工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用課件：工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)3.1工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)概述3.2工業(yè)機(jī)器人控制策略概述3.3工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)3.4工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計思考題

【重點(diǎn)掌握】

★工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本組成

★工業(yè)機(jī)器人的位置控制

★工業(yè)機(jī)器人的示教-再現(xiàn)控制方式

★工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動器

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)類似于人類的大腦，是工業(yè)機(jī)器人的指揮中樞，支配著機(jī)器人按規(guī)定的程序運(yùn)動，并記憶人們給予的指令信息(如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度等)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出執(zhí)行指令。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序以及動作時間等事項(xiàng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)架構(gòu)

對于復(fù)雜的控制項(xiàng)目，工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)具有以下特性：

(1)工業(yè)機(jī)器人的控制與其機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和系統(tǒng)動力學(xué)存在著密不可分的關(guān)系，因而要使工業(yè)機(jī)器人的臂、腕及末端執(zhí)行器等部位在空間具有準(zhǔn)確無誤的位姿，就必須在不同的坐標(biāo)系中描述它們，并且隨著基準(zhǔn)坐標(biāo)系的不同能做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，同時要經(jīng)常求解運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題。

(2)描述工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型，會隨著工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動及環(huán)境的變化而改變。又因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人往往具有多個自由度，所以引起其運(yùn)動變化的變量不止一個，而且各個變量之間通常都存在耦合問題。這就使得工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)不僅是一個非線性系統(tǒng)，而且是一個多變量系統(tǒng)。

(3)對工業(yè)機(jī)器人臂、腕及末端執(zhí)行器等部位的任一位姿都可以通過不同的方式和路徑達(dá)到，因而工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)還必須解決優(yōu)化求解的問題。

3.1工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)概述

3.1.1工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理機(jī)器人控制系統(tǒng)可以分成四部分：機(jī)器人及其感知器、環(huán)境、任務(wù)、控制器。

機(jī)器人是由各種機(jī)構(gòu)組成的裝置，它通過感知器實(shí)現(xiàn)本體和環(huán)境狀態(tài)的檢測及信息互換，也是控制的最終目標(biāo)；環(huán)境是指機(jī)器人所處的周圍環(huán)境，包括幾何條件、相對位置等，如工件的形狀、位置、障礙物、焊接的幾何偏差等；任務(wù)是指機(jī)器人要完成的操作，它要適當(dāng)?shù)某绦蛘Z言來描述，并把它們存入控制器中，隨著系統(tǒng)的不同，任務(wù)的輸入可能是程序方式、文字、圖形或聲音方式等；控制器包括軟件和硬件兩大部分，相當(dāng)于人的大腦，它是以計算機(jī)或者專用控制器運(yùn)行程序的方式來完成給定任務(wù)的。

而為使工業(yè)機(jī)器人能夠按照要求完成特定的作業(yè)任務(wù)，其控制系統(tǒng)需完成以下四個過程。

(1)示教過程：通過工業(yè)機(jī)器人計算機(jī)系統(tǒng)可以接受的方式，告訴工業(yè)機(jī)器人去做什么，給工業(yè)機(jī)器人下達(dá)作業(yè)命令。

(2)計算與控制過程：負(fù)責(zé)工業(yè)機(jī)器人整個系統(tǒng)的管理、信息的獲取與處理、控制策略的定制以及作業(yè)軌跡的規(guī)劃。這是工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部分。

(3)伺服驅(qū)動過程：根據(jù)不同的控制算法，將工業(yè)機(jī)器人的控制策略轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信號、驅(qū)動伺服電機(jī)等部分，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的高速、高精度運(yùn)動，以便完成指定的作業(yè)。

(4)傳感與檢測過程：通過傳感器的反饋，保證工業(yè)機(jī)器人正確地完成指定作業(yè)，同時也將各種姿態(tài)信息反饋到工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，以便實(shí)時監(jiān)控機(jī)器人整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

要想工業(yè)機(jī)器人能夠順暢完成以上控制過程，對工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)就會提出一些具體要求，即要求其具備一定的基本功能。

(1)記憶功能。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠存儲作業(yè)順序、運(yùn)動路徑、運(yùn)動方式、運(yùn)動速度和生產(chǎn)工藝相關(guān)的信息。

(2)示教功能。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠離線編程、在線示教、間接示教。其中，在線示教應(yīng)當(dāng)包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。

