工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)模塊五機(jī)器人的控制系統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)概述1機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類與組成2機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與位置控制3機(jī)器人的力控制4機(jī)器人控制的示教再現(xiàn)4本模塊主要介紹機(jī)器人的控制系統(tǒng)，內(nèi)容包括機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本功能和控制方式、機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類與組成、機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與位置控制、機(jī)器人控制的示教方式、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的指令生成、控制軟件與機(jī)器人示教實(shí)例、MOTOMANUP6機(jī)器人控制系統(tǒng)。單元提要學(xué)習(xí)完本模塊的內(nèi)容后，學(xué)生應(yīng)能夠了解機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，掌握機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制功能與基本單元；掌握控制系統(tǒng)的種類、分類，能夠運(yùn)用這些知識(shí)解釋機(jī)器人控制系統(tǒng)的技術(shù)內(nèi)容，能夠解讀機(jī)器人的控制框圖；了解機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；熟悉機(jī)器人控制的示教方式；能夠讀懂控制機(jī)器人示教實(shí)例；具有實(shí)際操作MOTOMANUP6機(jī)器人示教控制系統(tǒng)的能力。學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)單元一機(jī)器人的控制系統(tǒng)概述多數(shù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是一個(gè)空間開鏈結(jié)構(gòu)，各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)，需要多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)與普通的控制系統(tǒng)比較，要復(fù)雜一些。具體來講，機(jī)器人控制系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)。(1)機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量控制系統(tǒng)，即使簡(jiǎn)單的工業(yè)機(jī)器人也有3～5個(gè)自由度，比較復(fù)雜的機(jī)器人有十幾個(gè)自由度，甚至幾十個(gè)自由度，每個(gè)自由度一般包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)必須有機(jī)地協(xié)調(diào)起來。例如，機(jī)器人的手部運(yùn)動(dòng)是所有關(guān)節(jié)的合成運(yùn)動(dòng)，要使手部按照一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，就必須控制各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，包括運(yùn)動(dòng)軌跡、動(dòng)作時(shí)序等多方面的協(xié)調(diào)。一、機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

(2)運(yùn)動(dòng)描述復(fù)雜，機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性模型，隨著狀態(tài)的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，僅僅考慮位置閉環(huán)是不夠的，還要考慮速度閉環(huán)，甚至加速度閉環(huán)。在控制過程中，根據(jù)給定的任務(wù)，應(yīng)當(dāng)選擇不同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題和逆問題。此外，還要考慮各關(guān)節(jié)之間慣性力、哥氏力等的耦合作用和重力負(fù)載的影響，因此，系統(tǒng)中還經(jīng)常采用一些控制策略，如重力補(bǔ)償、前饋、解耦或自適應(yīng)控制等。一、機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

(3)具有較高的重復(fù)定位精度，系統(tǒng)剛性好。除直角坐標(biāo)機(jī)器人外，機(jī)器人關(guān)節(jié)上的位置檢測(cè)元件不能安裝在末端執(zhí)行器上，而應(yīng)安裝在各自的驅(qū)動(dòng)軸上，構(gòu)成位置半閉環(huán)系統(tǒng)。但機(jī)器人的重復(fù)定位精度較高，一般為±0.1mm。此外，由于機(jī)器人運(yùn)行時(shí)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不受外力干擾，為此系統(tǒng)應(yīng)具有較好的剛性。(4)信息運(yùn)算量大。機(jī)器人的動(dòng)作住往可以通過不同的方式和路徑來完成，因此存在一個(gè)最優(yōu)的問題，較高級(jí)的機(jī)器人可以采用人工智能的方法，用計(jì)算機(jī)建立起龐大的信息庫，借助信息庫進(jìn)行控制、決策管理和操作。根據(jù)傳感器和模式識(shí)別的方法獲得對(duì)象及環(huán)境的工況，按照給定的指標(biāo)要求，自動(dòng)選擇最佳的控制規(guī)律。一、機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)(5)需采用加（減）速控制。過大的加（減）速度會(huì)影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，甚至使機(jī)器人發(fā)生抖動(dòng)，因此在機(jī)器人起動(dòng)或停止時(shí)采取加（減）速控制策略。通常采用勻加（減）速運(yùn)動(dòng)指令來實(shí)現(xiàn)。此外，機(jī)器人不允許有位置超調(diào)，否則將可能與工件發(fā)生碰撞。因此，要求控制系統(tǒng)位置無超調(diào)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)盡量快。一、機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)(6)工業(yè)機(jī)器人還有一種特有的控制方式——示教再現(xiàn)控制方式。當(dāng)要工業(yè)機(jī)器人完成某作業(yè)時(shí)，可預(yù)先移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的手臂來示教該作業(yè)順序、位置及其他信息，在此過程中把相關(guān)的作業(yè)信息存儲(chǔ)在內(nèi)存中，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，依靠工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作再現(xiàn)功能，可重復(fù)進(jìn)行該作業(yè)。此外，從操作的角度來看，要求控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，盡量降低對(duì)操作者的要求。因此，多數(shù)情況要求控制器的設(shè)計(jì)人員不僅要完成底層伺服控制器的設(shè)計(jì)，還要完成規(guī)劃算法的編程。

總之，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)與運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)的、緊耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。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。一、機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)一、機(jī)器人人控制系統(tǒng)統(tǒng)的特點(diǎn)機(jī)器人控制制系統(tǒng)是機(jī)機(jī)器人的主主要組成部部分，用于于控制操作作機(jī)來完成成特定的工工作任務(wù)，，其基本功功能有示教教再現(xiàn)功功能、坐標(biāo)標(biāo)設(shè)置功能能、與外圍圍設(shè)備的聯(lián)聯(lián)系功能、、位置伺服服功能。(1)示教-再現(xiàn)功能。。機(jī)器人控控制系統(tǒng)可可實(shí)現(xiàn)離線線編程、在在線示教及及間接示教教等功能，，在線示教教又包括示示教盒示教教和導(dǎo)引示示教兩種情情況。在示示教過程中中，可存儲(chǔ)儲(chǔ)作業(yè)順序序、運(yùn)動(dòng)路路徑、運(yùn)動(dòng)動(dòng)方式、運(yùn)運(yùn)動(dòng)速度及及與生產(chǎn)工工藝有關(guān)的的信息，在在再現(xiàn)過程程中，能控控制機(jī)器人人按照示教教的加工信信息執(zhí)行特特定的作業(yè)業(yè)。二、機(jī)器人人控制系統(tǒng)統(tǒng)的功能(2)坐標(biāo)設(shè)置功功能。一般般的工業(yè)機(jī)機(jī)器人控制制器設(shè)置有有關(guān)節(jié)坐標(biāo)標(biāo)、絕對(duì)坐坐標(biāo)、工具具坐標(biāo)及用用戶坐標(biāo)4種坐標(biāo)系，，用戶可根根據(jù)作業(yè)要要求選用不不同的坐標(biāo)標(biāo)系并進(jìn)行行坐標(biāo)系之之間的轉(zhuǎn)換換。(3)與外圍設(shè)備備的聯(lián)系功功能。機(jī)器器人控制器器設(shè)置有輸輸入/輸出接口、、通信接口口、網(wǎng)絡(luò)接接口和同步步接口，并并具有示教教盒、操作作面板及顯顯示屏等人人機(jī)接口。。此外，還還具有多種種傳感器接接口，如視視覺、觸覺覺、接近覺覺、聽覺、、力覺（力力矩）傳感感器等多種種傳感器接接口。(4)位置伺服功功能。機(jī)器器人控制系系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控控制、速度度和加速度度控制、力力控制及動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)鹊裙δ?。在在運(yùn)動(dòng)過程程中，還可可以實(shí)現(xiàn)狀狀態(tài)監(jiān)測(cè)、、故障診斷斷下的安全全保護(hù)和故故障自診斷斷等功能。。二、機(jī)器人人控制系統(tǒng)統(tǒng)的功能

1.點(diǎn)到點(diǎn)控制方式點(diǎn)到點(diǎn)控制制方式用于于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的的位置控制制，其運(yùn)動(dòng)動(dòng)是由一個(gè)個(gè)給定點(diǎn)到到另一個(gè)給給定點(diǎn)，而而點(diǎn)與點(diǎn)之之間的軌跡跡卻無關(guān)緊緊要。因此此，這種控控制方式的的特點(diǎn)是只只控制工業(yè)業(yè)機(jī)器人末末端執(zhí)行器器在作業(yè)空空間中某些些規(guī)定的離離散點(diǎn)上的的位姿?？乜刂茣r(shí)只要要求工業(yè)機(jī)機(jī)器人快速速、準(zhǔn)確地地實(shí)現(xiàn)相鄰鄰各點(diǎn)之間間的運(yùn)動(dòng)，，而對(duì)達(dá)到到目標(biāo)點(diǎn)的的運(yùn)動(dòng)軌跡跡則不做任任何標(biāo)記，，如自動(dòng)插插件機(jī)，在在貼片機(jī)上上安插元件件、點(diǎn)焊、、搬運(yùn)、裝裝配等作業(yè)業(yè)。這種控控制方式的的主要技術(shù)術(shù)指標(biāo)是定定位精度和和運(yùn)動(dòng)所需需的時(shí)間，，控制方式式比較簡(jiǎn)單單，但要達(dá)達(dá)到較高的的定位精度度則較難。。三、機(jī)器器人的控控制方式式

