機械臂的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖綜述1.1臂部節(jié)點硬件需求分析直流電機驅(qū)動是機器人手臂執(zhí)行的動力，當(dāng)整個控制系統(tǒng)只采用位置閉環(huán)仍不能滿足要求時，控制節(jié)點的首要任務(wù)是與直流電機驅(qū)動電路連接，完成電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整，以便更好地實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的位置閉環(huán)控制。與單個電機控制器不同，搭載在機器人上的電機控制器不僅要完成自身的閉環(huán)控制任務(wù)，還必須與其他控制器協(xié)調(diào)動作，因此需要多個電機控制器構(gòu)成一個“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的控制節(jié)點必須在統(tǒng)一命令下協(xié)調(diào)移動因此，控制節(jié)點的另一個功能是完成與大腦的信息交互，接受大腦的控制指令，回到關(guān)節(jié)節(jié)點的當(dāng)前狀態(tài)。手臂控制節(jié)點和DC電機驅(qū)動電路只能根據(jù)整體空間規(guī)劃直接安裝在機器人的手臂上。在移除由電機和傳動機構(gòu)占據(jù)的空間之后，控制電路和驅(qū)動電路剩下的空間極其有限，在手臂上安裝電路板后，電源線和信號線有足夠的空間，因此，臂部控制節(jié)點的電路設(shè)計以在確保性能的同時，盡可能減小基板的面積，盡可能減小空間布線的難度為原則。減少控制電路板占用空間的一個好方法是使用一個控制節(jié)點來控制多個電機。然而，對所采用的控制芯片的軟硬件資源的要求增加了很多。在硬件上，控制芯片需要足夠的I/O資源來控制多個電機。在軟件上，控制節(jié)點不是孤立的電動機控制系統(tǒng)，它需要與機器的大腦實時交互，根據(jù)大腦的指令調(diào)整控制策略，保證機器人全身運動的協(xié)調(diào)。同時，控制芯片的運算速度必須足夠快，完成多個電機的控制算法。各電機的控制需要多條信號線，如果控制節(jié)點遠離電機，接線問題會給系統(tǒng)整體的設(shè)計帶來很多問題，如果各控制節(jié)點控制一個電機，將控制節(jié)點安裝在電機附近所需的接線最小，則用一個控制節(jié)點控制一個關(guān)節(jié)上的兩個電機，可以節(jié)省空間，減少接線。圖2-2機器人手臂控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖1.2控制系統(tǒng)的要求（1）穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到外在作用后，恢復(fù)其動態(tài)過程振動趨勢和平衡的能力，據(jù)悉，如果干擾作用于系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出量將偏離其穩(wěn)定值，此時如果系統(tǒng)有可能因反饋系統(tǒng)而恢復(fù)或接近原始值，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。（2）高速性高速性是指系統(tǒng)輸出偏離規(guī)定輸入時，系統(tǒng)消除偏差的速度。（3）準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性是指轉(zhuǎn)換過程后輸出與給定輸入之間的偏差，也稱為靜態(tài)偏差或穩(wěn)態(tài)誤差，它也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。上述三個指標(biāo)是控制系統(tǒng)的基本要求，即要求系統(tǒng)“穩(wěn)定、高速、準(zhǔn)確”。但是，這些參數(shù)通常需要在同一系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生沖突。這需要根據(jù)具體的監(jiān)測目標(biāo)和指標(biāo)要求注意其中的一些指標(biāo)，也需要注意總體協(xié)調(diào)。1.3控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（1）按控制方式分類1）集中控制系統(tǒng)在基于PC機的集中控制系統(tǒng)中，通過PC機資源的包容性，能夠完成優(yōu)良的開放性。通過標(biāo)準(zhǔn)PCI插槽或標(biāo)準(zhǔn)串口和并口，將各種控制卡和傳感器設(shè)備集成到控制系統(tǒng)中。集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點是硬件成本低，易于信息采集和分析，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，具有良好的完整性和協(xié)調(diào)性，擴展了基于PC的系統(tǒng)硬件REF_Ref27049\r\h【12】。它也有很多缺點，如系統(tǒng)控制過程不敏捷，容易發(fā)現(xiàn)風(fēng)險。一旦出現(xiàn)故障，后果會變得嚴(yán)重；由于工業(yè)機器人的高實時性要求，在計算大量數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)的實時性會下降，系統(tǒng)對多任務(wù)的響應(yīng)性也會與系統(tǒng)的實時性發(fā)生沖突。而且，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可靠性不高。其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。圖2-3集中控制系統(tǒng)框圖2）主從控制系統(tǒng)主控制器件部分用于實現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和自我診斷以及所有關(guān)節(jié)的運動控制，其構(gòu)成框圖如圖2-4所示。主從控制系統(tǒng)可提供更好的實時性能，以實現(xiàn)高精度、高速的控制，但系統(tǒng)可擴展性和維護問題較低。圖2-4主從控制系統(tǒng)框圖3）分布式控制系統(tǒng)由系統(tǒng)的性質(zhì)和模式，可以將系統(tǒng)管理分為多個模塊，每個模塊有不同的控制任務(wù)，每種模式可以是主從或?qū)Φ鹊?。這種方法具有較好的實時性，容易控制速度高、精度高的系統(tǒng)，擴展性能強，是現(xiàn)在常用的方式。