【正文】 了配合作業(yè)的機器人。圖 (a)為這種函數(shù)的示例。在其他用途中，從 A點向 B點移動時，總是希望運動的速度快些。于是，從 C點向 D點移動時，只要向 x＝ 5十ll ＝ 6mm點移動就可以了，而下一次移動目標為 x＝ 5十 l2 ＝ 7mm點。例如，在下圖中，焊接機器人的手位于 C點 (x＝ 5mm)。 如果焊接時的速度為 1m／ min。根據(jù)這些點的坐標求出機器人各個軸的位置和角度 (即把位于用戶方便的坐標系的位置和角度進行坐標變換，變換為機器人的軸和關(guān)節(jié)的位置和角度 )。于是我們不直接進行連續(xù)軌跡 (CP)的控制，如左圖所示，在 A點和 B點之間設(shè)置了 C， D， E， … 等多個目標點，就像踩著幾塊石頭過一條小溪一樣地按順序進行 PTP控制，可以認為這是一種近似的 CP控制。焊接時，從 A點到 B點所經(jīng)過的路徑并非任意的，必須控制手的移動，使焊接沿著兩塊板的接縫進行。首先從 A點行進到 C點，然后從 C點到 D點，最后從 D點到 B點。而實際的機器人則控制力的增減，使自己所描述的軌跡與 “ 教師機器人 ” 給出的軌跡相近。下面舉例說明。圖 (a)的手臂下垂，手臂轉(zhuǎn)動的慣性矩較??；圖 (b)的手臂抬起，慣性矩較大。怎樣才能做到任意重量的物體都能以同樣的速度停在 B點呢 ?慣性矩較大時，用較大的力來操作手臂就可以了。 下面研究從 A點向 B點運送物體的重量增加時的情況 (參見下圖 )。其原理如下圖所示。與接近A點時的情況相同，首先以高速接近 B點，然后降速，由傳感器測量目標B點與當前位置的距離而恰好停止在 B點。若抓持力太小則物體馬上會掉下去；若抓持力過大則物體可能會被抓壞 (例如抓持紙杯或蛋類等 )。因此必須用視覺傳感器不斷測量目標 A點與現(xiàn)在位置的距離。知道了物體位于 A點之后，裝在手臂內(nèi)作為 “ 動力源 ” 的電機、油缸等開始動作，使作為驅(qū)動器可動部分的手接近物體。現(xiàn)在就讓機器人來做這個簡單的工作。研究下圖所示的機器人把物體從 A點向 B點移動的操作。 根據(jù)不同的分類方法，機器人控制方式可以劃分為不同類別。首先，讓手接近所看到的位于 A點的物體，使手接觸并抓住物體。 機器人的動作與控制 首先，機器人必須看到位于 A點的物體。若手慢慢接近物體會使工作效率低下。停止時如果急劇減速，由于慣性會發(fā)生超調(diào) (過調(diào)節(jié) )。因此在手指尖采用了 “ 觸覺傳感器 ” ，以便對抓持力進行調(diào)整，使物體在手中不滑動。最后把手松開放下物體。由圖可知，機器人由檢測部分、控制部分、驅(qū)動部分以及動力源等構(gòu)成。手臂圍繞其軸線轉(zhuǎn)動時，重的物體其慣性矩增大。慣性矩增大時，驅(qū)動力要相應(yīng)增大，這一工作由計算機來判斷，然后向執(zhí)行機構(gòu)送出指令。手臂上 抬 引起的較大慣性矩還會使超調(diào)量增大。下圖中， “ 教師機器人 ” 在其計算機中預(yù)先設(shè)置了計算機程序。 機器人的動作與控制 最后，如右圖所示，考慮在 A點和 B點間有障礙物的情況。即由一組 PTP控制來完成。這種移動路徑控制稱為 CP控制 (continuous Path contro1)。確定 A， B兩點之間的 C， D， E各點坐標的過程稱為插補。計算機運算時間的 80％以上用于這種坐標變換，所得結(jié)果放入存儲器。 則前進 5mm需要 5? 60／ 1000＝ 。 圖中僅示出直角坐標系的 x軸 (設(shè) y＝ z＝ 0)。 機器人的動作與控制 采用插補的模擬 CP控制的優(yōu)點在于，使機器人識別路徑的工作變得簡單了，從而節(jié)省了控制用計算機的存儲單元。運動速度增加時，加于臂和手的力也要增大，然而，機器人的力是有限度的。圖 (b)中示出了為跟隨預(yù)置函數(shù)曲線 ， 設(shè)置了插補點 C， D， E， F， G， H， … ，在 x方向和 z方向上實行 PTP控制。配合作業(yè)是組合作業(yè)中最基本的操作。如果用這個剛性手將捧插入孔中，則會發(fā)生切入現(xiàn)象 (棒被卡住不動，就像我們平時拉抽屜常常被卡住一樣 )。 機器人的動作與控制 動作順序控制 下面考察從某點到目標點機器人怎樣動作。例如以 C點為目標的位置控制一結(jié)束，即下達焊接指令開始焊接。 機器人的動作與控制按輸入信息及示教分類 (JIS B 0134) 機器人的動作與控制 控制的思考方法 什么是控制閥門出水口 研究向底部有孔的水槽注水的情況?？紤]這樣一種情況，如果從閥門到出水口的距離很長，從閥門開閉到出水口的流量發(fā)生變化需要一段時間。如果流入的流量進一步增加，水會從槽中溢出。關(guān)于流量變化引起水位變化這樣兩個變量間的關(guān)系，可以用右圖 (b)表示。 控制的思考方法 考慮向無孔水槽中注水并實現(xiàn)一定水位的問題。這個裝置的方框圖如下圖所示。 控制的思考方法 另外，也可稱給定部分為基準輸入環(huán)節(jié)，檢測部分為反饋環(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。例如當速度高于目標值 時， 則應(yīng)向降低速度的方向調(diào)整。圖中，負載的位置用電位器來檢測。因此電刷電位可以作為位置反饋信號，與表示目標位置的電壓 ei相比較，產(chǎn)生偏差電壓ei e0 。這樣就可以在負載運動的直線上實現(xiàn)位置控制。