【正文】 從 A點(diǎn)向 B點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，總是希望運(yùn)動(dòng)的速度快些。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)。圖 (a)為這種函數(shù)的示例。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 在這種控制中，由于事先了解運(yùn)動(dòng)路徑，那么為實(shí)現(xiàn)這個(gè)路徑所需要的力也就可以計(jì)算出來(lái)。 機(jī)器人的動(dòng)作與控制 力與剛性控制 下圖示出了配合作業(yè)的機(jī)器人。配合作業(yè)是依靠手的位置控制來(lái)進(jìn)行的。這樣一來(lái)，這個(gè)機(jī)器人的手就成為一個(gè)位置變動(dòng)很小的剛性手。因此， 配合作業(yè)時(shí)，應(yīng)使手的位置精度降低、位置變動(dòng)的幅度增大，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的柔性手。這種控制不是位置控制，而是力的控制。這里簡(jiǎn)單描述一下基本動(dòng)作及其組合。點(diǎn)焊機(jī)器人反復(fù)進(jìn)行位置控制和焊接作業(yè)控制。焊接作業(yè)一結(jié)束，則接受結(jié)束指令，進(jìn)入下一個(gè)焊接點(diǎn)的位置控制。 這種用時(shí)間來(lái)管理程序順序的方式，稱為限時(shí)程序控制方式。當(dāng)打開(kāi)閥門(mén)向水槽中注水時(shí)，因水的積累而使槽中水位開(kāi)始升高。如果此時(shí)上水管的 但是，也會(huì)有不能將水槽水位穩(wěn)定控制在某一定值的情況。閥門(mén)打開(kāi)，流入水槽的流量不會(huì)馬上增加，如果進(jìn)一步開(kāi)大閥門(mén)，流量將急劇增加，又要急忙關(guān)閉閥門(mén)。流量減少，水位會(huì)隨之下降；流入的流量增加，水位也會(huì)隨之升高。 要使水槽中的水位控制在期望值上，只要調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)閉就可以了。 方框圖 在底部無(wú)孔的水槽中 (右圖 (a))流入槽中的水的流量為變量 (隨時(shí)間而變化的量 )，那么水槽中的水量和水位亦為變量。圖中水槽用一個(gè)長(zhǎng)方形的方框來(lái)表示，這樣的圖稱為方框圖 。由上圖 (b)和左圖 (b)可以得到方框圖如下圖所示。一般來(lái)說(shuō)，注水開(kāi)始時(shí)閥門(mén)大開(kāi)，接近目標(biāo)水位時(shí)閥門(mén)開(kāi)始閉小，到達(dá)目標(biāo)水位時(shí)閥門(mén)全部關(guān)閉。浮球位于水槽的水面上，隨著水面上升浮球上升，閥門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，到達(dá)目標(biāo)水位時(shí)，閥門(mén)將完全關(guān)閉。 控制的思考方法 取上述幾種方框圖的共同點(diǎn)，就得到了如下圖所示的標(biāo)準(zhǔn)化方框圖，目標(biāo)值通過(guò)給定部分作為比較器的輸入，成為合適的基準(zhǔn)輸入信號(hào)，與反饋量 (被檢測(cè)出的控制量 )相比較，產(chǎn)生偏差動(dòng)作信號(hào)。執(zhí)行部分產(chǎn)生控制量作用于控制對(duì)象。 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。反饋環(huán)節(jié)的符號(hào)必須為負(fù)，并與目標(biāo)值相比較。由于反饋量的符號(hào)為負(fù)，因此稱之為負(fù)反饋。整個(gè)控制系統(tǒng)如下圖所示。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。例如，當(dāng)負(fù)載向左移動(dòng)時(shí)電刷電位 e0下降，向右移動(dòng)時(shí)電刷電位 e0升高。 如果目標(biāo)電壓 ei大于反饋電壓 e0 ， 偏差電壓為正并通過(guò)電壓放大器放大。當(dāng)反饋電壓 e0與目標(biāo)電壓 ei相等時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 現(xiàn)在，用傳遞函數(shù)來(lái)表示系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，并求出系統(tǒng)的方框圖。由于電壓放大器和驅(qū)動(dòng)電路都是比例環(huán)節(jié)，由此可知它們的傳遞函數(shù)為常數(shù) Kl， K2， 由表可知 Kl， K2串聯(lián)結(jié)合后可以合并為二者的乘積 Kl K 2可以簡(jiǎn)單地記為 Kc。一般采用永久磁鋼產(chǎn)生磁場(chǎng)的他激式直流電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力源。 最后，考慮齒輪、傳動(dòng)螺桿與負(fù)載部分(右圖 )。由電位器將負(fù)荷位置變換成電壓信號(hào)作為輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化時(shí)，輸出電壓 e0由以下積分式確定：式中， Kp為常數(shù) ,上式的拉氏變換為： 至此，系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)均已確定，可以畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)的方框圖如右圖所示。 對(duì)于右圖中的負(fù)反饋結(jié)合， G1= KcKm KP ／ s(1十 Tms),故負(fù)反饋結(jié)合后的傳遞函數(shù)為 這樣一來(lái)，用直流電動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行置控制時(shí)，給定目標(biāo)位置的電壓 ei與 給出實(shí)際位置的電壓 e0二者之間的關(guān)系就可以傳遞函數(shù)來(lái)表示了。每個(gè)控制任務(wù)本身就是一個(gè)動(dòng)力學(xué)任務(wù)。 機(jī)器人控制器的選擇，是由機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)決定的。