2.連續(xù)軌跡控制方式連續(xù)軌跡控制方式用于指定點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡所要求的曲線，如直線或圓弧。這種控制方式的特點(diǎn)是連續(xù)地控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿，使其嚴(yán)格按照預(yù)先設(shè)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，速度可控，軌跡光滑，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，以完成作業(yè)任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，其末端執(zhí)行器可形成連續(xù)的軌跡。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是機(jī)器人末端執(zhí)行器的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。在用機(jī)器人進(jìn)行弧焊、噴漆、切割等作業(yè)時(shí)，應(yīng)選用連續(xù)軌跡控制方式。三、機(jī)器器人的控控制方式式

3.速度控制方式三、機(jī)器器人的控控制方式式

4.力（力矩）控制方式在進(jìn)行抓放操作、去毛刺、研磨和組裝等作業(yè)時(shí)，除了要求準(zhǔn)確定位之外，還要求使用特定的力或力矩傳感器對(duì)末端執(zhí)行器施加在對(duì)象上的力進(jìn)行控制。這種控制方式的原理與位置伺服控制原理基本相同，但輸入量和輸出量不是位置信號(hào)，而是力（力矩）信號(hào)，因此系統(tǒng)中必須有力（力矩）傳感器。三、機(jī)器器人的控控制方式式

5.智能控制方式在不確定或未知條件下作業(yè)，機(jī)器人需要通過傳感器獲得周圍環(huán)境的信息，根據(jù)自己內(nèi)部的知識(shí)庫做出決策，進(jìn)而對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，自主完成給定任務(wù)。若采用智能控制技術(shù)，機(jī)器人會(huì)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)習(xí)能力。智能控制方法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能的發(fā)展密切相關(guān)。三、機(jī)器器人的控控制方式式學(xué)習(xí)單元元二機(jī)器人控控制系統(tǒng)統(tǒng)的分類類與組成成一、機(jī)器器人控制制系統(tǒng)的的分類圖5-1機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類圖5-2機(jī)器人控制系統(tǒng)組成框圖二、機(jī)器器人控制制系統(tǒng)的的組成(1)控制計(jì)算算機(jī)?？乜刂朴?jì)算算機(jī)是控控制系統(tǒng)統(tǒng)的調(diào)度度指揮機(jī)機(jī)構(gòu)，一一般為微微型機(jī)，，微處理理器分為為32位、64位等，如如奔騰系系列CPU等。(2)示教編程程器。示示教機(jī)器器人的工工作軌跡跡、參數(shù)數(shù)設(shè)定和和所有人人機(jī)交互互操作擁擁有自己己獨(dú)立的的CPU及存儲(chǔ)單單元，與與主計(jì)算算機(jī)之間間以串行行通信方方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)信息交交互。(3)操作面板板。操作作面板由由各種操操作按鍵鍵、狀態(tài)態(tài)指示燈燈構(gòu)成，，只完成成基本功功能操作作。(4)磁盤存儲(chǔ)儲(chǔ)。機(jī)器器人主要要用存儲(chǔ)儲(chǔ)機(jī)器人人工作程程序的外外圍存儲(chǔ)儲(chǔ)器來存存儲(chǔ)程序序。二、機(jī)器人控控制系統(tǒng)的組組成(10)通信接口。通通信接口用于于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人人和其他設(shè)備備的信息交換換，一般有串串行接口、并并行接口等。。(11)網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口包括括Ethernet接口和Fieldbus接口。①Ethernet接口。Ethernet接口可通過以以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)數(shù)臺(tái)或單臺(tái)機(jī)機(jī)器人的直接接PC通信，數(shù)據(jù)傳傳輸速率高達(dá)達(dá)10Mb/s，可直接在PC上用Windows庫函數(shù)進(jìn)行應(yīng)應(yīng)用程序編程程，支持TCP/IP通信協(xié)議，通通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及及程序裝入各各個(gè)機(jī)器人控控制器中。②Fieldbus接口。Fieldbus接口支持多種種流行的現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)總線規(guī)格，，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbuss、profibusDP、MNET等。二、機(jī)器人控控制系統(tǒng)的組組成(5)數(shù)字量和模擬擬量輸入/輸出。數(shù)字量量和模擬量輸輸入/輸出指各種狀狀態(tài)和控制命命令的輸入或或輸出。(6)打印機(jī)接口。。打印機(jī)接口口用于記錄需需要輸出的各各種信息。(7)傳感器接口。。傳感器接口口用于信息的的自動(dòng)檢測(cè)，，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人人柔順控制，，一般為力覺覺、觸覺和視視覺傳感器。。(8)軸控制器。軸軸控制器用于于完成機(jī)器人人各關(guān)節(jié)位置置、速度和加加速度控制。。(9)輔助設(shè)備控制制。輔助設(shè)備備控制用于和和機(jī)器人配合合的輔助設(shè)備備控制，如手手爪變位器等等。二、機(jī)機(jī)器人人控制制系統(tǒng)統(tǒng)的組組成學(xué)習(xí)單單元三三機(jī)器人人控制制系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)與與位置置控制制

2.

集中控制方式集中控控制方方式用用一臺(tái)臺(tái)計(jì)算算機(jī)實(shí)實(shí)現(xiàn)全全部控控制功功能，，結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)單單，成成本低低；但但實(shí)時(shí)時(shí)性差差，難難以擴(kuò)擴(kuò)展。。在早早期的的機(jī)器器人中中常采采用這這種結(jié)結(jié)構(gòu)，，其構(gòu)構(gòu)成框框圖如如圖5-3所示。。一、機(jī)機(jī)器人人控制制系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)圖5-3集中控制方式的構(gòu)成框圖在基于于計(jì)算算機(jī)的的集中中控制制系統(tǒng)統(tǒng)中，，充分分利用用了計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)資源源開放放性的的特點(diǎn)點(diǎn)，可可以實(shí)實(shí)現(xiàn)很很好的的開放放性，，多種種控制制卡、、傳感感器設(shè)設(shè)備等等都可可以通通過標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)PCI插槽或或標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)串口口、并并口集集成到到控制制系統(tǒng)統(tǒng)中。。集中中式控控制系系統(tǒng)的的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)為：：硬件件成本本較低低，便便于信信息的的采集集和分分析，，易于于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)系統(tǒng)統(tǒng)的最最優(yōu)控控制，，整體體性與與協(xié)調(diào)調(diào)性較較好。。其缺缺點(diǎn)為為：系系統(tǒng)控控制缺缺乏靈靈活性性，控控制危危險(xiǎn)容容易集集中，，一旦旦出現(xiàn)現(xiàn)故障障，其其影響響面廣廣，后后果嚴(yán)嚴(yán)重；；由于于工業(yè)業(yè)機(jī)器器人的的實(shí)時(shí)時(shí)性要要求很很高，，當(dāng)系系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行大大量數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)計(jì)算時(shí)時(shí)，會(huì)會(huì)降低低系統(tǒng)統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)性，，系統(tǒng)統(tǒng)對(duì)多多任務(wù)務(wù)的響響應(yīng)能能力也也會(huì)與與系統(tǒng)統(tǒng)的實(shí)實(shí)時(shí)性性相沖沖突；；系統(tǒng)統(tǒng)連線線復(fù)雜雜，會(huì)會(huì)降低低系統(tǒng)統(tǒng)的可可靠性性。一、機(jī)機(jī)器人人控制制系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)

2.主從控制方式主從控制方式采用主、從兩級(jí)處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等，從CPU實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。其構(gòu)成框圖如圖5-4所示。主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。一、機(jī)機(jī)器人人控制制系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)圖5-4主從控制方式的構(gòu)成框圖一、機(jī)機(jī)器人人控制制系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)

