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1、机器人技术导论以6自由度工业机器人为例，分析讨论机器人的控制:工业机器人能够提高生产过程的自动化程度和生产设备的适应能力，因而提高产品质量和产 品在市场上的竞争能力。全世界已有约80万台工业机器人正在汽车工业、机电工业和其他 工业部门运行，为人类的物质生产建功立业。其中，以焊接机器人和装配机器人为两个最主 要的应用领域。与工业机器人相比，其他机器人的数量尚十分有限，但其重要性不容忽视， 发展前景也十分看好。市场上供应的工业机器人，关节数多为37个。最典型的工 业机器人具有六个关节，存在六个自由度，带有夹手（通常称为于或末端执行装 置）。辛辛那提-米拉克龙T3、尤尼梅逊的PUMA650和斯坦福机
2、械手都是具有六 个关节的工业机器人，并分别由液压、气压或电气传动装置驱动。位置控制：工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的运动，最 终保证工业机器人终端（手爪）沿预定的轨迹运行。这类运动控制的特点是连续控制工业机器 人手爪（或工具）的位姿轨迹。一般要求速度可控、轨迹光滑且运动平稳。轨迹控制的技术指 标是轨迹精度和平稳性。工业机器人的控制是个多输入一多输出控制系统。我们把每个关节 作为一个独立的系统。因而，对于一个具有m个关节的工业机器人来说，我们可以把它分 解成m个独立的单输入一单输出控制系统。这种独立关节控制方法是近似的，因为它忽略 了工业机器人的运动结构特点，即各个
3、关节之间相互耦合和随形位变化的事实。如果对于更 高性能要求的机器人控制，则必须考虑更有效的动态模型、更高级的控制方法和更完善的计 算机体系结构。仅控制机器人离散点上手爪或工具的位姿，尽快而无超调地实现相邻点的运动，对运动轨迹 不作控制。主要技术指标：点位精度、完成运动的时间。2机器人控制系统结构及工作原理 基于PC的Windows操作系统，因其友好的人机界面和广泛的用户基础，而成为基于PC控 制器的首选。采用PC作为机器人控制器的主机系统的优点是：成本低；具有开放性； 完备的软件开发环境和丰富的软件资源:良好的通讯功能。机器人控制结构上采用了上、 下两级计算机系统完成对机器人的控制：上级主控计
4、算机负责整个系统管理，下级则实现对 各个关节的插补运算和伺服控制。这里通过采用一台工业PC+DSP运动控制卡的结构来实 现机器人控制。实验结果证明了采用Pc+DSP的计算结构可以充分利用DSP运算的高速性， 满足机器人控制的实时需求，实现较高的运动控制性能。伺服系统由基于DSP的运动控制 器、伺服驱动器、伺服电动机及光电编码器组成。伺服系统包含三个反馈子系统：位置环、 速度环、电流环，其工作原理如下：执行元件为交流伺服电动机，伺服驱动器为速度、电流 闭环的功率驱动元件，光电编码器担负着检测伺服电机速度和位置的任务。伺服级计算机的 主要功能是接受控制级发出的各种运动控制命令，根据位置给定信号及光
5、电编码器的位置反 馈信号，分时完成各关节的误差计算、控制算法及D/A转换、将速度给定信号加至伺服组 件的控制端子，完成对各关节的位置伺服控制。管理级计算机采用586工控机（或便携笔记 本），主要完成离线编程、仿真、与控制级通讯、作业管理等功能；控制级计算机采用586 工控机，主要完成用户程序编辑、用户程序解释，向下位机运动控制器发机器人运动指令、 实时监控、输入输出控制（如打印）等。示教盒通过控制级计算机可以获得机器人伺服系统中 的数据（脉冲、转角），并用于控制级计算机控制软件中实现对机器人的示教及控制。速度控制意味着各个关节马达的运动联合进行，并以不同的速度同时运行以保证夹手沿着笛 卡尔坐标
