工業(yè)機器人控制概述

1、工業(yè)機器人控制概述摘 要：本概述簡單介紹了工業(yè)機器人的定義及發(fā)展,介紹了有關工業(yè)機器人控制的特點、功能、控制方式及控制系統(tǒng)的組成。對比說明目前應用于工業(yè)機器人的驅動器特點，包括電驅動器、液壓驅動器，并針對在工業(yè)機器人中應用最為廣泛的電動執(zhí)行器，分析工業(yè)機器人對于電動驅動器的具體應用要求。列舉了幾種在工業(yè)機器人技術中常用的控制策略, 如變結構控制、自適應控制、魯棒控制和智能控制等。最后通過分析全球控制器專利的分布，對目前機器人控制的各國發(fā)展的說明，探討了工業(yè)機器人控制技術的發(fā)展趨勢。關鍵字：工業(yè)機器人、控制、控制策略; 發(fā)展趨勢0.前言隨著生產和科技的進步，人們需要用及其代替人完成一些人類無法完

2、成或不能高質量完成的任務。另外由于市場經濟的發(fā)展，對增加商品種類、提高質量、降低成本提出了越來越高的要求，產品生產也從單一品種、大批量生產向多品種、小批量過渡。機器人正是為使用生產自動化及市場應變性地更高要求而出現(xiàn)的。國際機器人聯(lián)合會(International Federation of Robotics，IFR)將機器人定義如下：機器人是一種半自主或全自主工作的機器，它能完成有益于人類的工作，應用于生產過程稱為工業(yè)機器人，應用于特殊環(huán)境稱為專用機器人(特種機器人)，應用于家庭或直接服務人稱為(家政)服務機器人。這種內涵廣義的理解是機器人自動化機器，而不應該理解為如翻譯的像人一樣機器。國際標

3、準化組織(International Organization for Standardization，ISO)對機器人的定義為“機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務”。按照ISO定義，工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器人，是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器；它接受人類的指令后，將按照設定的程序執(zhí)行運動路徑和作業(yè)。可以按照許多標準將機器人分類。按照發(fā)展程度將機器人分為三代：第一代機器人是以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機器人，

4、這種機器人目前已在生產中得到廣泛應用；第二代機器人是具有一定傳感裝置，能利用所獲取的環(huán)境與操作對象的簡單信息進行反饋控制的機器人，這種機器人目前已有少量應用；第三代機器人是具有多種感知功能，可進行推理判斷，能再未知工作環(huán)境中獨立工作的機器人。機器人也常按照功能，分為工業(yè)機器人、遙控機器人和智能機器人。工業(yè)機器人（Industrial Robot），它是應用于工業(yè)自動化領域的機器人，越大多數按照“示教-再現(xiàn)”方式進行重復作業(yè)。遙控機器人（Telerobot），它是接受遙控指令而進行遠距離作業(yè)的機器人，主要用于宇航、海底、核工業(yè)及真空等領域。智能機器人（Intelligent Robot）具有運動

5、、感知、學習、適應、邏輯判斷以及人機通功能的機器人，屬于第三代機器人。機器人領域的主要研究方向有：機器人機械結構設計，機器人傳感器研究，機器人運動軌跡設計與規(guī)劃，機器人運動學，動力學與控制，機器人歐諾個只語言，機器人視覺、聽覺等系統(tǒng)的研究，機器人智能研究等。 1. 工業(yè)機器人控制 正如大腦是人類的靈魂和指揮中心，控制系統(tǒng)可稱之為機器人的大腦。機器人的感知、潘丹、推理都是通過控制系統(tǒng)的輸入、運算、輸出來完成的，所有行為和動作都必須通過控制系統(tǒng)發(fā)出相應的指令來實現(xiàn)。工業(yè)機器人要與外圍設備協(xié)調動作，共同完成作業(yè)任務，就必須具備一個功能完善、靈敏可靠的控制兇。工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)可分為兩大部分：一部分

