【正文】 根據(jù)不同的分類(lèi)方法，機(jī)器人控制方式可以劃分為不同類(lèi)別。 從總體上看，機(jī)器人控制方式可以分為動(dòng)作控制方式和示教控制方式。 按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)控制，可分為關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)控制、直角坐標(biāo)空間運(yùn)動(dòng)控制； 按軌跡控制方式，可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制； 按控制系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境變化的適用程度控制方式，可分為程序控制、適應(yīng)性控制、人工智能控制； 按運(yùn)動(dòng)控制方式，可分為位置控制、速度控制、力（力矩）控制（包括位置 /力混合控制）； 位置控制 使機(jī)器人的手、臂等到達(dá)目標(biāo)位置的控制稱(chēng)為位置控制。研究下圖所示的機(jī)器人把物體從 A點(diǎn)向 B點(diǎn)移動(dòng)的操作。首先，讓手接近所看到的位于 A點(diǎn)的物體，使手接觸并抓住物體。然后轉(zhuǎn)動(dòng)手臂使物體從 A點(diǎn)向 B點(diǎn)移動(dòng)。到達(dá) B點(diǎn)后將手放開(kāi)?，F(xiàn)在就讓機(jī)器人來(lái)做這個(gè)簡(jiǎn)單的工作。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 首先，機(jī)器人必須看到位于 A點(diǎn)的物體。如果機(jī)器人用 “ 眼睛 ” 來(lái)看物體的話(huà)，那么機(jī)器人必須有視覺(jué)。機(jī)器人的 “ 眼睛 ” 稱(chēng)為視覺(jué)傳感器。知道了物體位于 A點(diǎn)之后，裝在手臂內(nèi)作為 “ 動(dòng)力源 ” 的電機(jī)、油缸等開(kāi)始動(dòng)作，使作為驅(qū)動(dòng)器可動(dòng)部分的手接近物體。若手慢慢接近物體會(huì)使工作效率低下。應(yīng)該首先讓手快速移動(dòng)，臨近物體時(shí)減速并緩慢接近 A點(diǎn)。停止時(shí)為了能讓手抓住物體，應(yīng)恰好停在 A點(diǎn)。因此必須用視覺(jué)傳感器不斷測(cè)量目標(biāo) A點(diǎn)與現(xiàn)在位置的距離。停止時(shí)如果急劇減速，由于慣性會(huì)發(fā)生超調(diào) (過(guò)調(diào)節(jié) )。因此，減小超調(diào)量，并減小由此而產(chǎn)生的振動(dòng)，這才是好的控制。然后是用手抓持物體。若抓持力太小則物體馬上會(huì)掉下去；若抓持力過(guò)大則物體可能會(huì)被抓壞 (例如抓持紙杯或蛋類(lèi)等 )。因此在手指尖采用了 “ 觸覺(jué)傳感器 ” ，以便對(duì)抓持力進(jìn)行調(diào)整，使物體在手中不滑動(dòng)。假定已經(jīng)很好地抓住了物體，現(xiàn)在把它從 A點(diǎn)移向 B點(diǎn)，當(dāng)然希望所經(jīng)過(guò)路徑的距離為最短。如果機(jī)器人持物運(yùn)動(dòng)時(shí)遇有障礙物，不能按最短距離移動(dòng)，那么移動(dòng)路線應(yīng)事先確定。與接近A點(diǎn)時(shí)的情況相同，首先以高速接近 B點(diǎn)，然后降速，由傳感器測(cè)量目標(biāo)B點(diǎn)與當(dāng)前位置的距離而恰好停止在 B點(diǎn)。最后把手松開(kāi)放下物體。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 上述動(dòng)作中，從傳感器 (檢測(cè)部分 )獲得位置、速度、滑動(dòng)等信息，送到作為頭腦的計(jì)算機(jī) (控制部分 )，計(jì)算出手臂的移動(dòng)速度、作用于手臂的力，以及手的抓持力等。然后將計(jì)算結(jié)果送到驅(qū)動(dòng)器。其原理如下圖所示。由圖可知，機(jī)器人由檢測(cè)部分、控制部分、驅(qū)動(dòng)部分以及動(dòng)力源等構(gòu)成。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制動(dòng)力源（電氣、液壓）計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)器（臂、手）傳感器（視覺(jué)、觸覺(jué)）控制對(duì)象 機(jī)器人的動(dòng)作與控制手到達(dá)A點(diǎn)了嗎開(kāi)始伸展手腕讓手接近 A點(diǎn)手腕伸展停止，施力于手，抓住物體物體不滑動(dòng)嗎 NoNoYesYes轉(zhuǎn)動(dòng)手腕從 A點(diǎn)向 B點(diǎn)移動(dòng)手到達(dá)B點(diǎn)了嗎手腕轉(zhuǎn)動(dòng)停止，除去手的抓力，放開(kāi)物體物體從手中放開(kāi)了嗎結(jié)束NoYesYesNo 機(jī)器人的這種從 A點(diǎn)向 B點(diǎn)移動(dòng)的重復(fù)進(jìn)行的控制稱(chēng)為 PTP控制(point to Point contro1)。 