【正文】 機(jī)器人的手就成為一個(gè)位置變動(dòng)很小的剛性手。如果用這個(gè)剛性手將捧插入孔中，則會(huì)發(fā)生切入現(xiàn)象 (棒被卡住不動(dòng)，就像我們平時(shí)拉抽屜常常被卡住一樣 )。因此， 配合作業(yè)時(shí)，應(yīng)使手的位置精度降低、位置變動(dòng)的幅度增大，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的柔性手。 例如，如上圖 b所示，在手指尖設(shè)置測(cè)力傳感器，一邊檢測(cè)手上的作用力，一邊在橫方向上移動(dòng)到剩余力不作用的位置 (孔的正上方 )，同時(shí)將棒插入孔中。這種控制不是位置控制，而是力的控制。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 動(dòng)作順序控制 下面考察從某點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)機(jī)器人怎樣動(dòng)作。這里簡(jiǎn)單描述一下基本動(dòng)作及其組合。 左圖示出了一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人。點(diǎn)焊機(jī)器人反復(fù)進(jìn)行位置控制和焊接作業(yè)控制。例如以 C點(diǎn)為目標(biāo)的位置控制一結(jié)束，即下達(dá)焊接指令開(kāi)始焊接。焊接作業(yè)一結(jié)束，則接受結(jié)束指令，進(jìn)入下一個(gè)焊接點(diǎn)的位置控制。 這樣決定一個(gè)位置及其焊接作業(yè)，結(jié)束后即向下一個(gè)動(dòng)作移動(dòng)的控制方式稱為順序程序方式。 這種用時(shí)間來(lái)管理程序順序的方式，稱為限時(shí)程序控制方式。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制按輸入信息及示教分類 (JIS B 0134) 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 控制的思考方法 什么是控制閥門(mén)出水口 研究向底部有孔的水槽注水的情況。當(dāng)打開(kāi)閥門(mén)向水槽中注水時(shí)，因水的積累而使槽中水位開(kāi)始升高。隨著水位的升高，從底部流出的水量也將增加。如果此時(shí)上水管的 但是，也會(huì)有不能將水槽水位穩(wěn)定控制在某一定值的情況?？紤]這樣一種情況，如果從閥門(mén)到出水口的距離很長(zhǎng)，從閥門(mén)開(kāi)閉到出水口的流量發(fā)生變化需要一段時(shí)間。閥門(mén)打開(kāi)，流入水槽的流量不會(huì)馬上增加，如果進(jìn)一步開(kāi)大閥門(mén)，流量將急劇增加，又要急忙關(guān)閉閥門(mén)。這樣一來(lái)，保持在希望的水位是不容易實(shí)現(xiàn)的。流量減少，水位會(huì)隨之下降；流入的流量增加，水位也會(huì)隨之升高。如果流入的流量進(jìn)一步增加，水會(huì)從槽中溢出。 要使水槽中的水位控制在期望值上，只要調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)閉就可以了。這樣控制的結(jié)果是，水槽的水位多少會(huì)有一些變動(dòng)，但大體上能夠維持在一定的數(shù)值。 方框圖 在底部無(wú)孔的水槽中 (右圖 (a))流入槽中的水的流量為變量 (隨時(shí)間而變化的量 )，那么水槽中的水量和水位亦為變量。關(guān)于流量變化引起水位變化這樣兩個(gè)變量間的關(guān)系，可以用右圖 (b)表示。圖中水槽用一個(gè)長(zhǎng)方形的方框來(lái)表示，這樣的圖稱為方框圖 。 左圖中水槽的底部有孔，槽中水位高時(shí)，從孔流出水的流量也大 (正確地說(shuō)，流出水的流量與水位的平方根成比例)，這個(gè)關(guān)系的方框圖如左圖所示。由上圖 (b)和左圖 (b)可以得到方框圖如下圖所示。 控制的思考方法 考慮向無(wú)孔水槽中注水并實(shí)現(xiàn)一定水位的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，注水開(kāi)始時(shí)閥門(mén)大開(kāi)，接近目標(biāo)水位時(shí)閥門(mén)開(kāi)始閉小，到達(dá)目標(biāo)水位時(shí)閥門(mén)全部關(guān)閉。上述過(guò)程能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制呢 ?上圖中采用了浮球液位開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)的自動(dòng)控制。浮球位于水槽的水面上，隨著水面上升浮球上升，閥門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，到達(dá)目標(biāo)水位時(shí)，閥門(mén)將完全關(guān)閉。這個(gè)裝置的方框圖如下圖所示。 