工業(yè)機(jī)器人控制概述

1、工業(yè)機(jī)器人控制概述摘 要：本概述簡單介紹了工業(yè)機(jī)器人的定義及發(fā)展,介紹了有關(guān)工業(yè)機(jī)器人控制的特點(diǎn)、功能、控制方式及控制系統(tǒng)的組成。對比說明目前應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)，包括電驅(qū)動(dòng)器、液壓驅(qū)動(dòng)器，并針對在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最為廣泛的電動(dòng)執(zhí)行器，分析工業(yè)機(jī)器人對于電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的具體應(yīng)用要求。列舉了幾種在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)中常用的控制策略, 如變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)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(jī)器人控制的各國發(fā)展的說明，探討了工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵字：工業(yè)機(jī)器人、控制、控制策略; 發(fā)展趨勢0.前言隨著生產(chǎn)和科技的進(jìn)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(zhì)量完成的任務(wù)。另外由于市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對增加商品種類、提高質(zhì)量、降低成本提出了越來越高的要求，產(chǎn)品生產(chǎn)也從單一品種、大批量生產(chǎn)向多品種、小批量過渡。機(jī)器人正是為使用生產(chǎn)自動(dòng)化及市場應(yīng)變性地更高要求而出現(xiàn)的。國際機(jī)器人聯(lián)合會(International Federation of Robotics，IFR)將機(jī)器人定義如下：機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器，它能完成有益于人類的工作，應(yīng)用于生產(chǎn)過程稱為工業(yè)機(jī)器人，應(yīng)用于特殊環(huán)境稱為專用機(jī)器人(特種機(jī)器人)，應(yīng)用于家庭或直接服務(wù)人稱為(家政)服務(wù)機(jī)器人。這種內(nèi)涵廣義的理解是機(jī)器人自動(dòng)化機(jī)器，而不應(yīng)該理解為如翻譯的像人一樣機(jī)器。國際標(biāo)

3、準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization，ISO)對機(jī)器人的定義為“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)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(wù)”。按照ISO定義，工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人，是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器；它接受人類的指令后，將按照設(shè)定的程序執(zhí)行運(yùn)動(dòng)路徑和作業(yè)?？梢园凑赵S多標(biāo)準(zhǔn)將機(jī)器人分類。按照發(fā)展程度將機(jī)器人分為三代：第一代機(jī)器人是以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，

4、這種機(jī)器人目前已在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用；第二代機(jī)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(jìn)行反饋控制的機(jī)器人，這種機(jī)器人目前已有少量應(yīng)用；第三代機(jī)器人是具有多種感知功能，可進(jìn)行推理判斷，能再未知工作環(huán)境中獨(dú)立工作的機(jī)器人。機(jī)器人也常按照功能，分為工業(yè)機(jī)器人、遙控機(jī)器人和智能機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robot），它是應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的機(jī)器人，越大多數(shù)按照“示教-再現(xiàn)”方式進(jìn)行重復(fù)作業(yè)。遙控機(jī)器人（Telerobot），它是接受遙控指令而進(jìn)行遠(yuǎn)距離作業(yè)的機(jī)器人，主要用于宇航、海底、核工業(yè)及真空等領(lǐng)域。智能機(jī)器人（Intelligent Robot）具有運(yùn)動(dòng)

5、、感知、學(xué)習(xí)、適應(yīng)、邏輯判斷以及人機(jī)通功能的機(jī)器人，屬于第三代機(jī)器人。機(jī)器人領(lǐng)域的主要研究方向有：機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器人傳感器研究，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)與規(guī)劃，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)與控制，機(jī)器人歐諾個(gè)只語言，機(jī)器人視覺、聽覺等系統(tǒng)的研究，機(jī)器人智能研究等。 1. 工業(yè)機(jī)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(jī)器人的大腦。機(jī)器人的感知、潘丹、推理都是通過控制系統(tǒng)的輸入、運(yùn)算、輸出來完成的，所有行為和動(dòng)作都必須通過控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令來實(shí)現(xiàn)。工業(yè)機(jī)器人要與外圍設(shè)備協(xié)調(diào)動(dòng)作，共同完成作業(yè)任務(wù)，就必須具備一個(gè)功能完善、靈敏可靠的控制兇。工業(yè)機(jī)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(yùn)動(dòng)的控制，另一部分是工業(yè)機(jī)器人與周邊設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。1.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是一個(gè)空間開鏈機(jī)構(gòu)，各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的為了實(shí)現(xiàn)末端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，因此工業(yè)機(jī)器人的控制比較復(fù)雜，具體有：1）控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)；2）一般至少要有3-5個(gè)自由度；3）機(jī)器人控制系統(tǒng)必須是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，才能將多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)協(xié)調(diào)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(jīng)常使用重力補(bǔ)償、前饋、解耦或自適應(yīng)控制等方法；5）機(jī)器人的動(dòng)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瑱C(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)與運(yùn)

