【正文】 關(guān)節(jié)都有一個(gè)位置控制系統(tǒng)。1． 位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 斯坦福機(jī)械手具有反饋控制，它的一個(gè)關(guān)節(jié)控制方框圖如下圖所示。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(lái)消除。前面已以直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件為例，說(shuō)明了單軸控制器的設(shè)計(jì)方法，采用固定定子勵(lì)磁電壓，控制電樞電壓達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角的目的。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。多軸控制器已經(jīng)商品化。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。 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)。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。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(méi)有信息交換。 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。 系統(tǒng)軟件提供軟件系統(tǒng)的各種系統(tǒng)定義、命令、語(yǔ)言及其編譯系統(tǒng)。 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。 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。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。 6路碼盤(pán)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。功率放大器輸出與 6臺(tái)直流伺服電機(jī)相接。下位計(jì)算機(jī)及B接口板、手臂信號(hào)板插在專門(mén)設(shè)計(jì)的 J—Bus 總線上。 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。上位機(jī)經(jīng)過(guò) A、 B接口板向下位機(jī)發(fā)送命令和讀取下位機(jī)信息。 與上位機(jī)聯(lián)接的 I／ O設(shè)備有 CRT顯示器和鍵盤(pán)、示教盒、軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)串口板還可接入視覺(jué)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)。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。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(yǔ)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 。 PUMA機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)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。它們之間的關(guān)系如下圖所示。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?？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。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。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。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。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。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。 當(dāng)在伺服閥門(mén)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)。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。在后面將舉例介紹機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)。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。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(guò)程中依次通過(guò)一些平衡狀態(tài)。 ③ 控制對(duì)模型變換的響應(yīng) 。這方面存在許多困難，其中包括： ① 無(wú)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。這是因?yàn)橄铝嘘P(guān)系實(shí)際上提出各種不同的問(wèn)題。(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。 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。 (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(guò)來(lái) ” ，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)。 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。 矢量 C(t)由各傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的力矩矢量 T(t) 經(jīng)過(guò)變速機(jī)送到各個(gè)關(guān)節(jié)。我們用矢量 來(lái)表示關(guān)節(jié)變量 ?1至 ?6 。任務(wù)就是要控制矢量 X隨時(shí)間變化的情況，即X(t)， 它表示末端執(zhí)行裝置在空間的實(shí)時(shí)位置。這組坐標(biāo)軸叫做任務(wù)軸 (R0)。要抓起工件 A， 必須知道末端執(zhí)行裝置 (如夾手 )在任何時(shí)刻相對(duì)于 A的狀態(tài)，包括位置、姿態(tài)和開(kāi)閉狀態(tài)等。下表表示機(jī)器人控制系統(tǒng)分類和分析的主要方法。機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也可以大為不同，從單處理機(jī)控制到多處理機(jī)分級(jí)分布式控制。 機(jī)器人的控制取決于其 “ 腦子 ” ，即處理器的研制。 從關(guān)節(jié) (或連桿 )角度看，可把工業(yè)機(jī)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。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?chē)h(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)。中級(jí)技術(shù)水平以上的機(jī)器人，絕大多數(shù)采用計(jì)算機(jī)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。 基本控制原則1．控制器分類 機(jī)器人控制器具有多種結(jié)構(gòu)形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反饋控制、力 (力矩 )控制、基于傳感器的控制、非線性控制、分解加速度控制、滑?？刂?、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、遞階控制以及各種智能控制等。 機(jī)器人的基本控制原則 從控制觀點(diǎn)看，機(jī)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(shí)又是復(fù)雜的耦合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 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) 。由于負(fù)載的位置由電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)確定，則電壓 e0應(yīng)為轉(zhuǎn)速與時(shí)間的乘積。先由齒輪減速后傳遞到傳動(dòng)螺桿，由傳動(dòng)螺桿帶動(dòng)負(fù)載在直線上移動(dòng)。以電樞電壓 ea作為輸入，以電機(jī)轉(zhuǎn)速 n作為輸出時(shí)，他激式直流電機(jī)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(shí)間常數(shù)。 考慮一下直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)。K 2， Kl 首先是偏差電壓 ei e0的 電壓放大，然后是驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，得到電樞電壓 ea(右圖 )。這樣就可以在負(fù)載運(yùn)動(dòng)的直線上實(shí)現(xiàn)位置控制。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。因此電刷電位可以作為位置反饋信號(hào)，與表示目標(biāo)位置的電壓 ei相比較，產(chǎn)生偏差電壓ei e0 。隨著負(fù)載位置的改變，電刷的電位隨之變化，就可以用來(lái)作位置檢測(cè)了。圖中，負(fù)載的位置用電位器來(lái)檢測(cè)。 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(shuō)明。例如當(dāng)速度高于目標(biāo)值 時(shí)， 則應(yīng)向降低速度的方向調(diào)整。檢測(cè)出的位置、速度、力等量應(yīng)變換成電壓、電流等電信號(hào)。 控制的思考方法 另外，也可稱給定部分為基準(zhǔn)輸入環(huán)節(jié)，檢測(cè)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。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。這個(gè)裝置的方框圖如下圖所示。上述過(guò)程能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制呢 ?上圖中采用了浮球液位開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 控制的思考方法 考慮向無(wú)孔水槽中注水并實(shí)現(xiàn)一定水位的問(wèn)題。 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(shuō)，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。關(guān)于流量變化引起水位變化這樣兩個(gè)變量間的關(guān)系，可以用右圖 (b)表示。這樣控制的結(jié)果是，水槽的水位多少會(huì)有一些變動(dòng)，但大體上能夠維持在一定的數(shù)值。如果流入的流量進(jìn)一步增加，水會(huì)從槽中溢出。這樣一來(lái)，保持在希望的水位是不容易實(shí)現(xiàn)的?？紤]這樣一種情況，如果從閥門(mén)到出水口的距離很長(zhǎng)，從閥門(mén)開(kāi)閉到出水口的流量發(fā)生變化需要一段時(shí)間。隨著水位的升高，從底部流出的水量也將增加。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制按輸入信息及示教分類 (JIS B 0134) 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 控制的思考方法 什么是控制閥門(mén)出水口 研究向底部有孔的水槽注水的情況。 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。例如以 C點(diǎn)為目標(biāo)的位置控制一結(jié)束，即下達(dá)焊接指令開(kāi)