控制的思考方法 取上述幾種方框圖的共同點(diǎn)，就得到了如下圖所示的標(biāo)準(zhǔn)化方框圖，目標(biāo)值通過(guò)給定部分作為比較器的輸入，成為合適的基準(zhǔn)輸入信號(hào)，與反饋量 (被檢測(cè)出的控制量 )相比較，產(chǎn)生偏差動(dòng)作信號(hào)。調(diào)節(jié)部分根據(jù)動(dòng)作信號(hào)產(chǎn)生控制系統(tǒng)所要求的控制信號(hào)并傳送至執(zhí)行部分。執(zhí)行部分產(chǎn)生控制量作用于控制對(duì)象。 控制的思考方法 另外，也可稱給定部分為基準(zhǔn)輸入環(huán)節(jié)，檢測(cè)部分為反饋環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)部分與執(zhí)行部分合稱為控制部分，如下圖所示。 檢測(cè)部分的反饋環(huán)節(jié)檢測(cè)出被控量，與基準(zhǔn)輸入信號(hào) (目標(biāo)值經(jīng)適當(dāng)處理后得到 )相比較。檢測(cè)出的位置、速度、力等量應(yīng)變換成電壓、電流等電信號(hào)。反饋環(huán)節(jié)的符號(hào)必須為負(fù)，并與目標(biāo)值相比較。例如當(dāng)速度高于目標(biāo)值 時(shí)， 則應(yīng)向降低速度的方向調(diào)整。由于反饋量的符號(hào)為負(fù)，因此稱之為負(fù)反饋。 控制的思考方法 以直流伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)器人手腕的位置控制為例加以說(shuō)明。整個(gè)控制系統(tǒng)如下圖所示。圖中，負(fù)載的位置用電位器來(lái)檢測(cè)。電位器用電阻線繞制而成，一般為棒狀或環(huán)狀，加直流電壓。隨著負(fù)載位置的改變，電刷的電位隨之變化，就可以用來(lái)作位置檢測(cè)了。例如，當(dāng)負(fù)載向左移動(dòng)時(shí)電刷電位 e0下降，向右移動(dòng)時(shí)電刷電位 e0升高。因此電刷電位可以作為位置反饋信號(hào)，與表示目標(biāo)位置的電壓 ei相比較，產(chǎn)生偏差電壓ei e0 。 如果目標(biāo)電壓 ei大于反饋電壓 e0 ， 偏差電壓為正并通過(guò)電壓放大器放大。放大了的電壓加到直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，使直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)負(fù)載向右移動(dòng)，同時(shí)反饋電壓增大。當(dāng)反饋電壓 e0與目標(biāo)電壓 ei相等時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就可以在負(fù)載運(yùn)動(dòng)的直線上實(shí)現(xiàn)位置控制。 現(xiàn)在，用傳遞函數(shù)來(lái)表示系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，并求出系統(tǒng)的方框圖。首先是偏差電壓 ei e0的 電壓放大，然后是驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，得到電樞電壓 ea(右圖 )。由于電壓放大器和驅(qū)動(dòng)電路都是比例環(huán)節(jié)，由此可知它們的傳遞函數(shù)為常數(shù) Kl， K2， 由表可知 Kl， K2串聯(lián)結(jié)合后可以合并為二者的乘積 Kl K 2， Kl K 2可以簡(jiǎn)單地記為 Kc。 考慮一下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)。一般采用永久磁鋼產(chǎn)生磁場(chǎng)的他激式直流電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力源。以電樞電壓 ea作為輸入，以電機(jī)轉(zhuǎn)速 n作為輸出時(shí)，他激式直流電機(jī)是一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)是：式中， Km為常數(shù)； Tm為時(shí)間常數(shù)。 最后，考慮齒輪、傳動(dòng)螺桿與負(fù)載部分(右圖 )。先由齒輪減速后傳遞到傳動(dòng)螺桿，由傳動(dòng)螺桿帶動(dòng)負(fù)載在直線上移動(dòng)。由電位器將負(fù)荷位置變換成電壓信號(hào)作為輸出。由于負(fù)載的位置由電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)確定，則電壓 e0應(yīng)為轉(zhuǎn)速與時(shí)間的乘積。當(dāng)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化時(shí)，輸出電壓 e0由以下積分式確定：式中， Kp為常數(shù) ,上式的拉氏變換為： 至此，系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)均已確定，可以畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)的方框圖如右圖所示。 