机器人控制系统简述
摘要：机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。机器人控制技术的主要任务就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。其系统具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。根据不同的分类方法，机器人控制方式可以有不同的分类。
关键字：控制系统；控制特点；控制要求；控制方法
机器人技术诞生于20世纪，发展比较快，而且应用极其广泛，应用于机械加工生产，科学研究，国防等方面。其对人们的生产生活起到了巨大的影响，在生活与生产中早就成为了必不可少的生产力，加快了人类的进步和社会的发展，促进了国家先进生产力的提高。机器人技术作为21世纪最先进的技术之一，它的的发展势必给人类的生产生活带来新的变革。而机器人控制系统作为机器人系统的主要组成部分，其的重要程度自然不言而喻。
1. 机器人控制系统的概念
机器人控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变化的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。
⑴机器人控制系统本质上是一个非线性系统。引起机器人非线性因素很多，机器人的结构、传动件、驱动元件等都会引起系统的非线性。
⑵机器人控制系统是由多关节组成的一个多变量控制系统，且各关节间具有耦合作用。具体表现为某一个关节的运动，会对其他关节产生动力效应，每一个关节都要受到其他关节运动所产生的扰动。因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。 ⑶机器人系统是一个时变系统，其动力学参数随着关节运动位置的变化而变化。 ⑷较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. 机器人控制系统的基本要求
从使用的角度讲，机器人是一种特殊的自动化设备，对其控制有如下要求： ⑴多轴运动的协调控制，以产生要求的工作轨迹。因为机器人的手部的运动是所有关节运动的合成运动，要使手部按照规定的规律运动，就必须很好地控制各关节协调动作，包括运动轨迹、动作时序的协调。 ⑵较高的位置精度，很大的调速范围。除直角坐标式机器人外，机器人关节上的位
2. 机器人控制系统的特点
机器人的控制技术是在传统机械系统
的控制技术的基础上发展起来的，因此两者之间并无根本的不同。但机器人控制系统也有许多特殊之处。其特点如下：
置检测元件通常安装在各自的驱动轴上，构成位置半闭环系统。此外，由于存在开式链传动机构的间隙等，使得机器人总的位置精准度降低，与数控机床比，约降低一个数量级。但机器人的调速范围很大，通常超过几千。这是由于工作时，机器人可能以极低的作业速度加工工件；空行程时，为提高效率，又能以极高的速度移动。 ⑶系统的静差率要小，即要求系统具有较好的刚性。这是因为机器人工作时要求运动平稳，不受外力干扰，若静差率大将形成机器人的位置误差。 ⑷位置无超调，动态响应快。避免与工件发生碰撞，在保证系统适当响应能力的前提下增加系统的阻尼。 ⑸需采用加减速控制。大多数机器人具有开链式结构，其机械刚度很低，过大的加减速度会影响其运动平稳性，运动启停时应有加减速装置。通常采用匀加减速指令来实现。 ⑹各关节的速度误差系数应尽量一致。机器人手臂在空间移动，是各关节联合运动的结果，尤其是当要求沿空间直线或圆弧运动时。即使系统有跟踪误差，仍应要求各轴关节伺服系统的速度放大系数尽可能一致，而且在不影响稳定性的前提下，尽量取较大的数值。 ⑺从操作的角度看，要求控制系统具有良好的人机界面，尽量降低对操作者的要求。因此，在大部分的情况下，要求控制器的设计人员完成底层伺服控制器设计的同时，还要完成规划算法，而把任务的描述设计成简单的语言格式由用户完成。 ⑻从系统的成本角度看，要求尽可能地降低系统的硬件成本，更多的采用软件伺服的方法来完善控制系统的性能。
4. 机器人控制方法的分类
机器人控制方法可以从不同角度分类。按控制运动的方式不同，可分为关节控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式的不同，可分为点位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式的不同，可分为速度控制、加速度控制。按伺服反馈信号形式的不同，可分为基于关节空间的伺服控制和基于作业空间的伺服控制。按机器人力控制
的不同，可分为固定力控制和可变力控制。下面介绍几种典型的控制方法：
程序控制系统：给每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。
自适应控制系统：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。
人工智能系统：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。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。因而本系统是一种自适应控制系统。
点位控制系统：仅控制机器人离散点上手爪或工具的位姿，尽快而无超调地实现相邻点的运动，对运动轨迹不作控制。
连续轨迹控制系统：可实现对机器人手爪的位姿轨迹的连续控制，控制过程要求速度可控、轨迹光滑、运动平稳。
参考文献
[1] 李永明, 王健. 焊接机器人控制系统的研究. 仪表技术,2009(6)
[2] 裴久芳, 程晋石, 许德章. 基于精锻件的机器人控制系统研究. 成组技术与生产现代化,2008(4) [3] 曲道奎, 徐方, 王天然. 高性能机器人控制系统的研究. 机器人,2003(2)
[4] 韦文求, 谢存禧, 张铁, 庄焕伟. 工业机器人控制系统的开放性与实时性研究. 现代制造工程,2007(3) [5] 张兴国, 张磊. 开放式5R 工业机器人系统设计与分析. 机械制造与工程,2011(3)
