機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制 課件 第4章 機(jī)器人控制系統(tǒng)與控制方式

第4章機(jī)器人控制系統(tǒng)與控制方式4.1機(jī)器人控制系統(tǒng)概述4.2機(jī)器人的控制方式4.3典型機(jī)器人控制系統(tǒng)4.4本章小結(jié)

4.1機(jī)器人控制系統(tǒng)概述

4.1.1機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理及分類機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理是接收傳感器采集的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)控制計(jì)算機(jī)計(jì)算驅(qū)動(dòng)參數(shù)，伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成任務(wù)要求，如圖4-1所示。當(dāng)機(jī)器人控制系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，一般會(huì)完成下列動(dòng)作。

(1)示教：控制系統(tǒng)通過(guò)控制計(jì)算機(jī)給機(jī)器人發(fā)布任務(wù)指令，一般通過(guò)和控制計(jì)算機(jī)連接的示教器來(lái)發(fā)布指令。

(2)計(jì)算：控制計(jì)算機(jī)是控制系統(tǒng)的核心部分，它通過(guò)獲得的示教信息形成一個(gè)使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制策略，然后再根據(jù)這個(gè)策略計(jì)算生成各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)。同時(shí)控制計(jì)算機(jī)還要擔(dān)負(fù)起對(duì)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的管理，采集并處理各種信息。

(3)伺服驅(qū)動(dòng)：將使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制策略通過(guò)控制算法獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可以滿足高速、高精度的要求，從而完成指定的任務(wù)指令。

(4)反饋：控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器獲取機(jī)器人任務(wù)過(guò)程中的位姿、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息，然后把這些信息反饋給控制計(jì)算機(jī)，使控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整控制策略。圖4-1機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理圖

1.按控制運(yùn)動(dòng)方式分類

(1)程序控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)是通過(guò)事先編寫(xiě)的固定程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)，其廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、裝配、點(diǎn)焊等作業(yè)，以及弧焊、噴涂機(jī)器人的輪廓控制作業(yè)。

(2)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器感知外界條件的變化，根據(jù)檢測(cè)到的信息不斷地給出后續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。這種系統(tǒng)的參數(shù)能隨著外界條件自動(dòng)改變。

(3)組合控制系統(tǒng)。組合控制系統(tǒng)是程序控制系統(tǒng)和自適應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)合，它利用已知的環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)程序控制，并且在執(zhí)行過(guò)程中還可根據(jù)外界條件的變化而改變控制過(guò)

程，以達(dá)到作業(yè)任務(wù)的速度和精度要求。

2.按控制系統(tǒng)信號(hào)類型分類

按控制系統(tǒng)信號(hào)類型的不同，機(jī)器人控制系統(tǒng)可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào)是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。例如，弧焊作業(yè)中對(duì)焊接電流的控制就是連續(xù)控制。相對(duì)應(yīng)的離散控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào)是離散的。通常，工業(yè)機(jī)器人的工作場(chǎng)景中既有連續(xù)的信息，又有離散的信息，可根據(jù)任務(wù)要求設(shè)定閾值來(lái)進(jìn)行兩類信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)這兩種控制。

3.按控制機(jī)器人的數(shù)目分類

根據(jù)控制機(jī)器人數(shù)目的不同，機(jī)器人控制系統(tǒng)可分為單機(jī)系統(tǒng)和群控系統(tǒng)。

單機(jī)系統(tǒng)是指控制系統(tǒng)僅對(duì)本機(jī)進(jìn)行控制的系統(tǒng)。群控系統(tǒng)是指同時(shí)控制多個(gè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。群控系統(tǒng)中每一個(gè)機(jī)器人也可有自己?jiǎn)为?dú)的控制系統(tǒng)，但這些獨(dú)立的控制系

統(tǒng)之間可以通信，或者接收總的控制系統(tǒng)的命令，使得所有機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

4.1.2機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能

根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景，機(jī)器人控制系統(tǒng)具有如下基本功能：

