【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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) 。 對(duì)一臺(tái)機(jī)器人的控制，本質(zhì)上就是對(duì)下列雙向方程式的控制：3．主要控制層次 右圖表示機(jī)器人的主要控制層次。從圖可見，它主要分為三個(gè)控制級(jí)，即 人工智能級(jí)、控制模式級(jí)和伺服系統(tǒng)級(jí) 。 (1)第一級(jí)：人工智能級(jí) 如果命令一臺(tái)機(jī)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(jī)器人能為該指令產(chǎn)生矢量X(t)。 X(t)表示末端執(zhí)行裝置相對(duì)工件 A的運(yùn)動(dòng)。 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。 它包括與人工智能有關(guān)的所有可能問題：如詞匯和自然語言理解、規(guī)劃的產(chǎn)生以及任務(wù)描述等。(2)第二級(jí)：控制模式級(jí) 這一級(jí)能夠建立起義 X(t)和 T(t)之間的雙向關(guān)系。有多種可供采用的控制模式。這是因?yàn)橄铝嘘P(guān)系實(shí)際上提出各種不同的問題。 考慮上式，式中四個(gè)矢量之間的關(guān)系可建立四種模型T(t)傳動(dòng)裝置模型C(t)關(guān)節(jié)式機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)器人模型任務(wù)空間內(nèi)的關(guān)節(jié)變量與被控制值間的關(guān)系模型X(t)實(shí)際空間內(nèi)的機(jī)器人模型 第一個(gè)問題是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題。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(jī)械誤差，如于摩擦和關(guān)節(jié)的撓性等。 ② 即使能夠考慮這些誤差，但其模型將包含救以千計(jì)的參數(shù)，而且處理機(jī)將無法以適當(dāng)?shù)乃俣葓?zhí)行所有必須的在線操作。 ③ 控制對(duì)模型變換的響應(yīng) 。 主要采用幾何模型和運(yùn)動(dòng)模型。這些控制模型是以穩(wěn)態(tài)理論為基礎(chǔ)的，即認(rèn)為機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中依次通過一些平衡狀態(tài)。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。屬于幾何模型的控制有位置控制和速度控制等；屬于運(yùn)動(dòng)模型的控制有變分控制和動(dòng)態(tài)控制等。 (3)第三級(jí)：伺服系統(tǒng)級(jí) 第三級(jí)所關(guān)心是機(jī)器人的一般實(shí)際問題。在后面將舉例介紹機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)。 伺服控制系統(tǒng)舉例 液壓傳動(dòng)機(jī)器人具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高和速度快等優(yōu)點(diǎn)。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。一些最新的液壓伺服控制系統(tǒng)還應(yīng)用數(shù)字譯碼器和感覺反饋控制裝置，因而其精度和重復(fù)性通常與電氣傳動(dòng)機(jī)器人相似。 當(dāng)在伺服閥門內(nèi)采用伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，就構(gòu)成電 — 液壓伺服控制系統(tǒng)。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。加上液壓缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、比較便宜，因而使它在工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置上都獲得廣泛應(yīng)用。 為了控制液壓缸或液壓馬達(dá)，在機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)中使用慣量小的液壓滑閥。應(yīng)用在電 — 液壓隨動(dòng)系統(tǒng)中的滑閥裝有正比于電信號(hào)的位移量電 —機(jī)變換器。上圖就是這種系統(tǒng)的一個(gè)方案。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。放大器輸入端的控制信號(hào)由三個(gè)信號(hào)疊加而成。主反饋回路 (外環(huán) )由位移傳感器把位移反饋信號(hào)送至比較元件，與給定位置信號(hào)比較后得到誤差信號(hào) e， 經(jīng)校正后，再與另兩個(gè)反饋信號(hào)比較。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。第三個(gè)反饋信號(hào)是加速度反饋，它是由液壓缸中的壓力傳感器和校正元件實(shí)現(xiàn)的。2．電 — 液壓伺服控制系統(tǒng) 當(dāng)采用力矩伺服電動(dòng)機(jī)作為位移給定元件時(shí)，液壓系統(tǒng)的方框如下圖所示 機(jī)器人系統(tǒng)通常分為機(jī)構(gòu)本體和控制系統(tǒng)兩大部分?？刂葡到y(tǒng)的作用是根據(jù)用戶的指令對(duì)機(jī)構(gòu)本體進(jìn)行操作和控制，完成作業(yè)的各種動(dòng)作?？刂破飨到y(tǒng)性能在很大程度上決定了機(jī)器人的性能。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。構(gòu)成機(jī)器人控制系統(tǒng)的要素主要有：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟件；輸入 /輸出設(shè)備；驅(qū)動(dòng)器；傳感器系統(tǒng)。它們之間的關(guān)系如下圖所示。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)。 PUMA機(jī)器人是美國(guó) Unimation公司于 20世紀(jì) 70年代末推出的商品化工業(yè)機(jī)器人。 PUMA機(jī)器人都有腰旋轉(zhuǎn)、肩旋轉(zhuǎn)和肘旋轉(zhuǎn)等 3個(gè)基本軸，加上手腕的回轉(zhuǎn)、彎曲和旋轉(zhuǎn)軸 ， 構(gòu)成六自由度的開鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。 PUMA機(jī)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(jī)器人。 