5.l機(jī)器人的基本控制原則

1．控制器分類(lèi)5.1.1基本控制原則本節(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。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。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。5.l機(jī)器人的基本控制原則

3．主要控制層次5.1.1基本控制原則

圖5．2表示機(jī)器人的主要控制層次。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)?，F(xiàn)對(duì)它們進(jìn)一步討論如下。5.l機(jī)器人的基本控制原則

3．主要控制層次5.1.1基本控制原則

（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)”，那么如何執(zhí)行這個(gè)任務(wù)呢；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)。它還表示機(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(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。5.l機(jī)器人的基本控制原則

3．主要控制層次5.1.1基本控制原則

（2）第二級(jí)：控制模式級(jí)在工業(yè)上一般不采用復(fù)雜的模型，而采用兩種控制模型。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(guò)程中依次通過(guò)一些平衡狀態(tài)。這兩種模型分別稱為幾何模型和運(yùn)動(dòng)模型。前者利用X和Θ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Θ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。5.l機(jī)器人的基本控制原則

3．主要控制層次5.1.1基本控制原則

（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。我們將在本節(jié)后一部分舉例介紹機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)。在此，必須指出下列兩點(diǎn)：①控制第一級(jí)和第二級(jí)并非總是截然分開(kāi)的。是否把傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和減速齒輪包括在第二級(jí)，更是一個(gè)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題涉及解決下列問(wèn)題5.l機(jī)器人的基本控制原則

3．主要控制層次5.1.1基本控制原則

當(dāng)前的趨向是研究具有組合減速齒輪的電動(dòng)機(jī)，它能直接安裝在機(jī)器人的關(guān)節(jié)上。不過(guò)，這樣做的結(jié)果又產(chǎn)生慣性力矩和減速比的問(wèn)題。這是需要進(jìn)一步解決的。②一般的伺服系統(tǒng)是模擬系統(tǒng)，但它們已越來(lái)越普遍地為數(shù)字控制伺服系統(tǒng)所代替。5.l機(jī)器人的基本控制原則

5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)的伺服控制，我們將在位置控制等節(jié)中仔細(xì)討論。這里，對(duì)液壓伺服控制系統(tǒng)加以分析。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(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。當(dāng)在伺服閥門(mén)內(nèi)采用伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，就構(gòu)成電一液壓伺服控制系統(tǒng)。

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5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

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。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。5.l機(jī)器人的基本控制原則

5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

1．液壓缸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)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)用在電一液壓隨動(dòng)系統(tǒng)中的滑閥裝有正比于電信號(hào)的位移量電一機(jī)變換器。圖5.3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)）

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5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例5.l機(jī)器人的基本控制原則

5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

1．液壓缸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)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)，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。5.l機(jī)器人的基本控制原則

5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

2．電一液壓伺服控制系統(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)的方框如圖5．4所示。5.l機(jī)器人的基本控制原則

5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

2．電一液壓伺服控制系統(tǒng)在圖5.4中，控制電流I與配油器輸入信號(hào)U的關(guān)系可由下列傳遞函數(shù)表示：同樣可得活塞位移X與配油器輸入信號(hào)（位移誤差信號(hào)）U間的關(guān)系為：

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5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

2．電一液壓伺服控制系統(tǒng)據(jù)式（5.5）、（5.6）和圖5.4可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù):

5.l機(jī)器人的基本控制原則

5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

2．電一液壓伺服控制系統(tǒng)當(dāng)采用力矩電動(dòng)機(jī)作為位移給定元件時(shí)式中，

1很小而又可以忽略時(shí)

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5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖5．5表示出一個(gè)簡(jiǎn)單的滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。其中所用的控制閥為四通滑閥。

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5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)據(jù)液壓傳動(dòng)原理，四通滑閥具有下列關(guān)系式式中，Q1和Q2為控制滑閥的輸出流量，即傳動(dòng)活塞的輸入控制流量；Ps為液壓源壓力；P1和P2為油缸內(nèi)兩部分的液壓；X為滑閥的輸入位移；k1為增益。

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5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)令q1、q2、p1、p2和x表示在Q1、Q2、p1、p2和X條件下某一穩(wěn)態(tài)位置變量，則可得滑閥液流方程式中，c1為液流增益或靈敏度，c2為液流壓力系數(shù)。它們可由穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)求得。

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5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)從圖5.5可知，P1和V1分別表示油缸左部的壓力和體積，P2和V2則表示油缸右部的壓力和體積。據(jù)圖5.5可列出油缸左部的功能守恒表達(dá)式

式中，QL為活塞漏損流量，M1為油缸左部所儲(chǔ)存的功能，而dM1／dt則為功率變化。因?yàn)镸1＝P1V1，所以有

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5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)令B表示流體的容體彈性模數(shù)，則因?yàn)閐V1／dt＝AdY／dt，其中，Y為活塞的位移，A為活塞左側(cè)面積。代入式（5.15）得

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5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)油缸的擾動(dòng)方程如下

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5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)式中，qL為漏損擾動(dòng)流量其中，Lm為油液的漏損系數(shù)。在活塞推力作用下，負(fù)載的運(yùn)動(dòng)方程式為：式中，m和mp分別為負(fù)載質(zhì)量和活塞質(zhì)量，b為粘性摩擦系數(shù)。聯(lián)立以上方程，可得閥控油缸的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

