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5.3工业机器人的控制与驱动 第5.3.1 工业机器人控制 1. 概述 控制系统是机器人的指挥中枢，负责对作业指令、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节，按确定的顺序、轨迹、速度和加速度运动，完成制定的任务。 机器人控制系统不仅要考虑运动学关系，还要考虑动力学因素，是一个多变量耦合系统，特殊、复杂。 目前，机器人控制器是一个由计算机控制的高性能控制器，并且控制轴数日益增多，体积减小，价格走低，并实现了软件控制和数字控制，系统的可靠性增强。 4. 机器人控制系统的特点 机器人的每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。 机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器进行空间点位运动或连续轨迹运动。对机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。 机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此机器人控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术 。 更高级的机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析．采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。 3. 对机器人控制系统的一般要求 实现对机器人位姿、速度、加速度等的控制功能，对于连续轨迹运动的机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能 。 方便的人机交互功能。 具有对外部环境(包括作业条件)的检测和感觉功能。 具有与外部环境、控制系统或设备的通讯功能。 应具有自我诊断、故障监视等功能。 4. 控制的主要变量 从各个电机的电压矢量V(t)开始，得到各个驱动电机的输出转矩矢量T(t)，再经过各个减速机的放大或缩小转变为各关节处力矩矢量C(t)，在C(t)作用下，各关节产生运动，输出各关节的转角矢量?(t)，而这个转角矢量最终决定了末端执行器的状态矢量X(t)。 由此，机器人的控制就是对电压矢量V(t)、电机输出转矩矢量T(t)、各关节处力矩矢量C(t)、各关节转角矢量?(t)和末端执行器状态矢量X(t)之间的双向反复求解方程。 5. 分类 1) 按控制运动方式：关节运动控制，直角坐标空间控制，自适应控制 2) 按轨迹控制方式：点位控制，连续轨迹控制 3) 按速度控制方式：速度控制，加速度控制，力控制 4) 按发展阶段：程序控制，适应性控制，人工智能控制 6. 机器人控制系统的组成 机器人控制系统是一个分级的控制系统，主要由作业控制器、运动控制器和驱动控制器三级组成。 1) 作业控制器：决策级，负责发出作业命令并处理外部输入的信息。 2) 运动控制器：策略级，根据作业控制器给的指令，输出各关节的运动指令。 3) 驱动控制器：执行级，负责具体驱动关节运动。 5.3.2工业机器人的驱动 液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。 3、电动机驱动 1）普通交流电动机驱动 2）交、直流伺服电动机驱动 3）步进电动机驱动 二、驱动机构 由于旋转驱动的旋转轴强度高，摩擦小、可靠性好等优点，在结构设计中应尽量多采用。但是在行走机构关节中，完全采用旋转驱动实现关节伸缩有如下缺点： （1）旋转运动虽然也能转化得到直线运动，但在高速运动时，关节伸缩的加速度不能忽视，它可能产生振动。 （2）为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直线驱动系统。 5.4工业机器人的编程语言 机器人程序的编制是高效使用机器人的前提，机器人编程语言是一种程序描述语言，它能十分简洁地描述工作环境和机器人的动作，能把复杂的操作内容通过尽可能简单的程序来实现。机器人编程语言也和一般的程序语言一样，应当具有结构简明、概念统一、容易扩展等特点。从实际应用的角度来看，很多情况下都是操作者实时地操纵机器人工作，为此，机器人编程语言还应当简单易学，并且有良好的对话性。高水平的机器人编程语言还能够实现目标物体和环境的几何建模，在工作进行过程中，几何模型又是不断变化的，因此性能优越的机器人语言会极大地减少编程的困难。 5. 4. 1机器人编程语言的分类 机器人语言有四种主要类型，从低级到高级分别是： 1、面向点位控制的机器人语言(如T3．FUNKY语言等)； 2、面向运动的机器人语言(如VAL.EMUY.RCL语言等)； 3、结构化编程语言(如AL.MCL.MAPL语言等)； 4、面向任务的机器人语言(如AU