機(jī)器人控制原理

1、第二章機(jī)器人系統(tǒng)簡介2.1 機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu) ( 執(zhí)行機(jī)構(gòu) ) 機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)是機(jī)器人實現(xiàn)對象操作及移動自身功能的載體，可以大體分為操作手 ( 包括臂和手 ) 和移動機(jī)構(gòu)兩類。對機(jī)器人的操作手而言，它應(yīng)該象人的手臂那樣，能把(抓持裝工具的) 手依次伸到預(yù)定的操作位置，并保持相應(yīng)的姿態(tài)，完成給定的操作；或者能夠以一定速度，沿預(yù)定空間曲線移動并保持手的姿態(tài)，并在運(yùn)動過程中完成預(yù)定的操作。移動機(jī)構(gòu)應(yīng)能將機(jī)器人移動到任意位置，并保持預(yù)定方位姿勢。為此，它應(yīng)能實現(xiàn)前進(jìn)、后退、各方向的轉(zhuǎn)彎等基本移動功能。在結(jié)構(gòu)上它可以象人、獸、昆蟲，具有二足、四足或六足的步行機(jī)構(gòu)，也可以象車或坦克那樣采用輪或履帶結(jié)構(gòu)2

2、.1.1 機(jī)器人的臂結(jié)構(gòu)機(jī)器人的臂通常采用關(guān)節(jié)一一連桿鏈形結(jié)構(gòu)，它由連桿和連桿間的關(guān)節(jié)組成。關(guān)節(jié)，又稱運(yùn)動副，是兩個構(gòu)件組成相對運(yùn)動的聯(lián)接。在關(guān)節(jié)的約束下，兩連桿間只能有簡單的相對運(yùn)動。機(jī)器人中常用的關(guān)節(jié)主要有兩類：(1) 滑動關(guān)節(jié) (prismatic joint): 與關(guān)節(jié)相連的兩連桿只能沿滑動軸做直線位移運(yùn)動，移動的距離是滑動關(guān)節(jié)的主要變量，滑動軸一般和桿的軸線重合或平行。(2) 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) (revolute joint): 與關(guān)節(jié)相連的兩連桿只能繞關(guān)節(jié)軸做相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其轉(zhuǎn)動角度是關(guān)節(jié)的主要變量，轉(zhuǎn)動軸的方向通常與軸線重合或垂直。桿件和關(guān)節(jié)的構(gòu)成方法大致可分為兩種：(1)桿件和手臂串聯(lián)

3、連接，開鏈機(jī)械手(2)桿件和手臂串聯(lián)連接，閉鏈機(jī)械手。以操作對象為理想剛體為例，物體的位置和姿態(tài)各需要3 個獨立變量來描述。我們將確定物體在坐標(biāo)系中位姿的獨立坐標(biāo)數(shù)目稱為自由度( dof ( degree of freedom ) 。而機(jī)器人的自由度是由有關(guān)節(jié)數(shù)和每個關(guān)節(jié)所具有的自由度數(shù)決定的 (每個關(guān)節(jié)可以有一個或多個自由度，通常為1 個) 。機(jī)器人的自由度是獨立的單獨運(yùn)動的數(shù)目，是表示機(jī)器人運(yùn)動靈活性的尺度。( 由驅(qū)動器能產(chǎn)生主動動作的自由度稱為主動自由度，不能產(chǎn)生驅(qū)動力的自由度稱為被動自由度。通常開鏈機(jī)構(gòu)僅使用主動自由度)機(jī)器人自由度的構(gòu)成，取決于它應(yīng)能保證完成與目標(biāo)作業(yè)相適應(yīng)的動作。分

4、析可知，為使機(jī)器人能任意操縱物體的位姿，至少須 6dof , 通常用三個自由度確定手的空間位置(手臂 ) ，三個自由度確定手的姿態(tài)(手) 。比較而言，人的臂有七個自由度，手有二十個自由度，其中肩3dof ，肘 2 dof ，碗2dof 。這種比 6 還多的自由度稱為冗余自由度。人的臂由于有這樣的冗余性，在固定手的位置和姿態(tài)的情況下，肘的位置不唯一。因此人的手臂能靈活回避障礙物。對機(jī)器人而言，冗余自由度的設(shè)置易于增強(qiáng)運(yùn)動的靈活性，但由于存在多解，需要在約束條件下尋優(yōu)，計算量和控制的難度相對增大。典型的機(jī)器人臂結(jié)構(gòu)有以下幾種：(1) 直角坐標(biāo)型 (cartesian/rectanglar/gant

5、ry) (3p) 由三個線性滑動關(guān)節(jié)組成。三個關(guān)節(jié)的滑動方向分別和直角坐標(biāo)軸x,y,z 平行。工作空間是個立方體(2) 圓柱坐標(biāo)型 (cylindrical)(r2p) 由一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和兩個滑動關(guān)節(jié)組成。兩個滑動關(guān)節(jié)分別對應(yīng)于圓柱坐標(biāo)的徑向和垂直方向位置，一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對應(yīng)關(guān)于圓柱軸線的轉(zhuǎn)角。工作區(qū)域為矩形截面的旋轉(zhuǎn)體。(3) 球坐標(biāo)型 (spherical) (2rp) 兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個滑動關(guān)節(jié)分別實現(xiàn)手的左右，上下及前后運(yùn)動。工作區(qū)域是扇形旋轉(zhuǎn)體。(4) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型 (articulated/anthropomorphic)(3r) 用三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)實現(xiàn)手在工作空間的任意定位。工作區(qū)域是一個