用戶與系統(tǒng)間的接口，要求能夠迅速地指明工作任務(wù)。 本節(jié)將討論 工業(yè)機(jī)器人常用控制器的基本控制原則及控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。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(wèn)題；對(duì)于后者，則應(yīng)首先考慮耦合慣量的補(bǔ)償問(wèn)題。隨著實(shí)際工作情況的不同，可以采用各種不同的控制方式，從簡(jiǎn)單的編程自動(dòng)化、小型計(jì)算機(jī)控制到微處理機(jī)控制等。對(duì)于后者，每臺(tái)處理機(jī)執(zhí)行一個(gè)指定的任務(wù)，或者與機(jī)器人某個(gè)部分 (如某個(gè)自由度或軸 )直接聯(lián)系。2．主要控制變量 右圖表示一臺(tái)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)控制變量。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。 末端執(zhí)行裝置的狀態(tài)是由這組坐標(biāo)軸的許多數(shù)值或參數(shù)表示的，而這些參數(shù)是矢量 X的分量。只有當(dāng)關(guān)節(jié) ?1至 ?6移動(dòng)時(shí)，X才變化。 各關(guān)節(jié)在力矩 Cl至 C6作用下而運(yùn)動(dòng)，這些力矩構(gòu)成矢量 C(t)。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) 。從圖可見(jiàn)，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) 。 X(t)表示末端執(zhí)行裝置相對(duì)工件 A的運(yùn)動(dòng)。 它包括與人工智能有關(guān)的所有可能問(wèn)題：如詞匯和自然語(yǔ)言理解、規(guī)劃的產(chǎn)生以及任務(wù)描述等。有多種可供采用的控制模式。 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(wèn)題是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。 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(wú)法以適當(dāng)?shù)乃俣葓?zhí)行所有必須的在線操作。 主要采用幾何模型和運(yùn)動(dòng)模型。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。 (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(wèn)題。 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)。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(jué)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。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(wèn)題。 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。上圖就是這種系統(tǒng)的一個(gè)方案。放大器輸入端的控制信號(hào)由三個(gè)信號(hào)疊加而成。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。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?？刂破飨到y(tǒng)性能在很大程度上決定了機(jī)器人的性能。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)。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(guò) PUMA機(jī)器人來(lái)說(shuō)明機(jī)器人的控制系統(tǒng)。 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(kāi)鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。 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(yǔ)言。 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。上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用 Q—Bus 總線作為系統(tǒng)總線 。 接口板 A、 B是上、下位機(jī)通信的橋梁。 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(guò)扁平信號(hào)電纜通信。 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。用于檢測(cè)位置的光電碼盤(pán)與電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)。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。 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(mén)設(shè)計(jì)的功率放大器總線 (Power Amp Bus)上。高壓控制板提供電機(jī)所需的電壓，還控制手爪開(kāi)閉電磁閥。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(xiě)的 VAL語(yǔ)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。下位機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。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)。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。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)