(1)示教

再現(xiàn)功能。

(2)坐標(biāo)設(shè)置功能。

(3)與外圍設(shè)備的聯(lián)系功能。

(4)位置伺服功能。

4.1.3機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制。

(2)運(yùn)動(dòng)描述復(fù)雜。

(3)具有較高的重復(fù)定位精度，系統(tǒng)剛性好。

(4)信息運(yùn)算量大。

(5)需要采用加(減)速控制。

4.1.4-機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

機(jī)器人控制系統(tǒng)是影響機(jī)器人性能的重要組件，其組成如圖4-2所示。

下面介紹該系統(tǒng)的主要組成部分。

(1)控制計(jì)算機(jī)：控制系統(tǒng)的核心部分，一般為計(jì)算機(jī)和可編程邏輯控制器(PLC)。

(2)示教盒(示教器)：又叫作示教編程器，其以串行通信方式與控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互，是機(jī)器人與人的交互接口。它具有對(duì)機(jī)器人手動(dòng)操縱控制、程序編寫(xiě)、參數(shù)設(shè)定以及

工作狀態(tài)監(jiān)控等功能。

(3)操作面板：由各種操作按鍵和狀態(tài)指示燈構(gòu)成，能夠完成基本功能操作。

(4)磁盤(pán)存儲(chǔ)：存儲(chǔ)工作程序中的各種信息數(shù)據(jù)。

(5)數(shù)字量和模擬量輸入/輸出接口：提供各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。

(6)打印機(jī)接口：可連接打印機(jī)，其作用是記錄機(jī)器人的各種輸出信息。

(7)傳感器接口：用于采集環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制等，并連接觸覺(jué)和視覺(jué)傳感器。

(8)伺服控制器：用于完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度的控制，例如圖4-2中的大臂伺服控制器、回轉(zhuǎn)伺服控制器、手腕伺服控制器。

(9)通信接口：用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。

(10)網(wǎng)絡(luò)接口：通常包括以太網(wǎng)(ethernet)接口和現(xiàn)場(chǎng)總線(fieldbus)接口。機(jī)器人可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)臺(tái)或單臺(tái)機(jī)器人與PC的通信。圖4-2機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成圖

4.1.5機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制方式

從機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能來(lái)看，其結(jié)構(gòu)主要包括外圍設(shè)備、控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、執(zhí)行器和傳感器，如圖4-3所示。圖4-3機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

1.集中控制

集中控制是指全部控制功能都由一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，其框圖如圖4-4所示。圖4-4-集中控制

2.主從控制

主從控制是指采用主、從兩級(jí)處理器(主CPU和從CPU)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等計(jì)算量大且性能要求高的任務(wù)，從

CPU只用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。這種控制方式能夠具有較好的實(shí)時(shí)性，適于高精度、高速度控制的作業(yè)場(chǎng)景，但這種控制方式的系統(tǒng)的擴(kuò)展性仍較差，維修困難。主從控制的架構(gòu)如圖4-5所示。圖4-4-集中控制

3.分布控制

分布控制是指將系統(tǒng)分成幾個(gè)模塊，每一個(gè)模塊有其自己的控制任務(wù)和控制策略，各模塊之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。這種控制方式的實(shí)時(shí)性好，易于實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)智能控制，是目前流行的控制方式。分布控制的思想是“分散控制，集中管理”，即系統(tǒng)可以對(duì)總體目標(biāo)和任務(wù)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過(guò)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來(lái)完成控制任務(wù)。在采用分布控制方式的系統(tǒng)中，子系統(tǒng)由控制器、不同被控對(duì)象或設(shè)備構(gòu)成，各個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等相互通信。分布控制通常采用兩級(jí)控制，其架構(gòu)如圖4-6所示。圖4-6分布控制

4.1.6機(jī)器人操作系統(tǒng)

由于機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求高，因此機(jī)器人操作系統(tǒng)一般采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)來(lái)保證實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以使某些具有時(shí)效性、實(shí)時(shí)性的任務(wù)優(yōu)先獲

得系統(tǒng)資源運(yùn)行起來(lái)?；趦?yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如圖4-7所示。圖4-7基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

機(jī)器人工作的主要任務(wù)包括機(jī)器人控制任務(wù)、過(guò)程控制任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)和系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)。機(jī)器人操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)管理這4種任務(wù)，以保證所有工作的完成，其運(yùn)行流程如圖4-8所示。圖4-8機(jī)器人操作系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖

1.VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是Tornado嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。機(jī)器人是對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的工業(yè)裝備，ABB、KUKA等公司均選用VxWorks作為主控制器操作系統(tǒng)。

2.WindowsCE

WindowsCE是美國(guó)微軟公司推出的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，與Windows系列有較好的兼容性。WindowsCE豐富的開(kāi)發(fā)資源對(duì)于在示教器等上進(jìn)行開(kāi)發(fā)具有較好的優(yōu)勢(shì)。例如，ABB等公司采用WindowsCE開(kāi)發(fā)示教器系統(tǒng)。

3.嵌入式Linux

由于Linux的源代碼是公開(kāi)的，因此人們可以任意修改，以滿足自己的需求。Linux系統(tǒng)大部分都遵從GPL協(xié)議(CNU通用公共許可協(xié)議)，是開(kāi)放源代碼和免費(fèi)的，用戶可以定制屬于用戶自己的系統(tǒng)；有龐大的開(kāi)發(fā)人員群體，無(wú)需專門(mén)的人才，開(kāi)發(fā)人員只要懂Unix/Linux和C語(yǔ)言即可；支持的硬件數(shù)量龐大。眾多中小型機(jī)器人公司和科研院所選擇Linux作為機(jī)器人操作系統(tǒng)。

4.μC/OS-Ⅱ

μC/OS-Ⅱ是著名的源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，可用于8位、16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。它的主要特點(diǎn)是公開(kāi)源代碼，可固化，占先式內(nèi)核，可移植性、可裁剪性、可確定性好等。該系統(tǒng)在教學(xué)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人科研等領(lǐng)域得到較多的應(yīng)用。

4.2機(jī)器人的控制方式4.2.1機(jī)器人的伺服控制

1.伺服控制系統(tǒng)伺服控制是機(jī)器人控制的基礎(chǔ)，它是位置控制和速度控制的載體。機(jī)器人一般采用交流伺服系統(tǒng)作為執(zhí)行單元來(lái)完成機(jī)器人特定的軌跡運(yùn)動(dòng)。伺服控制系統(tǒng)一般包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器接受上位控制器指令并將其處理后發(fā)送至伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)自帶的編碼器發(fā)送反饋信號(hào)至伺服驅(qū)動(dòng)器，形成伺服控制系統(tǒng)。機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)實(shí)物如圖4-9所示。圖4-9機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)實(shí)物圖

2.伺服控制的基本流程

機(jī)器人的控制方式有不同的分類，按被控對(duì)象不同可分為位置控制、速度控制、加速控制、力控制、力矩控制等，而實(shí)現(xiàn)位置控制是機(jī)器人的基本控制任務(wù)。我們一般關(guān)注的是機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡和位置，由于機(jī)器人由多個(gè)關(guān)節(jié)組成，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都會(huì)影響末端執(zhí)行器的位置，因此，控制機(jī)器人末端執(zhí)行器完成作業(yè)要求的軌跡時(shí)必須考慮各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。

3.獨(dú)立單關(guān)節(jié)伺服控制

已知機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程為

圖4-10單關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假設(shè)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)特性忽略不計(jì)，各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力τi可直接給出，這是最簡(jiǎn)單的一種伺服系統(tǒng)，即

式中，Kpi是比例增益，Kvi是速度反饋增益。對(duì)于所有的關(guān)節(jié)，可使用矩陣表示成

式中，Kp

是比例增益矩陣，Kv

是速度反饋增益矩陣。

但現(xiàn)實(shí)中，因?yàn)闄C(jī)器人的關(guān)節(jié)并不是嚴(yán)格的單輸入單輸出系統(tǒng)，所以需要考慮關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)中的慣性系數(shù)和速度項(xiàng)的動(dòng)態(tài)耦合造成的影響。一般來(lái)說(shuō)，采用式(4-3)時(shí)會(huì)把耦合當(dāng)作外部干擾進(jìn)行處理，但這種處理方式無(wú)法消除重力的影響，在靜止?fàn)顟B(tài)下，機(jī)器人受重力影響的定常偏差矢量e=qd-q=Kp-1G(q)。若要使定常偏差為零，則需要在式(4-3)中加入積分項(xiàng)，即