6、是對其自身運動的控制，另一部分是工業(yè)機器人與周邊設備的協(xié)調控制。1.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點工業(yè)機器人的結構是一個空間開鏈機構，各個關節(jié)的運動是獨立的為了實現(xiàn)末端點的運動軌跡，需要各關節(jié)的運動協(xié)調，因此工業(yè)機器人的控制比較復雜，具體有：1）控制與機構運動學及動力學密切相關；2）一般至少要有3-5個自由度；3）機器人控制系統(tǒng)必須是一個計算機控制系統(tǒng)，才能將多個獨立的伺服系統(tǒng)協(xié)調控制；4）僅僅利用位置閉環(huán)還不夠，還需要利用速度甚至加速度閉環(huán)，系統(tǒng)經常使用重力補償、前饋、解耦或自適應控制等方法；5）機器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成，存在“最優(yōu)”的問題?？傊?，機器人控制系統(tǒng)是一個與運

7、動學和動力學原理相關、有耦合、非線性的多變量控制系統(tǒng)。1.2 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主要功能工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)的主要任務是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等項目，主要功能有示教再現(xiàn)功能和運動控制功能。 示教再現(xiàn)控制的主要內容主要包括示教及記憶方式和示教編程方式。其中，示教的方式種類較多，集中示教方式就是指同時對位置、速度、操作順序等進行的示教方式，分離示教是指在示教位置之后，再一邊動作，一邊分辨示教位置、速度、操作順序等的示教方式。采用半導體記憶裝置的工業(yè)機器人，可使得記憶容量大大增加，特別使用與復雜程度高的操作過程的記憶，并且記憶容量可達無限。工業(yè)機器人

8、的運動控制是指工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器從一點移動到另一點的過程中，對其位置。速度和加速度的控制，一般是通過控制關節(jié)運動來實現(xiàn)。關節(jié)運動控制一般分為兩步進行：第一步是關節(jié)運動伺服指令的完成，及指將末端執(zhí)行器在工作空間的位置和姿勢的運動轉化為由關節(jié)變量表示的時間序列或表示為關節(jié)變量隨時間變化的函數。第二步是關節(jié)運動的伺服控制，即跟蹤執(zhí)行第一步所生成的關節(jié)變量伺服指令。1.3 工業(yè)機器人的控制方式工業(yè)機器人的控制方式根據作業(yè)任務不同，可分為點位控制方式(PTP)、連續(xù)軌跡控制方式(CP)、力(等力矩)控制方式赫爾智能控制。點位控制方式是只控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中某些規(guī)定第離散點上的位姿。控

9、制時只要求工業(yè)機器人快速、準確地實現(xiàn)相鄰各點之間的運動，而對達到目標點的運動軌跡則不做任何規(guī)定，主要技術指標是定位精度和運動時間。這種孔氏方式易于實現(xiàn)，但精度不高，一般用于上下料、搬運等只要求目標點位姿準確的作業(yè)中。連續(xù)軌跡控制是連續(xù)地控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿，要去其嚴格按照預定的軌跡和速度在一定的精度要求內運動，且速度可控，軌跡光滑運動平穩(wěn)，主要技術指標是末端執(zhí)行器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。力（力矩）控制，是用于在完成裝配等工作室，除要求定位準確，還要求有適度力（力矩）進行工作，這種控制方式的控制原理基本類似于伺服控制原理，只是輸入量反饋量是力（力矩）信號.智能控制是通過

10、傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據自身誒不的知識庫相應作出決策，具有較強的環(huán)境適應性和自學習能力，智能控制技術涉及人工神經網絡、基因算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能的迅速發(fā)展。1.4 工業(yè)機器人的驅動器1.4.1驅動器驅動器即將能量(電能、液壓能等)轉換成機械能，使機器人各關節(jié)工作的裝置，常見的有步進電機驅動器、直流電機驅動器、交流電機驅動器、液壓驅動器、氣壓驅動器等。步進電機是一種將輸入脈沖信號轉換成相應角位移的旋轉電機，可以實現(xiàn)高精度的角度控制。步進電機不雅啊哦哦反饋控制，電路簡單，可以對數字信號直接進行控制，因此能很容易與微型計算機連接。停止是能保持轉矩，維護方便，但工作效率地，容易引起