3.分布控制方式分布控控制方方式按按系統(tǒng)統(tǒng)的性性質(zhì)和和方式式將系系統(tǒng)控控制分分成幾幾個(gè)模模塊，，每一一個(gè)模模塊各各有不不同的的控制制任務(wù)務(wù)和控控制策策略，，各模模式之之間可可以是是主從從關(guān)系系，也也可以以是平平等關(guān)關(guān)系。。這種種方式式實(shí)時(shí)時(shí)性好好，易易于實(shí)實(shí)現(xiàn)高高速、、高精精度控控制，，易于于擴(kuò)展展，可可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)智能能控制制，是是目前前流行行的方方式，，其控控制框框圖如如圖5-5所示。。其主主要思思想是是“分分散控控制，，集中中管理理”，，即系系統(tǒng)對(duì)對(duì)其總總體目目標(biāo)和和任務(wù)務(wù)可以以進(jìn)行行綜合合協(xié)調(diào)調(diào)和分分配，，并通通過子子系統(tǒng)統(tǒng)的協(xié)協(xié)調(diào)工工作來來完成成控制制任務(wù)務(wù)。整整個(gè)系系統(tǒng)在在功能能、邏邏輯和和物理理等方方面都都是分分散的的，所所以DCS系統(tǒng)又又稱為為集散散控制制系統(tǒng)統(tǒng)或分分散控控制系系統(tǒng)。。在這這種結(jié)結(jié)構(gòu)中中，子子系統(tǒng)統(tǒng)由控控制器器、不不同被被控對(duì)對(duì)象或或設(shè)備備構(gòu)成成，各各個(gè)子子系統(tǒng)統(tǒng)之間間通過過網(wǎng)絡(luò)絡(luò)等相相互通通信。。分布布式控控制結(jié)結(jié)構(gòu)提提供了了一個(gè)個(gè)開放放、實(shí)實(shí)時(shí)、、精確確的機(jī)機(jī)器人人控制制系統(tǒng)統(tǒng)。分分布式式系統(tǒng)統(tǒng)中常常采用用兩級(jí)級(jí)控制制方式式。一、、機(jī)機(jī)器器人人控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖5-5分散控制方式的控制框圖一、、機(jī)機(jī)器器人人控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)兩級(jí)級(jí)分分布布式式控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)通通常常由由上上位位機(jī)機(jī)、、下下位位機(jī)機(jī)和和網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)組組成成。。上上位位機(jī)機(jī)可可以以進(jìn)進(jìn)行行不不同同的的軌軌跡跡規(guī)規(guī)劃劃和和算算法法控控制制，，下下位位機(jī)機(jī)用用于于進(jìn)進(jìn)行行插插補(bǔ)補(bǔ)細(xì)細(xì)分分、、控控制制優(yōu)優(yōu)化化等等。。上上位位機(jī)機(jī)和和下下位位機(jī)機(jī)通通過過通通信信總總線線相相互互協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)工工作作。。這這里里的的通通信信總總線線可可以以是是RS232、RS485、EEE488及USB總線線等等形形式式?！，F(xiàn)現(xiàn)在在，，以以太太網(wǎng)網(wǎng)和和現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)總總線線技技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展為為機(jī)機(jī)器器人人提提供供了了更更快快速速、、穩(wěn)穩(wěn)定定、、有有效效的的通通信信服服務(wù)務(wù)，，尤尤其其是是現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)總總線線?！，F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)總總線線應(yīng)應(yīng)用用于于生生產(chǎn)產(chǎn)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)，，在在微微機(jī)機(jī)化化測(cè)測(cè)量量控控制制設(shè)設(shè)備備之之間間實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)雙雙向向多多結(jié)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)數(shù)數(shù)字字通通信信，，從從而而形形成成了了新新型型的的網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)集集成成式式全全分分布布控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)———現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)總總線線控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)(fieldbuscontrolsystem，F(xiàn)CS)。在在工工廠廠生生產(chǎn)產(chǎn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中中，，將將可可以以通通過過現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)總總線線連連接接的的設(shè)設(shè)備備統(tǒng)統(tǒng)稱稱為為現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)設(shè)設(shè)備備/儀表。從從系統(tǒng)論論的角度度來說，，工業(yè)機(jī)機(jī)器人作作為工廠廠的生產(chǎn)產(chǎn)設(shè)備之之一，也也可以歸歸納為現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備備。在機(jī)機(jī)器人系系統(tǒng)中引引入現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)總線技技術(shù)后，，更有利利于機(jī)器器人在工工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)環(huán)境中中的集成成。一、機(jī)器器人控制制系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)分布式控控制系統(tǒng)統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)為：系系統(tǒng)靈活活性好，，控制系系統(tǒng)的危危險(xiǎn)性降降低，采采用多處處理器的的分散控控制，有有利于系系統(tǒng)功能能的并行行執(zhí)行，，提高系系統(tǒng)的處處理效率率，縮短短響應(yīng)時(shí)時(shí)間；對(duì)對(duì)于具有有多自由由度的工工業(yè)機(jī)器器人而言言，集中中控制對(duì)對(duì)各個(gè)控控制軸之之間的耦耦合關(guān)系系處理得得很好，，可以很很簡(jiǎn)單地地進(jìn)行補(bǔ)補(bǔ)償。其其缺點(diǎn)為為：當(dāng)軸軸的數(shù)量量增加到到使控制制算法變變得很復(fù)復(fù)雜時(shí)，，其控制制性能會(huì)會(huì)惡化；；當(dāng)系統(tǒng)統(tǒng)中軸的的數(shù)量或或控制算算法變得得很復(fù)雜雜時(shí)，可可能會(huì)導(dǎo)導(dǎo)致系統(tǒng)統(tǒng)的重新新設(shè)計(jì)；；分布式式結(jié)構(gòu)的的每一個(gè)個(gè)運(yùn)動(dòng)軸軸都由一一個(gè)控制制器處理理，這意意味著系系統(tǒng)有較較少的軸軸間耦合合和較高高的系統(tǒng)統(tǒng)重構(gòu)性性。一、機(jī)器器人控制制系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制柜柜用于安裝各各種控制單元元，進(jìn)行數(shù)據(jù)據(jù)處理及存儲(chǔ)儲(chǔ)，并執(zhí)行程程序，是機(jī)器器人系統(tǒng)的大大腦，如圖5-6所示。

1.ABB工業(yè)機(jī)器人控制柜系統(tǒng)二、機(jī)器人典典型控制柜系系統(tǒng)圖5-6ABB工業(yè)機(jī)器人控制柜1）ABB工業(yè)機(jī)器人控制柜系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)靈活性強(qiáng)。IRC5控制器由一個(gè)個(gè)控制模塊和和一個(gè)驅(qū)動(dòng)模模塊組成，可可選增一個(gè)過過程模塊以容容納定制設(shè)備備和接口，如如點(diǎn)焊、弧焊焊和膠合等。。配備這3種模塊的靈靈活型控制制器完全有有能力控制制一臺(tái)6軸機(jī)器人外外加伺服驅(qū)驅(qū)動(dòng)工件定定位器及類類似設(shè)備。。若需增加加機(jī)器人的的數(shù)量，只只需為每臺(tái)臺(tái)新增機(jī)器器人增裝一一個(gè)驅(qū)動(dòng)模模塊，還可可選擇安裝裝一個(gè)過程程模塊，最最多可控制制4臺(tái)機(jī)器人在在MultiMove模式下作業(yè)業(yè)。各模塊塊間只需要要兩根連接接電纜，一一根為安全全信號(hào)傳輸輸電纜，另另一根為以以太網(wǎng)連接接電纜，供供模塊間通通信使用，，模塊連接接簡(jiǎn)單易行行。二、機(jī)器人人典型控制制柜系統(tǒng)二、機(jī)器人人典型控制制柜系統(tǒng)(4)通信便利。完善的通信功能是ABB機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，其IRC5控制器的PCI擴(kuò)展槽中可以安裝幾乎任何常見類型的現(xiàn)場(chǎng)總線板卡，包括滿足ODVA標(biāo)準(zhǔn)，可使用眾多第三方裝置的單信道DeviceNet，支持最高速率為12Mb/s的雙信道profibusDP及可使用銅線和光纖接口的雙信道Interbus通信。二、機(jī)器人人典型控制制柜系統(tǒng)（1）主電源開開關(guān)。主電電源開關(guān)是是機(jī)器人系系統(tǒng)的總開開關(guān)。（2）緊急停止止按鈕。在在任何模式式下，按下下緊急停止止按鈕，機(jī)機(jī)器人立即即停止動(dòng)作作。要使機(jī)機(jī)器人重新新動(dòng)作，必必須使緊急急停止按鈕鈕恢復(fù)至原原來位置。。（3）電動(dòng)機(jī)上上電/失電按鈕。。電動(dòng)機(jī)上上電/失電按鈕表表示機(jī)器人人電動(dòng)機(jī)的的工作狀態(tài)態(tài)。當(dāng)按鍵鍵燈常亮?xí)r時(shí)，表示上上電狀態(tài)，，機(jī)器人的的電動(dòng)機(jī)被被激活，準(zhǔn)準(zhǔn)備好執(zhí)行行程序；當(dāng)當(dāng)按鍵燈快快閃時(shí)，表表示機(jī)器人人未同步（（未標(biāo)定或或計(jì)數(shù)器未未更新），，但電動(dòng)機(jī)機(jī)已激活；；當(dāng)按鍵燈燈慢閃時(shí)，，表示至少少有一種安安全停止生生效，電動(dòng)動(dòng)機(jī)未激活活。2）ABB工業(yè)機(jī)器人的控制柜按鍵二、、機(jī)機(jī)器器人人典典型型控控制制柜柜系系統(tǒng)統(tǒng)（4）模模式式選選擇擇按按鈕鈕。。ABB工業(yè)業(yè)機(jī)機(jī)器器人人模模式式選選擇擇按按鈕鈕一一般般分分為為兩兩位位選選擇擇開開關(guān)關(guān)和和三三位位選選擇擇開開關(guān)關(guān)，，如如圖圖5-7所示。圖5-7ABB工業(yè)機(jī)器人模式選擇按鈕A—自動(dòng)模式；B—手動(dòng)差速模式；C—手動(dòng)全速模式二、機(jī)器人典典型控制柜系系統(tǒng)其用于在與實(shí)實(shí)際情況相近近的情況下調(diào)調(diào)試程序。機(jī)器人只能以以低速、手動(dòng)動(dòng)控制運(yùn)行，，必須按住使使能器才能激激活電動(dòng)機(jī)。。機(jī)器人運(yùn)行時(shí)時(shí)使用，在此此狀態(tài)下，操操縱搖桿不能能使用。③手動(dòng)全速模式②手動(dòng)差速模式①自動(dòng)模式。二、機(jī)器人典典型控制柜系系統(tǒng)KUKA機(jī)器人被廣泛泛應(yīng)用于汽車車制造、造船船、冶金、娛娛樂等領(lǐng)域。。機(jī)器人配套套的設(shè)備有KRC2控制器柜、KCP控制盤，如圖圖5-8所示。

