机器人控制方法综述 孙逊

机器人控制方法综述Overview of Robot Control Methods

专业控制工程

姓名孙逊

学号2017042094

完成时间2018.7.4

机器人控制方法综述

摘要：机器人控制技术指的是使机器人完成各种任务和动作所执行的各种控制手段，随着现在计算机技术的蓬勃发展，机器人在生活和工业领域的应用越来越频繁，对于人们来说控制机器人的方法也变得愈发简单和多样。机器人控制的本质就是将规划整个系统的指令作为输入信息，将传感器探测得到的外界状态信息和导航系统的周边定位信息作为反馈，计算得到机器人执行器的控制信号，完成运动控制的闭环。为了解决在工业上遇到的机器人控制方面的问题，本文将根据基本和现代这样一个推进的方式来介绍几个常见的工业机器人的控制方法，向大家展示控制技术在机器人运动学和机器人力学方面如何从基本的控制技术发展到现在智能控制技术。

关键字：工业机器人；机器人控制；机器人运动学；机器人力学；智能控制技术

Overview of Robot Control Methods Abstract: Robot control technology refers to various control methods that enable robots to perform various tasks and actions. With the rapid development of computer technology, robots are used more frequently in life and industry, and for people to control robots. The method has also become more and more simple and diverse. The essence of robot control is to take the instruction of planning the whole system as input information, take the external state information detected by the sensor and the surrounding positioning information of the navigation system as feedback, calculate the control signal of the robot actuator, and complete the closed loop of motion control. In order to solve the problem of robot control encountered in the industry, this paper will introduce several common control methods of industrial robots according to a basic and modern way of advancing, showing the control technology in robot kinematics and robot mechanics. How to develop from basic control technology to intelligent control technology.

Keywords: industrial robot; robot control; robot kinematics; robot mechanics;

intelligent control technology

引言

机器人系统[1]通常分为机构本体和控制系统两大部分。控制系统的作用是根据用户的指令[2]对机构本体进行操作和控制，从而完成作业的各种动作。机器人控制器[3]是影响机器人性能的关键部分之一，它从一定程度上影响着机器人的发展。一个良好的控制器要有灵活、方便的操作方式和多种形式的运动控制方式，并且要安全可靠。机器人的控制系统主要由输入/输出（I/O）设备，计算机软、硬件系统，驱动器，传感器[4]等构成，如图1所示。硬件包括控制器、执行器和伺服驱动器；软件包括各种控制算法[5]。

图1 机器人控制系统构成要素

Fig1 Robot control system components

最早的机器人采用顺序控制[6]方式。随着计算机的发展，机器人采用计算机系统[7-9]来综合实现机电装置的功能，并采用示教再现的控制方式。随着信息技术和控制技术的发展，以及机器人应用范围的扩大，机器人控制技术正朝着智能化的方向发展，出现了离线编程、任务级语言、多创办器信息融合、智能行为控制的新技术。多种技术的发展将促进智能机器人[10]的实现。伴随着机器人技术的进步，控制技术也由基本控制技术发展到现代控制技术[11]。

下面，我们来对常见的几种控制方式进行介绍。本文将分为两个部分，第一个部分介绍几种基本的控制方法，第二部分介绍现在控制学的几种方法。

1 最基本的控制方法

1.1自由度的运动控制及转矩控制

对机器人机构来说，最简单的控制就是分别实施各个自由度[12]的运动（位置及速度）控制。这种控制可以通过对控制各个自由度运动的电机实施PID控

制[13]简单的实现。在这种情况下，需要根据运动学理论将整个机器人的运动分解为各个自由度的运动来进行控制。这种系统常由上、下位机[14]构成。从运动控制的角度来看，上位机进行运动规划[15]，将要执行的运动转化为各个关节的运动，然后按控制周期传给下位机。下位机进行运动的插补运算及对关节进行伺服，所以常用多轴运动控制器作为机器人的关节控制器[16]。多轴运动控制器[17]的各轴伺服控制器也是独立的，每一轴对应一个关节。

1.2轨迹控制

若要求机器人沿着一定的目标轨迹运动，则是轨迹规划[18]。对于工业生产线上的机械臂，轨迹控制通常采用示教方式[19]。示教再现分为两种：点位控制[20]（PTP），用于电焊，更换刀具等情况；连续路径控制[21]（CP），用于焊接、喷漆等作业。如果机器人本身能够主动地决定运动，那么可经常使用路径规划加上在线路径跟踪的方式，如移动机器人的车轮控制方法。

1.3利用传感器反馈的运动调整

对每个自由度实施运动控制时，也可能发生臂和手受到环境约束[22]的情况。这时，机器人与环境之间或许会因为产生过大的力而造成自身的损坏。在这样的状态下，机器人必须适应环境，修改预先规划的轨迹。在这种场合下，借助于力传感器反馈力[23]信息并调整运动，能够让整个机器人的行动符合任务的需求。当机器人靠腿、脚进行移动时，若地面的平整度有尺寸误差，则机器人可能会失去平衡。在这种情况下，也需要通过将着地点的力加以反馈，已调整运动，实现适应地面的平稳步行。

2 现代控制技术

机器人是一个复杂得多输入、多输出非线性系统，具有时变、强耦合和非线性的动力学特征。由于建模和测量的不精确，再加上负载的变化及外部扰动的影响，因此实际上无法得到机器人精确完整的动力学模型。现在控制理论为机器人的发展提供了一些能适应系统变化能力的控制方法，自适应控制即是其中一种。

2.1 自适应控制

当机器人的动力学模型存在非线性和不确定因素[24]，含未知的系统因素（如