PTP控制時(shí)僅限于從 A點(diǎn)到達(dá) B點(diǎn)，至于途中所經(jīng)過(guò)的路徑是不重要的。 下面研究從 A點(diǎn)向 B點(diǎn)運(yùn)送物體的重量增加時(shí)的情況 (參見(jiàn)下圖 )。手臂圍繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，重的物體其慣性矩增大。因此，機(jī)器人的手臂從 A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到 B點(diǎn)時(shí)，慣性矩大時(shí)啟動(dòng)會(huì)慢。停止時(shí)，不能快速停下來(lái)，同時(shí)將產(chǎn)生過(guò)調(diào)節(jié)。怎樣才能做到任意重量的物體都能以同樣的速度停在 B點(diǎn)呢 ?慣性矩較大時(shí)，用較大的力來(lái)操作手臂就可以了。慣性矩增大時(shí)，驅(qū)動(dòng)力要相應(yīng)增大，這一工作由計(jì)算機(jī)來(lái)判斷，然后向執(zhí)行機(jī)構(gòu)送出指令。因此，必須事先了解物體的重量并輸入計(jì)算機(jī)。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 對(duì)同樣的物體，手臂的姿勢(shì)有時(shí)也會(huì)不同，如下圖所示。圖 (a)的手臂下垂，手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性矩較小；圖 (b)的手臂抬起，慣性矩較大。手臂上 抬 引起的較大慣性矩還會(huì)使超調(diào)量增大。這時(shí)，根據(jù)手臂的姿勢(shì)事先計(jì)算慣性矩，使驅(qū)動(dòng)力與慣性矩成比例變化，為此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。 然而，在事先無(wú)法知道慣性矩的情況下，該怎么辦呢 ?這時(shí)，有一種稱(chēng)之為自適應(yīng)控制的方法，可以 “ 適應(yīng) ” 事先不知道的狀況的變化。下面舉例說(shuō)明。下圖中， “ 教師機(jī)器人 ” 在其計(jì)算機(jī)中預(yù)先設(shè)置了計(jì)算機(jī)程序。 [“ 教師機(jī)器人 ” 不是實(shí)際上的物體 (硬件 )而是計(jì)算機(jī)程序 (軟件 )]。對(duì)于使物體從 A點(diǎn)移動(dòng)到 B點(diǎn)的命令， “ 教師機(jī)器人 ” 知道所描述的是怎樣的一條運(yùn)動(dòng)軌跡。而實(shí)際的機(jī)器人則控制力的增減，使自己所描述的軌跡與 “ 教師機(jī)器人 ” 給出的軌跡相近。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 最后，如右圖所示，考慮在 A點(diǎn)和 B點(diǎn)間有障礙物的情況。假定從 A點(diǎn)向 B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)手臂時(shí)，手臂碰到了障礙物。為了避開(kāi)障礙物，在途中準(zhǔn)備了 C點(diǎn)和 D點(diǎn)。首先從 A點(diǎn)行進(jìn)到 C點(diǎn)，然后從 C點(diǎn)到 D點(diǎn)，最后從 D點(diǎn)到 B點(diǎn)。即由一組 PTP控制來(lái)完成。在下面的運(yùn)動(dòng)軌跡控制中也用到了上述方法。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 路徑 (運(yùn)動(dòng)軌跡 )控制 焊接機(jī)器人如右圖所示。焊接時(shí)，從 A點(diǎn)到 B點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的路徑并非任意的，必須控制手的移動(dòng)，使焊接沿著兩塊板的接縫進(jìn)行。這種移動(dòng)路徑控制稱(chēng)為 CP控制 (continuous Path contro1)。 實(shí)現(xiàn) CP控制時(shí)，必須進(jìn)行位置控制，并且是對(duì)目標(biāo)坐標(biāo)的連續(xù)控制。但是，要指定全部路徑需要存儲(chǔ)非常大量的目標(biāo)坐標(biāo)，這時(shí)如果采用傳統(tǒng)的模擬式位置隨動(dòng)系統(tǒng)，精度將變差，這是 CP控制的不足之處。于是我們不直接進(jìn)行連續(xù)軌跡 (CP)的控制，如左圖所示，在 A點(diǎn)和 B點(diǎn)之間設(shè)置了 C， D， E， … 等多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，就像踩著幾塊石頭過(guò)一條小溪一樣地按順序進(jìn)行 PTP控制，可以認(rèn)為這是一種近似的 CP控制。確定 A， B兩點(diǎn)之間的 C， D， E各點(diǎn)坐標(biāo)的過(guò)程稱(chēng)為插補(bǔ)。插入途中點(diǎn)進(jìn)行的 PTP控制稱(chēng)為模擬 CP控制。