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5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)式中：

n為自然振蕩角頻率，

1為時(shí)間常數(shù)，

為阻尼系數(shù)。且：5.l機(jī)器人的基本控制原則

5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)從式（5．22）可知，此系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)等價(jià)于一積分環(huán)節(jié)與一個(gè)二階環(huán)節(jié)的串聯(lián)。再求整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)函數(shù)G（S）。5.l機(jī)器人的基本控制原則

5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)反饋系數(shù)為1時(shí)，系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖5．6所示。5.l機(jī)器人的基本控制原則

5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)因?yàn)椋?/p>

聯(lián)立得：5.l機(jī)器人的基本控制原則

5.1.2伺服控制系統(tǒng)舉例

3．滑閥控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)式中，

c＝k1

n為閉環(huán)系統(tǒng)的自然角振蕩頻率；為閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)：為閉環(huán)系統(tǒng)的第二時(shí)間常數(shù)；另一時(shí)間常數(shù)為

1。式（5.25）即為所求閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。從此式可見(jiàn)，此閉環(huán)系統(tǒng)為一等價(jià)三階系統(tǒng)。我們往往把它簡(jiǎn)化為一個(gè)一階環(huán)節(jié)與一個(gè)二階環(huán)節(jié)串聯(lián)的系統(tǒng)。這樣，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究。5.2機(jī)器人的位置控制

機(jī)器人為連桿式機(jī)械手，其動(dòng)態(tài)特性具有高度的非線性。要控制這種由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的操作機(jī)器人，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程式來(lái)表示其運(yùn)動(dòng)是十分重要的。這種數(shù)學(xué)表達(dá)式就是數(shù)學(xué)模型，或簡(jiǎn)稱模型?？刂茩C(jī)器人運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)，運(yùn)用這種數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)和控制將要進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

由于機(jī)械零部件比較復(fù)雜，例如，機(jī)械部件可能因承受負(fù)載而彎曲，關(guān)節(jié)可能具有彈性以及機(jī)械摩擦（它是很難計(jì)算的）等等，所以在實(shí)際上不可能建立起準(zhǔn)確的模型一般采用近似模型。盡管這些模型比較簡(jiǎn)單，但卻十分有用。5.2機(jī)器人的位置控制

在設(shè)計(jì)模型時(shí)，提出下列兩個(gè)假設(shè)：（1）機(jī)器人的各段是理想剛體，因而所有關(guān)節(jié)都是理想的，不存在摩擦和間隙。

（2）相鄰兩連桿間只有一個(gè)自由度，要么為完全旋轉(zhuǎn)的．要么是完全平移的。5.2機(jī)器人的位置控制l．傳遞函數(shù)與等效方框圖5.2.1直流傳動(dòng)系統(tǒng)的建模在研究機(jī)械手的位置控制器之前，首先建立直流電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。圖5．7表示具有減速齒輪和旋轉(zhuǎn)負(fù)載的直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖。5.2機(jī)器人的位置控制5.2.1直流傳動(dòng)系統(tǒng)的建模5.2機(jī)器人的位置控制5.2.1直流傳動(dòng)系統(tǒng)的建模5.2機(jī)器人的位置控制5.2.1直流傳動(dòng)系統(tǒng)的建模2直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整

圖5.10表示一個(gè)勵(lì)磁控制直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)位置控制結(jié)構(gòu)圖。5.2機(jī)器人的位置控制5.2.1直流傳動(dòng)系統(tǒng)的建模從穩(wěn)定性和精度的觀點(diǎn)看，要獲得滿意的伺服傳動(dòng)性能，必須在伺服電路內(nèi)引入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。5.2.2位置控制的基本結(jié)構(gòu)1．基本控制結(jié)構(gòu)

許多機(jī)器人的作業(yè)是控制機(jī)械手末端工具的位置和姿態(tài)，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的控制(PTP控制，如搬運(yùn)、點(diǎn)焊機(jī)器人)或連續(xù)路徑的控制（CP控制，如弧焊、噴漆機(jī)器人）。因此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的位置控制是機(jī)器人的最基本的控制任務(wù)5.2機(jī)器人的位置控制5.2.2位置控制的基本結(jié)構(gòu)機(jī)器人位置控制有時(shí)也稱位姿控制或軌跡控制。對(duì)于有些作業(yè)，如裝配、研磨等，只有位置控制是不夠的．還需要力控制。機(jī)器人的位置控制結(jié)構(gòu)主要有兩種形式，即關(guān)節(jié)空間控制結(jié)構(gòu)和直角坐標(biāo)空間控制結(jié)構(gòu)，分別見(jiàn)圖5.11（a）和（b）所示。5.2機(jī)器人的位置控制5.2.2位置控制的基本結(jié)構(gòu)5.2機(jī)器人的位置控制5.2.2位置控制的基本結(jié)構(gòu)運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人一般采用圖5.11(a)所示控制結(jié)構(gòu)。該控制結(jié)構(gòu)的期望軌跡是關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度，因而易于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的伺服控制。這種控制結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題是：由于往往要求的是在直角坐標(biāo)空間的機(jī)械手末端運(yùn)動(dòng)軌跡，因而為實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤，需將機(jī)械手末端的期望軌跡經(jīng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算變換為在關(guān)節(jié)空間表示的期望軌跡