机器人控制系统简述
摘要：机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。机器人控制技术的主要任务就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。其系统具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。根据不同的分类方法，机器人控制方式可以有不同的分类。
关键字：控制系统；控制特点；控制要求；控制方法
机器人技术诞生于20世纪，发展比较快，而且应用极其广泛，应用于机械加工生产，科学研究，国防等方面。其对人们的生产生活起到了巨大的影响，在生活与生产中早就成为了必不可少的生产力，加快了人类的进步和社会的发展，促进了国家先进生产力的提高。机器人技术作为21世纪最先进的技术之一，它的的发展势必给人类的生产生活带来新的变革。而机器人控制系统作为机器人系统的主要组成部分，其的重要程度自然不言而喻。
1. 机器人控制系统的概念
机器人控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变化的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。
⑴机器人控制系统本质上是一个非线性系统。引起机器人非线性因素很多，机器人的结构、传动件、驱动元件等都会引起系统的非线性。
⑵机器人控制系统是由多关节组成的一个多变量控制系统，且各关节间具有耦合作用。具体表现为某一个关节的运动，会对其他关节产生动力效应，每一个关节都要受到其他关节运动所产生的扰动。因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。 ⑶机器人系统是一个时变系统，其动力学参数随着关节运动位置的变化而变化。 ⑷较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. 机器人控制系统的基本要求
从使用的角度讲，机器人是一种特殊的自动化设备，对其控制有如下要求： ⑴多轴运动的协调控制，以产生要求的工作轨迹。因为机器人的手部的运动是所有关节运动的合成运动，要使手部按照规定的规律运动，就必须很好地控制各关节协调动作，包括运动轨迹、动作时序的协调。 ⑵较高的位置精度，很大的调速范围。除直角坐标式机器人外，机器人关节上的位
2. 机器人控制系统的特点
机器人的控制技术是在传统机械系统
的控制技术的基础上发展起来的，因此两者之间并无根本的不同。但机器人控制系统也有许多特殊之处。其特点如下：
置检测元件通常安装在各自的驱动轴上，构成位置半闭环系统。此外，由于存在开式链传动机构的间隙等，使得机器人总的位置精准度降低，与数控机床比，约降低一个数量级。但机器人的调速范围很大，通常超过几千。这是由于工作时，机器人可能以极低的作业速度加工工件；空行程时，为提高效率，又能以极高的速度移动。 ⑶系统的静差率要小，即要求系统具有较好的刚性。这是因为机器人工作时要求运动平稳，不受外力干扰，若静差率大将形成机器人的位置误差。 ⑷位置无超调，动态响应快。避免与工件发生碰撞，在保证系统适当响应能力的前提下增加系统的阻尼。 ⑸需采用加减速控制。大多数机器人具有开链式结构，其机械刚度很低，过大的加减速度会影响其运动平稳性，运动启停时应有加减速装置。通常采用匀加减速指令来实现。 ⑹各关节的速度误差系数应尽量一致。机器人手臂在空间移动，是各关节联合运动的结果，尤其是当要求沿空间直线或圆弧运动时。即使系统有跟踪误差，仍应要求各轴关节伺服系统的速度放大系数尽可能一致，而且在不影响稳定性的前提下，尽量取较大的数值。 ⑺从操作的角度看，要求控制系统具有良好的人机界面，尽量降低对操作者的要求。因此，在大部分的情况下，要求控制器的设计人员完成底层伺服控制器设计的同时，还要完成规划算法，而把任务的描述设计成简单的语言格式由用户完成。 ⑻从系统的成本角度看，要求尽可能地降低系统的硬件成本，更多的采用软件伺服的方法来完善控制系统的性能。
4. 机器人控制方法的分类
机器人控制方法可以从不同角度分类。按控制运动的方式不同，可分为关节控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式的不同，可分为点位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式的不同，可分为速度控制、加速度控制。按伺服反馈信号形式的不同，可分为基于关节空间的伺服控制和基于作业空间的伺服控制。按机器人力控制
的不同，可分为固定力控制和可变力控制。下面介绍几种典型的控制方法：
程序控制系统：给每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。
自适应控制系统：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。
人工智能系统：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。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。因而本系统是一种自适应控制系统。
点位控制系统：仅控制机器人离散点上手爪或工具的位姿，尽快而无超调地实现相邻点的运动，对运动轨迹不作控制。
连续轨迹控制系统：可实现对机器人手爪的位姿轨迹的连续控制，控制过程要求速度可控、轨迹光滑、运动平稳。
参考文献
[1] 李永明, 王健. 焊接机器人控制系统的研究. 仪表技术,2009(6)
[2] 裴久芳, 程晋石, 许德章. 基于精锻件的机器人控制系统研究. 成组技术与生产现代化,2008(4) [3] 曲道奎, 徐方, 王天然. 高性能机器人控制系统的研究. 机器人,2003(2)
[4] 韦文求, 谢存禧, 张铁, 庄焕伟. 工业机器人控制系统的开放性与实时性研究. 现代制造工程,2007(3) [5] 张兴国, 张磊. 开放式5R 工业机器人系统设计与分析. 机械制造与工程,2011(3)