(3)與外圍設(shè)備聯(lián)系功能。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。

(4)坐標(biāo)設(shè)置功能。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有關(guān)節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。

(5)人機(jī)接口功能。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有示教盒、操作面板和顯示屏。

(6)傳感器接口功能。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有位置檢測、視覺、觸覺、力覺等功能。

(7)位置伺服功能。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有多軸聯(lián)動、運(yùn)動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

(8)故障診斷安全保護(hù)功能。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有運(yùn)行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障的自診斷功能。

3.1.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本組成

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本組成如圖3-2所示。

圖3-2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本組成

各部分的功能與作用介紹如下：

(1)控制計算機(jī)。它是工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)，一般為微型機(jī)、微處理器(有32位、64位)等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。

(2)示教器。它主要用來示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機(jī)交互操作擁有自己獨(dú)立的CPU以及存儲單元，與主計算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)信息交換。

(3)操作面板。它由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本的功能操作。

(4)磁盤存儲。它是用來存儲機(jī)器人工作程序的外圍存儲器。

(5)數(shù)字和模擬量輸入/?輸出。它主要用于各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。

(6)打印機(jī)接口。它主要用來記錄需要輸出的各種信息。

(7)傳感器接口。它主要用于信息的自動檢測，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。

(8)軸控制器。它主要用來完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。

(9)輔助設(shè)備控制。它主要用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。

(10)通信接口。它主要用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。

(11)網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)絡(luò)接口可分成兩種：一為Ethernet接口，可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)臺或單臺機(jī)器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10?Mbit/s，可直接在PC上用Windows庫函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個機(jī)器人控制器中；二為Fieldbus接口，它支持多種流行的現(xiàn)場總線規(guī)格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

而工業(yè)機(jī)器人本體控制系統(tǒng)的基本單元又包括電動機(jī)、減速器、驅(qū)動電路、運(yùn)動特性檢測傳感器、控制系統(tǒng)的硬件和軟件。

(1)電動機(jī)。作為驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動的驅(qū)動力，常見的有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動、交流伺服電動機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。隨著驅(qū)動電路元件的性能提高，當(dāng)前應(yīng)用最多的是直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和交流伺服電動機(jī)驅(qū)動。

(2)減速器。減速器是為了增加驅(qū)動力矩，降低運(yùn)動速度。目前，機(jī)器人常采用的減速器有RV減速器和諧波減速器。

(3)驅(qū)動電路。由于直流伺服電動機(jī)或交流伺服電動機(jī)的流經(jīng)電流比較大，一般為幾安培到幾十安培，機(jī)器人電動機(jī)的驅(qū)動需要使用大功率的驅(qū)動電路，為了實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)運(yùn)動性能的控制，機(jī)器人常采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式進(jìn)行驅(qū)動。

(4)運(yùn)動特性檢測傳感器。機(jī)器人運(yùn)動特性傳感器用于檢測機(jī)器人運(yùn)動的位置、速度、加速度等參數(shù)，常見的傳感器將在本書的第四章討論。

(5)控制系統(tǒng)的硬件。機(jī)器人控制系統(tǒng)是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的，其硬件系統(tǒng)采用二級結(jié)構(gòu)，第一級為協(xié)調(diào)級，第二級為執(zhí)行級。協(xié)調(diào)級實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動、機(jī)器人和外界環(huán)境的信息交換等功能；能執(zhí)行實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的伺服控制，獲得機(jī)器人內(nèi)部的運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)等功能。

(6)控制系統(tǒng)的軟件。機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動特性的計算、機(jī)器人的智能控制和機(jī)器人與人的信息交換等功能。

3.1.3工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)以機(jī)器人的單軸或多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動為控制目的，其控制結(jié)構(gòu)要比一般自動機(jī)械的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多。與一般伺服控制系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)相比，工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)一個簡單的機(jī)器人也至少有3～5個自由度，比較復(fù)雜的機(jī)器人有十幾個，甚至有幾十個自由度。每個自由度一般包含一個伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。

(2)傳統(tǒng)的自動機(jī)械以自身的動作為控制重點(diǎn)，而工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)更看重機(jī)器人本身與操作對象的相互關(guān)系。例如，無論以多高的精度去控制機(jī)器人手臂，機(jī)器人手臂都首先要保證能夠穩(wěn)定夾持物體并順暢操作該物體到達(dá)目的位置。