7、動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理相關(guān)、有耦合、非線性的多變量控制系統(tǒng)。1.2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能工業(yè)機(jī)器人的控制系統(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(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等項(xiàng)目，主要功能有示教再現(xiàn)功能和運(yùn)動(dòng)控制功能。 示教再現(xiàn)控制的主要內(nèi)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(shí)對位置、速度、操作順序等進(jìn)行的示教方式，分離示教是指在示教位置之后，再一邊動(dòng)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(dǎo)體記憶裝置的工業(yè)機(jī)器人，可使得記憶容量大大增加，特別使用與復(fù)雜程度高的操作過程的記憶，并且記憶容量可達(dá)無限。工業(yè)機(jī)器人

8、的運(yùn)動(dòng)控制是指工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)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(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制一般分為兩步進(jìn)行：第一步是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為由關(guān)節(jié)變量表示的時(shí)間序列或表示為關(guān)節(jié)變量隨時(shí)間變化的函數(shù)。第二步是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制，即跟蹤執(zhí)行第一步所生成的關(guān)節(jié)變量伺服指令。1.3 工業(yè)機(jī)器人的控制方式工業(yè)機(jī)器人的控制方式根據(jù)作業(yè)任務(wù)不同，可分為點(diǎn)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(diǎn)位控制方式是只控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中某些規(guī)定第離散點(diǎn)上的位姿。控

9、制時(shí)只要求工業(yè)機(jī)器人快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)相鄰各點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，而對達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡則不做任何規(guī)定，主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間。這種孔氏方式易于實(shí)現(xiàn)，但精度不高，一般用于上下料、搬運(yùn)等只要求目標(biāo)點(diǎn)位姿準(zhǔn)確的作業(yè)中。連續(xù)軌跡控制是連續(xù)地控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿，要去其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，且速度可控，軌跡光滑運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，主要技術(shù)指標(biāo)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(zhǔn)確，還要求有適度力（力矩）進(jìn)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(jù)自身誒不的知識庫相應(yīng)作出決策，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和自學(xué)習(xí)能力，智能控制技術(shù)涉及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器1.4.1驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器即將能量(電能、液壓能等)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，使機(jī)器人各關(guān)節(jié)工作的裝置，常見的有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、液壓驅(qū)動(dòng)器、氣壓驅(qū)動(dòng)器等。步進(jìn)電機(jī)是一種將輸入脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的角度控制。步進(jìn)電機(jī)不雅啊哦哦反饋控制，電路簡單，可以對數(shù)字信號直接進(jìn)行控制，因此能很容易與微型計(jì)算機(jī)連接。停止是能保持轉(zhuǎn)矩，維護(hù)方便，但工作效率地，容易引起

11、失步，有時(shí)也有振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生。直流電機(jī)即使用直流電源的電機(jī)，使用簡單，僅需將電機(jī)端子與直流電源相連即可運(yùn)轉(zhuǎn)。具有優(yōu)良控制特性。作為控制用電機(jī)，直流電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易，并且效率高。無刷直流電動(dòng)機(jī)在壽命和噪聲方面又有有刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)，在進(jìn)行位置控制和速度控制時(shí)，需要使用轉(zhuǎn)速傳感器，實(shí)現(xiàn)位置、速度負(fù)反饋的閉環(huán)控制。為了改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，可以通過改變電源電壓，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過改變電樞電流，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。工業(yè)機(jī)器人使用的伺服電機(jī)，傳統(tǒng)上一直采用直流（DC）伺服電機(jī)，目前正逐漸被交流（AC）伺服電機(jī)所取代，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是免維護(hù)，因?yàn)闆]有直流伺服電機(jī)的機(jī)械接