其控制框圖如圖2-5所示。主要策略是“分散控制、集中處理”，系統(tǒng)可以綜合協(xié)調(diào)分配其整體目標(biāo)和任務(wù)進行的程度，在功能、邏輯和物理上，整個系統(tǒng)是分散的，因此，集散控制系統(tǒng)也被稱為分布式控制系統(tǒng)。在這樣的結(jié)構(gòu)中，控制器和不同的被控對象或設(shè)備組成了子系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)相互連接。分布式控制體系組成了一個包容、實時、準(zhǔn)確的機器人控制系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)廣泛采用兩級控制模式。圖2-5分布式控制系統(tǒng)框圖分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于：系統(tǒng)具有高靈活度，這就能降低控制系統(tǒng)的風(fēng)險。多處理器分散控制有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的管理效率，降低響應(yīng)時間。（2）按有無反饋分類根據(jù)有無反饋分類，控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。1）開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是系統(tǒng)通道不存在反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，如圖2-6所示，此系統(tǒng)僅受輸人量、控制量和控制對象影響；單向傳輸信號，輸出在整個控制過程中不會影響系統(tǒng)的控制，所以沒有抗干擾能力。開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是簡易、穩(wěn)定。開環(huán)控制系統(tǒng)的部件特性穩(wěn)定且噪聲小時，可以保持一定的準(zhǔn)確度。它的缺點是控制精度較低，對系統(tǒng)的干擾無自動調(diào)整能力。圖2-6開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖2）閉環(huán)控制系統(tǒng)帶有反饋回路的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的輸出和輸入之間有反饋電路，輸出會直接影響控制。如圖2-7所示，輸出端和輸入端之間有反饋電路，作為反饋檢測的一部分，系統(tǒng)由偏差控制，所以具有抗干擾的能力。該系統(tǒng)的優(yōu)點是對外部擾動和參數(shù)變化不敏感，精度高，不管出現(xiàn)什么干擾，只要被控制量的實際值偏離給定值，閉環(huán)控制就會產(chǎn)生控制作用來減小這一偏差。它的缺點是系統(tǒng)性能分析與設(shè)計比較困難，存在穩(wěn)定、超調(diào)和振蕩等問題。圖2-7閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖3）復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上附加一個輸人信號或動作用的順饋通路，可以提高系統(tǒng)的控制精度。如圖2-8所示，它是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)。圖2-8復(fù)合控制系統(tǒng)示意圖（3）按系統(tǒng)線性特征分類根據(jù)系統(tǒng)的線性特性，控制系統(tǒng)可分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。1）線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的輸入輸出都呈線性關(guān)系，滿足疊加定理和齊次性原理的控制系統(tǒng)。2）非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)中至少有一個環(huán)節(jié)的輸入輸出呈非線性關(guān)系，不滿足疊加定理和齊次性原理的控制系統(tǒng)。非線性控制系統(tǒng)一般存在死區(qū)、間隙和飽和特性。一個典型的機械臂控制系統(tǒng)，主要由上位計算機、運動控制器、驅(qū)動器、電動機、執(zhí)行機構(gòu)和反饋裝置構(gòu)成，如圖2-9所示。圖2-9機器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)（1）上位計算機上位計算機負責(zé)整個系統(tǒng)管理，以及實現(xiàn)運動特性的計算、各關(guān)節(jié)的運動、軌跡規(guī)劃和機器人與外界環(huán)境的信息交換等功能，協(xié)調(diào)著整個系統(tǒng)的運作。（2）運動控制器運動控制器主要負責(zé)上位機的數(shù)據(jù)處理和伺服反饋，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給驅(qū)動器。這樣來控制機器人的各個關(guān)節(jié)器件，由此得到機器人內(nèi)部的運動性能指標(biāo)。（3）驅(qū)動器驅(qū)動器是用于控制電動機的控制器，變頻器作用于普通交流電動機，是伺服系統(tǒng)的一部分，用于控制伺服電動機的運動特性。（4）電動機伺服電動機是一種數(shù)字化控制的電動機，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機械能，用于機器人機械臂的定位控制。（5）執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)特定任務(wù)的工作裝置稱為執(zhí)行機構(gòu)。（6）反饋裝置反饋裝置即檢測裝置，用于檢測機器人系統(tǒng)信號偏差及對象特性的變化，并依此來控制機器人系統(tǒng)行為及消除誤差。1.4控制系統(tǒng)特點（1）與裝置的運動學(xué)和動力學(xué)聯(lián)系密切因為機器人手臂的定位可以用坐標(biāo)系來表示，所以需要選擇不同的參考坐標(biāo)系進行適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。（2）多變量控制一個機器臂通常具有3個以上自由度，而比較復(fù)雜的機器人(如雙臂機器人)甚至有十幾個自由度，每個自由度通常包括一個伺服系統(tǒng)。它們還必須能夠保持協(xié)調(diào)，從而形成了一個多變量控制系統(tǒng)。（3）計算機