1.3.4 机器人的控制系统

1．机器人的控制方式

（1）机器人手部在空间的运动方式

按照机器人手部在空间的运动方式，机器人的控制方式分为点位式和轨迹式。

1）点位式。

很多机器人要求能准确地控制末端执行器的工作位置，而路径却无关紧要。例如，在印制电路板上安插元件以及进行点焊、装配等工作，都属于点位式工作方式。一般来说这种方式比较简单，但是要达到2～3μm的定位精度也是相当困难的。

这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间。常常被应用在上下料、搬运、点焊或在电路板上插接元器件等定位精度要求不高，且只要求机器人在目标点处保持手部具有准确位姿的作业中。

2）轨迹式。

在很多工作中，要求机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运动。如果偏离预定的轨迹和速度，就会使产品报废。其控制方式类似于控制原理中的跟踪系统，可称之为轨迹伺服控制。其特点是连续地控制机器人手部在作业空间中的位姿，要求其严格按照预定的路径和速度在一定的精度范围内运动。

这种控制方式的主要技术指标是机器人手部位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业的机器人都采用这种控制方式。

有的机器人在设计控制系统时，上述两种控制方式都具有，如对进行装配作业的机器人的控制等。

（2）机器人控制反馈方式

按照机器人控制反馈方式，机器人的控制方式分为非伺服型控制方式和伺服型控制方式。

非伺服型控制方式是指未采用反馈环节的开环控制方式。在这种控制方式下，机器人作业时严格按照在进行作业之前预先编制的控制程序来控制机器人的动作顺序，在控制过程中没有反馈信号，不能对机器人的作业进展及作业的质量进行监测，因此，这种控制方式只适用于作业相对固定、作业程序简单、运动精度要求不高的场合，它具有节省费用，操作、安装、维护简单的优点。

伺服型控制方式是指采用了反馈环节的闭环控制方式。这种控制方式的特点是在控制过程中采用内部传感器连续测量机器人的关节位移、速度、加速度等运动参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服控制。

如果是适应型或智能型机器人的伺服控制，则增加了机器人用外部传感器对外界环境的检测，使机器人对外界环境的变化具有适应能力，从而构成总体闭环反馈的伺服控制方式。

（3）控制命令来源

按照机器人的控制命令来源不同，机器人的控制方式分为程序控制方式、自适应控制方式、智能控制方式和其他控制方式。

程序控制方式：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。

自适应控制方式：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。

智能控制方式：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。它能以一定方式理解人的命令、感知周围的环境、识别操作的对象，并自行规划操作顺序以完成赋予的任务，这种机器人更接近人的某些智能行为。

其他控制方式：基于传感器的控制、非线性控制、分解加速度控制、滑模控制、最优控制、自适应控制、递阶控制等。

2．机器人的控制功能

机器人的控制功能就是对机器人工作过程中的动作顺序、位置、姿态、路径、动作时间以及末端执行器施加的力和力矩等进行控制。

（1）示教再现功能

示教再现功能是指示教人员将机器人作业的各项运动参数预先教给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统的记忆装置就将所教的操作过程自动地记录在存储器中。当需要机器人工作时，机器人的控制系统就调用存储器中存储的各项数据，使机器人再现示教过的操作过程，由此机器人即可完成要求的作业任务。

机器人的示教再现功能易于实现，编程方便，在机器人的初期得到了较多的应用。

（2）运动控制功能

运动控制功能是指通过对机器人手部在空间的位姿、速度、加速度等项的控制，使机器人的手部按照作业的要求进行动作，最终完成给定的作业任务。

它与示教再现功能的区别：在示教再现控制中，机器人手部的各项运动参数是由示教人员教给它的，其精度取决于示教人员的熟练程度。而在运动控制中，机器人手部的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算得来的，且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完成给定的作业任务。

3．机器人控制系统的基本单元

构成机器人全控制系统的基本要素包括驱动装置、传动装置、运动特性检测传感器、控制器硬件和控制系统软件。

（1）驱动装置

驱动机器人运动的驱动方式，常见的有液压驱动、气压驱动、直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。随着驱动电路元器件的性能提高，当前应用最多的是直流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动。

由于直流伺服电动机或交流伺服电动机的流经电流较大，一般为几安培到几十安培，机器人电动机的驱动需要使用大功率的驱动电路，为了实现对电动机运动特性的控制，机器人常采用脉冲宽度调制（PWM）方式进行驱动。