(3)工業(yè)機(jī)器人的狀態(tài)和運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型，因此，控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個非線性系統(tǒng)，僅僅用位置閉環(huán)是不夠的，還要利用速度閉環(huán)，甚至加速度閉環(huán)。例如，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、所用傳動件、驅(qū)動件等都會引起系統(tǒng)的非線性。

(4)工業(yè)機(jī)器人通常是由多關(guān)節(jié)組成的一種結(jié)構(gòu)體系，其控制系統(tǒng)因而也是一個多變量的控制系統(tǒng)。機(jī)器人各關(guān)節(jié)間具有耦合作用，具體表現(xiàn)為：某一個關(guān)節(jié)的運(yùn)動會對其他關(guān)節(jié)產(chǎn)生動力效應(yīng)，即每一個關(guān)節(jié)都會受到其他關(guān)節(jié)運(yùn)動所產(chǎn)生擾動的影響。

(5)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個時變系統(tǒng)，其動力學(xué)參數(shù)會隨著機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動位置的變化而變化。

3.2工業(yè)機(jī)器人控制策略概述

3.2.1工業(yè)機(jī)器人控制策略簡介1954年，美國學(xué)者G.C.Dovel提出關(guān)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動化的示教-再現(xiàn)(teaching-playback)的概念，為工業(yè)機(jī)器人的誕生奠定了基礎(chǔ)。1961年和1962年，美國Unimation公司和AMF公司將這個概念變成了現(xiàn)實(shí)，分別制作了世界上第一代工業(yè)機(jī)器人。

1.變結(jié)構(gòu)控制

20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)學(xué)者Emelvanov提出了變結(jié)構(gòu)控制的構(gòu)想。20世紀(jì)70年代以來，變結(jié)構(gòu)控制的構(gòu)想經(jīng)過Utkin、Itkis及其他學(xué)者的傳播和研究，歷經(jīng)40多年的發(fā)展與完善已在國際范圍內(nèi)得到廣泛重視，形成了一門相對獨(dú)立的控制研究分支。

變結(jié)構(gòu)控制方法對于系統(tǒng)參數(shù)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(shù)學(xué)模型，只要知道它們的變化范圍，就能對系統(tǒng)進(jìn)行精確的軌跡跟蹤控制。變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計過程本身就是一種解耦過程，因此在多輸入、多輸出系統(tǒng)中，多個控制器的設(shè)計可按各自的獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行，其參數(shù)選擇也不是十分嚴(yán)格。

2.自適應(yīng)控制

20世紀(jì)40年代末，學(xué)者們開始研究與討論控制器參數(shù)的自動調(diào)節(jié)問題，人們用自適應(yīng)控制來描述控制器對過程的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)的調(diào)節(jié)能力。自適應(yīng)控制的方法就是在運(yùn)行過程中不斷測量受控對象的特性，并根據(jù)測得的特征信息使控制系統(tǒng)按最新的特性實(shí)現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制。從根本上看，自適應(yīng)控制能認(rèn)識環(huán)境的變化，并能自動改變控制器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，自動調(diào)整控制作用，以保證系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制品質(zhì)。

自適應(yīng)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(fù)雜的反饋控制，即實(shí)時性要求十分嚴(yán)格，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。特別是當(dāng)系統(tǒng)存在非參數(shù)不確定性時，自適應(yīng)控制難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。即使對于線性定常的控制對象，其自適應(yīng)控制也是非線性時變反饋控制的。

3.魯棒控制

魯棒控制(RobustControl)的研究始于20世紀(jì)50年代。1981年，Zames發(fā)表的著名論文可以看成是現(xiàn)代魯棒控制特別是H∞?控制的先驅(qū)。H∞?控制理論是20世紀(jì)80年代開始興起的一門新的現(xiàn)代控制理論，是為了改變近代控制理論過于數(shù)學(xué)化的傾向以適應(yīng)工程實(shí)際的需要而誕生的，其設(shè)計思想的真髓是對系統(tǒng)的頻域特性進(jìn)行整形(Loopshaping)，而這種通過調(diào)整系統(tǒng)頻率域特性來獲得預(yù)期特性的方法，正是工程技術(shù)人員所熟悉的技術(shù)手段，也是經(jīng)典控制理論的根本。在該篇論文里，Zames首次用明確的數(shù)學(xué)術(shù)語描述了H∞優(yōu)化控制理論，他提出用傳遞函數(shù)陣的H∞?范數(shù)來記述優(yōu)化指標(biāo)。