6、旋轉(zhuǎn)體，其截面由轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動行程角所確定的一些弧線構(gòu)成。(5) 平面關(guān)節(jié)型scara (selective compliance assembly robot arm) 由兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個滑動關(guān)節(jié)組成。兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)控制前后，左右運(yùn)動；滑動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運(yùn)動。工作區(qū)域是截面為矩形的旋轉(zhuǎn)體這里只給出了幾種簡單的臂結(jié)構(gòu)。各類型結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點簡要分析如下：直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)：三個關(guān)節(jié)分別沿著直角坐標(biāo)的三坐標(biāo)軸移動，幾何運(yùn)動直觀，計算簡單，便于控制。該結(jié)構(gòu)剛度好，可得到較高精度。但機(jī)器人所占運(yùn)行空間大，滑動關(guān)節(jié)密封性及操作的靈活性差。多轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)型：靈活性最強(qiáng)，可以避開一些障礙物到達(dá)操作點。運(yùn)行所占空關(guān)及占地面

7、積小，關(guān)節(jié)易于密封。但是關(guān)節(jié)角與空間位置的關(guān)系復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)，因此控制計算量大，控制相對復(fù)雜。圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型的優(yōu)缺點介于上述兩類結(jié)構(gòu)之間。平面關(guān)節(jié)型：結(jié)構(gòu)簡單，特別適合小型零件的插接裝配。注：機(jī)器人的腕和手( 操作器 ) 的結(jié)構(gòu)略2.1.1 機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)對機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的基本要求是能承受機(jī)器人自身重力及操作過程中存在的力和力矩，并保持平衡和具有一定的剛度；具有較高的機(jī)動性。目前移動機(jī)構(gòu)的主要類型有輪式、履帶式、足式及其它(如機(jī)器魚，爬壁機(jī)器人等 )，下面對移動機(jī)器人的幾種典型機(jī)構(gòu)及特點給出簡要介紹。輪式移動機(jī)構(gòu)：輪式移動機(jī)構(gòu)有移動平穩(wěn)、機(jī)動性高、便于操縱等特點。但只適合在平坦地面運(yùn)行

8、，不能上下階梯、越溝。輪式移動機(jī)構(gòu)一般具有三輪、四輪式兩種，其中驅(qū)動輪用以驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動，控制移動的速度，有時也用以控制移動方向；轉(zhuǎn)向輪用以控制機(jī)器人移動方向；小腳輪和自由輪：用以支撐機(jī)器人保持平衡，被動地適應(yīng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動的要求。幾種輪式移動機(jī)構(gòu)。三輪機(jī)構(gòu)，四輪移動機(jī)構(gòu)，全轉(zhuǎn)向三輪移動機(jī)構(gòu)，每個輪子都同時用作驅(qū)動和轉(zhuǎn)向輪，能隨時向任意方向做直線運(yùn)動，這時三輪的軸線均與運(yùn)動方向垂直。它也能作任意孤線運(yùn)動，只要三輪軸線均通過弧線的曲率中心點，就可以作就地轉(zhuǎn)動，以及完成這些運(yùn)動的組合。因此，這類機(jī)構(gòu)又稱為全方位移動機(jī)構(gòu)。履帶式移動機(jī)構(gòu)這是類似于履帶坦克及拖拉機(jī)的移動機(jī)構(gòu)，其特點是能在凹凸不平的地面

9、上行走，穩(wěn)定性好，能跨越障礙物，爬越較大斜坡或階梯。但是履帶式移動機(jī)構(gòu)運(yùn)動方向的操縱，由左右履帶的速度差值所控制。因此，轉(zhuǎn)向時必出現(xiàn)滑動，阻力較大，轉(zhuǎn)向半徑及中心準(zhǔn)確度較差。有關(guān)各種特效的履帶移動機(jī)構(gòu)，可參考有關(guān)文獻(xiàn)。步行式移動機(jī)構(gòu)步行式移動機(jī)構(gòu)是指采用了類似人、獸或昆蟲用腳邁步移動的機(jī)構(gòu)，有兩足、四足、六足、八足等移動機(jī)構(gòu)，它們的特點是只需要離散的著地點，能在平地也能在凹凸不平的地面行走；能越過溝、穴等障礙物；能上、下階梯，具有較高的機(jī)動性。然而步行控制復(fù)雜，尤其是對于雙足機(jī)器人，步行的穩(wěn)定性不易控制。除了模仿人的兩足步行機(jī)構(gòu)外，還有模仿獸類的四足步行機(jī)構(gòu)，它有四條腿，通常每條腿有三個自由度

10、。還有模仿昆蟲的六足步行機(jī)構(gòu)，它有六條腿，每條腿通常有三個自由度，共18 個自由度。這些機(jī)構(gòu)能靈活地前進(jìn)、后退、向左或向右以不同半徑轉(zhuǎn)彎以及調(diào)整機(jī)器人離地高度及傾斜角度等。2.2 機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)通常包括驅(qū)動機(jī)、減速及傳遞機(jī)構(gòu)。2.2.1 驅(qū)動機(jī)常用于機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)有液壓、氣壓和電動驅(qū)動機(jī)。液壓驅(qū)動機(jī)的優(yōu)點是能產(chǎn)生非常大的力（如在280x 105 牛頓 / 米工作壓力下，2 厘米直徑液壓缸就能產(chǎn)生8000 牛頓力）。力矩 - 重量比值較高，能以體積小重量輕的驅(qū)動器提供較大的驅(qū)動力，剛度大。缺點是：需液壓動力源設(shè)備，內(nèi)部漏油及油溫影響驅(qū)動特性；管理、維修技術(shù)要求高，一次性投資較高等。目前

