機(jī)器人的基本控制原則：簡(jiǎn)化為若干個(gè)低階子系統(tǒng)

機(jī)器人的控制問(wèn)題是與其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題密切相關(guān)的。從控制觀點(diǎn)看，機(jī)器 人系統(tǒng)代表冗余的、多變量和本質(zhì)上非線性的控制系統(tǒng)，同時(shí)又是復(fù)雜的耦合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 每個(gè)控制任務(wù)本身就是一個(gè)動(dòng)力學(xué)任務(wù)。在實(shí)際研究中，往往把機(jī)器人控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為若干個(gè)低階子系統(tǒng)來(lái)描述。

機(jī)器人控制器具有多種結(jié)構(gòu)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、分解加速度控制、滑�？刂啤�Z優(yōu) 控制、自適應(yīng)控制、遞階控制以及各種智能控制等。

本節(jié)將討論工業(yè)機(jī)器人常用控制器的基本控制原則及控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。從關(guān)節(jié)(或 連桿)角度看，可把工業(yè)機(jī)器人的控制器分為單關(guān)節(jié)(連桿)控制器和多關(guān)節(jié)(連桿)控制器 兩種。對(duì)于前者，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)誤差的補(bǔ)償問(wèn)題；對(duì)于后者，則應(yīng)先考慮耦合慣量 的補(bǔ)償問(wèn)題。

機(jī)器人的控制取決于其“腦子”,即處理器的研制。隨著實(shí)際工作情況的不同，可以 采用各種不同的控制方式，從簡(jiǎn)單的編程自動(dòng)化、小型計(jì)算機(jī)控制到微處理機(jī)控制等。機(jī) 器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也可以大為不同，從單處理機(jī)控制到多處理機(jī)分J分布式控制。對(duì)于 后者，每臺(tái)處理機(jī)執(zhí)行一個(gè)指定的任務(wù)，或者與機(jī)器人某個(gè)部分(如某個(gè)自由度或軸)直接 聯(lián)系。表5-1表示機(jī)器人控制系統(tǒng)分類和分析的主要方法。

表5-1機(jī)器人控制的分類及其分析方法

任務(wù)分類 ：把控制分為許多J一→每J包括許多任務(wù)→把每個(gè)任務(wù)分成許多子任務(wù)

結(jié)構(gòu)分類： 把所有能施于同一結(jié)構(gòu)部件的任務(wù)都由同一處理機(jī)來(lái)處理，并與其他各處理機(jī)協(xié)調(diào)工作

混合分類： 實(shí)際上并非把所有任務(wù)都施于所有的部件。在上述兩種分類之間，往往有交迭

如果要教機(jī)器人去抓起工件 A, 那么就必 須知道末端執(zhí)行裝置(如夾手)在任何時(shí)刻相對(duì)于 A 的狀態(tài)，包括位置、姿態(tài)和開(kāi)閉狀態(tài) 等。工件 A 的位置是由它所在工作臺(tái)的一組坐標(biāo)軸給出的。這組坐標(biāo)軸叫做任務(wù)軸(R。)。 末端執(zhí)行裝置的狀態(tài)是由這組坐標(biāo)軸的許多數(shù)值或參數(shù)表示的，而這些參數(shù)是矢量X 的分 量。我們的任務(wù)就是要控制矢量X 隨時(shí)間變化的情況，即 X(t), 它表示末端執(zhí)行裝置在 空間的實(shí)時(shí)位置。只有當(dāng)關(guān)節(jié)θ₁至θ6 移動(dòng)時(shí)，X 才變化。我們用矢量θ(t)來(lái)表示關(guān)節(jié)變 量 θ₁至 θ₆。

各關(guān)節(jié)在力矩C₁ 至C₆ 作用下而運(yùn)動(dòng)，這些力矩構(gòu)成矢量C(t) 。 矢量C(t) 由各傳動(dòng)電 動(dòng)機(jī)的力矩矢量 T(t) 經(jīng)過(guò)變速機(jī)送到各個(gè)關(guān)節(jié)。這些電動(dòng)機(jī)在電流或電壓矢量V(t) 所提 供的動(dòng)力作用下，在一臺(tái)或多臺(tái)微處理機(jī)的控制下，產(chǎn)生力矩 T(t)。

對(duì)一臺(tái)機(jī)器人的控制，本質(zhì)上就是對(duì)下列雙向方程式的控制：

V(t)⇔T(t)⇔C(t)→ ◎(t)→X(t) (5.1)

圖5-2表示機(jī)器人的主要控制層次。由圖可見(jiàn)，它主要分為三個(gè)控制J，即人工智能 J、控制模式J和伺服系統(tǒng)J�，F(xiàn)對(duì)它們進(jìn)一步討論如下。

(1)D一J：人工智能J

如果命令一臺(tái)機(jī)器人去“把工件A 取過(guò)來(lái)!”那么如何執(zhí)行這個(gè)任務(wù)呢?先需要確 定，該命令的成功執(zhí)行至少是由于機(jī)器人能為該指令產(chǎn)生矢量X(t) 。X(t) 表示末端執(zhí)行裝 置相對(duì)工件 A 的運(yùn)動(dòng)。

表示機(jī)器人所具有的指令和產(chǎn)生矢量X(t) 以及這兩者間的關(guān)系，是建立D一J(Z 高J)控制的工作。它包括與人工智能有關(guān)的所有可能問(wèn)題：如詞匯和自然語(yǔ)言理解、 規(guī)劃的產(chǎn)生以及任務(wù)描述等。

這一J主要仍處于研究階段。我們將在后面進(jìn)一步研究與智能控制J有關(guān)的問(wèn)題。

人工智能J在工業(yè)機(jī)器人上目前應(yīng)用仍不夠多，還有許多實(shí)際問(wèn)題有待解決。

(2)第二J：控制模式J

能夠建立起這一J的X(t) 和 T(t) 之間的雙向關(guān)系。需要注意到，有多種可供采用的 控制模式。這是因?yàn)橄铝嘘P(guān)系

X(t)→ ◎(t)→C(t)→T(t) (5.2)

實(shí)際上提出各種不同的問(wèn)題。因此，要得到 一 個(gè)滿意的方法，所提出的假設(shè)可能是極不相 同的。這些假設(shè)取決于操作人員所具有的有關(guān)課題的知識(shí)深度以及機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)合。