2.KUKA機(jī)器人控制柜系統(tǒng)圖5-8KUKA工業(yè)機(jī)器人控制柜二、機(jī)器人典典型控制柜系系統(tǒng)二、機(jī)器人典典型控制柜系系統(tǒng)(1)采用標(biāo)準(zhǔn)的工工業(yè)控制計(jì)算算機(jī)處理器。。(2)基于Windows平臺(tái)的操作系系統(tǒng)，可在線線選擇多種語語言。(3)支持多多種標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)工工業(yè)控控制總總線，，包括括Interbus、Profibus、Devicenet、Canbus、Controlnet、EtherNet、RemoteI/O等，其其中，，Devicenet、Ethernet為標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)配置置。(4)配有標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的的ISA、PCI插槽，，方便便擴(kuò)展展，可可直接接插入入各種種標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)調(diào)制制解調(diào)調(diào)器接接入高高速Internet，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)遠(yuǎn)程程監(jiān)控控和診診斷。。(5)采用高高級(jí)語語言編編程，，程序序可方方便、、快速速地進(jìn)進(jìn)行備備份及及恢復(fù)復(fù)。(6)集成了了標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的控控制軟軟件功功能包包，可可適應(yīng)應(yīng)各種種應(yīng)用用。二、機(jī)機(jī)器人人典型型控制制柜系系統(tǒng)(7）配有有6D運(yùn)動(dòng)控控制鼠鼠標(biāo)，，方便便運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡跡的示示教。。(8)具有斷斷電自自動(dòng)重重啟功功能，，不需需要重重新進(jìn)進(jìn)入程程序。。(9)具有示示波器器功能能，可可方便便進(jìn)行行錯(cuò)誤誤診斷斷和系系統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化。。(10)可直接接外接接顯示示器、、鼠標(biāo)標(biāo)和鍵鍵盤，，方便便程序序的讀讀/寫。(11)可隨時(shí)時(shí)進(jìn)行行系統(tǒng)統(tǒng)的更更新。。(12)配有大大容量量硬盤盤，對(duì)對(duì)程序序指令令基本本無限限制，，并可可長期期存儲(chǔ)儲(chǔ)相關(guān)關(guān)操作作和系系統(tǒng)日日志。。(13)可方便便進(jìn)行行聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)，易易于監(jiān)監(jiān)控和和管理理。(14)拆卸方方便，，易于于維護(hù)護(hù)。二、機(jī)機(jī)器人人典型型控制制柜系系統(tǒng)如圖5-9所示，OTC機(jī)器人控控制柜系系統(tǒng)在FD11控制柜的的前面配配備電源源開關(guān)及及操作面面板，連連接示教教編程器器。其主主要包括括斷路器器、示教教編程器器、操作作面板(操作盒)等。

3.OTC機(jī)器人控制柜系統(tǒng)圖5-9OTC機(jī)器人FD11控制柜二、機(jī)器器人典型型控制柜柜系統(tǒng)圖5-11操作面板A—運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)備按鈕；B—起動(dòng)按鈕；C—停止按鈕；D—模式轉(zhuǎn)換開關(guān)；E—緊急停止按鈕二、機(jī)器器人典型型控制柜柜系統(tǒng)（1）斷路器器。斷路路器用于于控制裝裝置的電電源開與與關(guān)。（2）示教編編程器。。示教編編程器上上裝有按按鍵和按按鈕，以以便執(zhí)行行示教、、文件操操作、各各種條件件設(shè)定等等。（3）操作面面板。操操作面板板(操作盒)上裝有執(zhí)執(zhí)行最低低限度的的操作所所需的按按鈕，以以便執(zhí)行行運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)準(zhǔn)備投入入、自動(dòng)動(dòng)運(yùn)行的的起動(dòng)和和停止、、緊急停停止、示示教/再生模式式的切換換等，如如圖5-10和圖5-11所示。圖5-10操作面板A—運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)備按鈕；B—起動(dòng)按鈕；C—停止按鈕；D—模式轉(zhuǎn)換開關(guān)；E—緊急停止按鈕二、機(jī)器器人典型型控制柜柜系統(tǒng)①運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)準(zhǔn)備按鈕鈕：使其其進(jìn)入運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)備備投入的的狀態(tài)。。一旦進(jìn)進(jìn)入投入入狀態(tài)，，移動(dòng)機(jī)機(jī)器人的的準(zhǔn)備就就完成了了。②起動(dòng)按按鈕：在在再生模模式下起起動(dòng)指定定的作業(yè)業(yè)程序。。③停止按按鈕：在在再生模模式下停停止起動(dòng)動(dòng)指定的的作業(yè)程程序。④模式轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)關(guān)：切換換模式，，可切換換到示教教再生生模式，，此開關(guān)關(guān)與示教教器的TP選擇開關(guān)關(guān)組合使使用。⑤緊急停停止按鈕鈕：按下下此按鈕鈕，機(jī)器器人緊急急停止。。不論按按操作盒盒或示教教器上的的哪一個(gè)個(gè)，都使使機(jī)器人人緊急停停止。若若要解除除緊急停停止，可可向右旋旋轉(zhuǎn)按鈕鈕（按鈕鈕回歸原原位）。。二、機(jī)器器人典型型控制柜柜系統(tǒng)主電源開關(guān)位于FS100控制柜的面板上。