K 2， Kl 以電樞電壓 ea作為輸入，以電機轉(zhuǎn)速 n作為輸出時，他激式直流電機是一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)是：式中， Km為常數(shù)； Tm為時間常數(shù)。由于負載的位置由電機轉(zhuǎn)速來確定，則電壓 e0應(yīng)為轉(zhuǎn)速與時間的乘積。 機器人的基本控制原則 從控制觀點看，機器人系統(tǒng)代表冗余的、多變量和本質(zhì)上非線性的控制系統(tǒng)，同時又是復雜的耦合動態(tài)系統(tǒng)。中級技術(shù)水平以上的機器人，絕大多數(shù)采用計算機控制，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。 從關(guān)節(jié) (或連桿 )角度看，可把工業(yè)機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。機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也可以大為不同，從單處理機控制到多處理機分級分布式控制。要抓起工件 A， 必須知道末端執(zhí)行裝置 (如夾手 )在任何時刻相對于 A的狀態(tài)，包括位置、姿態(tài)和開閉狀態(tài)等。任務(wù)就是要控制矢量 X隨時間變化的情況，即X(t)， 它表示末端執(zhí)行裝置在空間的實時位置。 矢量 C(t)由各傳動電動機的力矩矢量 T(t) 經(jīng)過變速機送到各個關(guān)節(jié)。 (1)第一級：人工智能級 如果命令一臺機器人去 “ 把工件 A取過來 ” ，首先必須確定，該命令的成功執(zhí)行至少是由于機器人能為該指令產(chǎn)生矢量X(t)。(2)第二級：控制模式級 這一級能夠建立起義 X(t)和 T(t)之間的雙向關(guān)系。這方面存在許多困難，其中包括： ① 無法知道如何正確地建立各連接部分的機械誤差，如于摩擦和關(guān)節(jié)的撓性等。這些控制模型是以穩(wěn)態(tài)理論為基礎(chǔ)的，即認為機器人在運動過程中依次通過一些平衡狀態(tài)。在后面將舉例介紹機器人伺服控制系統(tǒng)。 當在伺服閥門內(nèi)采用伺服電動機時，就構(gòu)成電 — 液壓伺服控制系統(tǒng)。應(yīng)用在電 — 液壓隨動系統(tǒng)中的滑閥裝有正比于電信號的位移量電 —機變換器。主反饋回路 (外環(huán) )由位移傳感器把位移反饋信號送至比較元件，與給定位置信號比較后得到誤差信號 e， 經(jīng)校正后，再與另兩個反饋信號比較?？刂葡到y(tǒng)的作用是根據(jù)用戶的指令對機構(gòu)本體進行操作和控制，完成作業(yè)的各種動作。它們之間的關(guān)系如下圖所示。 PUMA機器人的外形結(jié)構(gòu)見右圖，它是一種典型的多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人。圖中除 I／ O設(shè)備和伺服電機外，其余各部件均安裝在控制柜內(nèi) PUMA562控制器為多CPU兩級控制結(jié)構(gòu)，上位計算機配有 64kB RAM內(nèi)存，兩塊四串口接口板，一塊 I／ O并行接口板，與下位機通信的 A接口板。上位機經(jīng)過 A、 B接口板向下位機發(fā)送命令和讀取下位機信息。下位計算機及B接口板、手臂信號板插在專門設(shè)計的 J—Bus 總線上。 6路碼盤反饋信號經(jīng)手臂信號接口板濾波處埋后，由 J—Bus 通道送往各數(shù)字伺服板。 C接口板用于手臂電源和電機制動的控制信號傳遞，故障檢測，制動控制。 系統(tǒng)軟件提供軟件系統(tǒng)的各種系統(tǒng)定義、命令、語言及其編譯系統(tǒng)。從圖中可以看到，下位機的關(guān)節(jié)控制器是各自獨立的，即各單片機之間沒有信息交換。 機器人關(guān)節(jié)伺服控制 大部分機器人的控制系統(tǒng)像 PUMA機器人一樣分為上位機和下位機。多軸控制器已經(jīng)商品化。前面已以直流伺服電動機作為驅(qū)動元件為例，說明了單軸控制器的設(shè)計方法，采用固定定子勵磁電壓，控制電樞電壓達到控制電動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角的目的。1． 位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 斯坦福機械手具有反饋控制，它的一個關(guān)節(jié)控制方框圖如下圖所示?？刂葡到y(tǒng)的輸入是路徑上需要轉(zhuǎn)彎點的笛卡兒坐標，這些坐標點可能通過兩種方法輸入，即 (1)以數(shù)字形式輸入系統(tǒng)； (2)以示教方式供給系統(tǒng)，然后進行坐標變換，即計算各指定轉(zhuǎn)彎點處在笛卡兒坐標系中的相應(yīng)關(guān)節(jié)坐標 [q1， q2,…,q 6]。 機器人關(guān)節(jié)伺服控制斯坦福機械手的位置控制系統(tǒng)方框圖 機器人關(guān)節(jié)伺服控制2．單關(guān)節(jié)控制器的傳遞函數(shù) 單個關(guān)節(jié)的電動機齒輪 — 負載聯(lián)合裝置示意圖為例：開環(huán)傳遞函數(shù)為：閉環(huán)傳遞函數(shù)為：