機器人的基本控制原則：簡化為若干個低階子系統(tǒng)

機器人的控制問題是與其運動學(xué)和動力學(xué)問題密切相關(guān)的。從控制觀點看，機器 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)，同時又是復(fù)雜的耦合動態(tài)系統(tǒng)。 每個控制任務(wù)本身就是一個動力學(xué)任務(wù)。在實際研究中，往往把機器人控制系統(tǒng)簡化為若干個低階子系統(tǒng)來描述。

機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�、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)機器人常用控制器的基本控制原則及控制器的設(shè)計問題。從關(guān)節(jié)(或 連桿)角度看，可把工業(yè)機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。對于前者，設(shè)計時應(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)誤差的補償問題；對于后者，則應(yīng)先考慮耦合慣量 的補償問題。

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

表5-1機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)都由同一處理機來處理，并與其他各處理機協(xié)調(diào)工作

混合分類： 實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)在任何時刻相對于 A 的狀態(tài)，包括位置、姿態(tài)和開閉狀態(tài) 等。工件 A 的位置是由它所在工作臺的一組坐標(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 隨時間變化的情況，即 X(t), 它表示末端執(zhí)行裝置在 空間的實時位置。只有當(dāng)關(guān)節(jié)θ₁至θ6 移動時，X 才變化。我們用矢量θ(t)來表示關(guān)節(jié)變 量 θ₁至 θ₆。

各關(guān)節(jié)在力矩C₁ 至C₆ 作用下而運動，這些力矩構(gòu)成矢量C(t) 。 矢量C(t) 由各傳動電 動機的力矩矢量 T(t) 經(jīng)過變速機送到各個關(guān)節(jié)。這些電動機在電流或電壓矢量V(t) 所提 供的動力作用下，在一臺或多臺微處理機的控制下，產(chǎn)生力矩 T(t)。

對一臺機器人的控制，本質(zhì)上就是對下列雙向方程式的控制：

V(t)⇔T(t)⇔C(t)→ ◎(t)→X(t) (5.1)

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

(1)D一J：人工智能J

如果命令一臺機器人去“把工件A 取過來!”那么如何執(zhí)行這個任務(wù)呢?先需要確 定，該命令的成功執(zhí)行至少是由于機器人能為該指令產(chǎn)生矢量X(t) 。X(t) 表示末端執(zhí)行裝 置相對工件 A 的運動。

表示機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)的所有可能問題：如詞匯和自然語言理解、 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)的問題。

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

(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。這是因為下列關(guān)系

X(t)→ ◎(t)→C(t)→T(t) (5.2)

實際上提出各種不同的問題。因此，要得到 一 個滿意的方法，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)課題的知識深度以及機器人的應(yīng)用場合。