6、轴稳定运动。分解运动速度控制先把期望的夹手运动分解为各个关节的期望速度，然后对各个关节实行速度伺服控制。一台6连杆机械手的世界坐标与关节角坐标的数学关 系，具有本质非线性。如图表示一个分解运动速度控制的方框图：加速度控制分解运动加速度控制首先计算出工具的控制加速度，然后把它分解为相应的各个 关节加速度，再按照动力学方程计算出控制力矩。把这些数值及由规划好的轨迹得到夹手期 望位置，期望速度和期望加速度代入，可计算出关节的加速度。分解运动加速度控制方法具 有广泛的计算要求以及与雅可比矩阵有关的奇异性，这就需要应用加速度信息来规划机械手 夹手的轨迹。力控制除了在一些自由度方向进行位置控制外，还需要在
7、另一些自由度方向进行力控制。如 果只对其实施位置控制，有可能由于机器人的位姿误差及作业对象放置不准，或者使手爪与 作业对象脱离接触，或者使两者相碰撞而引起过大的接触力，其结果，不是机器人手爪在空 中晃动，就是造成机器人或作业对象的损伤。在力闭环的基础上加上位置闭环。通过传感器 检测手部的位移，经位移/力变换环节转换为输入力，与力的设定值合成之后作为力控制的 给定量。可以避免小的位移变化引起大的力变化，对手部具有保护功能分解运动力控制的概念是要确定加于机械手各个关节驱动器的控制力矩，使机械手的夹手或 工具执行期望的笛卡尔控制位置控制。本控制方法的优点在于：它不是以机械手复杂的动力 学运动方程为基
8、础的。而仍然具有补偿手臂结构变化，连杆重力和内摩擦的能力。分解运动 力控制是建立在分解力矢量F和关节驱动器的关节力矩t之间关系的基础上的。该控制技术 由笛卡尔位置控制和力收敛控制构成。位控制计算出加于末端执行器的期望力和力矩，以便 跟踪某个期望的笛卡尔轨迹。力收敛控制确定需要的关节力矩，使末端执行器能够维持由位 置控制得到的期望力和力矩。位置控制是机器人最基本的控制，力/位置混合控制在机器人装配作业上具有特别重要的意 义。小结：在阐明分解运动控制原理的基础上，探讨了机器人的分解运动速度控制、分解运动加 速度控制和分解运动力控制。分解运动把机器人的运动分解为沿各笛卡儿坐标轴的独立运动，各运动间以
9、不同速度协调运 行。它们之间的位姿关系，由4X4齐次矩阵表示，并进一步推导机械手夹手和关节的线速 度矢量、角速度矢量以及加速度矢量的运动方程。对分解运动速度控制、加速度控制和力控制，逐一研究了系统控制框图和动力学关系。机器人控制器的控制结构形式，常见的有：集中控制、分散控制和递阶控制等。如图表示PUMA机器人两级递阶控制的结构图。LSI- 11/12PUMA机械手机器人控制系统以机器人作为控制对象，它的设计方法及参数选择，仍可参照一般计算机/ 嵌入式控制系统。现有的工业机器人大多采用独立关节的PID控制。如图所示PUMA机器 人的控制结构即为一典型。由于独立关节PID控制未考虑被控对象（机器人
10、）的非线性及 关节间的耦合作用，因而控制精度和速度的提高受到限制。LSA-K住AS)微处理机电动机轴上等效转矩fm平均摩擦力矩重力姬h/ / 斜率=1反电够1测速发电机JV E力矩传感器光学 编码器计数器斯坦福机械手具有反馈控制，其一个关节控制方框图如图所示。从图可见，它有个光学编码 器，与测速发电机一起组成位置和速度反馈。这种工业机器人是一种定位装置，它的每个关 节都有一个位置控制系统。要提高响应速度，通常是要提高系统的增益以及由电动机传动轴速度负反馈把某些阻尼引入 系统，以加强反电势的作用。要做到这一点，可以采用测速发电机，或者计算一定时间间隔内传动轴角位移的差值。传递函数：IWS) = KKX5) _ SLeJS2+ Tkv + LB)S + (R/ + +KD要提高响应速度，通常是要提高系统的增益以及由电动机传动轴速度负反馈把某些阻尼引入 系统，以加强反电势的作用。要做到这一点，可以采用测速发电机，或者计算一定时间间隔 内传动轴角位移的差值。由于机器人机械手是通过工具进行操作作业的，所以其末端工具的 动态性能将直接影响操作质量。又因末端的运动是所有关节运动的复杂函数，因此，即使每 个关节的动态性能可行，而末端的动态性能则未必能满足要求。q和是实际的关节位置矢量和速度矢量。了=牛9Tt是关节驱动力矩矢量，U1和U2是相 应的控制矢量。”
