第7章-機器人的控制系統(tǒng)-機器人驅(qū)動控制器

機器人的控制系統(tǒng)——機器人的驅(qū)動控制機器人的驅(qū)動控制機器人驅(qū)動按照動力源分類有兩種不同類型：電機和氣液驅(qū)動。機器人中常用的電機分為有刷直流電機、無刷直流電機、永磁同步電機、步進電機等。在類人機器人和小型機器人中，由于價格便宜，定位精度高，直流電機以及無刷直流電機最為常見。工業(yè)機器人和數(shù)控機床都采用三相電機。這種電機在機器人經(jīng)常進行相同運動的自動化系統(tǒng)中是首選，如旋轉(zhuǎn)臂，機器人中的現(xiàn)代液壓驅(qū)動像人造肌肉一樣工作。機器人的驅(qū)動控制——常用運動學(xué)構(gòu)形由橡膠軟管、抗拉纖維和保護環(huán)組成的人造肌肉幾種常見的機械臂及應(yīng)用機器人的驅(qū)動控制——常用運動學(xué)構(gòu)形球面坐標(biāo)型操作臂圓柱面坐標(biāo)型操作臂原理圖閉環(huán)結(jié)構(gòu)選擇順應(yīng)性裝配機器手臂球面坐標(biāo)型操作臂機器人的驅(qū)動控制——主要技術(shù)參數(shù)機器人的技術(shù)參數(shù)反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設(shè)計、應(yīng)用機器人必須考慮的問題。機器人的主要技術(shù)參數(shù)有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。（1）自由度機器人具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目。機器人的自由度是指確定機器人手部在空間的位置和姿態(tài)時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。手指的開、合，以及手指關(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi)。機器人的自由度數(shù)一般等于關(guān)節(jié)數(shù)目。機器人常用的自由度數(shù)一般不超過5～6個。機器人的驅(qū)動控制——主要技術(shù)參數(shù)（2）關(guān)節(jié)各種運動副在機械臂上的應(yīng)用機器人常見的運動副列表機器人的驅(qū)動控制——主要技術(shù)參數(shù)（3）工作空間（4）工作速度（7）精度（5）工作載荷（6）分辨率機器人的驅(qū)動控制——機器人驅(qū)動方式驅(qū)動概念：要使機器人按照要求運行起來，需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置。作用：提供機器人各部位、各關(guān)節(jié)動作的原動力。驅(qū)動系統(tǒng)：可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動，或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接驅(qū)動。各類驅(qū)動方式的優(yōu)缺點機器人的驅(qū)動控制——機器人驅(qū)動方式液壓和氣壓傳動在機器人中的應(yīng)用液壓錘氣動機械臂機器人的驅(qū)動控制——常見的傳動機構(gòu)同步皮帶圓柱齒輪齒輪齒條滾珠絲杠諧波齒輪諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個主要零件組成，一般剛性齒輪固定，諧波發(fā)生器驅(qū)動柔性齒輪旋轉(zhuǎn)。

斜齒輪錐齒輪蝸輪蝸桿行星輪系機器人的驅(qū)動控制——驅(qū)動控制系統(tǒng)驅(qū)動控制是使被控對象（末端執(zhí)行器）產(chǎn)生控制者所期望的行為方式，控制的基本條件是了解被控對象的特性，這樣才能準(zhǔn)確制定控制方案。驅(qū)動控制的實質(zhì)是對驅(qū)動器輸出力矩的控制，進而達(dá)到使機械臂或行走機構(gòu)等裝置按照設(shè)定或機器人自行學(xué)習(xí)所得到期望目標(biāo)進行運動。機器人的驅(qū)動控制——驅(qū)動控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)特點①機器人驅(qū)動控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個非線性變化的系統(tǒng)。②機器人控制系統(tǒng)是由多關(guān)節(jié)組成的一個多變量控制系統(tǒng)，且各關(guān)節(jié)間具有合作用。③機器人系統(tǒng)是一個時變系統(tǒng)，其動力學(xué)參數(shù)隨著關(guān)節(jié)運動位置的變化而變化。