11、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用于大型機(jī)器人的驅(qū)動氣壓驅(qū)動機(jī)的優(yōu)點是：成本低，可靠性高，維修管理容易，無污染，不會失火。缺點是：難于準(zhǔn)確控制速度和位置，出力小，有噪聲，易銹蝕等。一般用于控制要求不高、出力要求不大的場合。電動驅(qū)動機(jī)即指電機(jī)，它的優(yōu)點是：便于控制，能實現(xiàn)快速精確的位置和速度控制，信號處理方便，配線容易，比較清潔。缺點是：力矩一重量比值較低，為得到低速大力矩，需使用減速器，并因減速器存在齒隙而引起一些控制問題。常用的電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)三種。其中直流伺服電機(jī)應(yīng)用最廣，這是由于直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性和控制特性好，調(diào)速范圍寬，起動力矩大，效率高等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近年來

12、出現(xiàn)了采用電子換向技術(shù)的直流無刷電機(jī)，避免了機(jī)械換向可能帶來的火花問題。交流伺服電機(jī)的電源提供簡單，但控制相對復(fù)雜。步進(jìn)電機(jī)直接用脈沖數(shù)字信號控制，控制簡單，位置控制準(zhǔn)確。但一般效率較低，長期工作有丟步問題。一般用于小型普及型機(jī)器人。還有一些特殊的驅(qū)動方式，如氣囊驅(qū)動：英國的“shadow計劃研制的雙足步行機(jī)器人的傳動結(jié)構(gòu)就是采用的氣囊肌肉的方式進(jìn)行驅(qū)動。它具有重量輕，輸出力大，柔順性好等優(yōu)點；記憶合金驅(qū)動器（sma ）:功率重量比大，驅(qū)動電壓低, 無噪音，無污染等優(yōu)點；壓電驅(qū)動器：體積小、精度高、響應(yīng)快、輸出力大，可用于微動機(jī)器人。關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有直接驅(qū)動方式和間接驅(qū)動方式兩種。直接驅(qū)動方式

13、是驅(qū)動器的輸出軸和機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連；這種方式的優(yōu)點是驅(qū)動器和關(guān)節(jié)之間的機(jī)械系統(tǒng)較少，因而能夠減少摩擦、間隙等非線性因素的影響，可以做到控制性能比較好。然而，在另一方面，為了直接驅(qū)動手臂的關(guān)節(jié)，驅(qū)動器的輸出力矩必須很大，此外，必須考慮手臂的動力學(xué)問題。間接驅(qū)動方式是把驅(qū)動器的力通過減速器等傳遞給關(guān)節(jié)。大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動。這種間接驅(qū)動，通常其驅(qū)動器的輸出力矩大大小于驅(qū)動關(guān)節(jié)所需要的力矩，所以必須使用減速器。2.2.2 減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)的目的是把電動機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速小力矩的運(yùn)動變換成低轉(zhuǎn)速大力矩的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，或變換成低速驅(qū)動力大的關(guān)節(jié)直線運(yùn)動。描述減速機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)是傳動比，又稱

14、減速比。傳動比與傳動效率定義 2.1 傳動比 i ：輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速之比定義 2.2 傳動效率 7: 輸出功率與輸入功率之比在忽略傳動機(jī)構(gòu)功耗的情況下，輸出轉(zhuǎn)速是輸入轉(zhuǎn)速的1/ i，輸出力矩是輸入力矩的i 倍。常用的減速機(jī)構(gòu)有兩類：旋轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)和平移減速機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)：一般輸入軸由電機(jī)帶動作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，輸出軸作低轉(zhuǎn)速運(yùn)動。主要有齒輪減速機(jī)構(gòu)、蝸輪 -蝸桿減速機(jī)構(gòu)、行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和諧波減速機(jī)構(gòu)等。齒輪減速機(jī)構(gòu)輸入軸與輸出軸可以平行（見圖2.5（a）也可以垂直相交（見圖 2.5（b），轉(zhuǎn)速比即為輸出齒輪的齒數(shù)與輸入齒輪的齒數(shù)之比。一級齒輪減速比較小，且有齒隙。為獲得大減速比，通常需多級。

15、蝸輪- 蝸桿減速機(jī)構(gòu)用于交錯軸間傳遞運(yùn)動與力，軸交角通常為90 度。它有較大的轉(zhuǎn)速比。有自鎖功能（即在外力作用下能自行保持關(guān)節(jié)位置）。但其機(jī)械效率低（v 60% ）,且有齒隙。行星減速機(jī)構(gòu)由太陽輪 s、行星齒輪 p、行星輪支架（即轉(zhuǎn)臂） c 和內(nèi)齒輪 a 組成。太陽輪位于行星減速機(jī)構(gòu)太陽系 中心，是有外齒的中心輪。中心輪是指與行星齒輪相嚙合，且軸線固定的齒輪。行星齒輪在轉(zhuǎn)臂的帶動下圍繞太陽輪做行星運(yùn)動，行星齒輪既有公轉(zhuǎn)，又有自轉(zhuǎn)。內(nèi)齒位位于行星減速機(jī)構(gòu)的最外側(cè)，是具有內(nèi)齒的中心輪。用 z 表示齒數(shù)，表示轉(zhuǎn)速，即zs 表示太陽輪齒數(shù)， za 表示內(nèi)齒輪齒數(shù)。為表示各組件間的運(yùn)動關(guān)系，將傳動比表示