4.MOTOMANFS100控制柜二、機(jī)器器人典型型控制柜柜系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器器人位置置控制的的目的就就是要使使機(jī)器人人各關(guān)節(jié)節(jié)實(shí)現(xiàn)預(yù)預(yù)先所規(guī)規(guī)劃的運(yùn)運(yùn)動(dòng)，最最終保證證工業(yè)機(jī)機(jī)器人末末端執(zhí)行行器沿預(yù)預(yù)定的軌軌跡運(yùn)行行。對(duì)于于機(jī)器人人的位置置控制，，可將關(guān)關(guān)節(jié)位置置給定值值與當(dāng)前前值相比比較得到到的誤差差作為位位置控制制器的輸輸入量，，經(jīng)過位位置控制制器的運(yùn)運(yùn)算后，，將輸出出作為關(guān)關(guān)節(jié)速度度控制的的給定值值，如圖圖5-12所示。三、機(jī)器器人的位位置控制制圖5-12機(jī)器人位置控制示意圖因此，工業(yè)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的位置控制，位置檢測(cè)元件是必不可少的。關(guān)節(jié)位置控制器常采用PID算法，也可采用模糊控制算法等智能方法。三、機(jī)器器人的位位置控制制位置控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩類。點(diǎn)位控制的特點(diǎn)是僅控制在離散點(diǎn)上機(jī)器人末端的位置和姿態(tài)，要求盡快且無超調(diào)地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在相鄰點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，但對(duì)相鄰點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡一般不做具體規(guī)定。點(diǎn)位控制的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和完成運(yùn)動(dòng)所需要的時(shí)間。連續(xù)軌跡控制的特點(diǎn)是連續(xù)控制機(jī)器人末端的位置和姿態(tài)軌跡。一般要求速度可控、運(yùn)動(dòng)軌跡光滑且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。連續(xù)軌跡控制的技術(shù)指標(biāo)是軌跡精度和平穩(wěn)性。三、機(jī)器器人的位位置控制制三、機(jī)器器人的位位置控制制速度控制制通常用用于對(duì)目目標(biāo)跟蹤蹤的任務(wù)務(wù)中，機(jī)機(jī)器人的的關(guān)節(jié)速速度控制制框圖如如圖5-13所示。對(duì)對(duì)于機(jī)器器人末端端笛卡兒兒空間的的位置、、速度控控制，其其基本原原理與關(guān)關(guān)節(jié)空間間的位置置和速度度控制類類似。圖5-13機(jī)器人的關(guān)節(jié)速度控制框圖三、機(jī)器人人的位置控控制工業(yè)機(jī)器人人的結(jié)構(gòu)多多為串接的的連桿形式式，其動(dòng)態(tài)態(tài)特性為具具有高度的的非線性。。但在其控控制系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)中，通通常把機(jī)器器人的每個(gè)個(gè)關(guān)節(jié)當(dāng)作作一個(gè)獨(dú)立立的伺服機(jī)機(jī)構(gòu)來考慮慮。這是因因?yàn)楣I(yè)機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)動(dòng)速度不快快（通常小小于1.5m/s），，由由速速度度變變化化引引起起的的非非線線性性作作用用可可以以忽忽略略。。另另外外，，由由于于交交流流伺伺服服電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)都都安安裝裝有有減減速速器器，，其其減減速速比比往往往往接接近近100，那那么么當(dāng)當(dāng)負(fù)負(fù)載載變變化化時(shí)時(shí)，，折折算算到到電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)軸軸上上的的負(fù)負(fù)載載變變化化值值則則很很小?。ǎǔ砸运偎俣榷缺缺鹊牡钠狡椒椒剑?，所所以以可可以以忽忽略略負(fù)負(fù)載載變變化化的的影影響響，，而而且且各各關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)之之間間的的耦耦合合作作用用也也因因減減速速器器的的存存在在而而極極大大地地削削弱弱了了。。因因此此，，工工業(yè)業(yè)機(jī)機(jī)器器人人系系統(tǒng)統(tǒng)就就變變成成了了一一個(gè)個(gè)由由多多關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)組組成成的的各各自自獨(dú)獨(dú)立立的的線線性性系系統(tǒng)統(tǒng)。。應(yīng)應(yīng)用用中中的的工工業(yè)業(yè)機(jī)機(jī)器器人人幾幾乎乎都都采采用用反反饋饋控控制制，，利利用用各各關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)傳傳感感器器得得到到的的反反饋饋信信息息，，計(jì)計(jì)算算所所需需的的力力矩矩，，發(fā)發(fā)出出相相應(yīng)應(yīng)的的力力矩矩指指令令，，以以實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)所所要要求求的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)。。三、、機(jī)機(jī)器器人人的的位位置置控控制制單關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)控控制制器器是是指指不不考考慮慮關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)之之間間的的相相互互影影響響，，只只根根據(jù)據(jù)一一個(gè)個(gè)關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)獨(dú)獨(dú)立立設(shè)設(shè)置置的的控控制制器器。。在在單單關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)控控制制器器中中，，機(jī)機(jī)器器人人的的機(jī)機(jī)械械慣慣性性影影響響常常常常被被作作為為擾擾動(dòng)動(dòng)項(xiàng)項(xiàng)考考慮慮。。把把機(jī)機(jī)器器人人看看作作剛剛體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，圖圖5-14給出出了了單單關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)的的負(fù)負(fù)載載模模型型。。下下面面研研究究負(fù)負(fù)載載轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角θs與電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)的的電電樞樞電電壓壓U之間間的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)。。

1.單關(guān)節(jié)位置控制1)單關(guān)節(jié)位置控制的基本原理三、、機(jī)機(jī)器器人人的的位位置置控控制制圖5-14單關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載模型Ja—單關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tm—直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Jm—單關(guān)節(jié)夾手負(fù)載在傳動(dòng)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bm—傳動(dòng)端的阻尼系數(shù)；η—齒輪減速比；θm—傳動(dòng)端角位移；θs—負(fù)載端角位移；Ti—負(fù)載端總轉(zhuǎn)矩；Ji—負(fù)載端總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bi—負(fù)載端阻尼系數(shù)三、、機(jī)機(jī)器器人人的的位位置置控控制制三、、機(jī)機(jī)器器人人的的位位置置控控制制三、、機(jī)機(jī)器器人人的的位位置置控控制制三、、機(jī)機(jī)器器人人的的位位置置控控制制為了構(gòu)成對(duì)負(fù)載軸的角位移控制器，必須進(jìn)行負(fù)載軸的角位移反饋，即用某一時(shí)刻t所需要的角位移θd與實(shí)際角位移θs之差所產(chǎn)生的電壓來控制該系統(tǒng)。用光學(xué)編碼器作為實(shí)際位置傳感器，可以求取位置誤差，誤差電壓為U(t)=Kθ(θd-θs)（5-10）同時(shí)，令e(t）=θd(t）-θs(t)，θs(t）=ηθm(t)，對(duì)這3個(gè)表達(dá)式分別進(jìn)行拉氏變換可得三、、機(jī)機(jī)器器人人的的位位置置控控制制從理理論論上上講講，，式式（（5-9）表表示示的的二二階階系系統(tǒng)統(tǒng)是是穩(wěn)穩(wěn)定定的的。。要要提提高高響響應(yīng)應(yīng)速速度度，，可可以以調(diào)調(diào)高高系系統(tǒng)統(tǒng)的的增增益益（（如如增增大大Kθ）及及電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)傳傳動(dòng)動(dòng)軸軸速速度度負(fù)負(fù)反反饋饋，，把把某某些些阻阻尼尼引引入入系系統(tǒng)統(tǒng)中中來來，，以以加加強(qiáng)強(qiáng)反反電電動(dòng)動(dòng)勢(shì)勢(shì)的的作作用用效效果果。。要要做做到到這這一一點(diǎn)點(diǎn)，，可可以以采采用用測(cè)測(cè)速速發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)，，或或計(jì)計(jì)算算一一定定時(shí)時(shí)間間間間隔隔內(nèi)內(nèi)傳傳動(dòng)動(dòng)軸軸角角位位移移的的差差值值。。單單關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)位位置置控控制制器器如如圖圖5-15（a）所所示示。。圖圖5-15（b）所所示示為為具具有有速速度度反反饋饋功功能能的的位位置置控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)，，其其中中，，Kt為測(cè)測(cè)速速發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)的的傳傳遞遞系系數(shù)數(shù)，，K1為速度反饋信信號(hào)放大器的的增益。由于于電動(dòng)機(jī)電樞樞回路的反饋饋電壓已經(jīng)由由Kbθm(t)增加為Kbθm(t）+K1Ktθm(t）=(Kb+K1Kt）θm(t)，所以其對(duì)應(yīng)應(yīng)的開環(huán)傳遞遞函數(shù)為三、機(jī)器人的的位置控制三、機(jī)器人的的位置控制圖5-15單關(guān)節(jié)機(jī)械手位置控制器的結(jié)構(gòu)三、機(jī)器人的的位置控制在圖5-15（c）中，考慮了了摩擦力矩、、外負(fù)載力矩矩、重力矩及及向心力的作作用。以任一一擾動(dòng)作為干干擾輸入，可可寫出干擾的的輸出與傳遞遞函數(shù)。利用用拉氏變換中中的終值定理理，即可求得得因干擾引起起的靜態(tài)誤差差。圖5-15單關(guān)節(jié)機(jī)械手位置控制器的結(jié)構(gòu)三、機(jī)器人的的位置控制2)帶力矩閉環(huán)的關(guān)節(jié)位置控制帶有力矩閉環(huán)環(huán)的單關(guān)節(jié)位位置控制系統(tǒng)統(tǒng)是一個(gè)三閉閉環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng)，由位置環(huán)環(huán)、力矩環(huán)和和速度環(huán)構(gòu)成成。圖5-16帶有力矩閉環(huán)的單關(guān)節(jié)位置控制系統(tǒng)三、機(jī)器人的的位置控制速度環(huán)為控制制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，，作用是通過過對(duì)電動(dòng)機(jī)電電壓的控制使使電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)現(xiàn)出期望的速速度特性，速速度環(huán)的給定定是力矩環(huán)偏偏差經(jīng)過放大大后的輸出（（電動(dòng)機(jī)角速速度Ωd），速度環(huán)的的反饋是關(guān)節(jié)節(jié)角速度Ωm，Ωd與Ωm的偏差作為電電動(dòng)機(jī)電壓驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的輸入入，經(jīng)過放大大后成為電壓壓U，其中Kθ表示轉(zhuǎn)換常數(shù)數(shù)（比例系數(shù)數(shù)）。電動(dòng)機(jī)機(jī)在電壓U的作用下，以以角速度Ωm旋轉(zhuǎn)。1/(Ls+R)為電動(dòng)機(jī)的電電磁慣性環(huán)節(jié)節(jié)，其中，L為電樞電感，，R為電樞電阻，，I為電樞電流。?？紤]到一般般情況下，L≤R，故一般可以以忽略電感L的影響，環(huán)節(jié)節(jié)1/(Ls+R)可用1/R代替。1/(Jeffs+B)是電動(dòng)機(jī)的機(jī)機(jī)電慣性環(huán)節(jié)節(jié)，KC為電流力矩常常數(shù)，即電動(dòng)動(dòng)機(jī)力矩Tm與電樞電流I之間的系數(shù)。。三、機(jī)器人的的位置控制力矩環(huán)為控制制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，，介于速度環(huán)環(huán)和位置環(huán)之之間，其作用用是通過對(duì)電電動(dòng)機(jī)電壓的的控制使電動(dòng)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出期期望的力矩特特性。力矩環(huán)環(huán)的給定由兩兩部分組成：：一部分是位位置環(huán)的位置置調(diào)節(jié)器的輸輸出，另一部部分是前饋力力矩Tf和期望力矩Td。力矩環(huán)的反反饋是關(guān)節(jié)力力矩Tj。Ktf是力矩前饋通通道的比例系系數(shù)，K1是力矩環(huán)的比比例系數(shù)。給給定力矩與反反饋力矩Tj的偏差經(jīng)過比比例系數(shù)K1的放大后，作作為速度環(huán)的的給定Ωd。在關(guān)節(jié)到達(dá)達(dá)期望位置后后，若位置環(huán)環(huán)調(diào)節(jié)器的輸輸出為零，則則關(guān)節(jié)力矩Tj≈Ktf（Tf+Td）。由由于力力矩環(huán)環(huán)采用用比例例調(diào)節(jié)節(jié)，因因而穩(wěn)穩(wěn)態(tài)時(shí)時(shí)關(guān)節(jié)節(jié)力矩矩與期期望力力矩之之間存存在偏偏差。。三、機(jī)機(jī)器人人的位位置控控制位置環(huán)為控制系統(tǒng)外環(huán)，用于控制關(guān)節(jié)達(dá)到期望的位置。位置環(huán)的給定是期望的關(guān)節(jié)位置θd，反饋為關(guān)節(jié)位置θm，θd與θm的偏差作為位置調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器運(yùn)算后形成的輸出作為力矩環(huán)給定的一部分，位置調(diào)節(jié)器常采用PID或PI控制器，構(gòu)成的位置閉環(huán)系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng)。三、機(jī)機(jī)器人人的位位置控控制