④較高級的智能機器人還能對環(huán)境條件、控制指令進行測定和分析，自動選擇最佳控制規(guī)律。機器人控制系統(tǒng)的基本要求①多軸運動的協(xié)調(diào)控制，以產(chǎn)生要求的工作軌跡。②較高的位置精度，很大的調(diào)速范圍。③系統(tǒng)的靜差率要小，即要求系統(tǒng)具有較好的剛性。④不增加阻尼的情況下，位置無超調(diào)，動態(tài)響應(yīng)快。⑤需用加減速控制。⑥各關(guān)節(jié)的速度誤差系數(shù)應(yīng)盡量一致。⑦從操作的角度看，要求控制系統(tǒng)具有良好的人機界面，盡量降低對操作者的要求。⑧從系統(tǒng)的成本角度看，要求盡可能地降低系統(tǒng)的硬件成本，采用軟件來完善控制系統(tǒng)的性能。機器人的驅(qū)動控制——驅(qū)動控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)的功能要求①記憶功能②示教功能③與外圍設(shè)備聯(lián)系功能④坐標(biāo)設(shè)置功能⑤人機接口⑥傳感器接口⑦位置伺服功能⑧故障診斷安全保護功能驅(qū)動系統(tǒng)的示教示教再現(xiàn)機器人是一種可重復(fù)再現(xiàn)通過示教編程存儲起來的作業(yè)程序的機器人，其基本結(jié)構(gòu)，是由機器人本體、執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)、示教盒等部分組成。機器人的驅(qū)動控制——驅(qū)動控制系統(tǒng)機器人驅(qū)動控制系統(tǒng)的分類（1）按照有無反饋分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；輸入量或中間變量前向傳輸，稱為前饋控制或預(yù)測控制。（2）按照期望控制量分位置控制、力控制和混合控制。（3）按智能化的控制方式分類模糊控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制以及其他。機器人的位置控制系統(tǒng)機器人的驅(qū)動控制——驅(qū)動控制系統(tǒng)機器人的驅(qū)動控制——運動控制的信號檢測機器人傳感系統(tǒng)特點（1）感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。（2）智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。（3）體積小、重量輕，抗干擾能力強，對體積和安裝方向的要求非常高。（4）對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。（5）具有十分強的行為限制要求，傳感器需要測量出機器人的行為軌跡，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)和計算結(jié)果限定其行動范圍和機械臂的動作規(guī)律。機器人的驅(qū)動控制——運動控制的信號檢測機器人位置檢測旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測器把光脈沖轉(zhuǎn)化成二進制波形。軸的轉(zhuǎn)角通過計算脈沖數(shù)得到，轉(zhuǎn)動方向由兩個方波信號的相對相位決定。感應(yīng)同步器輸出兩個模擬信號——軸轉(zhuǎn)角的正弦信號和余弦信號。軸的轉(zhuǎn)角由這兩個信號的相對幅值計算得到。感應(yīng)同步器一般比編碼器可靠，但它的分辨率較低。電位計是最直接的位置檢測形式。它連接在電橋中，能夠產(chǎn)生與軸轉(zhuǎn)角成正比的電壓信號。但是，由于分辨率低、線性不好以及對噪聲敏感。激光雷達(dá)傳感器是目前比較主流的一種，可用于機器人導(dǎo)航和回避障礙物，對射式位置（距離）傳感器的工作原理示意圖。機器人的驅(qū)動控制——運動路徑規(guī)劃與控制路徑規(guī)劃技術(shù)是機器人研究領(lǐng)域的一個重要分支。最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個或某些優(yōu)化準(zhǔn)則（如工作代價最小、行走路線最短、行走時間最短等），在機器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。移動機器人路徑規(guī)劃技術(shù)大概分為以下4類：模板匹配路徑規(guī)劃技術(shù)、人工勢場路徑規(guī)劃技術(shù)、地圖構(gòu)建路徑規(guī)劃技術(shù)和人工智能路徑規(guī)劃技術(shù)。