第2章机器人基本控制方法（TheBasicControlStrategyofRobot）机器人控制系统的结构和工作原理轨迹控制机器人的力控制§2.1机器人控制系统的结构和工作原理(TheStructureandPrincipleofRobotControlSystem)一、机器人系统机构本体(Mechanism)控制系统(ControlSystem)控制系统的作用是根据用户的指令对机构本体进行操作和控制，完成作业的各种动作。下面通过PUMA机器人来说明机器人的控制系统:PUMA机器人是美国Unimation公司于20世纪70年代末推出的商品化工业机器人。有多个系列的产品，每个系列产品都有腰旋转、肩旋转、肘旋转和手腕的回转、弯曲和旋转轴，构成六自由度的开链式机构。具有速度快、精度高、灵活精巧、编程控制容易等特点，广泛应用，PUMA机器人控制器采用逆运算机分级控制结构，使用VAL机器人编程言。二、PUMA-562控制器硬件配置及结构(Hardware)PUMA-562控制器为多CPU两级控制结构上位计算机采用Q-Bus总线作为系统总线上位计算机配有64kBRAM内存，两块四串口板，一块I/O并行接口板，与下位机通信的A接口板与上位机联接的I/O设备有CRT显示器和键盘、示教盒、软盘驱动器，通过串口板还可接入视觉传感器、高层监控计算机、实时路径修正控制计算机接口板A、B是上下位机通们的桥梁。上位机经过A、B接口板向下位机发送命令和读取下位机信息。A板插在上位机的Q-Bus总线上，B板插在下位机的J-Bus总线上，A、B接口板之间通过扁平信号电缆通信。B板上有一个A/D转换器，用于读取B接口板传递的各关节电位器信息，电位器用于各关节绝对位置的定位。下位计算机系统:由六块以6503CPU为核心的单板机组成，每块板负责一个关节的驱动，构成6个独立的数字伺服控制回路。下位机的每块单板机上都有一个D/A转换器，其输出分别接到6块功率放大器板的输入端。功率放大器输出与6台直流伺服电机相接。三、PUMA-562控制器软件系统的工作原理(Software)PUMA-562控制器软件上位机软件：系统编程软件下位机软件：伺服软件系统软件提供软件系统的各种系统定义、命令、语言及其编译系统。系统软件针对各种运动形式的轨迹规划，坐标变换，完成以28ms时间间隔的轨迹插补点的计算、与下位机的信息交换、执行用户编写的VAL语言机器人作业控制程序、示教盒信息处理、机器人标定、故障检测及异常保护等。PUMA-562控制系统下位机软件驻留在下位单片机的EPROM中。伺服控制关节的运动。PUMA机器人仍然采用PID控制。§2.2轨迹控制(TheRobotTrajectoryControl)路径：机械手由初始点(位置和姿态)运动到终止点，经过的空间曲线。规划直角坐标空间关节空间轨迹控制解决的问题轨迹的给定如何高精度地跟踪轨迹一、示教再现方式(Teach-replay)示教使机器人手臂运动的方法用示教盒上的控制按钮直接用手抓住机器人手部使其手端按目标轨迹运动轨迹再现方式点位控制(PTP)连续路径控制(CP)二、数控方式(NumericalControl)数控方式是把目标轨迹用数值数据的形式给出。要求轨迹平滑;位置、速度及加速度的连续性由于机器人手端的位移、速度及加速度与关节变量间不是线性关系，通过生成平滑的关节轨迹不能保证生成平滑的手端路径，因此有必要首先直接生成手端的平滑路径，然后根据运动学逆问题求解关节位移、速度及加速度变化规律。§2.3机器人的力控制(TheForceControlofRobots)位置控制和力控制融合在一起的控制问题就是位置和力混合控制问题，例：擦玻璃、拧螺丝、转动曲柄力控制是在正确的位置控制基础上进一步的控制内容。一、作业约束与力控制自然约束：当机器人手端（常为机器人乎臂端部安装的工具）与环境（作业对象）接触时，环境的几何特性构成对作业的约束自然位置约束：当手部与固定刚性表面接触时，不能自由穿过这个表面(在法线方向)自然力约束：若这个表面是光滑的，则不能对手施加沿表面切线方向的力(在切线方向)二、例：插销入孔的控制a）自然约束力：F=0人为约束：(产生一个沿Z轴向下的运动)V=00vz000Tvz为竖直向下的速度b）自然约束：vz=0ωx=0ωy=0fx=0fy=0τz=0人为约束：vx=0vy=vhωz=0fz=fjτx=0τy=0在平面上滑动为保持与平面接触所需要的小的正压力。fj为销子对平面的正压力，vh为销的滑动速度。当检测到沿Z的速度，表明销子进入孔中。c、自然约束：vx=0vy=0ωx=0ωy=0fz=0τz=0人为约束：vz=vcωz=0fx=0fy=0τx=0τy=0Vc为销子插入孔中的速度自然约束发生变化的情况总是通过对一些量的检测发现的．而检测量并不是受控量；手部的位置控制是沿着有自然力约束的方向；手部的力控制是沿着有自然位置约束的方向。三、作业约束与力控制的总结四、顺应控制(ApplianceControl)分为主动式顺应控制被动式顺应控制五、刚性控制(RobustControl)位置和力混合控制系统的特点：是位置和力是独立控制的以及控制规律是以关节坐标给出的。但当作业环境的约束给出后，在实际环境约束中有不确定的部分，就可能出现控制不稳定的危险。例如，在理应有约束的方向上没有约束时，由于按照作用力保持一定进行控制，就有失控的危险；在理应没有约束的方向上出现了约束时，由于位置控制而产生过大的力。刚性控制就是为了解决此类问题而产生的。刚性控制是将位置和力联合起来进行控制，即在纯粹的位置控制和力控制之问采用能实现弹簧特性的控制，并用作业坐标系表示控制规律。F=Ksp(xd-x)F―作业坐标系中的力向量；xd―作业坐标系中的目标位置向量；x一作业坐标系中的当前位置向量；Ksp一作业坐标系中的位置反馈增益，即弹簧常数。若考虑稳定性和速度控制，可增加阻尼特性的控制．则：F=Ksp(xd-x)+Ksd(xd-x)Ksd一作业坐标系中的速度反馈增益，即阻尼常数
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