16、為aibc , 其中上標(biāo)a 表示固定件，下標(biāo)b 表示主動件 c 表示從動件太炎；傳動比為正，表示主動件與從動件轉(zhuǎn)向相同，傳動比為負(fù)，表示主動件與從動件轉(zhuǎn)向相反。（1） 轉(zhuǎn)臂固定，太陽輪與輸入軸相連，內(nèi)齒輪與輸出軸相連時太陽輪順時針旋轉(zhuǎn)一周，帶動行星輪逆時針轉(zhuǎn)過 zs 個齒，從而帶動內(nèi)齒輪也轉(zhuǎn)過zs 個齒，即 zs / za 周.當(dāng)轉(zhuǎn)臂不是固定件時, 可采用轉(zhuǎn)臂固定法來計算傳動比。轉(zhuǎn)臂固定法的基本思想是：根據(jù)相對運(yùn)動原理，如果給整個行星機(jī)構(gòu)加上一個與轉(zhuǎn)臂c 的角速度 c 3大小相等、方向相反的公共角速度-3c，則行星機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對運(yùn)動關(guān)系仍然保持不變。（2）內(nèi)齒輪固定，太陽輪與輸入軸相連

17、，轉(zhuǎn)臂與輸出軸相連時.行星減速機(jī)構(gòu)的特點是機(jī)械效率高，具有中等程度的減速比，但有齒隙。諧波減速機(jī)構(gòu)諧波減速機(jī)構(gòu)一般由波形發(fā)生器h、柔輪 a 和剛輪 b 三個基本構(gòu)件組成。波形發(fā)生器 （wave generator ）是橢圓形凸輪。通常將波形發(fā)生器裝在電機(jī)軸上。柔輪（又稱 flex spline ）是由彈性金屬制成具有外齒；剛輪（又稱circular spline ）是有內(nèi)齒的圓形剛體構(gòu)件，內(nèi)齒的大小與柔輪外齒的大小相同，但齒數(shù)多于柔輪外齒。諧波齒輪傳動是在諧波發(fā)生器h 的作用下迫使柔輪a 產(chǎn)生彈性變形，并與剛輪 b 相互嚙合而實現(xiàn)傳遞運(yùn)動或動力的目的。它的主要特征是：在h 的作用下，柔輪 a

18、的各點依次與剛輪嚙合時，柔輪a 各點的徑向位移隨轉(zhuǎn)角的變化為一基本對稱的簡諧波，這也是該機(jī)構(gòu)被稱為諧波減速機(jī)構(gòu)的原因。傳動比可如下計算：剛輪 b 固定，波形發(fā)生器h 與輸入軸相連，柔輪a 與輸出軸相連時。凸輪轉(zhuǎn)一周時，柔輪沿相反方向轉(zhuǎn)過zb-za 個齒，相當(dāng)于（ zb-za ）/za 轉(zhuǎn)。（2）柔輪固定，凸輪與輸入軸相連，剛輪與輸出軸相連時當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)一周時，剛輪沿相同方向轉(zhuǎn)過zb-za 個齒諧波減速機(jī)構(gòu)具有以下特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕體積小，構(gòu)造簡單，減速比大。 （2）傳動比大，且傳動比范圍寬。（3）傳動精度高。 （4）齒面磨損小，且均勻。（5）傳動效率高。（6）間隙（空回量）小，甚

19、至可實現(xiàn)無間隙傳動。運(yùn)動平穩(wěn)，無沖擊。（8）同軸性好。也有一些局限性：（1）傳動比下限值較高。（2）柔輪和波發(fā)生器的制造較復(fù)雜，制造成本較高。（3） 一般不能做成相交軸和交錯軸的傳動機(jī)構(gòu)。平移減速機(jī)構(gòu)：將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為平移運(yùn)動，輸入與高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)軸相連，輸出與滑動關(guān)節(jié)相連。常用的有齒輪齒條機(jī)構(gòu)和滾珠絲杠等。此外，為了減輕各關(guān)節(jié)驅(qū)動器的負(fù)載，解決安裝空間的限制和實現(xiàn)機(jī)器人臂的重力平衡，機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)常常不能直接安裝在關(guān)節(jié)上帶動臂運(yùn)動，而是安裝在適當(dāng)?shù)奈恢茫ㄈ缁┩ㄟ^轉(zhuǎn)遞機(jī)構(gòu)實現(xiàn)力或力矩的傳輸，如可采用鏈條等間接驅(qū)動機(jī)構(gòu)。2.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)2.3.1 機(jī)器人的典型運(yùn)動方式分析機(jī)器人在各類