2.

多關(guān)節(jié)位置控制多關(guān)節(jié)位置控制是指考慮各關(guān)節(jié)之間的相互影響而對(duì)每一個(gè)關(guān)節(jié)分別設(shè)計(jì)的控制器。前述的單關(guān)節(jié)控制器是把機(jī)器人的其他關(guān)節(jié)鎖住，工作過程中依次移動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)）一個(gè)關(guān)節(jié)，這種工作方法顯然效率很低，但若多個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，則各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)之間的力或力矩會(huì)產(chǎn)生相互作用，因而不能運(yùn)用前述的單個(gè)關(guān)節(jié)的位置控制原理。要克服這種多關(guān)節(jié)之間的相互作用，必須添加補(bǔ)償作用，即在多關(guān)節(jié)控制器中，機(jī)器人的機(jī)械慣性影響常常被作為前饋項(xiàng)考慮。多關(guān)節(jié)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程為（5-15）三、機(jī)機(jī)器人人的位位置控控制三、機(jī)機(jī)器人人的位位置控控制圖5-17多關(guān)節(jié)位置控制器設(shè)計(jì)原理圖三、機(jī)機(jī)器人人的位位置控控制式（5-15）中的第2項(xiàng)表示傳動(dòng)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J的關(guān)節(jié)i傳動(dòng)裝置的慣性力矩，已在單關(guān)節(jié)控制器中討論過。第3項(xiàng)表示哥氏力及向心力的作用，這些力矩項(xiàng)也必須前饋輸入關(guān)節(jié)I的控制器，以補(bǔ)償各關(guān)節(jié)間的實(shí)際相互作用，如圖5-17所示。式（5-15）中的第4項(xiàng)表示關(guān)節(jié)重量的影響，也可以由前饋項(xiàng)τ

i

來補(bǔ)償，它是一個(gè)估計(jì)的力矩信號(hào)，可由下式計(jì)算：

式中，為重力矩τg的估計(jì)值。三、機(jī)機(jī)器人人的位位置控控制三、機(jī)機(jī)器人人的位位置控控制學(xué)習(xí)單單元四四機(jī)器人人的力力控制制

1.

