【正文】 如果在自由約束的情況下，手端力為零，則有： 機(jī)器人的力控制當(dāng)手臂的慣性不能忽視時(shí)，由圖可知當(dāng)手臂自由時(shí)， Fcf＝ o， 其運(yùn)動(dòng)方程為其中 為力控制的反饋增益； M為作業(yè)坐標(biāo)系中的手臂慣性矩陣。例如，在理應(yīng)有約束的方向上沒有約束時(shí)，由于按照作用力保持一定進(jìn)行控制，就有失控的危險(xiǎn)；在理應(yīng)沒有約束的方向上出現(xiàn)了約束時(shí)，由于位置控制而產(chǎn)生過大的力。 被動(dòng)式順應(yīng)控制可以利用低精度機(jī)械手進(jìn)行高精度的裝配作業(yè) 。其中 x為約束坐標(biāo)系中的位置向量， Xe為接觸環(huán)境的位置向量， kE為與接觸有關(guān)的結(jié)構(gòu) (手臂、傳感器、環(huán)境等 )的綜合剛度， F為接觸力向量， J為雅可比矩陣， FD為在約束坐標(biāo)系中的希望力向量，xD為在約束坐標(biāo)系中的希望位置向量。(3)手部的 力控制 是沿著有 自然位置約束 的方向。在約束坐標(biāo)系中的某個(gè)自由度若有自然位置約束，則在該自由度上就應(yīng)規(guī)定人為力約束，反之亦然。在圖(b)中， 約束坐標(biāo)系建在螺絲刀頂端，在操作時(shí)隨螺絲刀一起轉(zhuǎn)動(dòng) 。自然約束是指在某種特定的接觸情況下自然發(fā)生的約束，而與機(jī)器人的希望或打算作的運(yùn)動(dòng)無關(guān)：例如，當(dāng)手部與固定剛性表面接觸時(shí)，不能自由穿過這個(gè)表面，稱為自然位置約束；若這個(gè)表面是光滑的，則不能對(duì)手施加沿表面切線方向的力，稱為自然力約束。由于對(duì)于手端某一位姿要用 6個(gè)坐標(biāo)來描述，其中 3個(gè)表示位置，另 3個(gè)表示姿態(tài)。如下圖所示。例如，生成的目標(biāo)軌跡應(yīng)是實(shí)際上能實(shí)現(xiàn)的平滑的軌跡；要保證位置、速度及加速度的連續(xù)性。 PTP控制中重要的是示教點(diǎn)處的位置和姿態(tài)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的路徑一般不重要，但在給機(jī)器人編制工作程序時(shí)，要求指出對(duì)點(diǎn)與點(diǎn)之間路徑的情況，比如是直線、圓弧還是任意的。 在給定的兩端點(diǎn)之間，常有多條可能的軌跡。據(jù)下式能夠設(shè)定關(guān)節(jié) I的 值。式中，第一項(xiàng)表示所有關(guān)節(jié)慣量的作用。圖中， Fm(S)， TL(S)和Ts(S)分別為 fm ， Tl和 Tg的 拉氏變換變量。從理論上，認(rèn)為它總是穩(wěn)定的。從圖可見，它有個(gè)光學(xué)編碼器，以便與測(cè)速發(fā)電機(jī)一起組成位置和速度反饋。這種控制方法并沒有考慮實(shí)際機(jī)器人各關(guān)節(jié)的耦合作用，因此對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)、變載荷控制的伺服件能也不會(huì)太好。每隔 28ms上位機(jī)向六塊單板機(jī)發(fā)送軌跡設(shè)定點(diǎn)信息， 6503微處理器計(jì)算關(guān)節(jié)誤差，以 期伺服控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。高壓控制板提供電機(jī)所需的電壓，還控制手爪開閉電磁閥。下位機(jī)的每塊單板機(jī)上都有一個(gè) D／ A轉(zhuǎn)換器，其輸出分別接到 6塊功率放大器板的輸入端。上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用 Q—Bus 總線作為系統(tǒng)總線 。機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成要素圖 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 通過 PUMA機(jī)器人來說明機(jī)器人的控制系統(tǒng)。第二個(gè)反饋信號(hào)是由速度反饋回路 (速度環(huán) )取得的，它包括速度傳感器和校正元件。1．液壓缸伺服傳動(dòng)系統(tǒng) 采用液壓缸作為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力元件，能夠省去中間動(dòng)力減速器，從而消除了齒隙和磨損問題。前者利用 X和 間的坐標(biāo)變換，后者則對(duì)幾何模型進(jìn)行線性處理，并假定 X和 變化很小。有多種可供采用的控制模式。這些電動(dòng)機(jī)在電流或電壓矢量 V(t) 所提供的動(dòng)力作用下，在一臺(tái)或多臺(tái)微處理機(jī)的控制下，產(chǎn)生力矩 T(t) 。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。對(duì)于前者，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)誤差的補(bǔ)償問題；對(duì)于后者，則應(yīng)首先考慮耦合慣量的補(bǔ)償問題。每個(gè)控制任務(wù)本身就是一個(gè)動(dòng)力學(xué)任務(wù)。 最后，考慮齒輪、傳動(dòng)螺桿與負(fù)載部分(右圖 )。 現(xiàn)在，用傳遞函數(shù)來表示系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，并求出系統(tǒng)的方框圖。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。 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。一般來說，注水開始時(shí)閥門大開，接近目標(biāo)水位時(shí)閥門開始閉小，到達(dá)目標(biāo)水位時(shí)閥門全部關(guān)閉。 要使水槽中的水位控制在期望值上，只要調(diào)節(jié)閥門的開閉就可以了。當(dāng)打開閥門向水槽中注水時(shí)，因水的積累而使槽中水位開始升高。這里簡單描述一下基本動(dòng)作及其組合。配合作業(yè)是依靠手的位置控制來進(jìn)行的。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)。 