20、作業(yè)中的運(yùn)動，可以看到兩種基本運(yùn)動形式：點一點ptp（point to point ）運(yùn)動和連續(xù)cp （continual path ）運(yùn)動點- 點的運(yùn)動：機(jī)器人只在某些指定點上進(jìn)行操作。因此只要求在這些點上，操作器應(yīng)有準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)，以保證操作質(zhì)量。對于操作器在各相鄰點間的運(yùn)動（包括路徑和姿態(tài)）不做任何規(guī)定。如進(jìn)行點焊。上料、下料、搬運(yùn)等作業(yè)。連續(xù)的運(yùn)動：指機(jī)器人沿指定軌跡運(yùn)動的同時進(jìn)行連續(xù)操作的運(yùn)動過程。因此，要求機(jī)械手末端的操作器嚴(yán)格按預(yù)定軌跡運(yùn)動，才有可能完成作業(yè)要求。如用于噴漆、弧焊等作業(yè)。顯然，連續(xù)運(yùn)動可以看作是密集的ptp 運(yùn)動的總和, 點和點之間的軌跡可用折線近似。只要預(yù)定點

21、足夠密，就可以用點一點運(yùn)動控制的方法實現(xiàn)所需精度的連續(xù)運(yùn)動。2.3.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)分類控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理與機(jī)器人的功能和精度要求有密切的關(guān)系。機(jī)器人控制系統(tǒng)從基本原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可分為兩類：非伺服型系統(tǒng)和伺服型系統(tǒng)。非伺服型系統(tǒng)包括不采用反饋信號的開環(huán)非伺服型系統(tǒng)和僅采用開關(guān)反饋的非伺服型系統(tǒng)，一些采用步進(jìn)電機(jī)控制的機(jī)器人均屬于這種類型。非伺服型控制系統(tǒng)適用于作業(yè)相對固定，操作程序簡單，運(yùn)動要求不很高的作業(yè)。采用這類控制系統(tǒng)的機(jī)器人，具有價格低廉，操作、安裝和維護(hù)簡單，可靠性較好等特點。伺服型控制系統(tǒng)：主要特點是系統(tǒng)中采用傳感器測量關(guān)節(jié)參數(shù)，如關(guān)節(jié)位置、速度，并反饋到驅(qū)動器構(gòu)成閉環(huán)伺

22、服系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)控制下，能保證機(jī)器人各 關(guān)節(jié)準(zhǔn)確跟蹤給定位置、速度，能根據(jù)要求完成復(fù)雜、靈巧的操作。幾乎所有的多功能、高性能的機(jī)器人，均采用伺服型控制系統(tǒng)近年來出現(xiàn)的各種智能型機(jī)器人控制系統(tǒng)：在伺服型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了環(huán)境檢測，構(gòu)成機(jī)器人總體的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，增加了決策功能，并使系統(tǒng)具有自主性。2.3.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)本節(jié)以工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)為例來介紹機(jī)器人的控制系統(tǒng)。機(jī)器人控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是分層結(jié)構(gòu)的計算機(jī)控制系統(tǒng)。一般的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由伺服控制和協(xié)調(diào)控制層組成。協(xié)調(diào)層由協(xié)調(diào)控制計算機(jī)及其外圍設(shè)備組成，用以接受作業(yè)指令，完成個關(guān)節(jié)運(yùn)動的協(xié)調(diào)計算等功能。伺服控制層由一組伺服系統(tǒng)組成，

23、用以控制機(jī)械系統(tǒng)各關(guān)節(jié)跟隨指定軌跡運(yùn)動。系統(tǒng)工作過程簡述如下：操縱者利用控制計算機(jī)的鍵盤或者示教盒輸入作業(yè)要求，如要求機(jī)械手末端由a 點沿直線運(yùn)動到b 點。協(xié)調(diào)層計算機(jī)接到指令后完成以下工作： （1）分析解釋指令，確定運(yùn)動參數(shù) ;（2）進(jìn)行插值計算 ;（3）進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到相應(yīng)的各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動參數(shù)；（4）將關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)輸出到伺服控制級，作為各伺服系統(tǒng)的給定信號。伺服系統(tǒng)實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的跟蹤運(yùn)動，從而控制機(jī)械系統(tǒng)完成運(yùn)動。協(xié)調(diào)控制計算機(jī)完成從任務(wù)、運(yùn)動指令到關(guān)節(jié)運(yùn)動之間的全部運(yùn)算，這些任務(wù)需要特定的協(xié)調(diào)控制軟件來完成，協(xié)調(diào)控制軟件的功能主要包括：指令的分析解釋；運(yùn)動規(guī)劃；根據(jù)運(yùn)動規(guī)劃和軌跡關(guān)鍵點規(guī)

24、劃出沿軌跡的運(yùn)動參數(shù)，并通過插值計算，得到適當(dāng)密度的中間點；完成坐標(biāo)變換（作業(yè)空間坐標(biāo)與關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)等），得到關(guān)節(jié)的指令參數(shù)。有關(guān)坐標(biāo)變化、運(yùn)動規(guī)劃等內(nèi)容將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)討論。伺服控制系統(tǒng)機(jī)器人的每個關(guān)節(jié)分別由一個伺服系統(tǒng)驅(qū)動。系統(tǒng)的輸入來自協(xié)調(diào)控制級輸出的關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)。系統(tǒng)控制各關(guān)節(jié)機(jī)械運(yùn)動跟蹤輸入值。電伺服控制系統(tǒng)通常由控制器、驅(qū)動器（功放等）、電機(jī)、位置傳感器，速度傳感器及制動器組成。電機(jī)輸出軸通過傳動機(jī)構(gòu)與機(jī)器人的關(guān)節(jié)相聯(lián)。制動器在失電時使關(guān)節(jié)能自行制動，保持靜止?fàn)顟B(tài)。驅(qū)動器及電機(jī)（略）位置速度傳感器位置、速度傳感器用以測量關(guān)節(jié)位置和速度，并用作反饋信號，構(gòu)成具有預(yù)期靜態(tài)和動態(tài)特性的