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 由于焊接機(jī)器人的路徑為連接 A， B兩點(diǎn)的直線，故為了在直線上進(jìn)行插補(bǔ)，將 A， B兩點(diǎn)間直線分成適當(dāng)?shù)拈g隔，求出間斷點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)這些點(diǎn)的坐標(biāo)求出機(jī)器人各個(gè)軸的位置和角度 (即把位于用戶(hù)方便的坐標(biāo)系的位置和角度進(jìn)行坐標(biāo)變換，變換為機(jī)器人的軸和關(guān)節(jié)的位置和角度 )。計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間的 80％以上用于這種坐標(biāo)變換，所得結(jié)果放入存儲(chǔ)器。 插補(bǔ)點(diǎn)的間隔必須確定，同時(shí)即使不進(jìn)行路徑控制所經(jīng)路徑也必須有一個(gè)允許的誤差范圍，如下圖所示。例如，如果允許誤差范圍，即位置精度為 ?， 則插補(bǔ)點(diǎn)的間隔 (AC， CD， …) 通常為 5mm。 如果焊接時(shí)的速度為 1m／ min。 則前進(jìn) 5mm需要 5? 60／ 1000＝ 。所以實(shí)際機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，隨著手臂移動(dòng)，每隔 補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，作為各軸的給定值。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 為了使插補(bǔ)點(diǎn)間的路徑與計(jì)劃路徑相同，如果作為目標(biāo)的插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)已經(jīng)給出，可以將目標(biāo)的坐標(biāo)與當(dāng)前位置坐標(biāo)之差，分割成幾小段，并求得每段的數(shù)值，然后在當(dāng)前位置坐標(biāo)上加上小段值并使這一和值成為目標(biāo)值。例如，在下圖中，焊接機(jī)器人的手位于 C點(diǎn) (x＝ 5mm)。 圖中僅示出直角坐標(biāo)系的 x軸 (設(shè) y＝ z＝ 0)。 作為目標(biāo)的插補(bǔ)點(diǎn)為 D點(diǎn) (x＝ 10mm)。 為了求得坐標(biāo)小段值，把 C點(diǎn)和 D點(diǎn)之間 5等分：其每段長(zhǎng)度 l mm即為小段值。于是，從 C點(diǎn)向 D點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，只要向 x＝ 5十ll ＝ 6mm點(diǎn)移動(dòng)就可以了，而下一次移動(dòng)目標(biāo)為 x＝ 5十 l2 ＝ 7mm點(diǎn)。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 采用插補(bǔ)的模擬 CP控制的優(yōu)點(diǎn)在于，使機(jī)器人識(shí)別路徑的工作變得簡(jiǎn)單了，從而節(jié)省了控制用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)單元。總之，要根據(jù)必要的位置精度、焊接棒的移動(dòng)速度、計(jì)算機(jī)的運(yùn)算時(shí)間及存儲(chǔ)器容量等來(lái)決定進(jìn)行怎樣的插補(bǔ)。 對(duì)于焊接機(jī)器人和油漆機(jī)器人等，路徑和移動(dòng)速度是確定的。在其他用途中，從 A點(diǎn)向 B點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，總是希望運(yùn)動(dòng)的速度快些。運(yùn)動(dòng)速度增加時(shí)，加于臂和手的力也要增大，然而，機(jī)器人的力是有限度的。一方面希望在有限力的作用下運(yùn)動(dòng)速度盡可能大，同時(shí)又希望對(duì)于各種指令能快速響應(yīng)。因此要事先預(yù)置一個(gè)用極限力能夠充分跟隨的平滑函數(shù)，并且使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑與之相一致。圖 (a)為這種函數(shù)的示例。圖 (b)中示出了為跟隨預(yù)置函數(shù)曲線 ， 設(shè)置了插補(bǔ)點(diǎn) C， D， E， F， G， H， … ，在 x方向和 z方向上實(shí)行 PTP控制。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 在這種控制中，由于事先了解運(yùn)動(dòng)路徑，那么為實(shí)現(xiàn)這個(gè)路徑所需要的力也就可以計(jì)算出來(lái)。因此如圖所示，以預(yù)先求出的力作為補(bǔ)償力，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加給控制對(duì)象。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 力與剛性控制 下圖示出了配合作業(yè)的機(jī)器人。配合作業(yè)是組合作業(yè)中最基本的操作。配合作業(yè)是依靠手的位置控制來(lái)進(jìn)行的。圖 (a)中，為了提高手的位置精度，即使有少許誤差，也會(huì)經(jīng)過(guò)控制產(chǎn)生很大的力以消除誤差。這樣一來(lái)，這個(gè)