第5章 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)概述機器人單關(guān)節(jié)控制機器人多關(guān)節(jié)控制機器人力控制主要內(nèi)容機器人控制系統(tǒng)概述按機器人控制系統(tǒng)的控制方式可以分為三類，分別為以單片機、可編程控制器以及工業(yè)控制計算機+運動控制卡為核心的控制系統(tǒng)。目前主流的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件采用工業(yè)控制計算機+運動控制卡的形式。控制系統(tǒng)的組成工業(yè)機器人的操作系統(tǒng)是管理工業(yè)機器人硬件和軟件的程序，是控制系統(tǒng)的核心部分，通常工業(yè)機器人的操作系統(tǒng)是采用嵌入式實時操作系統(tǒng)。機器人控制系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)工業(yè)機器人的控制方式根據(jù)劃分規(guī)則可分為多種不同方式，最常見的可分為動作控制方式和示教控制方式。此外，按照運動軌跡控制方式，可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制。機器人控制系統(tǒng)概述控制方式按照對運動物理量的控制方式，機器人控制方式可分為位置控制、速度控制和力（力矩）控制等方式。示教控制是工業(yè)機器人一種最常見的控制方式。在示教過程中機器人將作業(yè)的軌跡和速度等信息存儲起來，在執(zhí)行過程中再現(xiàn)示教過程。機器人控制系統(tǒng)概述控制方式串聯(lián)工業(yè)機器人由多關(guān)節(jié)及連桿組成，是一個耦合的非線性系統(tǒng)。以直流伺服電機為驅(qū)動源的單關(guān)節(jié)為例，討論機器人單關(guān)節(jié)的數(shù)學模型及其控制問題。機器人單關(guān)節(jié)控制機器人單關(guān)節(jié)數(shù)學模型已知，傳動比n=z2/z1，負載軸的轉(zhuǎn)矩，M2=nM1建立電機驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程

負載軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程為

電樞繞組電壓平衡方程為

u為電樞電壓，L為電樞電感，R為電樞電阻，I為電樞電流，Ki為電機的反電動勢常數(shù)。機器人單關(guān)節(jié)控制機器人單關(guān)節(jié)數(shù)學模型直流伺服電機驅(qū)動的單關(guān)節(jié)簡化模型進一步分析電機輸出轉(zhuǎn)矩和繞組電流的關(guān)系

式中Kn為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。由于電感L數(shù)值很小，為簡化計算，將其近似為0，則推導出如公式5-5的反映控制對象的輸入電壓和輸出角位移的關(guān)系。

式中，Kc=nKn/R，J=n2J1+J2，Kd=(n2Kd1+Kd2)+n2KnKi，θ(t)=θ2(t)進行拉普拉斯變換，整理得到其傳遞函數(shù)為機器人單關(guān)節(jié)控制機器人單關(guān)節(jié)數(shù)學模型PID控制是目前自動化控制過程中廣泛使用的反饋控制方式。對于機器人單關(guān)節(jié)而言，其直流伺服電機帶有編碼器，可以反饋關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)角度，進而形成負反饋控制系統(tǒng)。機器人單關(guān)節(jié)控制機器人單關(guān)節(jié)PID控制不使用積分調(diào)節(jié)僅有比例和微分的調(diào)節(jié)稱為PD控制。其控制方程可表示為考慮實際的目標值為定值，且KD為速度反饋增益，通常用KV表示，則式可表示為上式即表示該負反饋PD控制系統(tǒng)為帶有速度反饋的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于速度負反饋的引入使得系統(tǒng)的阻尼比增加，使得系統(tǒng)具有更好的位置控制性能。機器人單關(guān)節(jié)控制機器人單關(guān)節(jié)PID控制不考慮阻尼和摩擦效應，機器人的多關(guān)節(jié)動力學模型為：式中，分別表示機器人關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度輸出向量；而