11、失步，有時也有振蕩現(xiàn)象產生。直流電機即使用直流電源的電機，使用簡單，僅需將電機端子與直流電源相連即可運轉。具有優(yōu)良控制特性。作為控制用電機，直流電機的啟動轉矩大，體積小、質量輕、轉矩和轉速容易，并且效率高。無刷直流電動機在壽命和噪聲方面又有有刷直流電機，無刷直流電機，在進行位置控制和速度控制時，需要使用轉速傳感器，實現(xiàn)位置、速度負反饋的閉環(huán)控制。為了改變直流電機的轉速和轉矩，可以通過改變電源電壓，控制電機轉速，通過改變電樞電流，調節(jié)電機轉矩。工業(yè)機器人使用的伺服電機，傳統(tǒng)上一直采用直流（DC）伺服電機，目前正逐漸被交流（AC）伺服電機所取代，其最大的優(yōu)點就是免維護，因為沒有直流伺服電機的機械接

12、觸部分。液壓驅動器包括液壓缸、液壓馬達、擺動馬達等，液壓驅動器由于工作壓力高，所以可以實現(xiàn)小型化，由于以液壓油為工作介質，所以裝置的潤滑性和防銹性能好，通過控制流量調節(jié)速度，利用換向裝置變換運動防銹，通過壓力控制，可以實現(xiàn)無極控制。氣動驅動器類似于液壓驅動器，包括氣缸、氣動馬達、擺動式氣動驅動器。氣動驅動器結構簡單、體積小且價格便宜，對環(huán)境無特殊要求，保養(yǎng)維護簡單，易組成系統(tǒng)。除以上常用驅動器外，還出現(xiàn)了越來越多的新型驅動器，有的已經用于機器人，主要有超聲波驅動器、磁致伸縮驅動器、形狀記憶金屬驅動器、靜電驅動器等。1.4.2工業(yè)機器人對關節(jié)電動驅動器的主要要求 在工業(yè)機器人中，電動執(zhí)行器用得最

13、為廣泛，機器人對于關節(jié)驅動器的要求主要有：快速性、啟動轉矩慣量、控制特性、調速范圍、運行條件等，一般綜合分析工作性質和系統(tǒng)要求選擇合適的驅動器。1）快速性電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應短。響應指令信號的時間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應性能愈好，一般是以伺服電動機的機電時間常數的大小來說明伺服電動機快速響應的性能。 2）啟動轉矩慣量比大在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電動機的起動轉矩大，轉動慣量小。 3）控制特性的連續(xù)性和直線性隨著控制信號的變化，電動機的轉速能連續(xù)變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。 4）調速范圍寬能使用于1：100010000

14、的調速范圍。 5）體積小、質量小、軸向尺寸短6）能經受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受過載目前，由于高起動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電動機在工業(yè)機器人中得到廣泛應用，一般負載1000N（相當100kgf）以下的工業(yè)機器人大多采用電伺服驅動系統(tǒng)。所采用的關節(jié)驅動電動機主要是AC伺服電動機，步進電動機和DC伺服電動機。其中，交流伺服電動機、直流伺服電動機、直接驅動電動機（DD）均采用位置閉環(huán)控制，一般應用于高精度、高速度的機器人驅動系統(tǒng)中。步進電動機驅動系統(tǒng)多適用于對精度、速度要求不高的小型簡易機器人開環(huán)系統(tǒng)中。交流伺服電動機由于采用電子換向，無換

