主从式机器人的系统控制策略

主从式机器人的系统控制策略

作者：张景生

来源：《科学与财富》2016年第16期

摘要：本文主要针对主从式机器人的系统控制策略展开了探讨，对机器人的控制作了详细的阐述，并为主从式机器人的控制策略及解算作了系统的分析，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。

关键词：主从式机器人；系统；控制策略

0 引言

随着科学信息技术的不断应用发展，主从式机器人系统的应用也得到了相应的创新进步。然而在真正的应用过程中，若要进一步掌握主从式机器人的系统，就必须要采取有效的策略做好系统的控制。基于此，本文就主从式机器人的系统控制策略进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。

1 机器人控制

从工业机器人的系统构成来看，大致可以分为动作部分、检测部分和控制部分，如图1所示。动作部分相当与机器人手臂、腕部、手指和行走机构足等具有动作功能的部分；检测部分是获得来自于操作对象物、机器人自身以及环境的种种信息，并对其作信息处理来认识对象物，感知自身状态和识别环境的部分；控制部分是基于来自检测等部分的信息，为了使动作部分完成目标操作所承担的控制功能的部分。

图1 机器人系统

1.1 机器人控制方式

机器人控制器是一个计算机控制系统，它包含高性能计算机，与机器人运动学和动力学建模有密切联系，并以机器人控制技术为理论。机器人控制器有多种不同控制策略，有非伺服（开环）控制、伺服控制、基于传感信息的控制、最优PID控制、非线性反馈的动态补偿控制、自适应控制、变结构（滑模）控制、模糊控制、分级分散的多臂（或多机器人）协调控制等，但目前实用的多数还是PID伺服控制。

1.2 机器人控制的主要控制变量

一台机器人的各关节控制变量。X（t）表示末端执行装置在空间的实时位置。只有当关节θ1～θ6移动时，X才变化。用矢量θ（t）来表示关节变量θ1至θ6。各关节在力矩C1～C6作用下而运动，这些力矩构成矢量C（t）；矢量C（t）由各传动电动机的力矩矢量T（t）经过

变速机送到各个关节。这些电动机在电流或电压矢量V（t）所提供的动力作用下，在1台或多台微处理机的控制下，产生力矩T（t）。

对一台机器人的控制，本质上就是对下列双向方程式的控制：

1.3 机器人控制的控制层次

由此可见，计算机控制主要分为3个控制级，即人工智能级、控制模式级和伺服系统级。

第一级：人工智能级表示机器人所具有的指令和产生矢量以及这两者间的关系，是建立第一级（即最高级）控制的工作。它包括与人工智能有关的所有可能问题，如词汇和自然语言理解、规划的产生以及任何描述等。

第二级：控制模式级这一级能够建立起X（t）和T（t）之间的双向关系。重要的是必须记住，有多种可供采用的控制模式。这是因为下列关系：

式中4个矢量之间的关系可建立4种模型：

在工业上一般不采用复杂的模型，而采用两种控制（又有很多变种）模型。这些控制模型是以稳态理论为基础的，即认为机器人在运动过程中依次通过一些平衡状态。这两种模型分别称为几何模型和运动模型。前者利用X和θ间的坐标变换，后者则对几何模型进行线性处理，并假定X和θ变化很小。属于几何模型的控制有位置控制和速度控制等，属于运动模型的控制有变分控制和动态控制等。

第三级：伺服系统级第三级所关心的是机器人的一般实际问题。必须指出下列两点：

（1）控制第一级和第二级并非总是截然分开的。是否把传动机构和减速齿轮包括在第二级，更是一个问题。这个问题涉及解决下列问题：

当前的趋向是研究具有组合减速齿轮的电动机，它能直接安装在机器人的关节上。不过，这样做的结果有产生惯性力矩和减速比的问题。这是需要进一步解决的。

（2）—般的伺服系统是模拟系统，但它们已越来越普遍地为数字控制伺服系统所代替。

2主从式机器人的控制策略

图2所示系统控制策略中，Fm二和Fb为控制系统输入；rm、rs为控制系统输出。PID控制部分由硬件实现。即机器人模块根据输入Fm和Fs，计算出要产生力觉临场感，主、从伺服电机下一步应到达的位置rm和rs。

主手和从手被控制来跟踪相应虚拟内部模型生成的轨迹，每个模型的动力学参数可调，从而可以方便地改变机器人的操作性能。

由于主手在机构上的特殊设计，Mm、Ms、Cm、Cs均可看作常系数矩阵，可进行以下解算。

3 控制策略的解算

3.1 控制策略的（即动力学方程）描述

3.2 动力学方程整理

3.3由动力学方程写出动态方程

3.4 连续时间系统状态空间表达式的离散化

在用数字计算机求解连续时间系统动态方程时，由于数字计算机所处理的数据是数字量，数字量不仅在数值上是整量化的，而且在时间上是离散的，所以必须将连续时间系统状态空间表达式离散化。

设系统采样周期为T，且T较小（小于系统最小时间常数的1/10），所以有

具体离散化过程可见参考文献。

4 结束语

综上所述，近年来主从式机器人系统被广泛应用在医疗、深海等非结构性环境中，因此，为了进一步促进主从式机器人系统的应用，就需要认真掌握系统各方面的要点，采取有效的策略做好系统的控制。

参考文献

[1] 盛国栋、曹其新.遥操作机器人系统主从控制策略[J].江苏科技大学学报（自然科学版）.2013（05）.

[2] 黄晓萍、鲁守银、谈金东.主从式带电作业机器人控制系统[J].计算机系统应用.2013（22）.