機器人的驅(qū)動控制——運動路徑規(guī)劃與控制模板匹配方法是將機器人當(dāng)前狀態(tài)與過去經(jīng)歷相比較，找到最接近的狀態(tài)，修改這一狀態(tài)下的路徑，便可得到一條新的路徑。即首先利用路徑規(guī)劃所用到的或已產(chǎn)生的信息建立一個模板庫，庫中的任一模板包含每一次規(guī)劃的環(huán)境信息和路徑信息，這些模板可通過特定的索引取得；隨后將當(dāng)前規(guī)劃任務(wù)和環(huán)境信息與模板庫中的模板進行匹配，以尋找出一個最優(yōu)匹配模板；然后對該模板進行修正，并以此作為最后的結(jié)果。但該方法的致命缺陷是依賴機器人的過去經(jīng)驗，如果案例庫中沒有足夠的路徑模板，就可能找不到與當(dāng)前狀態(tài)相匹配的路徑；同時該方法主要針對靜態(tài)環(huán)境的路徑規(guī)劃，一旦環(huán)境動態(tài)變化，則較難找到匹配的路徑模板。這些不足嚴(yán)重限制了模板匹配路徑規(guī)劃技術(shù)的深入研究與推廣應(yīng)用，因此模板匹配要具有足夠匹配的案例(路徑)及對環(huán)境變化的適應(yīng)性。機器人的驅(qū)動控制——運動路徑規(guī)劃與控制模板匹配的基本原理是利用已知的樣本模板與待匹配圖像進行對比；從待匹配圖像的左上角點開始，用樣本模板和待匹配圖像中同樣大小的一塊區(qū)域去對比，求出其相關(guān)系數(shù)，然后平移到下一個像素，重復(fù)進行同樣的操作，直到樣本模板對比完所有的區(qū)域，相關(guān)系數(shù)最大的那塊區(qū)域就是要找物體圖像所在的區(qū)域。為了提高模板匹配路徑規(guī)劃技術(shù)對環(huán)境變化的適應(yīng)性，部分學(xué)者提出了將模板匹配與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法。機器人的驅(qū)動控制——運動路徑規(guī)劃與控制人工勢場路徑規(guī)劃技術(shù)人工勢場路徑規(guī)劃技術(shù)的基本思想是將機器人在環(huán)境中的運動視為一種機器人在虛擬的人工受力場中的運動。障礙物對機器人產(chǎn)生斥力，目標(biāo)點對機器人產(chǎn)生引力，引力和斥力的合力作為機器人的控制力，從而控制機器人避開障礙物而到達(dá)目標(biāo)位置。早期人工勢場路徑規(guī)劃研究是一種靜態(tài)環(huán)境的人工勢場，即將障礙物和目標(biāo)物均看成是靜態(tài)不變的，機器人僅根據(jù)靜態(tài)環(huán)境中障礙物和目標(biāo)物的具體位置規(guī)劃運動路徑，不考慮它們的移動速度。該方法存在的主要問題是假設(shè)機器人的軌跡總是已知的，但這一點在現(xiàn)實世界中難以實現(xiàn)，需要將障礙物的速度參量引入到斥力勢函數(shù)的構(gòu)造中，制定動態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃策略。機器人的驅(qū)動控制——運動路徑規(guī)劃與控制人工勢場路徑規(guī)劃技術(shù)機器人的驅(qū)動控制——運動路徑規(guī)劃與控制地圖構(gòu)建路徑規(guī)劃技術(shù)地圖構(gòu)建路徑規(guī)劃技術(shù)，是按照機器人自身傳感器搜索的障礙物信息，將機器人周圍區(qū)域劃分為不同的網(wǎng)格空間（如自由空間和限制空間等），計算網(wǎng)格空間的障礙物占有情況，再依據(jù)一定規(guī)則確定最優(yōu)路徑，地圖構(gòu)建又分為路標(biāo)法和柵格法，也稱單元分解法。路標(biāo)法是構(gòu)造一幅由標(biāo)志點和連接邊線組成的機器人可行進路徑圖，如可視線方法、切線圖方法、Voronoi圖方法和概率圖展開法等。機器人的驅(qū)動控制——運動路徑規(guī)劃與控制柵格法是將機器人周圍空間分解為相互連接且不重疊的空間單元；柵格（cell），由這些柵格構(gòu)成一個連通圖，依據(jù)障礙物占有情況，在此圖上搜索一條從起始柵格到目標(biāo)柵格無碰撞的最優(yōu)路徑。這其中根據(jù)柵格處理方法的不同，又分為精確柵格法和近似柵格法，后者也稱概率柵格法。機器人的驅(qū)動控制——運動路徑規(guī)劃與控制人工智能路徑規(guī)劃技術(shù)地圖構(gòu)建路徑規(guī)劃技術(shù)，是按照機器人自身傳感器搜索的障礙物信息，將機器人周圍區(qū)域劃分為不同的網(wǎng)格空間（如自由空間和限制空間等），計算網(wǎng)格空間的障礙物占有情況，再依據(jù)一定規(guī)則確定最優(yōu)路徑，地圖構(gòu)建又分為路標(biāo)法和柵格法，也稱單元分解法。路標(biāo)法是構(gòu)造一幅由標(biāo)志點和連接邊線組成的機器人可行進路徑圖，如可視線方法、切線圖方法、Voronoi圖