15、向火花，在易燃易爆環(huán)境中得到了廣泛的使用。速度傳感器多采用測速發(fā)電機和旋轉變壓器；位置傳感器多用光電碼盤和旋轉變壓器。近年來，國外機器人制造廠家已經在使用一種集光電碼盤及旋轉變壓器功能為一體的混合式光電位置傳感器，伺服電動機可與位置及速度檢測器、制動器、減速機構組成伺服電動機驅動單元。1.5 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)圖1是一個完整的歐冠農業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成，從圖中可以看出，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成，這些基本組成可以歸類為硬件和軟件兩類。圖1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)組成圖其中，硬件主要由以下幾部分組成：傳感裝置，該類裝置用以檢測工業(yè)機器人各關節(jié)的位置、速度和加速度，即感知其本身的狀態(tài)，稱為內部傳

16、感器。相對應的外部傳感器就是所謂的視覺、力覺、觸覺、聽覺、滑覺等傳感器，它們可以使工業(yè)機器人感知工作環(huán)境和工作對象的狀態(tài)?？刂蒲b置。控制裝置是處理各種感覺信息，執(zhí)行控制軟件，產生控制指令。一般由一臺微型或小型計算機及相應的接口組成。關節(jié)伺服驅動部分，這部分主要是根據控制裝置的指令，按作業(yè)任務的要求驅動各關節(jié)運動。軟件部分主要指控制軟件，它包括運動軌跡規(guī)劃算法和關節(jié)伺服控制算法與相應的動作程序?？刂栖浖梢杂萌魏握Z言來編制。2. 控制策略工業(yè)機器人是一個十分復雜的多輸入多輸出非線性系統(tǒng), 它具有時變、強耦合和非線性的動力學特征, 因而帶來了控制的復雜性。由于測量和建模的不精確, 再加上負載的變化

17、以及外部擾動等不確定性的影響, 難以建立工業(yè)機器人精確、完整的運動模型。并且在高速運動的情況下，機器人的非線性動力學效應十分顯著，因而傳統(tǒng)的獨立伺服PID 控制算法在高速和有效載荷變化的情況下難以滿足性能要求，實際的工業(yè)機器人系統(tǒng)又存在參數不確定性、非參數不確定性和作業(yè)環(huán)境的干擾，因此具有魯棒性的先進控制技術成為實現(xiàn)工業(yè)機器人高速高精度控制的主要方法。目前，應用于工業(yè)機器人的控制方法有自適應控制、變結構控制及現(xiàn)代魯棒控制等。2.1 自適應控制自適應控制的方法就是在運行過程中不斷測量受控對象的特性, 根據測得的特征信息使控制系統(tǒng)按最新的特性實現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制，使整個系統(tǒng)始終獲得滿意的控制性能。自適

18、應控制能認識環(huán)境的變化, 并能自動改變控制器的參數和結構, 自動調整控制作用, 以保證系統(tǒng)達到滿意的控制品質。自適應控制不是一般的系統(tǒng)狀態(tài)反饋或系統(tǒng)輸出反饋控制, 而是一種比較復雜的反饋控制, 自適應控制實時性要求嚴格，實現(xiàn)比較復雜，并且參數突變經常會破壞總體系統(tǒng)的穩(wěn)定性；參數的收斂特性通常需要足夠的持續(xù)激勵條件，而該條件實際上又難以滿足，因此通常結合其它算法使用，即魯棒自適應控制方法，應用修正的自適應律使得系統(tǒng)對非參數不確定性也具有一定的魯棒性。2.2 滑膜變結構控制滑模變結構控制是一種特殊的非線性控制方法，通過控制量的不斷切換迫使系統(tǒng)狀態(tài)沿著滑模面滑動，從而保證系統(tǒng)對參數擾動和外界干擾具有

19、完全的自適應性或不變性。變結構控制方法對于系統(tǒng)參數的時變規(guī)律、非線性程度以及外界干擾等不需要精確的數學模型, 只要知道它們的變化范圍, 就能對系統(tǒng)進行精確的軌跡跟蹤控制。變結構控制方法設計過程本身就是解耦過程, 因此在多輸入多輸出系統(tǒng)中, 多個控制器設計可按各自獨立系統(tǒng)進行, 其參數選擇也不是十分嚴格?；Ｗ兘Y構控制系統(tǒng)快速性好, 無超調, 計算量小,實時性強。變結構控制本身的不連續(xù)性以及控制器頻繁的切換動作有可能造成跟蹤誤差在零點附近產生抖動現(xiàn)象, 而不能收斂于零, 這種抖動輕則會引起執(zhí)行部件的機械磨損, 重則會激勵未建模的高頻動態(tài)響應特別是考慮到連桿柔性的時候, 容易使控制失效。2.3 魯