25、位置（或速度）伺服系統(tǒng)。用于機(jī)器人的位置傳感器有電位計、差動變壓器、光碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器等。其中光碼盤的可靠性、準(zhǔn)確性較高，應(yīng)用最廣?，F(xiàn)將其基本工作原理簡述如下：光碼盤由光源、光敏元件、編碼盤和信號處理電路組成，它的工作原理如圖2.9所示。光碼盤有兩類：絕對式光碼盤和增量式光碼盤（又稱相對碼盤）。其主要差別是所用碼盤編碼格式不同。圖 2.10 （a）是四位絕對式光碼盤，含四道碼環(huán)。其中黑色為不透光部分，白色為透光部分。一個n位絕對碼盤有： n 道碼環(huán)， n 個沿半徑方向、對準(zhǔn)各碼環(huán)分布的光源和光敏器件對. 工作時光線透過碼盤，經(jīng)光敏器件接收，信號處理電路放大整形后輸出與碼盤位置對應(yīng)的二進(jìn)制位置信

26、號。當(dāng)然，碼盤也可以按照其它方式編碼，如格雷碼等。圖2.10 （b）是增量式光碼盤，它含三道碼環(huán)，其中a、b 道的編碼圖形完全相同，但布置上相差半個窄縫。主要用以測量位置的變化及方向。c 道只有一個窄縫，用以校準(zhǔn)初始位。有三個沿半徑對準(zhǔn)各碼環(huán)分布的光源、光敏器件對。當(dāng)位置變化時，光線透過碼盤的情況也改變，經(jīng)接收放大后輸出測量信號。在等速運(yùn)動時對應(yīng)碼道a、b 的測量信號是等寬脈沖信號，脈沖的頻率反映位移的速率，脈沖數(shù)反映位置變化的增量值，而波形相位的領(lǐng)先或落后反映位移方向是正向或反向。以長春第一光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的增量碼盤產(chǎn)品lbj-007-500 為，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為500,經(jīng)過四細(xì)分電路，可得200

27、0 脈沖 /轉(zhuǎn)，角度分辨率可達(dá)：0.18deg ; 輸出方式為長線驅(qū)動，電源電壓：5 0.25v 。尺寸： $ 38*40mm ，重量： 100g。制動器：一般由電磁鐵、摩擦盤等組成，工作時電磁鐵線圈通電，街鐵吸合，并與固定在電機(jī)軸上的摩擦盤脫開，這時軸可自由轉(zhuǎn)動. 當(dāng)失電時，銜鐵在彈簧作用下打開，并緊壓在摩擦盤上，產(chǎn)生足夠大的摩擦力制動。制動器結(jié)構(gòu)多種多樣的，目前一些電機(jī)產(chǎn)品本身即帶有制動器?？刂破骺刂破鞯幕静考潜容^器、誤差放大器和補(bǔ)償器。輸入信號除參考輸入外，還有各種反饋信號及前饋信號，構(gòu)成具有位置、速度反饋和前饋補(bǔ)償?shù)乃欧到y(tǒng)控制器可以采用模擬器件，也可以采用數(shù)字器件（如微處理器）。

28、目前大多采用微處理器與必要的模擬器件的組合構(gòu)成伺服控制器，控制參數(shù)由軟件設(shè)定，便于實現(xiàn)各種控制算法，獲得高的性能指標(biāo)。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)要求伺服系統(tǒng)是把指令變?yōu)楝F(xiàn)實運(yùn)動的關(guān)鍵設(shè)備。它的品質(zhì)直接影響機(jī)器人的 性能。作為機(jī)器人用伺服系統(tǒng)的要求，可表示為靜態(tài)特性，動態(tài)特性及抗擾性等三個方面。靜態(tài)性能：要求系統(tǒng)靜態(tài)位置誤差小，以保證機(jī)器人的重復(fù)定位精度。要求調(diào)速范圍大，速度誤差小，以保證機(jī)器人各種運(yùn)動速度對精度的要求。動態(tài)性能：要求系統(tǒng)快速、平穩(wěn)、無超調(diào)，以保證機(jī)器人動態(tài)跟蹤精度，防止碰撞。抗擾性能：要求系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗于擾能力及魯棒性能。由于機(jī)器人作業(yè)內(nèi)容的多樣性和復(fù)雜性，以及機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的特點，

29、使伺服系統(tǒng)的參數(shù)和負(fù)載力矩在作業(yè)過程中有快速、大幅度的變化，并且各伺服系統(tǒng)間有相互影響，要求系統(tǒng)在此情況下保持穩(wěn)定。2.3.4 機(jī)器人控制系統(tǒng)實例1. puma 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)puma 機(jī)器人的控制系統(tǒng)可分為協(xié)調(diào)控制級和伺服控制級。協(xié)調(diào)控制級包括由 lsi-11 處理器為 cpu 的控制計算機(jī)及其外圍設(shè)備組成?？刂茩C(jī)采用val 機(jī)器人語言完成編程工作，并進(jìn)行協(xié)調(diào)控制計算（包括運(yùn)動的規(guī)劃、插值和坐標(biāo)變換等）。最后每28ms 輸出六個伺服系統(tǒng)的給定位置信號。伺服控制級包括六套伺服系統(tǒng)，各系統(tǒng)的輸入是協(xié)調(diào)層輸出的給定關(guān)節(jié)位置信號qd ,輸出為關(guān)節(jié)實際位置。系統(tǒng)選用直流伺服電機(jī)、增量式光碼盤分別