12、觸部分。液壓驅(qū)動(dòng)器包括液壓缸、液壓馬達(dá)、擺動(dòng)馬達(dá)等，液壓驅(qū)動(dòng)器由于工作壓力高，所以可以實(shí)現(xiàn)小型化，由于以液壓油為工作介質(zhì)，所以裝置的潤滑性和防銹性能好，通過控制流量調(diào)節(jié)速度，利用換向裝置變換運(yùn)動(dòng)防銹，通過壓力控制，可以實(shí)現(xiàn)無極控制。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器類似于液壓驅(qū)動(dòng)器，包括氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)、擺動(dòng)式氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單、體積小且價(jià)格便宜，對環(huán)境無特殊要求，保養(yǎng)維護(hù)簡單，易組成系統(tǒng)。除以上常用驅(qū)動(dòng)器外，還出現(xiàn)了越來越多的新型驅(qū)動(dòng)器，有的已經(jīng)用于機(jī)器人，主要有超聲波驅(qū)動(dòng)器、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶金屬驅(qū)動(dòng)器、靜電驅(qū)動(dòng)器等。1.4.2工業(yè)機(jī)器人對關(guān)節(jié)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的主要要求 在工業(yè)機(jī)器人中，電動(dòng)執(zhí)行器用得最

13、為廣泛，機(jī)器人對于關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的要求主要有：快速性、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量、控制特性、調(diào)速范圍、運(yùn)行條件等，一般綜合分析工作性質(zhì)和系統(tǒng)要求選擇合適的驅(qū)動(dòng)器。1）快速性電動(dòng)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(shí)間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號的時(shí)間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)的大小來說明伺服電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)的性能。 2）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時(shí)還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。 4）調(diào)速范圍寬能使用于1：100010000

14、的調(diào)速范圍。 5）體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短6）能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受過載目前，由于高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用，一般負(fù)載1000N（相當(dāng)100kgf）以下的工業(yè)機(jī)器人大多采用電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要是AC伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和DC伺服電動(dòng)機(jī)。其中，交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)（DD）均采用位置閉環(huán)控制，一般應(yīng)用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多適用于對精度、速度要求不高的小型簡易機(jī)器人開環(huán)系統(tǒng)中。交流伺服電動(dòng)機(jī)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(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器；位置傳感器多用光電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器。近年來，國外機(jī)器人制造廠家已經(jīng)在使用一種集光電碼盤及旋轉(zhuǎn)變壓器功能為一體的混合式光電位置傳感器，伺服電動(dòng)機(jī)可與位置及速度檢測器、制動(dòng)器、減速機(jī)構(gòu)組成伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。1.5 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)圖1是一個(gè)完整的歐冠農(nóng)業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本組成，從圖中可以看出，工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度，即感知其本身的狀態(tài)，稱為內(nèi)部傳

16、感器。相對應(yīng)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(jī)器人感知工作環(huán)境和工作對象的狀態(tài)。控制裝置?？刂蒲b置是處理各種感覺信息，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(jì)算機(jī)及相應(yīng)的接口組成。關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。軟件部分主要指控制軟件，它包括運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法和關(guān)節(jié)伺服控制算法與相應(yīng)的動(dòng)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(jī)器人是一個(gè)十分復(fù)雜的多輸入多輸出非線性系統(tǒng), 它具有時(shí)變、強(qiáng)耦合和非線性的動(dòng)力學(xué)特征, 因而帶來了控制的復(fù)雜性。由于測量和建模的不精確, 再加上負(fù)載的變化

17、以及外部擾動(dòng)等不確定性的影響, 難以建立工業(yè)機(jī)器人精確、完整的運(yùn)動(dòng)模型。并且在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，機(jī)器人的非線性動(dòng)力學(xué)效應(yīng)十分顯著，因而傳統(tǒng)的獨(dú)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(shí)際的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)又存在參數(shù)不確定性、非參數(shù)不確定性和作業(yè)環(huán)境的干擾，因此具有魯棒性的先進(jìn)控制技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人高速高精度控制的主要方法。目前，應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的控制方法有自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制及現(xiàn)代魯棒控制等。2.1 自適應(yīng)控制自適應(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, 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，使整個(gè)系統(tǒng)始終獲得滿意的控制性能。自適

18、應(yīng)控制能認(rèn)識環(huán)境的變化, 并能自動(dòng)改變控制器的參數(shù)和結(jié)構(gòu), 自動(dòng)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, 自適應(yīng)控制實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，并且參數(shù)突變經(jīng)常會破壞總體系統(tǒng)的穩(wěn)定性；參數(shù)的收斂特性通常需要足夠的持續(xù)激勵(lì)條件，而該條件實(shí)際上又難以滿足，因此通常結(jié)合其它算法使用，即魯棒自適應(yīng)控制方法，應(yīng)用修正的自適應(yīng)律使得系統(tǒng)對非參數(shù)不確定性也具有一定的魯棒性。2.2 滑膜變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)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(dòng)，從而保證系統(tǒng)對參數(shù)擾動(dòng)和外界干擾具有