4.智能控制

1977年，學(xué)者薩里迪斯首次提出了分層階的智能控制結(jié)構(gòu)。整個控制結(jié)構(gòu)由上往下分為組織級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級三個層級。其控制程度由下往上逐級遞減，而智能程度則由下往上逐級增加。根據(jù)機(jī)器人的任務(wù)分解，在面向設(shè)備的基礎(chǔ)級(即執(zhí)行級)上可以采用常規(guī)的自動控制技術(shù)，如PID控制、前饋控制等。在協(xié)調(diào)級和組織級，因存在著不確定性，控制模型方法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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制或集成智能控制。

5.模糊控制

模糊邏輯控制(FuzzyLogicControl)簡稱模糊控制(FuzzyControl)，它是一種以模糊制集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。1965年，美國控制論學(xué)者L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論；1973年，他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)定理。1974年，學(xué)者E.H.Mamdani首次根據(jù)模糊控制語句組成模糊控制器，并將它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，獲得了成功。這一開拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。

一般說來，模糊控制器主要包括四部分：

(1)模糊化。其主要作用是選定模糊控制器的輸入量，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識別的模糊量，具體又包含以下三步：第一，對輸入量進(jìn)行滿足模糊控制需求的處理；第二，對輸入量進(jìn)行尺度變換；第三，確定各輸入量的模糊語言取值和相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。

(2)規(guī)則庫。根據(jù)人類專家的經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則庫。模糊規(guī)則庫包含眾多的控制規(guī)則，這是從實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)過渡到模糊控制器的關(guān)鍵步驟。

(3)模糊推理。其主要作用是實(shí)現(xiàn)基于知識的推理決策。

(4)解模糊。其主要作用是將推理得到的控制量轉(zhuǎn)化為控制輸出。實(shí)際上，“模糊”是人類感知萬物，獲取知識，進(jìn)行思維推理、決策實(shí)施的重要特征?！澳：北取扒逦睋碛械男畔⒘扛?，內(nèi)涵更豐富，更符合客觀世界。

6.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是指在控制系統(tǒng)中，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對難以精確建模的復(fù)雜非線性對象進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型辨識，或作為控制器，或進(jìn)行優(yōu)化計算，或進(jìn)行推理處置，或進(jìn)行故障診斷，或同時兼有上述多種功能。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制由于具有上述優(yōu)點(diǎn)而越來越受到人們的重視。常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)包括：

(1)參數(shù)估計自適應(yīng)控制系統(tǒng)；

(2)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)；

(3)預(yù)測控制系統(tǒng)；

(4)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)；

(5)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。

需要指出的是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制存在自學(xué)習(xí)的問題，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，原來的映射關(guān)系不再適用，需要重新訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制目前還沒有一個比較系統(tǒng)的方法來確定網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)和每層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，仍然需要依靠經(jīng)驗(yàn)和試湊方式來解決。

3.2.2工業(yè)機(jī)器人控制方式簡介

根據(jù)分類方法的不同，工業(yè)機(jī)器人的控制方式也有所不同。從總體上看，工業(yè)機(jī)器人的控制方式可以分為動作控制方式和示教控制方式。但若按被控對象來分，則工業(yè)機(jī)器人的控制方式通常分為位置控制、速度控制、力矩控制、力和位置混合控制等。工業(yè)機(jī)器人控制方式如圖3-3所示。圖3-3工業(yè)機(jī)器人控制方式

3.2.3工業(yè)機(jī)器人的位置控制方式

工業(yè)機(jī)器人的位置控制方式可分為點(diǎn)位(PointToPoint，PTP)控制和連續(xù)軌跡(ContinuousPath，CP)控制兩種方式，如圖3-4所示。其目的是使機(jī)器人各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃的運(yùn)動，保證工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器能夠沿預(yù)定的軌跡可靠運(yùn)動。

