經(jīng)知道,基于關(guān)節(jié)坐標(biāo)控制的基本思路是：利用內(nèi)部傳感器測(cè)出實(shí)際各關(guān)節(jié)的位移和速度，在關(guān)節(jié)空間中計(jì)算期望值與實(shí)際測(cè)量值之間的差值，從而得到軌跡誤差，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制。2.直角坐標(biāo)解耦控制

§5-３工業(yè)機(jī)器人力控制一、引言在噴漆、點(diǎn)焊、搬運(yùn)時(shí)所使用的工業(yè)機(jī)器人，一般只要求其末端操作器（噴槍、焊槍、手爪等）沿某一預(yù)定的路徑運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中末端操作器始終不與外界任何物體相接觸，這時(shí),我們只需對(duì)機(jī)器人進(jìn)行位置控制就夠了。由于力是兩物體相互作用后才產(chǎn)生，力控制是首先將環(huán)境考慮在內(nèi)的控制問(wèn)題。為了對(duì)機(jī)器人實(shí)施力控制，需要分析機(jī)器人手爪與環(huán)境的約束狀態(tài)，并根據(jù)約束條件制定控制策略；此外，還需要在機(jī)器人上安裝力傳感器，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人與環(huán)境接觸狀態(tài)的變化信息?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)預(yù)先制定的控制策略對(duì)這些信息作出處理后，可以指揮機(jī)器人在不確定環(huán)境下進(jìn)行與該環(huán)境相適應(yīng)的操作，從而使機(jī)器人能勝任復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，這是機(jī)器人的一種智能化特征。

然而，在另一類(lèi)場(chǎng)合，如裝配、加工、拋光等作業(yè)，工作過(guò)程中要求機(jī)器人手爪與作業(yè)對(duì)象接觸，并保持一定的壓力。此時(shí)，如果只對(duì)其實(shí)施位置控制，有可能由于機(jī)器人的位姿誤差及作業(yè)對(duì)象放置不準(zhǔn)，或者使手爪與作業(yè)對(duì)象脫離接觸，或者使兩者相碰撞而引起過(guò)大的接觸力，其結(jié)果，不是機(jī)器人手爪在空中晃動(dòng)，就是造成機(jī)器人或作業(yè)對(duì)象的損傷。對(duì)于這類(lèi)作業(yè)，一種比較好的控制方案是：控制手爪與作業(yè)對(duì)象之間的接觸力。這樣，即使是作業(yè)對(duì)象位置不準(zhǔn)確也能保持手爪與作業(yè)環(huán)境的正確接觸。相應(yīng)地，對(duì)機(jī)器人的控制，除了在一些自由度方向進(jìn)行位置控制外，還需要在另一些自由度方向?qū)嵤┝刂?。二、力傳感器的設(shè)計(jì)、安裝問(wèn)題力（包括力矩）傳感器的作用，是用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人自身的內(nèi)部力及機(jī)器人與外界接觸時(shí)相互作用的力的大小，它是力控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。大部分力傳感器采用電阻（或半導(dǎo)體）應(yīng)變技術(shù)，將敏感元件應(yīng)變片粘貼在金屬骨架上，金屬骨架承受的力決定了應(yīng)變片的輸出信號(hào)的大小。從控制的角度來(lái)看，一般希望力傳感器具有多維信號(hào)檢測(cè)能力，即要求有檢測(cè)三個(gè)坐標(biāo)軸的分力和分力矩的功能，這種功能正是機(jī)器人按坐標(biāo)控制所需的。為此，設(shè)計(jì)力傳感器時(shí)，通常需要考慮以下問(wèn)題：

(1)為了獲得所需的力信息，需要有多少組敏感元件；(2)敏感元件相互之間應(yīng)怎樣配置，才能保證應(yīng)變信號(hào)提取的合理性，盡量避免和減少彼此間的干擾；(3)在保持剛度的前提下，采用什么樣的結(jié)構(gòu)能提高靈敏度。除此之外，在進(jìn)行傳感器的總體設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮傳感器的量程、精度、分辨率、過(guò)載保護(hù)以及與機(jī)器人的連接方法等問(wèn)題。

通常、力傳感器安裝在工業(yè)機(jī)器人上的位置有下列三種：(1)裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器軸上，傳感器測(cè)量驅(qū)動(dòng)器本身輸出力和力矩。雖然這對(duì)有些控制方式是有效的，對(duì)控制決策的實(shí)現(xiàn)也較為有利，但是一般情況下，無(wú)法提供機(jī)器人手爪與環(huán)境接觸力的信息。(2)裝在工業(yè)機(jī)器人腕部，即安放在手爪與機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間。這種方式能夠比較直接地測(cè)量作用在機(jī)器人手爪上的力和力矩。典型的傳感器能夠測(cè)量作用于手爪的力和力矩的6個(gè)分量。(3)裝于手爪指尖上。這種情況下測(cè)得的環(huán)境對(duì)手爪的作