机器人控制系统

一、 工业机器人的控制系统

工业机器人要与外围设备协调动作，共同完成作业任务，就必须具备一个功能完善、灵敏可靠的控制系统。工业机器人的控制系统可分为两大部分：一部分是对其自身运动的控制，另一部分是工业机器人与周边设备的协调控制。

机器人的结构是一个空间开链机构，其各个关节的运动是独立的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关节的运动协调。

1. 机器人控制系统特点

（1） 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。机器人的状态可以在各种坐标系下进行描述，应当根据需要选择不同的参考坐标系，并作适当的坐标变化。经常要求正向运动学和反向运动学的解，除此之外，还要考虑惯性力、外力（包含重力）、哥氏力及向心力的影响。

（2） 描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅仅利用位置闭环是不够的，还要利用速度甚至加速度闭环。系统中经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。

（3） 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径完成，因此存在一个最优的问题。

总而言之，机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关、有耦合、非线性的多变量控制系统。

2. 工业机器人控制系统的主要功能

工业机器人的控制系统的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等项目，其中有些项目的控制是非常复杂的。

2.1 示教再现控制

示教再现控制的主要内容包括示教及记忆方式和示教编程方式。

示教及记忆方式

（1）示教方式

示教分为集中式示教和分离式示教。集中式示教是指同时对位置、速度、操作顺序等进行的示教方式。分离示教方式是指在示教位置之后，再一边动作，一边分别示教位置、速度、操作顺序等的示教方式。

（2）记忆方式

随机存取存储器（RAM）和可编程只读存储器（EPROM）

示教编程方式

示教编程可分为手把手示教编程和示教盒示教编程。手把手示教编程主要用于实现连续轨迹控制，具体方法是人工利用示教手柄引导末端执行器经过所要求的位置，同时由传感器检测出工业机器人各关节处的坐标值，并由控制系统记录、存储下这些数据信息。示教盒示教编程是人工利用示教盒上所具有的各种功能的按钮来驱动工业机器人的各关节轴，按作业所需要的顺序单轴运动或多关节协调运动，从而完成位置和功能的示教编程。

2.2 工业机器人的运动控制

工业机器人的运动控制是指工业机器人的末端执行器从一点移动到另一点的过程中，对其位置、速度和加速度的控制。由于工业机器人末端操作器的位置和姿态都是由各关节的运动引起，因此，对其运动控制实际上是通过控制关节运动实现的。

3. 工业机器人的控制方式

工业机器人分为点位控制、连续轨迹控制、力（力矩）控制和智能控制。

3.1 力（力矩）控制方式

在完成装配、抓放物体等工作时，除了要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺服方式。这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号。

3.2 智能控制方式

机器人的智能控制是通过传感器获取周围环境的知识，并根据自身内部的知识库做出相应的决策。采用智能控制技术，使机器人具有了较强的环境适应性及自学习能力。智能控制技术的发展有赖于今年来人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。

4. 电动机的控制

4.1 电动机的控制

机器人中电动机的控制特征

对于机器人中的电动机，其负载主要是惯性负载，还有重力负载。有负载运动时，电动机的速度最慢；无负载运动时，电动机的速度最快。机器人的变速范围