圖3-4工業(yè)機(jī)器人的點(diǎn)位控制與連續(xù)軌跡控制方式(a)?PTP控制方式(b)?CP控制方式

3.2.4工業(yè)機(jī)器人的速度控制

工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行位置控制的同時，有時候還需要進(jìn)行速度控制，使機(jī)器人按照給定的指令，控制運(yùn)動部件的速度，實(shí)現(xiàn)加速、減速等一系列轉(zhuǎn)換，以滿足運(yùn)動平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確等要求。這就如同人的抓舉過程，要經(jīng)歷寬拉、高抓、支撐、抓舉等一系列動作一樣，不可一蹴而就，從而以最精簡省力的方式，將目標(biāo)物平穩(wěn)、快速地托舉至指定位置。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，機(jī)器人的行程要遵循一定的速度變化曲線。圖3-5所示為機(jī)器人行程的速度-時間曲線。圖3-5機(jī)器人行程的速度-時間曲線

3.2.5工業(yè)機(jī)器人的力(力矩)控制方式

對于從事噴涂、點(diǎn)焊、搬運(yùn)等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，一般只要求其末端執(zhí)行器(焊槍、手爪等)沿某一預(yù)定軌跡運(yùn)動。運(yùn)動過程中，機(jī)器人的末端執(zhí)行器始終不與外界任何物體相接觸，這時只需對機(jī)器人進(jìn)行位置控制即可完成預(yù)定作業(yè)任務(wù)。而對那些應(yīng)用于裝配、加工、拋光、抓取物體等作業(yè)的機(jī)器人來說，工作過程中要求其手與作業(yè)對象接觸，并保持一定的壓力。

1.以位移控制為基礎(chǔ)的力控制系統(tǒng)

以位移控制為基礎(chǔ)的力控制方式，是在位置閉環(huán)之外再加上一個力的閉環(huán)。在這種控制方式中，力傳感器檢測輸出力，并與設(shè)定的力目標(biāo)值進(jìn)行比較，力值的誤差經(jīng)過力/位移變化環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成目標(biāo)位移，參與位移控制。這種控制方式構(gòu)成的控制系統(tǒng)框圖如圖3-6所示。圖3-6以位移控制為基礎(chǔ)的力控制系統(tǒng)框圖

2.以廣義力控制為基礎(chǔ)的力控制系統(tǒng)

以廣義力控制為基礎(chǔ)的力控制方式是在力閉環(huán)的基礎(chǔ)上再加上位置閉環(huán)。通過傳感器檢測機(jī)器人手部的位移，經(jīng)過位移/力變化環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為入力，再與力的設(shè)定值合成之后作為力控制的給定量。這種控制方式的特點(diǎn)在于可以避免小的位移變化引起過大的力變化，對機(jī)器人手部具有保護(hù)作用。

3.以位控為基礎(chǔ)的力/位混合控制系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人在從事裝配、拋光、輪廓跟蹤等作業(yè)時，要求其末端執(zhí)行器與工件之間建立并保持接觸。為了成功進(jìn)行這些作業(yè)，必須使機(jī)器人具備同時控制其末端執(zhí)行器和接觸力的能力。目前，正在使用的大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人基本上都是一種剛性的位置伺服機(jī)構(gòu)，具有很高的位置跟蹤精度，但它們一般都不具備力控制能力，缺乏對外部作用力的柔順性，這一點(diǎn)極大限制了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。

3.2.6工業(yè)機(jī)器人的示教-再現(xiàn)控制方式

示教-再現(xiàn)(Teaching-Playback)控制是工業(yè)機(jī)器人的一種主流控制方式。為了讓工業(yè)機(jī)器人完成某種作業(yè)，首先由操作者對機(jī)器人進(jìn)行示教，即教機(jī)器人如何去做。在示教過程中，機(jī)器人將作業(yè)時的運(yùn)動順序、位置、速度等信息存儲起來，在執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)時，機(jī)器人可以根據(jù)這些存儲的信息再現(xiàn)示教的動作。

1.直接示教

該示教方式是操作者使用安裝在工業(yè)機(jī)器人手臂末端的操作桿(Joystick)，按給定運(yùn)動順序示教動作內(nèi)容，機(jī)器人自動把作業(yè)時的運(yùn)動順序、位置和時間等數(shù)值記錄在存儲器中，生產(chǎn)時再依次讀出存儲的信息，重復(fù)示教的動作過程。采用這種方法通常只能對位量和作業(yè)指令進(jìn)行示教，而運(yùn)動速度需要通過其他方法來確定。