表示廣義力輸入向量?？蛇M一步得：機器人多關(guān)節(jié)控制機器人的動力學模型離心與科氏力矩陣-重力向量-慣性力矩陣-

為實現(xiàn)機器人的軌跡跟蹤控制，需要考慮機器人動力學內(nèi)非線性項的處理問題。這里介紹一種非線性控制方法-計算力矩控制。

以下將分別從控制律設(shè)計和控制器參數(shù)選擇兩個方面介紹計算力矩控制的設(shè)計思路。計算力矩控制機器人多關(guān)節(jié)控制（1）計算力矩控制的控制律設(shè)計計算力矩控制在控制律設(shè)計上采取內(nèi)/外環(huán)控制架構(gòu)，內(nèi)環(huán)控制器實現(xiàn)機器人模型的反饋線性化處理，而外環(huán)控制器可采用線性控制方法，以實現(xiàn)軌跡規(guī)劃器生成的期望軌跡。計算力矩控制機器人多關(guān)節(jié)控制（1）計算力矩控制的控制律設(shè)計內(nèi)環(huán)-逆動力學控制:外環(huán)-前饋+PD控制:計算力矩控制角位移誤差-角速度誤差-角加速度誤差-機器人多關(guān)節(jié)控制（2）計算力矩控制的控制參數(shù)選擇

將式(5-15)代入到式(5-11)中可得機器人軌跡誤差的動力學模型進一步可得其特征方程1）從穩(wěn)定性方面看，由勞斯-赫爾維茨判據(jù)可知，如果比例增益和微分增益

都取正值，則系統(tǒng)穩(wěn)定。計算力矩控制角位移誤差-角速度誤差-角加速度誤差-機器人多關(guān)節(jié)控制（2）計算力矩控制的控制參數(shù)選擇機器人軌跡誤差的動力學模型可得其特征方程為2）從動態(tài)性能方面看，為了避免碰撞，機器人手臂一般不允許有超調(diào)，故一般取。則：。PD增益矩陣可選擇方案為計算力矩控制無阻尼固有頻率（自然頻率）越大，機器人響應速度越快機器人多關(guān)節(jié)控制（2）計算力矩控制的控制參數(shù)選擇機器人軌跡誤差的動力學模型可得其特征方程為3）從避免共振方面看，太高的無阻尼固有頻率會導致機構(gòu)共振。其中諧振頻率等效計算為：計算力矩控制---手臂連桿的剛性系數(shù)---手臂連桿的轉(zhuǎn)動慣量機器人多關(guān)節(jié)控制當機器人從事如打磨、拋光、裝配等任務(wù)時，需要同時考慮機器人位置控制和力控制。此時機器人末端的任務(wù)空間就包含了一對對偶空間-運動空間和力空間。機器人力控制對偶空間和約束-自然約束：設(shè)定環(huán)境中，已自然施加于機器人末端坐標系上的或運動約束或力約束。-人工約束：設(shè)定環(huán)境中，可人為指定于機器人末端坐標系上的或運動約束或力約束。機器人沿z向的直線運動被限制。而可人為指定于機器人末端坐標系z軸上的為力約束對偶空間和約束機器人力控制機器人夾持軸零件完成軸孔裝配任務(wù)力/位混合控制機器人力控制(1)直角坐標機器人力/位混合控制對偶空間和約束機器人力控制(2)關(guān)節(jié)機器人力/位混合控制對偶空間和約束機器人力控制機器人阻抗控制是通過控制位移與力的動態(tài)關(guān)系間接控制期望的力和位置，達到柔順控制的目的。環(huán)境表面剛度k越大，就越“阻礙”機器人末端執(zhí)行器運動。阻抗控制機器人力控制例:研磨作業(yè)阻抗控制期望慣量-期望阻尼-期望剛度-機器人力控制機器人動力學方程阻抗控制機器人力控制基于逆動力學的阻抗控制器設(shè)計內(nèi)