機(jī)器人的柔順柔順是是指機(jī)機(jī)器人人的末末端能能夠?qū)?duì)外力力的變變化做做出相相應(yīng)的的響應(yīng)應(yīng)，表表現(xiàn)為為低剛剛度。。如果果末端端裝置置、工工具或或周圍圍環(huán)境境的剛剛性很很高，，那么么機(jī)械械手要要執(zhí)行行與某某個(gè)表表面有有接觸觸的操操作作作業(yè)將將會(huì)變變得相相當(dāng)困困難。。這時(shí)時(shí)，若若機(jī)器器人只只用位位置控控制，，往往往不能能滿足足要求求。例例如，，機(jī)械械手夾夾起雞雞蛋，，機(jī)械械手用用海綿綿擦洗洗玻璃璃。如如果海海綿的的柔順順性很很好，，這一一作業(yè)業(yè)任務(wù)務(wù)就可可以成成功進(jìn)進(jìn)行。。在機(jī)機(jī)器人人剛度度很高高的情情況下下，機(jī)機(jī)器人人對(duì)外外力的的變化化響應(yīng)應(yīng)很弱弱，缺缺乏柔柔順性性。為為了使使機(jī)器器人在在工作作中能能較好好地適適應(yīng)工工作任任務(wù)的的要求求，常常常希希望機(jī)機(jī)器人人具有有柔性性(compliance)。這這樣樣就就需需要要使使機(jī)機(jī)器器人人成成為為柔柔性性機(jī)機(jī)器器人人系系統(tǒng)統(tǒng)。。根根據(jù)據(jù)柔柔順順是是否否通通過過控控制制方方法法獲獲得得，，可可以以將將柔柔順順分分為為主主動(dòng)動(dòng)柔柔順順和和被被動(dòng)動(dòng)柔柔順順。。一、、機(jī)機(jī)器器人人的的柔柔順順和和柔柔順順控控制制種種類類1)主動(dòng)柔順一、、機(jī)機(jī)器器人人的的柔柔順順和和柔柔順順控控制制種種類類機(jī)器器人人憑憑借借輔輔助助的的柔柔順順機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)與與環(huán)環(huán)境境接接觸觸時(shí)時(shí)能能夠夠?qū)?duì)外外部部作作用用力力產(chǎn)產(chǎn)生生自自然然順順從從，，稱稱為為被被動(dòng)動(dòng)柔柔順順(passivecompliance)，如如圖圖5-18（b）所所示示。。對(duì)對(duì)于于與與圖圖5-18（a）相相同同的的任任務(wù)務(wù)，，若若不不采采用用反反饋饋控控制制，，也也可可通通過過操操作作機(jī)機(jī)終終端端機(jī)機(jī)械械結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的變變形形來來適適應(yīng)應(yīng)操操作作過過程程中中遇遇到到的的阻阻力力。。在在圖圖5-18（b）中，在在柱銷與與操作機(jī)機(jī)之間設(shè)設(shè)有類似似彈簧之之類的機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)。當(dāng)柱柱銷插入入孔內(nèi)而而遇到阻阻力時(shí)，，彈簧系系統(tǒng)就會(huì)會(huì)產(chǎn)生變變形，使使阻力減減小，以以使柱銷銷軸與孔孔軸重合合，保證證柱銷順順利地插插入孔內(nèi)內(nèi)。由于于被動(dòng)柔柔順控制制存在各各種各樣樣的缺點(diǎn)點(diǎn)和不足足，主動(dòng)動(dòng)柔順控控制（力力控制））逐漸成成為主流流的研究究方向。。2)被動(dòng)柔順一、機(jī)器器人的柔柔順和柔柔順控制制種類三、氣動(dòng)動(dòng)執(zhí)行元元件圖5-18主動(dòng)柔順與被動(dòng)柔順示意圖3)遠(yuǎn)距離中心柔順一、機(jī)器器人的柔柔順和柔柔順控制制種類遠(yuǎn)距離中中心柔順順(remotecentercompliance，RCC)是一種比比較成功功的柔順順技術(shù)，，之所以以采用這這一術(shù)語語是因?yàn)闉闄C(jī)械結(jié)結(jié)構(gòu)的彈彈性變形形不是發(fā)發(fā)生在手手部或工工件處，，而是發(fā)發(fā)生在遠(yuǎn)遠(yuǎn)離工件件的一定定距離處處。如圖圖5-19所示，在在操作機(jī)機(jī)的抓手手和手臂臂之間設(shè)設(shè)有能產(chǎn)產(chǎn)生彈性性變形的的遠(yuǎn)距離離中心柔柔順裝置置，該裝裝置的中中心位置置距離抓抓手所夾夾持的工工件有一一定的距距離。圖5-19遠(yuǎn)距離中心柔順示意圖一、機(jī)器器人的柔柔順和柔柔順控制制種類由此可見見，采用用遠(yuǎn)距離離中心柔柔順技術(shù)術(shù)可以使使操作機(jī)機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)更更為合理理。RCC這樣的被被動(dòng)柔順順機(jī)械裝裝置具有有快速響響應(yīng)能力力，且價(jià)價(jià)格低，，但應(yīng)用用范圍小小。可編編程主動(dòng)動(dòng)柔順裝裝置能夠夠?qū)Σ煌愋偷牡牧慵M(jìn)進(jìn)行操作作，還可可根據(jù)裝裝配作業(yè)業(yè)不同階階段的要要求修改改末端裝裝置的彈彈性性能能。綜上所述，可可以將采用了了柔順技術(shù)的的機(jī)器人統(tǒng)稱稱為柔順機(jī)器器人系統(tǒng)。這這樣機(jī)器人系系統(tǒng)因其較強(qiáng)強(qiáng)的適應(yīng)性在在工程上獲得得了廣泛的應(yīng)應(yīng)用。一、機(jī)器人的的柔順和柔順順控制種類實(shí)現(xiàn)柔順控制制的方法主要要有兩類：一一類是阻抗控制，另一類是力和位置的混混合控制。阻抗控制不不是直接控制制期望的力和和位置，而是是通過控制力力和位置之間間的動(dòng)態(tài)關(guān)系系來實(shí)現(xiàn)柔順順功能。由于于這樣的動(dòng)態(tài)態(tài)關(guān)系類似于于電路中阻抗抗的概念，因因而稱為阻抗抗控制。如果果只考慮靜態(tài)態(tài)特性，力和和位置的關(guān)系系可以用剛性性矩陣來描述述，如果考慮慮力和速度之之間的關(guān)系，，可以用黏滯滯阻尼系數(shù)矩矩陣來描述。。因此，阻抗抗控制就是指指通過適當(dāng)?shù)牡目刂品椒ㄊ故箼C(jī)械手末端端執(zhí)行器表現(xiàn)現(xiàn)出期望的剛剛性和阻尼。。通常對(duì)于需需要進(jìn)行位置置控制的自由由度，要求在在該方向上有有很大的剛性性，即表現(xiàn)出出很硬的特性性。對(duì)于需要要進(jìn)行力控制制的自由度，，則要求在該該方向上有較較小的剛性，，即表現(xiàn)出柔柔軟的特性。。

2.柔順控制的種類一、機(jī)器人的的柔順和柔順順控制種類力和位置混合合控制的方法法的基本思想想就是在柔順順坐標(biāo)空間將將任務(wù)分解為為某些自由度度的位置控制制和另一些自自由度的力控控制，并在任任務(wù)空間分別別進(jìn)行位置控控制和力控制制的計(jì)算，將將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空空間，合并為為統(tǒng)一的關(guān)節(jié)節(jié)控制力矩，，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手手以實(shí)現(xiàn)期望望的柔順功能能。由此可見見，柔順運(yùn)動(dòng)動(dòng)控制包括阻阻抗控制、力力和位置混合合控制、動(dòng)態(tài)態(tài)混合控制等等。根據(jù)機(jī)器人力力控制的發(fā)展展過程，機(jī)器器人的力控制制一般可以分分為經(jīng)典力控控制方法、先先進(jìn)力控制方方法和智能力力控制方法3類。一、機(jī)器人的的柔順和柔順順控制種類二、機(jī)器人經(jīng)經(jīng)典力控制方方式與在自由空間間運(yùn)動(dòng)的控制制相比，機(jī)器器人在受限空空間運(yùn)動(dòng)的控控制主要是增增加了對(duì)其作作用端與外界界接觸作用力力（包括力矩矩）的控制要要求，因而受受限運(yùn)動(dòng)的控控制一般稱為為力控制。在在實(shí)際應(yīng)用中中，如果對(duì)這這種作用力控控制得不當(dāng)，，不僅可能達(dá)達(dá)不到控制要要求，還可能能使工件間產(chǎn)產(chǎn)生過強(qiáng)的碰碰撞，導(dǎo)致工工件變形、損損傷甚至報(bào)廢廢，造成機(jī)器器人的損傷，，因此，這時(shí)時(shí)對(duì)作用力的的控制是至關(guān)關(guān)重要的。由由于在受限空空間改變運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡的同時(shí)時(shí)會(huì)改變作用用力的大小，，而控制既要要求機(jī)器人沿沿一定的軌跡跡運(yùn)動(dòng)，又要要求作用力在在一定的范圍圍內(nèi)，這使兩兩者成為一個(gè)個(gè)矛盾體的兩兩個(gè)方面，控控制時(shí)必須兼兼而顧之。目目前實(shí)現(xiàn)力控控制的方法一一般有直接控控制和間接控控制兩種。在在有些作業(yè)（（裝配等）中中，可簡(jiǎn)單地地采用軌跡控控制的方法，，間接地達(dá)到到控制力的目目的。但顯而易見，，此時(shí)將要求求機(jī)器人的軌軌跡運(yùn)行和加加工工件的位位置都有很高高的精確度，，特別是對(duì)精精度要求較高高（如允許配配合公差?。┑淖鳂I(yè)。要要提高軌跡控控制精度則是是一個(gè)苛刻的的要求，也是是有一定限度度的，且經(jīng)濟(jì)濟(jì)代價(jià)也高。。直接控制方方法是在軌跡跡控制的基礎(chǔ)礎(chǔ)上給機(jī)器人人提供力或觸觸覺等傳感器器，使機(jī)器人人在受限方向向上運(yùn)動(dòng)時(shí)能能檢測(cè)到與外外界間的作用用力，并根據(jù)據(jù)檢測(cè)到的力力信號(hào)按一定定的控制規(guī)律律對(duì)作用力進(jìn)進(jìn)行控制，從從而對(duì)作業(yè)施施加的限制產(chǎn)產(chǎn)生一種依從從性運(yùn)動(dòng)，保保證作用力為為恒值或在一一定的范圍內(nèi)內(nèi)變化。依從從性運(yùn)動(dòng)是從從軌跡控制的的角度而言的的，控制器對(duì)對(duì)外界施加的的作用力干擾擾不是像常規(guī)規(guī)位置控制器器那樣對(duì)其抵抵抗或消除，，而是進(jìn)行一一定程度的““妥協(xié)”，即即順應(yīng)或依從從，從而以一一定的位置偏偏差為代價(jià)來來滿足力控制制的要求。這這種方法由于于引入了力信信號(hào)，因而提提高了軌跡控控制的精度和和控制器對(duì)外外界條件變化化的適應(yīng)能力力。我們提到到的力控制通通常也指的是是這種控制方方式。二、機(jī)器人經(jīng)經(jīng)典力控制方方式