式中，Ki

為積分環(huán)節(jié)增益矩陣。式(4-4)為典型的PID控制。

過(guò)去，機(jī)器人采用模擬電路構(gòu)成伺服控制系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)更多使用數(shù)字電路，采用數(shù)字電路的伺服控制系統(tǒng)也稱為軟件伺服。軟件伺服可

以進(jìn)行更精細(xì)的控制，調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)的增益

Kpi和Kvi，可獲得機(jī)器人在不同姿態(tài)所期望的相應(yīng)特性。在式(4-3)中增加重力項(xiàng)，可以直接進(jìn)行重力項(xiàng)補(bǔ)償，即

4.作業(yè)坐標(biāo)伺服控制

關(guān)節(jié)伺服控制方式簡(jiǎn)單，是機(jī)器人常用的控制方式。但在很多場(chǎng)合中，需要把機(jī)器人從某點(diǎn)沿直線運(yùn)動(dòng)至另一點(diǎn)，這種情況下需要直接給定機(jī)器人的末端位姿，這時(shí)我們把機(jī)器人末端執(zhí)行器位置矢量r作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)值。機(jī)器人的關(guān)節(jié)位移q和r的關(guān)系可表示為

把機(jī)器人末端執(zhí)行器位置矢量r作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)值，記作rd。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器人可以直接把rd

本身作為目標(biāo)值來(lái)構(gòu)成伺服控制系統(tǒng)。由于在很多情況下，末端執(zhí)行器位置矢量r是用固定于控件內(nèi)的某一個(gè)作業(yè)坐標(biāo)系來(lái)描述的，因此把以rd

為目標(biāo)值的伺服控制系統(tǒng)稱為作業(yè)坐標(biāo)伺服控制系統(tǒng)，如圖4-11所示。圖4-11作業(yè)坐標(biāo)伺服控制

若采用式(4-9)，則f的旋轉(zhuǎn)力分量就變成從直覺(jué)上容易理解的繞三維空間內(nèi)的軸旋轉(zhuǎn)的力矩矢量。這樣，作業(yè)坐標(biāo)伺服控制器可表示為

式(4-10)中機(jī)器人末端現(xiàn)在的位置姿態(tài)r的值可根據(jù)現(xiàn)在的關(guān)節(jié)位移q

的值由正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求得。若考慮重力項(xiàng)補(bǔ)償項(xiàng)，參考之前的控制器可得

4.2.2機(jī)器人的位置控制

機(jī)器人位置控制的目的是使機(jī)器人各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)預(yù)先所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)，最終保證機(jī)器人末端執(zhí)行器沿預(yù)定的軌跡運(yùn)行。機(jī)器人的位置控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩類，如圖4-12所示。圖4-12位置控制

1.點(diǎn)位控制

點(diǎn)位控制用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的位置控制，使機(jī)器人由一個(gè)給定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)給定點(diǎn)。點(diǎn)位控制不關(guān)心點(diǎn)與點(diǎn)之間的軌跡。因此，該控制方式的特點(diǎn)是只控制機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿?？刂茣r(shí)只要求機(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(duì)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡則不作規(guī)定。

2.連續(xù)軌跡控制

連續(xù)軌跡控制用于指定點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡所要求的曲線，如直線或圓弧。這種控制方式的特點(diǎn)是連續(xù)地控制機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿，使其嚴(yán)格按照預(yù)先設(shè)

定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，速度可控、軌跡光滑、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，從而完成作業(yè)任務(wù)。在用機(jī)器人進(jìn)行弧焊、噴漆、切割等作業(yè)時(shí)，應(yīng)選用連續(xù)軌跡控制方式。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是機(jī)器人末端執(zhí)行器的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。

當(dāng)使用示教盒進(jìn)行連續(xù)軌跡控制時(shí)，一般只需記錄運(yùn)動(dòng)軌跡上的特征點(diǎn)和曲線類型，示教再現(xiàn)時(shí)則在這些特征點(diǎn)之間使用圓弧或直線插補(bǔ)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的密化，再將密化后的數(shù)據(jù)輸出給伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，這種方式需要記錄的軌跡特征點(diǎn)較少，運(yùn)動(dòng)軌跡的修正也更簡(jiǎn)單靈活。插補(bǔ)算法如圖4-13所示。圖4-13插補(bǔ)算法