2.間接示教

該示教方式是采用示教器進(jìn)行示教。操作者先通過示教器上的按鍵操縱完成空間作業(yè)軌跡點(diǎn)及有關(guān)速度等信息的示教，然后通過操作盤用機(jī)器人語言進(jìn)行用戶工作程序的編輯，并存儲在示教數(shù)據(jù)區(qū)。再現(xiàn)時，控制系統(tǒng)自動逐條取出示教命令與位置數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀、運(yùn)算并作出判斷，將各種控制信號送到相應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)或端口，使機(jī)器人忠實(shí)地再現(xiàn)示教動作。

3.3工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)

3.3.1集中式控制系統(tǒng)集中式控制系統(tǒng)(CentralizedControlSystem，CS)是利用一臺微型計算機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的全部控制功能，在早期的工業(yè)機(jī)器人中常采用這種控制系統(tǒng)架構(gòu)。在基于PC的集中式控制系統(tǒng)里，充分利用了PC資源開放性的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很好的開放性，即多種控制卡、傳感器設(shè)備等都可以通過標(biāo)準(zhǔn)PCI插槽或通過標(biāo)準(zhǔn)串口、并口集成到控制系統(tǒng)中，使用起來十分方便。多關(guān)節(jié)機(jī)器人集中式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示。圖3-7多關(guān)節(jié)機(jī)器人集中式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3.2分布式控制系統(tǒng)

分布式控制系統(tǒng)(DistributeControlSystem，DCS)的主要宗旨是分散控制，集中管理，即系統(tǒng)對其總體目標(biāo)和任務(wù)可以進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù)。整個系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以DCS又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。DCS的優(yōu)點(diǎn)在于：集中監(jiān)控和管理，管理和現(xiàn)場分離，管理更加綜合化和系統(tǒng)化。

由于分散控制，可使控制系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計、裝配、調(diào)試、維護(hù)等工作相互獨(dú)立，系統(tǒng)控制的危險性分散了，可靠性提高了，投資也減小了；采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可根據(jù)需要增加以微處理器為核心的功能模塊，使DCS具有良好的開放性、擴(kuò)展性。在DCS的架構(gòu)中，子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設(shè)備構(gòu)成的，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)相互通信。所以，DCS為工業(yè)機(jī)器人提供了一個開放、實(shí)時、精確的控制系統(tǒng)。

DCS通常采用兩級控制方式，并由上位機(jī)、下位機(jī)和網(wǎng)絡(luò)組成，如圖3-8所示。上位機(jī)可以進(jìn)行不同的軌跡規(guī)劃和運(yùn)行不同的控制算法，下位機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)細(xì)分、控制優(yōu)化等的實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)和下位機(jī)通過通信總線相互協(xié)調(diào)工作，這里的通信總線可以是RS-232、RS-485、EE-488以及USB總線等形式。圖3-8機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.4.1工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)1.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)的組成工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件子系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：(1)傳感裝置。這類裝置主要用以檢測工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度等，即用于感知工業(yè)機(jī)器人本身的狀態(tài)，可稱為內(nèi)部傳感器；而外部傳感器就是所謂的視覺、力覺、觸覺、聽覺等傳感器，它們可使工業(yè)機(jī)器人感知工作環(huán)境和工作對象的狀態(tài)。

(2)控制裝置。這類裝置主要用以處理各種感覺信息，執(zhí)行控制軟件、產(chǎn)生控制指令，一般由一臺微型或小型計算機(jī)及相應(yīng)的接口組成。

(3)關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動部分。這部分主要是根據(jù)控制裝置的指令，按作業(yè)任務(wù)的要求驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動。

2.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的類型

按控制方式的不同，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)通常分為以下四類：

(1)集中控制方式。在這種控制方式中，用一臺功能較強(qiáng)的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人全部的控制功能。集中控制方式框圖如圖3-9所示，結(jié)構(gòu)簡単，成本低廉，但實(shí)時性差，擴(kuò)展性弱。在早期的工業(yè)機(jī)器人中，如Hero-I、Rolo-I等就采用這種控制結(jié)構(gòu)，因其控制過程中需要進(jìn)行許多計算(如坐標(biāo)變換)，所以這種控制結(jié)構(gòu)的工作速度較慢。圖3-9集中控制方式框圖