20、棒控制魯棒H控制是一種結構和參數都固定不變的控制器，在被控對象具有不確定性的情況下，仍能保證系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性和滿意的控制效果，具有處理擾動、快變參數和未建模動態(tài)的能力，并且設計簡單，它是一種固定控制, 比較容易實現(xiàn)。一般魯棒控制系統(tǒng)的設計是以一些最差的情況為基礎, 因此一般系統(tǒng)并不工作在最優(yōu)狀態(tài)。魯棒自適應控制對控制器實時性能要求比較嚴格。魯棒H控制還具有處理多變量問題的能力。2.4 智能控制 分層遞階的智能控制結構由上往下分為 3個層次, 組織級、協(xié)調級和執(zhí)行級。其控制精度由下往上逐級遞減, 智能程度由下往上逐級增加。根據機器人的任務分解, 在面向設備的基礎級可以采用常規(guī)的自動控制技術, 如

21、 P I D控制、前饋控制等。在協(xié)調級和組織級, 存在不確定性, 控制模型往往無法建立或建立的模型不夠精確, 無法取得良好的控制效果。因此, 需要采用智能控制方法, 如模糊控制、神經網絡控制、專家控制以及集成智能控制。2.5 工業(yè)機器人控制策略發(fā)展趨勢 到目前為止, 多數商品化工業(yè)機器人控制器下級的控制策略基本上是獨立關節(jié) PID伺服算法。這種控制方法的主要缺點是, 反饋增益是預先確定的常量,它不能在有效載荷變化的情況下改變反饋增益。機器人高速運動時, 其動力學效應十分顯著。為解決上述問題, 就要根據機器人手臂的動態(tài)模型求出施加于機器人手臂的力矩。于是就提出了諸如計算力矩法、非線性解耦反饋控制

22、、前饋補償控制算法等方案。但這些算法大多過于復雜, 難以實時計算。故研究人員一方面研究簡化模型、簡化計算方法, 提出一些有效的并行算法、遞推算法等; 另一方面又研究對系統(tǒng)參數變化及擾動不敏感, 或不過分依賴準確的系統(tǒng)動態(tài)模型的控制方法。最后, 充分考慮各控制算法的優(yōu)缺點, 取長補短, 在一個工業(yè)機器人當中采用多種控制算法的結合處理。開展對控制方案、動態(tài)控制模型以及控制算法的研究, 以求改善機器人系統(tǒng)的動態(tài)控制性能。3.發(fā)展及前景 3.1全球控制器專利分析控制器是主導工業(yè)用機器人多軸運動技術之主要零組件，也是整合所有零組件的核心技術，如圖2所示，從美國專利商標局USPTO的專利數據庫系統(tǒng)當中，統(tǒng)

23、計2000年到2007年第三季為止的專利申請數量觀察，目前以日本申請的專利數量最多，累積高達127件，其次是美國的76件，這也反映出目前工業(yè)用機器人大部分仍由這兩大主要國家掌握全球工業(yè)用機器人幾乎八成以上的市場。而我國在控制方面與發(fā)達國家相比還有較大差距。圖2 全球工業(yè)用機器人控制器專利申請數量3.2控制系統(tǒng)關鍵技術1)開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結構：采用分布式CPU計算機結構，分為機器人控制器(RC)，運動控制器(MC)，光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN總線進行通訊。機器人控制器(RC)的主計算機完成機器人的運動規(guī)劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、數字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。2)模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實時多任務操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結構設計，以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個控制器軟件系統(tǒng)分為三個層次：硬件驅動層、核心層和應用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個層次內部由若干個功能相對對立的模塊組成，這些功能