PUMA機(jī)器人控制器采用計(jì)算機(jī)分級(jí)控制結(jié)構(gòu)，使用 VAL機(jī)器人編程語言。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 。 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 PUMA562控制器硬件配置及結(jié)構(gòu) 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 PUMA562控制器原理框圖如左圖所示。圖中除 I／ O設(shè)備和伺服電機(jī)外，其余各部件均安裝在控制柜內(nèi) PUMA562控制器為多CPU兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)，上位計(jì)算機(jī)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(jī)通信的 A接口板。上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用 Q—Bus 總線作為系統(tǒng)總線 。 與上位機(jī)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(dòng)器，通過串口板還可接入視覺傳感器、高層監(jiān)控計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)路徑修正控制計(jì)算機(jī)。 接口板 A、 B是上、下位機(jī)通信的橋梁。上位機(jī)經(jīng)過 A、 B接口板向下位機(jī)發(fā)送命令和讀取下位機(jī)信息。 A板插在上位機(jī)的 Bus總線上， B板插在下位機(jī)的 J— Dus總線上， A、 B接口板之間通過扁平信號(hào)電纜通信。 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。 下位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由六塊以 6503CPU為核心的單扳機(jī)組成，每塊板負(fù)責(zé)一個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成 6個(gè)獨(dú)立的數(shù)字伺服控制回路。下位計(jì)算機(jī)及B接口板、手臂信號(hào)板插在專門設(shè)計(jì)的 J—Bus 總線上。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。功率放大器輸出與 6臺(tái)直流伺服電機(jī)相接。用于檢測(cè)位置的光電碼盤與電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)。 6路碼盤反饋信號(hào)經(jīng)手臂信號(hào)接口板濾波處埋后，由 J—Bus 通道送往各數(shù)字伺服板。用于檢測(cè)各關(guān)節(jié)絕對(duì)位置的電位器滑動(dòng)臂是裝在齒輪軸上。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 PUMA562機(jī)器人控制器硬件還包括一塊 C接口板、一塊高壓控制板和六塊功率放大器板，這幾塊板插在另外的一個(gè)專門設(shè)計(jì)的功率放大器總線 (Power Amp Bus)上。 C接口板用于手臂電源和電機(jī)制動(dòng)的控制信號(hào)傳遞，故障檢測(cè)，制動(dòng)控制。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。 機(jī)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(jī)軟件和下他機(jī)軟件兩部分。上位機(jī)軟件為系統(tǒng)編程軟件，下位機(jī)軟件為伺服軟件。 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)。系統(tǒng)軟件針對(duì)各種運(yùn)動(dòng)形式的軌跡規(guī)劃，坐標(biāo)變換，完成以28ms時(shí)間間隔的軌跡插補(bǔ)點(diǎn)的計(jì)算、與下位機(jī)的信息交換、執(zhí)行用戶編寫的 VAL語言機(jī)器人作業(yè)控制程序、示教盒信息處理、機(jī)器人標(biāo)定、故障檢測(cè)及異常保護(hù)等。 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)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見下圖。從圖中可以看到，下位機(jī)的關(guān)節(jié)控制器是各自獨(dú)立的，即各單片機(jī)之間沒有信息交換。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)。PUMA—562 控制系統(tǒng)框圖 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 PUMA機(jī)器人采用了獨(dú)立關(guān)節(jié)的 PID伺服控制。由于機(jī)器人的非線性特點(diǎn)，即慣性力、關(guān)節(jié)間的耦聯(lián)及重力均與機(jī)器人的位姿 (或位姿和速度 )有關(guān)，是變化的，但伺服系統(tǒng)的反饋系數(shù)是確定不變的，因此這種控制方法難于保證在高速、變速或變載荷情況下的精度。 機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服控制 大部分機(jī)器人的控制系統(tǒng)像 PUMA機(jī)器人一樣分為上位機(jī)和下位機(jī)。從運(yùn)動(dòng)控制的角度看，上位機(jī)作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并將手部的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，按控制周期傳給下位機(jī)。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。多軸運(yùn)動(dòng)控制器的各軸伺服控制也是獨(dú)立的，每個(gè)軸對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)。多軸控制器已經(jīng)商品化。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。實(shí)際上，可以對(duì)單關(guān)節(jié)機(jī)器人作控制設(shè)計(jì)，對(duì)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(bǔ)償。 控制器設(shè)計(jì)的目的是使控制系統(tǒng)具有良好的伺服性能。前面已以直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件為例，說明了單軸控制器的設(shè)計(jì)方法，采