第九章機(jī)器人控制系統(tǒng)9.1概述一般地說(shuō)，機(jī)器人控制問(wèn)題分為下面兩部分：(1)求得操作機(jī)的動(dòng)態(tài)模型；(2)利用這些模型確定控制規(guī)律或策賂，以達(dá)到所需的系統(tǒng)響應(yīng)和性能。控制問(wèn)題的第一部分已在動(dòng)力學(xué)中詳細(xì)論述，這里將討論控制問(wèn)題的第二部分。I/O設(shè)備外部傳感器操作機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制器計(jì)算機(jī)硬件及軟件（任務(wù)規(guī)劃，軌跡規(guī)劃）環(huán)境人內(nèi)部傳感器控制系統(tǒng)1從控制分析的觀點(diǎn)出發(fā)，機(jī)器人操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)是分兩個(gè)不同的控制階段來(lái)完成的。首先是粗調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，操作機(jī)從一個(gè)起始位姿沿著規(guī)劃的軌跡移向所需目標(biāo)位姿的附近；其次才是微調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，操作機(jī)的末端執(zhí)行器與目標(biāo)位姿動(dòng)態(tài)地交互作用，運(yùn)用傳感器反饋信息來(lái)完成這一任務(wù)。軌跡生成控制系統(tǒng)機(jī)器人操作機(jī)機(jī)器人控制時(shí)，要求操作機(jī)各關(guān)節(jié)按所規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)。而控制系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器是由力矩指令驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的。實(shí)際上，動(dòng)力學(xué)模型不可能絕對(duì)準(zhǔn)確，而且系統(tǒng)中還存在干擾和噪聲。因此，開環(huán)控制策略是不適用的。通常采用關(guān)節(jié)傳感器構(gòu)成閉環(huán)反饋控制。2早期的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)控制系統(tǒng)的方法，把操作機(jī)的每個(gè)關(guān)節(jié)當(dāng)作一個(gè)簡(jiǎn)單的伺服機(jī)構(gòu)來(lái)處理。這種方法不能充分地模擬一個(gè)操作機(jī)變化的動(dòng)態(tài)特性，因?yàn)樗鲆暳苏麄€(gè)手臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)耦合和結(jié)構(gòu)。而實(shí)際的受控系統(tǒng)參數(shù)變化顯著，足以使常規(guī)的反饋控制策略失效。其結(jié)果是降低了伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度和阻尼，使其只能適應(yīng)有限精度的作業(yè)。因此，按這種方式控制的操作機(jī)運(yùn)動(dòng)速度低，并伴有不必要的振動(dòng)。要想在這方面或機(jī)器人操作機(jī)控制的其它范圍獲得明顯的性能改進(jìn)，就必須考慮更有效的動(dòng)態(tài)模型、更高級(jí)的控制方法和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的運(yùn)用。3

如果把機(jī)器人操作機(jī)控制看作路徑—軌跡追蹤問(wèn)題，其運(yùn)動(dòng)控制便可分為四大類：1、關(guān)節(jié)運(yùn)功控制關(guān)節(jié)伺服機(jī)構(gòu)(如PUMA機(jī)器人控制方法)、計(jì)算力矩方法、最短時(shí)間控制、可變結(jié)構(gòu)控制、非線性解耦控制；2、分解運(yùn)動(dòng)控制(笛卡爾空間控制)分解運(yùn)動(dòng)速度控制、分解運(yùn)動(dòng)加速度控制、分解運(yùn)動(dòng)力的控制。3、自適應(yīng)控制模型參照自適應(yīng)控制、自調(diào)整自適應(yīng)控制、有前饋補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)擾動(dòng)控制、分解運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)控制；4、智能控制遞階控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。49.2關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制

關(guān)節(jié)控制具有多種形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反饋控制、力（力矩）控制、基于傳感器的控制、非線性控制、……。9.2.1位置控制在設(shè)計(jì)模型時(shí)，提出下列兩個(gè)假設(shè)：機(jī)器人的各桿件是理想剛體，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，或?yàn)橥耆D(zhuǎn)的，或是完全平移的。5圖示為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。伺服電動(dòng)機(jī)的參數(shù)規(guī)定如下：τm,KanRa,，Laia,，VaKbVaLaRaian(Jm,

fm,Ka)子6式中，,分別表示傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)軸的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、總粘滯摩擦系數(shù)。引用拉普拉斯變換，并忽略電感的作用，可得到電動(dòng)機(jī)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下n2Jeffn2feff7由于控制系統(tǒng)輸出的是關(guān)節(jié)角位移,利用拉普拉斯變換等價(jià)式,可以得到關(guān)節(jié)角位移與電樞電壓之間的關(guān)系式：8從穩(wěn)定性和精度觀點(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)。即必須引入與誤差信號(hào)有關(guān)的補(bǔ)償。主要有下列四種補(bǔ)償。前饋控制反饋控制比例補(bǔ)償：Kp——位置反饋增益。9.2.2單關(guān)節(jié)位置控制器9單關(guān)節(jié)操作機(jī)的反饋控制框圖開環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)上式表明但關(guān)節(jié)機(jī)器人的比例控制器是一個(gè)二階系統(tǒng)，它在系統(tǒng)參數(shù)均為正的情況下總是穩(wěn)定的。10為了增加系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，減小靜態(tài)誤差，可以再增加位置誤差微分補(bǔ)償。Kv——位置微分反饋增益。11操作機(jī)系統(tǒng)還要受到由衷里夫在和桿件離心效應(yīng)引起的擾動(dòng)[D(s)]的影響。129.2.3多關(guān)節(jié)機(jī)器人的伺服控制器對(duì)于多關(guān)節(jié)操作機(jī)，基本控制方案之一就是基于拉格朗日方程或扭斷——?dú)W拉方程的計(jì)算力矩法。

計(jì)算力矩法是前饋控制，并且有前饋、反饋分量。這些控制分量補(bǔ)償各個(gè)關(guān)節(jié)間的相互作用力，而其中的反饋分量則計(jì)算畢業(yè)的校正力矩以補(bǔ)償隊(duì)期望軌跡的任何偏差。對(duì)于基于拉格朗日方程的控制率，并采用比例微分控制器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)時(shí)，其控制規(guī)律有如下形式其中13由于D(q)總是非奇異矩陣，可以適當(dāng)選取Kp和Kv使上式的特征根有非負(fù)實(shí)部，則位置誤差向量e(t)漸趨于0。按照完整的拉格朗日方程進(jìn)行關(guān)節(jié)力矩計(jì)算的效率很低。對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)操作機(jī)常常忽略項(xiàng)和Da(q)中的非對(duì)角元素。其控制規(guī)律有如下形式但對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)操作機(jī)是不能做這樣簡(jiǎn)化的。可以從牛頓——?dú)W拉方程中遞推的導(dǎo)出關(guān)節(jié)變量的模擬控制規(guī)律，由此得到的每個(gè)驅(qū)動(dòng)器所用提供的關(guān)節(jié)力矩，以控制操作機(jī)運(yùn)動(dòng)。149.2.4PUMA機(jī)器人的伺服控制結(jié)構(gòu)1516斯坦福機(jī)器人的位置控制系統(tǒng)框圖171、LC/DSP低成本多軸控制卡

●1,2,3,4軸四型號(hào);

●脈沖輸出頻率0至375KHZ;

●模擬輸出±10V;16位D/A;

●20位數(shù)字I/O.

●單端和差動(dòng)式編碼器輸入2.PCX/DSP帶A/D控制卡

●