19、完全的自適應(yīng)性或不變性。變結(jié)構(gòu)控制方法對于系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)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(jì)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(gè)控制器設(shè)計(jì)可按各自獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行, 其參數(shù)選擇也不是十分嚴(yán)格。滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)快速性好, 無超調(diào), 計(jì)算量小,實(shí)時(shí)性強(qiáng)。變結(jié)構(gòu)控制本身的不連續(xù)性以及控制器頻繁的切換動(dòng)作有可能造成跟蹤誤差在零點(diǎn)附近產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象, 而不能收斂于零, 這種抖動(dòng)輕則會引起執(zhí)行部件的機(jī)械磨損, 重則會激勵(lì)未建模的高頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)特別是考慮到連桿柔性的時(shí)候, 容易使控制失效。2.3 魯

20、棒控制魯棒H控制是一種結(jié)構(gòu)和參數(shù)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(dòng)、快變參數(shù)和未建模動(dòng)態(tài)的能力，并且設(shè)計(jì)簡單，它是一種固定控制, 比較容易實(shí)現(xiàn)。一般魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以一些最差的情況為基礎(chǔ), 因此一般系統(tǒng)并不工作在最優(yōu)狀態(tài)。魯棒自適應(yīng)控制對控制器實(shí)時(shí)性能要求比較嚴(yán)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(jié)構(gòu)由上往下分為 3個(gè)層次, 組織級、協(xié)調(diào)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(jù)機(jī)器人的任務(wù)分解, 在面向設(shè)備的基礎(chǔ)級可以采用常規(guī)的自動(dòng)控制技術(shù), 如

21、 P I D控制、前饋控制等。在協(xié)調(diào)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制以及集成智能控制。2.5 工業(yè)機(jī)器人控制策略發(fā)展趨勢 到目前為止, 多數(shù)商品化工業(yè)機(jī)器人控制器下級的控制策略基本上是獨(dú)立關(guān)節(jié) PID伺服算法。這種控制方法的主要缺點(diǎn)是, 反饋增益是預(yù)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(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)時(shí), 其動(dòng)力學(xué)效應(yīng)十分顯著。為解決上述問題, 就要根據(jù)機(jī)器人手臂的動(dòng)態(tài)模型求出施加于機(jī)器人手臂的力矩。于是就提出了諸如計(jì)算力矩法、非線性解耦反饋控制

22、、前饋補(bǔ)償控制算法等方案。但這些算法大多過于復(fù)雜, 難以實(shí)時(shí)計(jì)算。故研究人員一方面研究簡化模型、簡化計(jì)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(shù)變化及擾動(dòng)不敏感, 或不過分依賴準(zhǔn)確的系統(tǒng)動(dòng)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(diǎn), 取長補(bǔ)短, 在一個(gè)工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中采用多種控制算法的結(jié)合處理。開展對控制方案、動(dòng)態(tài)控制模型以及控制算法的研究, 以求改善機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)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(dǎo)工業(yè)用機(jī)器人多軸運(yùn)動(dòng)技術(shù)之主要零組件，也是整合所有零組件的核心技術(shù)，如圖2所示，從美國專利商標(biāo)局USPTO的專利數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)當(dāng)中，統(tǒng)

23、計(jì)2000年到2007年第三季為止的專利申請數(shù)量觀察，目前以日本申請的專利數(shù)量最多，累積高達(dá)127件，其次是美國的76件，這也反映出目前工業(yè)用機(jī)器人大部分仍由這兩大主要國家掌握全球工業(yè)用機(jī)器人幾乎八成以上的市場。而我國在控制方面與發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距。圖2 全球工業(yè)用機(jī)器人控制器專利申請數(shù)量3.2控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)1)開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：采用分布式CPU計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，分為機(jī)器人控制器(RC)，運(yùn)動(dòng)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(jī)器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN總線進(jìn)行通訊。機(jī)器人控制器(RC)的主計(jì)算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、插補(bǔ)和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)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(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個(gè)控制器軟件系統(tǒng)分為三個(gè)層次：硬件驅(qū)動(dòng)層、核心層和應(yīng)用層。三個(gè)層次分別面對不同的功能需求，對應(yīng)不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個(gè)層次內(nèi)部由若干個(gè)功能相對對立的模塊組成，這些功能