(2)主從控制方式。在這種控制方式中，采用主、從兩級處理器實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的全部控制功能。其中，主CPU負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理、機(jī)器人語言編譯和人機(jī)接口功能，同時也利用它的運(yùn)算能力完成坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ)和系統(tǒng)自診斷等任務(wù)，并定時地將運(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運(yùn)動的增量送到控制系統(tǒng)的公用內(nèi)存，供二級CPU讀取；從CPU則實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所有關(guān)節(jié)的位置數(shù)字控制，這種控制方式的實(shí)時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修比較困難。

(3)分布控制方式。目前，工業(yè)機(jī)器人普遍采用這種上、下位機(jī)二級分布控制結(jié)構(gòu)(其構(gòu)成框圖如圖3-9所示)，在這種控制方式中，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)管理以及運(yùn)動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等。下位機(jī)由多個CPU組成，每個CPU控制一個關(guān)節(jié)的運(yùn)動，這些CPU與主控計算機(jī)是通過總線形式的緊耦合聯(lián)系的。

(4)并行處理結(jié)構(gòu)。并行處理技術(shù)是提高計算速度的一個重要而有效的手段，它能滿足工業(yè)機(jī)器人控制的實(shí)時性要求。關(guān)于機(jī)器人控制器的并行處理技術(shù)，人們研究較多的是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的并行算法及其實(shí)現(xiàn)途徑。

目前，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制器常采用MCU?+?DSP?+?FPGA的架構(gòu)模式，其中，作為MCU核心的STM32單片機(jī)負(fù)責(zé)接收示教器發(fā)送的軌跡起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)、速度函數(shù)以及空間軌跡等信息，而系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃算法和軟件功能則由DSP和FPGA協(xié)同工作予以實(shí)現(xiàn)。DSP與FPGA采用外部存儲器總線(EMIFA)聯(lián)系，在FPGA上實(shí)現(xiàn)控制伺服驅(qū)動器的邏輯接口功能，從而控制機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動方式。采用這種控制結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-10所示。圖3-10并行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.4.2工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動器

1.工業(yè)機(jī)器人對電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求

工業(yè)機(jī)器人的電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)利用機(jī)器人的各個電動機(jī)(以下簡稱電機(jī))產(chǎn)生所需的力矩和力，直接或間接驅(qū)動機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動。對用于工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的電機(jī)來說，通常會要求其具有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高啟動轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。機(jī)器人末端執(zhí)行器(手爪)尤應(yīng)采用體積和質(zhì)量盡可能小的電機(jī)。當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)要求快速響應(yīng)時，伺服電機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并具有較大的短時過載能力。這是伺服電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到妥善應(yīng)用的先決條件。

工業(yè)機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的主要要求可歸納如下：

(1)響應(yīng)速度要快。電機(jī)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(yīng)當(dāng)短一些。響應(yīng)指令信號的時間越短，電機(jī)伺服系統(tǒng)的靈敏性就越高，快速響應(yīng)性能也就越好，一般是以伺服電機(jī)的電時間常數(shù)的大小來說明伺服電機(jī)快速響應(yīng)的性能。

(2)啟動轉(zhuǎn)矩慣量比要大。在驅(qū)動負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人伺服電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小。

(3)控制特性的連續(xù)性和直線性要好。隨著控制信號的變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速要能連續(xù)變化，且轉(zhuǎn)速與控制信號要成正比或近成正比。

(4)調(diào)速范圍要寬。機(jī)器人伺服電機(jī)的調(diào)速范圍要大一些，能適應(yīng)不同的工作需求。

(5)體積和質(zhì)量要小，軸向尺寸要短。機(jī)器人伺服電機(jī)的體積與質(zhì)量應(yīng)當(dāng)盡量小一些，可改善機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與動力特性，其軸向尺寸也要短一點(diǎn)，有利于減小安裝空間。

(6)要能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件。要求機(jī)器人伺服電機(jī)可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時間內(nèi)承受大的過載。

2.減速器的類型

減速器在機(jī)械傳動領(lǐng)域是連接動力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一種中間裝置，它通過輸入軸上的小齒輪與輸出軸上的大齒輪進(jìn)行嚙合傳動，把電動機(jī)或內(nèi)燃機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速進(jìn)行減速，并傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。目前已成熟定型并標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的減速器主要有圓柱齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、行星減速器、行星齒輪減速器、RV減速器、擺線針輪減速器和諧波減速器等。