1.阻抗控制1)力反饋性阻抗控制機(jī)器人末端執(zhí)執(zhí)行器所受的的力或力矩可可以用多種6維力或力矩傳傳感器測(cè)量出出來。將利用用力或力矩傳傳感器測(cè)量的的力信號(hào)引入入位置控制系系統(tǒng)，可以構(gòu)構(gòu)成力反饋型型阻抗控制，，圖5-20所示為力反饋饋型阻抗控制制原理。二、機(jī)器人經(jīng)經(jīng)典力控制方方式圖4-33步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理框圖二、機(jī)器人經(jīng)經(jīng)典力控制方方式二、機(jī)器人經(jīng)經(jīng)典力控制方方式二、機(jī)器人經(jīng)經(jīng)典力控制方方式位置控制部分的輸出Δq1和速度控制部分的輸出Δq2相加，其和作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制增量Δq，用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。因此，圖5-20所示的力反饋型阻抗控制本質(zhì)上是以位置控制為基礎(chǔ)的。需要注意的是，對(duì)于該力反饋型阻抗控制，機(jī)器人末端的剛度在一個(gè)控制周期內(nèi)是不受控制的，即機(jī)器人的末端在一個(gè)控制周期內(nèi)并不具有柔順性。二、機(jī)器人經(jīng)經(jīng)典力控制方方式2)位置型阻抗控制假設(shè)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程如下。(5-20)式中，τ

為關(guān)節(jié)空間的力或力矩矢量，H為機(jī)器人慣量矩陣，C為阻尼矩陣，g(q)為重力項(xiàng)。位置型阻抗控制是指機(jī)器人末端沒有受到外力作用時(shí)，通過位置與速度的協(xié)調(diào)而產(chǎn)生柔順性的控制方法，該控制方法利用位置偏差和速度偏差產(chǎn)生笛卡兒空間的廣義控制力，轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)空間的力或力矩后，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。二、機(jī)器人經(jīng)經(jīng)典力控制方方式圖5-21位置型阻抗控制原理框圖二、機(jī)器人經(jīng)經(jīng)典力控制方方式二、機(jī)器人經(jīng)經(jīng)典力控制方方式3)柔順型阻抗控制二、機(jī)器人人經(jīng)典力控控制方式圖5-22柔順型阻抗控制原理框圖二、機(jī)器人人經(jīng)典力控控制方式當(dāng)機(jī)器人的末端執(zhí)行器接觸彈性目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)會(huì)由于彈性變形而產(chǎn)生彈力，作用于機(jī)器人的末端執(zhí)行器。在彈性目標(biāo)被機(jī)器人末端執(zhí)行器擠壓時(shí)，機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置與彈性目標(biāo)原來的表面位置的偏差即為變形量。顯然，當(dāng)機(jī)器人末端執(zhí)行器尚未達(dá)到彈性目標(biāo)時(shí)，雖然機(jī)器人末端位置與彈性目標(biāo)表面位置之間存在偏差，但彈性目標(biāo)的表面變形量為零。為便于描述目標(biāo)的彈性變形量，這里首先定義一個(gè)正定函數(shù)，即二、機(jī)器人人經(jīng)典力控控制方式二、機(jī)器人人經(jīng)典力控控制方式

2.力/位置混合控制1)力/位置混合控制概述按末端執(zhí)行行器是否與與外界環(huán)境境發(fā)生接觸觸，可以把把機(jī)器人的的運(yùn)動(dòng)分為為兩類：一一類是不受受任何約束束的自由空空間運(yùn)動(dòng)，，如噴漆、、搬運(yùn)、點(diǎn)點(diǎn)焊等作業(yè)業(yè)，這類作作業(yè)可用位位置控制去去完成；另另一類作業(yè)業(yè)是機(jī)器人人末端與外外界環(huán)境發(fā)發(fā)生接觸，，在作業(yè)過過程中，末末端有一個(gè)個(gè)或幾個(gè)自自由度不能能自由運(yùn)動(dòng)動(dòng)，并要求求末端在某某一個(gè)或幾幾個(gè)方向上上與工件（（環(huán)境）保保持給定大大小的力，，如機(jī)器人人完成旋曲曲柄、上螺螺釘、擦玻玻璃、精密密裝配和打打毛刺等作作業(yè)。這類類作業(yè)僅采采用位置控控制無法完完成，必須須考慮末端端與外界環(huán)環(huán)境之間的的作用力。。二、機(jī)器人人經(jīng)典力控控制方式二、機(jī)器人人經(jīng)典力控控制方式圖5-23力/位置混合控制原理框圖力/位置混合控控制是將任任務(wù)空間劃劃分為兩個(gè)個(gè)正交互補(bǔ)補(bǔ)的子空間間，即力控控制空間和和位置控制制空間，在在力控制空空間中應(yīng)用用力控制方方法進(jìn)行力力控制，在在位置控制制空間應(yīng)用用位置控制制方法進(jìn)行行位置控制制。其核心心思想是分分別用不同同的控制方方法對(duì)力和和位置直接接進(jìn)行控制制，即首先先通過選擇擇矩陣確定定當(dāng)前接觸觸點(diǎn)的力控控和位控方方向，然后后應(yīng)用力反反饋信息和和位置反饋饋信息分別別在力控制制回路和位位置控制回回路中進(jìn)行行閉環(huán)控制制，最終在在受限運(yùn)動(dòng)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)力力和位置的的同時(shí)控制制。二、機(jī)器人人經(jīng)典力控控制方式二、機(jī)器人人經(jīng)典力控控制方式2)力/位置混合控制方案機(jī)器人末端端執(zhí)行器的的6個(gè)自由度為為笛卡兒空空間的6個(gè)變量提供供控制，當(dāng)當(dāng)執(zhí)行器的的某個(gè)自由由度受到約約束時(shí)，試試圖驅(qū)動(dòng)所所有關(guān)節(jié)將將會(huì)導(dǎo)致機(jī)機(jī)器人或接接觸表面的的損壞。對(duì)對(duì)此，Mason于1979年最早提出出同時(shí)非矛矛盾地控制制力和位置置的概念、、關(guān)節(jié)柔順順的概念，，其基本思思想是，對(duì)對(duì)機(jī)器人的的不同關(guān)節(jié)節(jié)根據(jù)具體體任務(wù)要求求，分別獨(dú)獨(dú)立地進(jìn)行行力控制和和位置控制制，這種方方法顯然有有一定的局局限性。Raibert和Craig根據(jù)Mason提出的理論論進(jìn)一步發(fā)發(fā)展了自由由關(guān)節(jié)思想想，進(jìn)行了了機(jī)器人機(jī)機(jī)械手力和和位置混合合控制的重重要試驗(yàn)，，取得了較較滿意的結(jié)結(jié)果，并最最終形成力力/位置混合控控制理論，，后來稱這這種控制器器為RC型力/位置混合控控制器，其其結(jié)構(gòu)如圖圖5-24所示。二、機(jī)器人人經(jīng)典力控控制方式圖5-24R-C型力/位置混合控制器結(jié)構(gòu)二、機(jī)器人人經(jīng)典力控控制方式R-C型力/位置混合控控制在笛卡卡兒空間中中描述約束束，區(qū)分位位置控制與與力控制，，在一些方方向上控制制力，在另另外的方向向上控制位位置，用兩兩組平行互互補(bǔ)的反饋饋環(huán)控制一一個(gè)共同的的目標(biāo)。這這種方法將將測(cè)量到的的關(guān)節(jié)位置置q經(jīng)過正運(yùn)動(dòng)動(dòng)學(xué)方程T轉(zhuǎn)換成笛卡卡兒坐標(biāo)位位置x，與期望的的笛卡兒坐坐標(biāo)位置xd比較，產(chǎn)生生笛卡兒坐坐標(biāo)下的位位置誤差，，在轉(zhuǎn)換到到關(guān)節(jié)坐標(biāo)標(biāo)之前，先先把力控制制方向上的的位置誤差差置成零，，然后用一一個(gè)雅克比比逆變換J-1轉(zhuǎn)換換到到關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)坐坐標(biāo)標(biāo)，，此此誤誤差差經(jīng)經(jīng)過過PID控制制器器用用于于降降低低位位置置方方向向的的誤誤差差。。類類似似地地，，把把經(jīng)經(jīng)過過力力變變換換矩矩陣陣Kfb轉(zhuǎn)換換后后的的檢檢測(cè)測(cè)力力F與期期望望力力Fd相比比，，得得到到笛笛卡卡兒兒坐坐標(biāo)標(biāo)下下的的力力誤誤差差，，在在此此誤誤差差被被轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)力力矩矩之之前前，，任任何何位位置置控控制制方方向向上上的的力力誤誤差差被被置置成成零零，，變變換換后后的的誤誤差差經(jīng)經(jīng)過過PID控制制器器用用于于消消除除力力控控制制方方向向上上的的誤誤差差。。其其具具體體工工作作原原理理描描述述如如下下。。二、、機(jī)機(jī)器器人人經(jīng)經(jīng)典典力力控控制制方方式式位置/速度控制部分由位置和速度兩個(gè)通路構(gòu)成。位置通路以末端執(zhí)行器期望