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機(jī)器人的控制技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此兩者之間并無根本的不同。但機(jī)器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處。其特點(diǎn)如下：1、機(jī)器人控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)非線性系統(tǒng)。引起機(jī)器人非線性因素很多，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)件、驅(qū)動(dòng)元件等都會(huì)引起系統(tǒng)的非線性。2、機(jī)器人控制系統(tǒng)是由多關(guān)節(jié)組成的一個(gè)多變量控制系統(tǒng)，且各關(guān)節(jié)間具有耦合作用。具體表現(xiàn)為某一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)其他關(guān)節(jié)產(chǎn)生動(dòng)力效應(yīng)，每一個(gè)關(guān)節(jié)都要受到其他關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的擾動(dòng)。因此工業(yè)機(jī)器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補(bǔ)償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。3、機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨著關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位置的變化而變化。4、較好的機(jī)器人要求對(duì)環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測(cè)定和分析，采用計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動(dòng)選擇控制規(guī)律。機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要求從使用的角度講，機(jī)器人是一種特殊的自動(dòng)化設(shè)備，對(duì)其控制有如下要求：1、多軸運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，以產(chǎn)生要求的工作軌跡。因?yàn)闄C(jī)器人的手部的運(yùn)動(dòng)是所有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)，要使手部按照規(guī)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，就必須很好地控制各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)動(dòng)作，包括運(yùn)動(dòng)軌跡、動(dòng)作時(shí)序的協(xié)調(diào)。2、較高的位置精度，很大的調(diào)速范圍。除直角坐標(biāo)式機(jī)器人外，機(jī)器人關(guān)節(jié)上的位置檢測(cè)元件通常安裝在各自的驅(qū)動(dòng)軸上，構(gòu)成位置半閉環(huán)系統(tǒng)。此外，由于存在開式鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙等，使得機(jī)器人總的位置精準(zhǔn)度降低，與數(shù)控機(jī)床比，約降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。但機(jī)器人的調(diào)速范圍很大，通常超過幾千。這是由于工作時(shí)，機(jī)器人可能以極低的作業(yè)速度加工工件；空行程時(shí)，為提效率，又能以極高的速度移動(dòng)。3、系統(tǒng)的靜差率要小，即要求系統(tǒng)具有較好的剛性。這是因?yàn)闄C(jī)器人工作時(shí)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不受外力干擾，若靜差率大將形成機(jī)器人的位置誤差。4、位置無超調(diào)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。避免與工件發(fā)生碰撞，在保證系統(tǒng)適當(dāng)響應(yīng)能力的前提下增加系統(tǒng)的阻尼。5、需采用加減速控制。大多數(shù)機(jī)器人具有開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，其機(jī)械剛度很低，過大的加減速度會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，運(yùn)動(dòng)啟停時(shí)應(yīng)有加減速裝置。通常采用勻加減速指令來實(shí)現(xiàn)。6、各關(guān)節(jié)的速度誤差系數(shù)應(yīng)盡量一致。機(jī)器人手臂在空間移動(dòng)，是各關(guān)節(jié)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，尤其是當(dāng)要求沿空間直線或圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)。即使系統(tǒng)有跟蹤誤差，仍應(yīng)要求各軸關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的速度放大系數(shù)盡可能一致，而且在不影響穩(wěn)定性的前提下，盡量取較大的數(shù)值。7、從操作的角度看，要求控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，盡量降低對(duì)操作者的要求。因此，在大部分的情況下，要求控制器的設(shè)計(jì)人員完成底層伺服控制器設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要完成規(guī)劃算法，而把任務(wù)的描述設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單的語言格式由用戶完成。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，更多的采用軟件伺服的方法來完善控制系統(tǒng)的性能。