4.2.3機(jī)器人的速度控制

在某些作業(yè)中并不指定機(jī)器人末端的位姿，而命令機(jī)器人從當(dāng)前位置向某個(gè)方向移動(dòng)，又或者當(dāng)機(jī)器人采用位置控制時(shí)，如何平穩(wěn)、準(zhǔn)確地到達(dá)指定坐標(biāo)，這就需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行速度控制，使機(jī)器人按預(yù)定的指令控制運(yùn)動(dòng)部件的速度，以滿足運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確的要求。由于機(jī)器人是一種工作情況多變、慣性負(fù)載大的運(yùn)動(dòng)機(jī)械，要處理好快速與平穩(wěn)的矛盾，必須控制啟動(dòng)時(shí)的加速和停止前的減速這兩個(gè)過(guò)渡運(yùn)動(dòng)區(qū)段。而在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，速度控制通常情況下也是必需的。通常，機(jī)器人的行程會(huì)遵循一定的速度變化曲線，如圖4-14所示。圖4-14-機(jī)器人行程的速度變化曲線

1.加減速曲線特性分析

為了使機(jī)器人更快、更精確、更穩(wěn)定地從起始點(diǎn)到達(dá)目的點(diǎn)，啟動(dòng)和停止時(shí)的運(yùn)動(dòng)必須是平緩的，不能有運(yùn)動(dòng)上的突變行為，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線也必須進(jìn)行精確控制。機(jī)器人的最大速度是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，在質(zhì)量一定的情況下，由物理知識(shí)可知，速度越大，機(jī)器人的動(dòng)量也就越大，因此在滿足要求的情況下應(yīng)該盡量減小最大速度。

2.加減速控制分析

加減速控制曲線可以分為梯形加減速曲線、多項(xiàng)式插補(bǔ)曲線、三角函數(shù)加減速曲線，其中梯形加減速曲線是機(jī)器人最常用且最基本的軌跡曲線，用于實(shí)現(xiàn)平滑的加速和減速過(guò)程，以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的目的。

梯形加減速曲線的特點(diǎn)：其加速度曲線是連續(xù)的，由加速段、等速段和減速段曲線構(gòu)成，但是它使用的是勻加減速，在加減速的起點(diǎn)和終點(diǎn)處存在加速度突變，使得加速、等速、減速等階段無(wú)法平滑過(guò)渡，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人系統(tǒng)遭受嚴(yán)重的沖擊而造成抖動(dòng)，影響精度。因此，梯形加減速曲線通常用于低速、低精度的運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程。

多項(xiàng)式插補(bǔ)曲線的特點(diǎn)：能夠生成速度與加速度曲線都連續(xù)的平滑曲線，可以避免運(yùn)動(dòng)時(shí)的突變或抖動(dòng)。但當(dāng)多項(xiàng)式次數(shù)較低時(shí)速度曲線或加速度曲線的平滑度不夠，與預(yù)想

軌跡差距較大。用高階多項(xiàng)式處理時(shí)，CPU計(jì)算的復(fù)雜度也隨之增加，最大速度和最大加速度也會(huì)加大，給電機(jī)控制帶來(lái)難度。

三角函數(shù)加速度曲線的特點(diǎn)：其加減速過(guò)程的速度變化量與時(shí)間的余弦成正比，加速度的變化是光滑、連續(xù)的，使得機(jī)器人加減速動(dòng)作比較柔和，但是在起始與終止位置不能夠無(wú)誤差連接，存在加速度突變，會(huì)造成機(jī)器人啟動(dòng)和停止時(shí)的大幅度抖動(dòng)，降低系統(tǒng)性能，同時(shí)帶來(lái)安全上的隱患。

圖4-15機(jī)器人速度控制伺服系統(tǒng)