（2）传动装置

传动装置是为了增加驱动力矩、降低运动速度，机器人常用的传动装置可参考相关教材。

（3）运动特性检测传感器

机器人运动特性检测传感器用于检测机器人运动的位置、速度、加速度等参数。

（4）控制器硬件

机器人的控制器是以计算机为基础的，机器人控制器的硬件系统采用的是二级结构，第一级为协调级，第二级为执行级。协调级实现机器人各个关节的运动控制、实现机器人和外界环境的信息交换等功能，执行级实现机器人各个关节的伺服控制、获得机器人内部的运动状态参数等功能。

（5）控制系统软件

机器人的控制系统软件实现机器人运动特性的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换等功能。

4．机器人控制系统的分层结构

在机器人控制系统的硬件组成结构上，有三种方式：集中控制方式、主从控制方式、分散控制方式。现在大部分工业机器人都采用主从控制方式，智能机器人或传感机器人都采用分散控制方式。

由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制，所以，目前的机器人控制系统在结构上大多数采用分层结构的计算机控制系统，通常采用的是两级计算机伺服控制系统。

5．机器人控制系统工作过程

机器人控制系统具体的工作过程是：主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手的运动参数，然后进行运动学、动力学和插补运算，最后得出机器人各个关节的协调运动参数。如图1-15所示。

这些参数经过通信线路输出到伺服控制级作为各个关节伺服控制系统的给定信号。

关节驱动器将此信号D/A转换后驱动各个关节产生协调运动，并通过传感器将各个关节的运动输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制，从而更加精确地控制机器人手部按作业任务要求在空间的运动。

在控制过程中，工作人员可直接监视机器人的运动状态，也可从显示器等输出装置上得到有关机器人运动的信息。

此时，作为控制器部分上位机中的PC或小型机完成人机对话、数学运算、通信和数据存储，下位机中的单片机或运动控制器，完成伺服控制。作为传感器部分的内部传感器完成自身关节运动状态的检测；外部传感器完成对外部环境参数变化的检测。

6．机器人控制系统的硬件组成

现在大部分工业机器人都采用二级计算机控制。

第一级担负系统监控、作业管理和实时插补任务。第一级运算结果作为伺服位置信号，控制第二级。第二级为各关节的伺服系统。如图1-16所示。

（1）一级控制

一级控制的功能如下。

人机对话：人将作业任务给机器人，同时机器人将结果反馈回来，即人与机器人之间的交流。

数学运算：机器人运动学、动力学和数学插补运算。

通信功能：与下位机进行数据传送和相互交换。

数据存储：存储编制好的作业任务程序和中间数据。

（2）二级控制

二级控制的下位机一般由运动控制器组成，其功能如下。接收上位机的关节运动参数信号和传感器的反馈信号，并对其进行比较，然后经过误差放大和各种补偿，最终输出关节运动所需的控制信号。

（3）伺服系统

伺服系统的核心是运动控制器，一般由数字信号处理器及其外围部件组成，可以实现高性能的控制计算，同步控制多个运动轴，实现多轴协调运动。应用领域包括机器人、数控机床等。

（4）内部传感器

内部传感器的主要目的是对自身的运动状态进行检测，即检测机器人各个关节的位移、速度和加速度等运动参数，为机器人的控制提供反馈信号。机器人使用的内部传感器主要包括位置、位移、速度和加速度等传感器。

（5）外部传感器

机器人要能在变化的作业环境中完成作业任务，就必须具备类似于人类对环境的感觉功能。将机器人用于对工作环境变化的检测的传感器称为外部传感器，有时也拟称为环境感觉传感器或环境感觉器官。目前，机器人常用的环境感觉技术主要有视觉、听觉、触觉、力觉等。

7．机器人控制系统的软件组成

（1）系统软件

系统软件包括用于第一级担负系统监控、作业管理和实时插补任务的计算机操作系统，用于第二级各关节的伺服系统的运动控制器的系统初始化程序。

（2）应用软件

应用软件包括用于完成实施动作解释的执行程序，用于运动学、动力学和插补程序的运算软件，用于编制作业任务程序、环境程序的编程软件，用于实时监视、故障报警等程序的监控软件。