作為目標(biāo)的插補(bǔ)點(diǎn)為 D點(diǎn) (x＝ 10mm)。 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。 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。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。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。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。 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。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。如果機(jī)器人用 “ 眼睛 ” 來看物體的話，那么機(jī)器人必須有視覺。 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。到達(dá) B點(diǎn)后將手放開。停止時(shí)為了能讓手抓住物體，應(yīng)恰好停在 A點(diǎn)。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。 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)過的路徑是不重要的。 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。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。 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。 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)。 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。 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。因此如圖所示，以預(yù)先求出的力作為補(bǔ)償力，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加給控制對(duì)象。 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。這樣一來，保持在希望的水位是不容易實(shí)現(xiàn)的。 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，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。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。 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明。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。 考慮一下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)。 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) 。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)。下表表示機(jī)器人控制系統(tǒng)分類和分析的主要方法。我們用矢量 來表示關(guān)節(jié)變量 ?1至 ?6 。 表示機(jī)器人所具有的指令和產(chǎn)生矢量X(t)以及這兩者間的關(guān)系，是建立第一級(jí)(即最高級(jí) )控制的工作。 ③ 控制對(duì)模型變換的響應(yīng) 。這種機(jī)器人一般采用液壓伺服控制閥和模擬分解器實(shí)現(xiàn)控制和反饋。其中，機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由帶滑閥的液壓缸帶動(dòng)，并用放大器控制滑閥。一個(gè)良好的控制器要有靈活、方便的操作方式，多種形式的運(yùn)動(dòng)控制方式和安全可靠性。由于 PUMA機(jī)器具有速度快、精度高、靈活精巧、編程控制容易，以及 VAL語言系統(tǒng)功能完善等特點(diǎn)，它在工業(yè)生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)室研究都得到廣泛的應(yīng)用 。 B板上有一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器，用于讀取 B接口板傳遞的各關(guān)節(jié)電位器信息，電位器用于各關(guān)節(jié)絕對(duì)位置的定位。電位器信號(hào)經(jīng)由手臂信號(hào)板、 J—Bus 通道，被送往 B接口板。 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 PUMA—562 控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件駐留在下位單片機(jī)的 EPROM中。下位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的插補(bǔ)運(yùn)算及對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行伺服控制，所以常用多軸運(yùn)動(dòng)控制器作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制器。重力以及各關(guān)節(jié)間的互相作用力的影響，可由預(yù)先計(jì)算好的前饋來消除。假如允許機(jī)器人依次只移動(dòng)一個(gè)關(guān)節(jié)，而把其他關(guān)節(jié)鎖住，那么每個(gè)關(guān)節(jié)控制器都很簡單。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)電樞回路的反饋電壓已從 ke?m(t)變?yōu)?ke?m(t)+ k1 kt ?m(t)= (ke+ k1 kt) ?m(t),其開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