機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能要求1、記憶功能：存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。2、示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。3、與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。4、坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。5、人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。6、傳感器接口：位置檢測(cè)、視覺、觸覺、力覺等。7、位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?、故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要種類控制系統(tǒng)的任務(wù)，是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序、以及從傳感器反饋回來的信號(hào)，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成的運(yùn)動(dòng)和功能。 假如機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式可分為點(diǎn)位控制和軌跡控制。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)組成1、控制計(jì)算機(jī)：控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮中心機(jī)構(gòu)。2、示教盒：示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機(jī)交互操作，擁有自己獨(dú)立的CPU以及存儲(chǔ)單元，與主計(jì)算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互。3、操作面板： 由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。4、硬盤和軟盤存儲(chǔ)存：儲(chǔ)機(jī)器人工作程序的外圍存儲(chǔ)器。5、數(shù)字和模擬量輸入輸出：各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。6、打印機(jī)接口：記錄需要輸出的各種信息。7、傳感器接口：用于信息的自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。8、軸控制器：完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。9、輔助設(shè)備控制：用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。10通信接口：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。11、網(wǎng)絡(luò)接口1）Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)臺(tái)或單臺(tái)機(jī)器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個(gè)機(jī)器人控制器中。2）Fieldbus接口：支持多種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式集中控制系統(tǒng)用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但實(shí)時(shí)性差，難以擴(kuò)展，在早期的機(jī)器人中常采用這種結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成框圖，如圖所示基于PC的集中控制系統(tǒng)里，充分利用了PC資源開放性的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很好的開放性：多種控制卡，傳感器設(shè)備等都可以通過標(biāo)準(zhǔn)PCI插槽或通過標(biāo)準(zhǔn)串口、并口集成到控制系統(tǒng)中。集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好，基于PC的系統(tǒng)硬件擴(kuò)展較為方便。其缺點(diǎn)也顯而易見：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險(xiǎn)容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴(yán)重；由于機(jī)器人的實(shí)時(shí)性要求很高，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算，會(huì)降低系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)對(duì)多任務(wù)的響應(yīng)能力也會(huì)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復(fù)雜，會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。主從控制方式采用主、從兩級(jí)處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等：從CPU實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。其構(gòu)成框圖，如圖所示。主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。分散控制方式按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個(gè)模塊，每一個(gè)模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略，各模式之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。這種方式實(shí)時(shí)性好，易于實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖所示。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統(tǒng)對(duì)其總體目標(biāo)和任務(wù)可以進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù)，整個(gè)系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)中，子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對(duì)象或設(shè)備構(gòu)成的，各個(gè)子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)等相互通訊。分布式控制結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)開放、實(shí)時(shí)、精確的機(jī)器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級(jí)控制方式。兩級(jí)分布式控制系統(tǒng)通常由上位機(jī)、下為機(jī)和網(wǎng)絡(luò)組成。上位機(jī)可以進(jìn)行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法，下位機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)細(xì)分、控制優(yōu)化等的研究和實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)和下位機(jī)通過通訊總線相互協(xié)調(diào)工作，這里的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB總線等形式。現(xiàn)在，以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人提供了更快速、穩(wěn)定、有效的通訊服務(wù)。尤其是現(xiàn)場(chǎng)總線，它應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向多結(jié)點(diǎn)數(shù)字通信，從而形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)—現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險(xiǎn)性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應(yīng)時(shí)間。

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，制造系統(tǒng)的飛躍發(fā)展，自80年代柔性制造系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)用階段以來，使機(jī)械加工的面貌發(fā)生了質(zhì)的變化，隨著柔性制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今機(jī)械加工業(yè)已進(jìn)入全盤自動(dòng)化的時(shí)代，然而，裝配技術(shù)遠(yuǎn)落于加工技術(shù)，兩者已形成了明顯的反差，裝配工藝已稱為現(xiàn)代化生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展已使傳統(tǒng)的手工裝配工藝面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此，發(fā)展機(jī)械手進(jìn)行裝配勢(shì)在必行并日趨柔性化發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手被越來越多的應(yīng)用在涂漆、包裝、焊接、裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)來代替人工完成惡劣環(huán)境下的?勞動(dòng)。機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)?機(jī)械手就是能模仿任何手臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和源自能等部門。?機(jī)械手主要有手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，手部是用來抓持工件（或工具）的部件。根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使手部完成各種機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）或移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作,改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降和伸縮、旋轉(zhuǎn)和獨(dú)立等運(yùn)動(dòng)方式稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需要六個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2~3個(gè)自由度?機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。?機(jī)械手常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人來直接操作，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也稱為機(jī)械手。?機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。??機(jī)械手勢(shì)工業(yè)控制領(lǐng)域中經(jīng)常用到的一種控制對(duì)象，應(yīng)用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的工序動(dòng)作，可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)線路，節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率。在自動(dòng)裝配生產(chǎn)線上，機(jī)械手往往勢(shì)必不可少的設(shè)備。它模擬人和手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序、軌跡和要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)和裝配。在減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高裝配質(zhì)量和裝配效率方面的效果是顯而易見的。

機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中重要的機(jī)電設(shè)備。目前，正式投入使用的絕大部分機(jī)械手屬于一代機(jī)械手，即程序控制機(jī)械手。這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機(jī)械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎(chǔ)，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對(duì)控制程序進(jìn)行校正。這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡(jiǎn)單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法?，F(xiàn)在，第三代機(jī)械手正在一、二代機(jī)械手的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對(duì)象物，并具有對(duì)復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對(duì)自己行為做出自主決策能力的智能化機(jī)械手。它能識(shí)別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識(shí)圖等多種仿生動(dòng)作，具有專家知識(shí)、語音功能和自學(xué)能力等人工智能[3]。?目前機(jī)械手技術(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機(jī)械手、微型機(jī)械手和微操作系統(tǒng)（如細(xì)小工業(yè)管道機(jī)械手移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)、微型飛行器等）、機(jī)械手化機(jī)器、智能機(jī)械手（不僅可以進(jìn)行事先設(shè)定的動(dòng)作，還可按照工作狀況相應(yīng)地進(jìn)行動(dòng)作，如回避障礙物的移動(dòng)，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)等）。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來越多地裝備部隊(duì)[4][5]。?國(guó)外方面：近幾年國(guó)外工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制。國(guó)內(nèi)方面：目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配機(jī)械手、特種機(jī)械手（水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)械手）基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線及其周邊配套設(shè)備的全套自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)械手焊接電源、焊縫自動(dòng)跟蹤裝置也有了突破。從技術(shù)方面來說，我國(guó)已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國(guó)機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ)[6]。