20世紀(jì)80年代以來，在航空航天、機(jī)器人和醫(yī)療器械等新興產(chǎn)業(yè)因快速發(fā)展而產(chǎn)生的強(qiáng)勁需求牽引下，傳遞功率大、運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)的高性能精密減速器得到普遍應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，如圖3-11所示。其中，RV減速器和諧波減速器是精密減速器中的佼佼者。

圖3-11精密減速器的應(yīng)用領(lǐng)域

(1)RV減速器。Rot-Vector減速器(簡稱RV減速器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀如圖3-12所示)是在擺線針輪傳動基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它具有二級減速和中心圓盤支承結(jié)構(gòu)。RV減速器自1986年投入市場以來，因其傳動比大、傳動效率高、運(yùn)動精度好、回差小、振動低、剛性大和可靠性突出等優(yōu)點(diǎn)成為高品質(zhì)機(jī)器人的“御用”減速器。圖3-12工業(yè)機(jī)器人精密減速器布置

(2)諧波減速器。諧波減速器由諧波發(fā)生器、柔輪和剛輪三部分組成。其工作原理為：諧波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形，然后通過柔輪與剛輪的嚙合進(jìn)行減速并傳遞動力。按照結(jié)構(gòu)形式的不同，諧波發(fā)生器可分為凸輪式、滾輪式和偏心盤式三種。諧波減速器的優(yōu)點(diǎn)在于：外形輪廓小、零件數(shù)目少、傳動比大(單機(jī)傳動比可達(dá)到50～4000)、傳動效率高(可達(dá)92%～96%)。

(3)行星減速器。行星減速器是一種由三個行星輪圍繞一個太陽輪旋轉(zhuǎn)而組成的傳遞轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的減速裝置，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、體積小、重量輕、噪聲低、承載能力高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)功率分流、多齒嚙合，其性價比較高，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場合。

3.4.3工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的選擇

1.伺服電機(jī)的初選

選擇電機(jī)，首先要考慮電機(jī)必須能夠提供負(fù)載所需要的瞬時轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，就安全角度而言，就是能夠提供克服峰值所需要的功率。其次，當(dāng)電機(jī)的工作周期可以與其發(fā)熱時間常數(shù)相比較時，必須考慮電機(jī)的熱定額的問題，通常以負(fù)載的均方根功率作為確定電機(jī)發(fā)熱功率的基礎(chǔ)。

如果要求電機(jī)在峰值下以峰值轉(zhuǎn)速驅(qū)動負(fù)載，則電機(jī)功率可按下式估算：

(3-1)

式中，Pm——電機(jī)功率，W；

Μ?LP——負(fù)載峰值力矩，N·m；

ω?LP——負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速，rad/s；

??η——傳動裝置的效率，初步估算時取0.7～0.9；

電機(jī)長期連續(xù)地工作在變載荷之下時，比較合理的是按負(fù)載均方根功率估算電機(jī)功率：

(3-2)

式中，M?Lr?——負(fù)載均方根力矩，N·m；

ω?Lr?——負(fù)載均方根轉(zhuǎn)速，rad/s；

估算Pm后就可選取電機(jī)，使其額定功率Pr滿足下式：

Pr?≥Pm(3-3)

初選電機(jī)后，一系列技術(shù)數(shù)據(jù)，如額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、額定電壓、額定電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量等，均可在產(chǎn)品目錄中直接查得或經(jīng)過計算求得。

2.發(fā)熱校核

在一定轉(zhuǎn)速下，負(fù)載的均方根力矩是與伺服電機(jī)處于連續(xù)工作時的熱定額相對應(yīng)的，因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流成正比或接近成正比，所以當(dāng)負(fù)載力矩變動時，繞組電流Ic是變動的，而電機(jī)的發(fā)熱量主要來自銅耗RI。假定有一等效穩(wěn)恒電流Ie，它在時間T內(nèi)產(chǎn)生的熱量Qe與實(shí)際的變動電流在同一時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，即

與等效電流對應(yīng)的等效轉(zhuǎn)矩Me為

(3-6)

電機(jī)轉(zhuǎn)矩Mm與折算到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩平衡，即，

故

(3-7)

故

(3-8)

由此可見，負(fù)載的均方根力矩是與電機(jī)的熱定額相對應(yīng)的。

為核對發(fā)熱，要求電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Mr?滿足下式：

式(3-9)即為發(fā)熱校核公式，該式也