如右圖所示，將串聯(lián)的三個(gè)傳遞函數(shù) Kc， Km／ (1十 Tms)， KP／ s合并為 KcKm KP ／ s(1十 Tms) 。 對(duì)于右圖中的負(fù)反饋結(jié)合， G1= KcKm KP ／ s(1十 Tms),故負(fù)反饋結(jié)合后的傳遞函數(shù)為 這樣一來(lái)，用直流電動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行置控制時(shí)，給定目標(biāo)位置的電壓 ei與 給出實(shí)際位置的電壓 e0二者之間的關(guān)系就可以傳遞函數(shù)來(lái)表示了。 機(jī)器人的基本控制原則 從控制觀點(diǎn)看，機(jī)器人系統(tǒng)代表冗余的、多變量和本質(zhì)上非線性的控制系統(tǒng)，同時(shí)又是復(fù)雜的耦合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。每個(gè)控制任務(wù)本身就是一個(gè)動(dòng)力學(xué)任務(wù)。 基本控制原則1．控制器分類 機(jī)器人控制器具有多種結(jié)構(gòu)形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反饋控制、力 (力矩 )控制、基于傳感器的控制、非線性控制、分解加速度控制、滑?？刂?、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、遞階控制以及各種智能控制等。 機(jī)器人控制器的選擇，是由機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)決定的。中級(jí)技術(shù)水平以上的機(jī)器人，絕大多數(shù)采用計(jì)算機(jī)控制，要求控制器有效而且靈活，能夠處理工作任務(wù)指令和傳感信息這兩種輸入。用戶與系統(tǒng)間的接口，要求能夠迅速地指明工作任務(wù)。技術(shù)水平更高的機(jī)器人，具有不同程度的 “ 智能 ” ，其控制系統(tǒng)能夠借助于傳感信息與周圍環(huán)境交互作用，并根據(jù)獲取的信息，修正系統(tǒng)的狀態(tài)，甚至能夠自主地控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。 本節(jié)將討論 工業(yè)機(jī)器人常用控制器的基本控制原則及控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。 從關(guān)節(jié) (或連桿 )角度看，可把工業(yè)機(jī)器人的控制器分為單關(guān)節(jié) (連桿 )控制器和多關(guān)節(jié) (連桿 )控制器兩種。對(duì)于前者，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)誤差的補(bǔ)償問(wèn)題；對(duì)于后者，則應(yīng)首先考慮耦合慣量的補(bǔ)償問(wèn)題。 機(jī)器人的控制取決于其 “ 腦子 ” ，即處理器的研制。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、小型計(jì)算機(jī)控制到微處理機(jī)控制等。機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也可以大為不同，從單處理機(jī)控制到多處理機(jī)分級(jí)分布式控制。對(duì)于后者，每臺(tái)處理機(jī)執(zhí)行一個(gè)指定的任務(wù)，或者與機(jī)器人某個(gè)部分 (如某個(gè)自由度或軸 )直接聯(lián)系。下表表示機(jī)器人控制系統(tǒng)分類和分析的主要方法。2．主要控制變量 右圖表示一臺(tái)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)控制變量。要抓起工件 A， 必須知道末端執(zhí)行裝置 (如夾手 )在任何時(shí)刻相對(duì)于 A的狀態(tài)，包括位置、姿態(tài)和開(kāi)閉狀態(tài)等。工件 A的位置是由它所在工作臺(tái)的一組坐標(biāo)軸給出的。這組坐標(biāo)軸叫做任務(wù)軸 (R0)。 末端執(zhí)行裝置的狀態(tài)是由這組坐標(biāo)軸的許多數(shù)值或參數(shù)表示的，而這些參數(shù)是矢量 X的分量。任務(wù)就是要控制矢量 X隨時(shí)間變化的情況，即X(t)， 它表示末端執(zhí)行裝置在空間的實(shí)時(shí)位置。只有當(dāng)關(guān)節(jié) ?1至 ?6移動(dòng)時(shí)，X才變化。我們用矢量 來(lái)表示關(guān)節(jié)變量 ?1至 ?6 。 各關(guān)節(jié)在力矩 Cl至 C6作用下而運(yùn)動(dòng)，這些力矩構(gòu)成矢量 C(t)。 矢量 C(t)由各傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的力矩矢量 T(t) 經(jīng)過(guò)變速機(jī)送到各個(gè)關(guān)節(jié)。這些電動(dòng)機(jī)在