30、作為系統(tǒng)的驅(qū)動和測量元件，由速度放大器、晶體管脈沖調(diào)寬功率放。大器和脈沖頻率、電壓變換器構(gòu)成速度反饋回路。由微處理器6503 四 p 構(gòu)成位置反饋環(huán)，其功能是每28ms 接收伺服控制計算機(jī)給定的位置信號，并完成間隔為0.875ms 的插值計算。伺服控制回路的控制周期為0.875ms, 即每 0.875ms 讀入關(guān)節(jié)實際位置，與所得插值比較，將誤差信號放大經(jīng)dac 輸出并傳遞到驅(qū)動關(guān)節(jié)的模擬伺服板。2. 仿人機(jī)器人 p2/p3/asimo的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能分布控帶 i 器：a control computer with 4 microprocessors（micro sparc n ） 操作系

31、統(tǒng)：vxworks 對于仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng)而言，伺服控制級和協(xié)調(diào)控制級構(gòu)成了運(yùn)動控制子系統(tǒng)，為使系統(tǒng)具有靈活的移動能力，不僅需要各關(guān)節(jié)狀態(tài)的局部反饋，還需要又反映整體運(yùn)動狀態(tài)的身體姿態(tài)、腳底受到的力、力矩等傳感信息，并在此基礎(chǔ)上增強(qiáng)對環(huán)境的感知能力（如視覺等），以這些信息為基礎(chǔ)，進(jìn)行決策。2.4 rm-501 機(jī)器人控制系統(tǒng)rm-501 機(jī)器人是日本三菱電氣株式會社生產(chǎn)的輕型關(guān)節(jié)式5 自由度機(jī)器人，由直流電機(jī)驅(qū)動。圖 2.13 仿人機(jī)器人 p2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（ p3/asimo 的控制系結(jié)構(gòu)與之類似）圖 2.14 rm-501 機(jī)械結(jié)構(gòu)2.4.1. 性能及參數(shù)（1）主要技術(shù)指標(biāo)運(yùn)動范圍 ：腰

32、旋轉(zhuǎn) 300 。肩部旋轉(zhuǎn) 130肘部旋轉(zhuǎn) 90腕部俯仰均 0。腕部旋轉(zhuǎn)土180 允許抓重：1.2kg （包括手重）（腕端面速度為100mm/s 時）最大合成速度： 400mm/s （指腕端面）位置重復(fù)精度： 0.5mm （小于絕對誤差）驅(qū)動裝置：直流伺服電機(jī)主體重： 27kg 圖 2.15 rm-501機(jī)器人運(yùn)動范圍（2）控制系統(tǒng)組成及性能速度設(shè)定 : 0? 9 級位置設(shè)定點數(shù)629存儲器 ：rom: 32k 系統(tǒng),8k 用戶 ；ram:32k 外部 i/o: 8in/8out 2.4.2. 驅(qū)動單元的硬件結(jié)構(gòu)驅(qū)動單元是單cpu 結(jié)構(gòu)，包括：電源板、cpu 板、伺服控制板、輸入/輸出接口板。電

33、源板將交流220v 電壓轉(zhuǎn)換稱 24v、 5v、 12v 等直流電壓，供控制電路及伺服電機(jī)使用；cpu 板用 z80cpu, 主頻 4mhz ，用 eprom 存儲系統(tǒng)程序，并有 ram o此板是整個驅(qū)動單元的核心。伺服控制板控制電機(jī)轉(zhuǎn)動；輸入輸出接口板可使驅(qū)動單元與示教盒、上位機(jī)及其它外圍信號相連。這里僅對伺服控制和輸入輸出接口加以說明。（1）伺服控制驅(qū)動單元對伺服電機(jī)控制的基本原理（見圖 2.17 ） o cpu 發(fā)出的是脈沖序列，每一個脈沖使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一個相應(yīng)的角度（稱脈沖當(dāng)量角）。cpu 在發(fā)表示轉(zhuǎn)角增量的脈沖序列的同時，給出增量的方向?？刂七壿嫺鶕?jù)轉(zhuǎn)向要求，將脈沖送到計數(shù)器的加端（或

34、減端）。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動由增量式光碼盤檢測，轉(zhuǎn)換邏輯將碼盤的信號轉(zhuǎn)換成表示轉(zhuǎn)過角度的脈沖信號和轉(zhuǎn)向信號，控制邏輯根據(jù)并按轉(zhuǎn)向，將轉(zhuǎn)角反饋脈沖送到計數(shù)器的減端（或加端）。這樣，12bit 加/ 減計數(shù)器的值就相當(dāng)于電機(jī)轉(zhuǎn)動給定值與反饋值之差。計數(shù)器的輸出經(jīng)變補(bǔ)器和d/a 變換等環(huán)節(jié)（高位放大器相當(dāng)于非線性的d/a 變換），在 d 端產(chǎn)生電壓，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，直到計數(shù)器的值小到不能使電機(jī)再轉(zhuǎn)為止。由于計數(shù)器的輸出為補(bǔ)碼，而下面的d/a 和高位放大器接受的只能是原碼，因此計數(shù)器的輸出需要變補(bǔ)。計數(shù)器中值的正負(fù)通過q11 反映出來的，用它來產(chǎn)生電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制信號pr 和 nr o pr 和 nr 用于控制

