【正文】 而是力的控制。 機器人的動作與控制 力與剛性控制 下圖示出了配合作業(yè)的機器人。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。例如，在下圖中，焊接機器人的手位于 C點 (x＝ 5mm)。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 )。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。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。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。 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 )。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。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。現(xiàn)在就讓機器人來做這個簡單的工作。 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。 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。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) )。最后把手松開放下物體。手臂圍繞其軸線轉(zhuǎn)動時，重的物體其慣性矩增大。手臂上 抬 引起的較大慣性矩還會使超調(diào)量增大。 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。這種移動路徑控制稱為 CP控制 (continuous Path contro1)。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。 圖中僅示出直角坐標系的 x軸 (設(shè) y＝ z＝ 0)。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。配合作業(yè)是組合作業(yè)中最基本的操作。 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。 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。如果流入的流量進一步增加，水會從槽中溢出。 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。 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。圖中，負載的位置用電位器來檢測。這樣就可以在負載運動的直線上實現(xiàn)位置控制。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)。 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(fù)雜的耦合動態(tài)系統(tǒng)。 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。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。 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)。(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)。 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)。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。它們之間的關(guān)系如下圖所示。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。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。 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。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。多軸控制器已經(jīng)商品化。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。 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： 上式即為二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。把這些作用插到圖 (b)位置控制器方框圖中電動機產(chǎn)生有關(guān)力矩的作用點上，即可得圖 (c)所示的控制方框圖。前面已討論過動態(tài)方程的一般形式和拉格朗日方程如下： 多關(guān)節(jié)位置控制器（ 2）．各關(guān)節(jié)間的耦合與補償 從上式可見，每個關(guān)節(jié)所需要的力或力矩 Ti是由五個部分組成的。采用 Di作為關(guān)于 i控制器的最好估計值。如果需要某些位置的關(guān)節(jié)坐標、則可調(diào)用運動學逆問題求解程序，進行必要的轉(zhuǎn)換。連續(xù)路徑控制主要用于弧焊、噴漆等作業(yè) 。但是也要遵循一些共同的原則。將此四次多項式和直線插補結(jié)合起來，可給出多種軌跡。 軌跡控制 如果用 r0和 rf分別表示開始點和終止點手端位姿，要生成這兩點問手端的平滑路徑。 當機器人手端 (常為機器人手臂端部安裝的工具 )與環(huán)境 (作業(yè)對象 )接觸時，環(huán)境的幾何特性構(gòu)成對作業(yè)的約束，這種約束稱為自然約束。手指緊握曲柄的手把，手把套在一個小軸上，可繞小軸轉(zhuǎn)動。 上圖表示兩種作業(yè)的自然約束和人為約束。 機器人的力控制由以上過程可見：(1)自然約束發(fā)生變化的情況總是通過對一些量的檢測發(fā)現(xiàn)的，而檢測量并不是受控量；(2)手部的位置控制是沿著有自然力約束的方向。力反饋的一般結(jié)構(gòu)圖位置和力混合控制結(jié)構(gòu)圖 機器人的力控制 位置和力反慣控制系統(tǒng)如右圖所示。其具有多軸移動功能，可以調(diào)解工件的位置和角度誤差， RCC在插入軸方向上具有柔性中心，在這一點上作用一個力只產(chǎn)生力方向的直線位移，而在這點作用力矩只產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。但當作業(yè)環(huán)境的約束給出后，在實際環(huán)境約束中有不確定的部分，就可能出現(xiàn)控制不穩(wěn)定的危險。圖中 cTh為力的轉(zhuǎn)換矩陣，它把由傳感器側(cè)得的力 hF變換到作業(yè)坐標中去 。若增大 ,可降低手臂慣性的影響。剛性控制就是為了解決此類問題而產(chǎn)生的。被動柔性手腕響應(yīng)速度很快，但它的設(shè)計針對性強，通用性不強，作業(yè)方位與重力方向偏差時會影響機器人的定位精度。 S為對角元素為 1或 0的對角矩陣，常稱其為選擇矩陣，其維數(shù)為 6?6， I為 6?6維的單位矩陣。 上述知識是指導(dǎo)編制機器人工作程序的準則之一。為適應(yīng)位置和力的約束，在約束坐標系中的任何給定自由度都要受控制。為了不使螺絲刀從螺釘槽中滑出，在 方向的力為零作為約束條件之一。一般可將接觸表面定義為一個廣義曲面，沿曲面法線方向定義自然位置約束，沿切線方向定義自然力約束。分別把這 6個坐標變量用 ?(t)表示，用上述生成關(guān)節(jié)平滑軌跡的方法分別生成這些坐標變量，然后再用機器人正運動學計算出各關(guān)節(jié)的運動規(guī)律。 軌跡控制 ?(t)的起始位置 ?0為靜止狀態(tài)，經(jīng)加速、等速、減速，最后在 ?f處停止。保證手端軌跡、速度及加速度的連續(xù)性，是通過各關(guān)節(jié)變量的連續(xù)性實現(xiàn)的。 CP控制按示教的方式又分兩種。例如，可以要求機械手沿連接端點的直線運動 (直線軌跡 )，也可以要求它沿一條光滑的圓弧軌跡運動，在兩端點處滿足位置和姿態(tài)約束 (關(guān)節(jié)變量插值軌跡 )。含有 n個關(guān)節(jié)的第 i個關(guān)節(jié)完全控制器（ 3）． 耦合慣量補償?shù)挠嬎銓?Dij的計算是十分復(fù)雜和費時的。在單關(guān)節(jié)運動情況下，所有其他的關(guān)節(jié)均被鎖住，而且各個關(guān)節(jié)的慣量被集中在一起。具有速度反饋的位置控制系統(tǒng)位置控制器的方框圖控制方框圖 鎖住機器人的其他各關(guān)節(jié)而依次移動一個關(guān)節(jié)，這種工作方法顯然是低效率的。要提高響應(yīng)速度，通常是要提高系統(tǒng)的增益 (如增大 K?)以及由電動機傳動軸速度負反饋把某些阻尼引入系統(tǒng)，以加強反電勢的作用。這種工業(yè)機器人是一種定位裝置，它的每個關(guān)節(jié)都有一個位置控制系統(tǒng)。實際上，可以對單關(guān)節(jié)機器人作控制設(shè)計，對于多關(guān)節(jié)、高速變載荷情況可以在單關(guān)節(jié)控制的基礎(chǔ)上作補償。PUMA—562 控制系統(tǒng)框圖 機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 PUMA機器人采用了獨立關(guān)節(jié)的 PID伺服控制。 機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 PUMA562控制器軟件系統(tǒng)的工作原理 PUMA—562 控制器系統(tǒng)軟件分為上位機軟件和下他機軟件兩部分。功率放大器輸出與 6臺直流伺服電機相接。 與上位機聯(lián)接的 I／ O設(shè)備有 CRT顯示器和鍵盤、示教盒、軟盤驅(qū)動器，通過串口板還可接入視覺傳感器、高層監(jiān)控計算機、實時路徑修正控制計算機。 PUMA機器人是美國 Unimation公司于 20世紀 70年代末推出的商品化工業(yè)機器人。第三個反饋信號