4.2.4-機(jī)器人的力控制

如果機(jī)器人能夠利用力反饋信息，主動(dòng)采用一定的策略去控制作用力，那么稱這種控制為主動(dòng)柔順控制，如圖4-16(a)所示。

如果機(jī)器人憑借輔助的柔順機(jī)構(gòu)在與環(huán)境接觸時(shí)能夠?qū)ν獠孔饔昧ψ匀坏仨槒模敲捶Q這種控制為被動(dòng)柔順控制，如圖4-16(b)所示。圖4-16主動(dòng)柔順控制與被動(dòng)柔順控制

4.3典型機(jī)器人控制系統(tǒng)

4.3.1ABB

1988年，ABB公司由瑞典的阿西亞公司(ASEA)和瑞士的布朗勃法瑞公司(BBCBrownBoveri)合并而成，如今其總部位于瑞士，ABB的核心技術(shù)之一是業(yè)界一流的機(jī)器人控制系統(tǒng)。ABB公司生產(chǎn)的機(jī)器人容易跟周邊設(shè)施和現(xiàn)有的生產(chǎn)線集成在一起，ABB機(jī)器人大部分用于焊接、噴涂及搬運(yùn)。

4.3.2FANUC

1956年，日本發(fā)那科(FANUC)公司由數(shù)控系統(tǒng)起家，1971年成為世界最大的數(shù)控系統(tǒng)制造商，市場(chǎng)份額高達(dá)70%。隨后，F(xiàn)ANUC公司于1974年開(kāi)始進(jìn)行機(jī)器人的研發(fā)?，F(xiàn)如今，F(xiàn)ANUC形成了工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)床和機(jī)器人三大業(yè)務(wù)協(xié)同發(fā)展的業(yè)務(wù)模式。FANUC機(jī)器人控制系統(tǒng)在控制原理上與其他品牌的機(jī)器人控制系統(tǒng)差別不大，但其組成結(jié)構(gòu)有自己的特點(diǎn)，比較符合亞洲人的使用習(xí)慣。

FANUC機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

(1)采用32位CPU控制，以提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)和坐標(biāo)變換的運(yùn)算速度；

(2)采用64位數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)單元，同步控制6軸運(yùn)動(dòng)，以提升運(yùn)動(dòng)精度；

(3)支持離線編程技術(shù)，技術(shù)人員可通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)程序；

(4)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)集成化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，易于維護(hù)保養(yǎng)。

4.3.3安川

安川電機(jī)創(chuàng)立于1915年，由伺服電機(jī)起家。安川公司有自己的伺服控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品，并且其技術(shù)水平也是一流水準(zhǔn)，其機(jī)器人的總體技術(shù)方案與發(fā)那科的非常相似，

機(jī)械設(shè)計(jì)、伺服控制系統(tǒng)和控制器都由自家公司完成。MOTOMANUP6是安川公司MOTOMAN系列機(jī)器人的一種，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用專用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。這個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)伺服控制、操作臺(tái)和示教編程器控制、顯示服務(wù)、自診斷、I/O通信控制、坐標(biāo)變換、插補(bǔ)計(jì)算、自動(dòng)加速和減速計(jì)算、位置控制、軌跡修正、平滑控制原點(diǎn)和減速點(diǎn)開(kāi)關(guān)位置檢測(cè)、反饋信號(hào)同步等功能。

4.3.4-庫(kù)卡(KUKA)

KUKA公司于1898年在德國(guó)成立，是世界領(lǐng)先的工業(yè)機(jī)器人制造商之一。得益于德國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，庫(kù)卡由焊接設(shè)備起家，如今它的業(yè)務(wù)主要集中在機(jī)器人本體、系統(tǒng)集

成、焊接設(shè)備和物流自動(dòng)化等方面。KUKA是四大家族中最“軟”的機(jī)器人廠商，其最新的控制系統(tǒng)KRC4使用了基于x86的硬件平臺(tái)，運(yùn)行“VxWorks+Windows”系統(tǒng)，把能軟件化的功能全部用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括伺服控制(servocontrol)、安全管理、軟PLC(softPLC)等，如圖4-17所示。圖4-17KUKA控制系統(tǒng)

4.3.5國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)

1.新松SRCC5等系列控制系統(tǒng)

新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司是中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)前10名的核心牽頭企業(yè)，新松SRCC5是其新一代機(jī)器人智能控制系統(tǒng)，有如下特點(diǎn)：

(1)支持虛擬仿真、