35、施加到電機(jī)電樞上的電壓極性：誤差為正時： pr=1,nr=0 ; 誤差為負(fù)時： pr=0,nr=1 ; 越限時： pr=0 , nr=0 。伺服電機(jī)的驅(qū)動電路通過三極管切換電機(jī)兩端的電壓來實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的：當(dāng)計數(shù)器的值為正時：pr=1 , nr=0 o此時 t1 截止， t2 飽和， t3 截止， t4 飽和。 m1 點電位隨控制電路輸出端d 的電位變化， m2 接近地電位，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)計數(shù)器的值為負(fù)時：pr=0 , nr=1 ot1 飽和， t2 截止， t3 飽和， t4 截止。 m2 點電位隨 d 的電位變化， m1 接近地電位，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)計數(shù)器的絕對值過大時：pr=0 , nr=0

36、（可能是 cpu 發(fā)的脈沖頻率過高, 要求電機(jī)轉(zhuǎn)的速度過快，或是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動部分有故障，造成給定與反饋誤差過大),t1 和 t2 都截止，電機(jī)兩端電位差接近零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。末端夾持器的控制力的大小可控 ：控制口87h 的 d0? d2手爪狀態(tài)可控 ：控制口85h 的 d0、d1。d1d0=00 打開； d1d0=10 夾；d1d0=x 1 松弛(2)輸入部 !出板rm-501 驅(qū)動單元與計算機(jī)的接口(a) centronics 標(biāo)準(zhǔn)并行口加上并行接口電路后，可用標(biāo)準(zhǔn)電纜將其與主計算機(jī)的打印口相連。主計算機(jī)可使用高級語言的打印語句，將命令或數(shù)據(jù)傳給驅(qū)動單元。(b) rs-232 標(biāo)準(zhǔn)串行口i/o 口

37、8255 并行接口芯片 +光隔eprom 寫入器接口2.4.3. 示教盒示教再現(xiàn)是工業(yè)機(jī)器人的基本功能之一，示教再現(xiàn)即先用示教盒控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動，并記錄機(jī)器人在完成一個作業(yè)的動作序列( 點)，需要時讓機(jī)器人將這一動作序列復(fù)現(xiàn)出來。2.4.4. rm-501 機(jī)器人的控制模式及控制命令除了用示教盒控制機(jī)器人的運(yùn)動外，rm-501 機(jī)器人有四種控制模式：試驗?zāi)Ｊ健?pc 模式、編輯模式和rom 模式，其中最常用的是pc 模式，這種模式用上級計算機(jī)作為監(jiān)控機(jī)，向驅(qū)動單元發(fā)送操作命令，發(fā)送一條，執(zhí)行一條，此時，示教盒上的切換開關(guān)應(yīng)置于 ” off 犬態(tài)。rm-501 機(jī)器人的驅(qū)動單元提供了38 條

38、智能操作命令，其中動作命令16 條，i/o 命令 6 條，程序控制命令16 條。其中最常用的有：nt 一機(jī)械復(fù)位rs 一當(dāng)命令傳送或執(zhí)行有錯時，錯誤指示燈亮，不能繼續(xù)工序，執(zhí)行rs 命 令后可以消除錯誤狀態(tài)nw 一清除驅(qū)動單元ram 中的所有數(shù)據(jù)ps a0 , a1 , a2 , a3, a4 , a5 , a6 一位置設(shè)定命令，其中a0 是設(shè)定的位置編號，a1 , a2 , a3 , a4, a5 分別是五個關(guān)節(jié)從運(yùn)動原點到所設(shè)定的位置需走過的步數(shù)， a6 始終為零。前面已經(jīng)指出，發(fā)給伺服電機(jī)的是脈沖序列，每發(fā)一個脈沖轉(zhuǎn)一個脈沖當(dāng)量角，a1 , a2 , a3 , a4 , a5即為個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)

39、角相對應(yīng)的脈沖數(shù)。值得注意的是，手腕運(yùn)動與a4+a5 及 a4 - a5 有關(guān)， a4+a5 對應(yīng)腕俯仰， a4 - a5 對 應(yīng)腕旋轉(zhuǎn)。初始位置在機(jī)械原點，或是執(zhí)行了nt 命令后， a1 a5 的參數(shù)范圍如表2.3所示。sp a 設(shè)定運(yùn)動速度等級，0 a9, a=0 時速度最低， a=9 時速度最高。mi a1 , a2 , a3 , a4 , a5 , a6 相對運(yùn)動命令，各關(guān)節(jié)分別運(yùn)動由a1? a5 確定的步數(shù)， a1? a6 的意義與 ps 命令相同。mo a 一使機(jī)器人運(yùn)動到a 號位置。表 2.3 參數(shù)范圍關(guān)節(jié)參數(shù)范圍角度當(dāng)量腰 1200g a1 0 0.025 每步肩 一 5200 a2 0 0.025 每步肘 0 a3 3600 0.025 每步腕（俯仰） 0 a4a5 4800 0.075 每步腕（旋轉(zhuǎn) ）-9600 a4+a5 9600 0.075 每步2.4.5 rm-501 控制軟件（1） rm-501 軟件結(jié)構(gòu)驅(qū)動單元的監(jiān)控程序固化在eprom （2732*