机器人的运动控制
　　机器人的驱动装置
  　  对工业机器人传动装置的一般要求如下：
    (1)传动装置的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率（即功率质量比）要高，效率也要高；
    (2)反应速度要快，即要求力质量比和力矩／转动惯量比要大；
    (3)动作平衡，不产生冲击；
    (4)控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；
    (5)安全可靠；
    (6)操作和维护方便；
    (7)对环境无污染，噪声要小；
    (8)经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。
    按驱动方式分，机器人可分为以下三类：
    (1)气压驱动
    使用压力通常在0. 4～0. 6MPa，最高可达lMPa。气压驱动主要优点是：气源方便，一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气；由于空气的可压缩性，气压驱动系统具有缓冲作用；结构简单、成本低，易于保养。气压驱动主要缺点：工作压力偏低，所以功率质量比小，装置体积大；定位精度不高。气压驱动机器人适用于易燃、易爆和灰尘大的场合工作。
    (2)液压驱动
    液压驱动优点是：驱动力（或力矩）大，即功率质量比大；液压驱动平稳，且系统的固有频率高、快速性好；液压驱动调速比较简单，能在较大调速范围内实现无级调速。它的主要缺点是：易漏油，这不仅影响工作稳定性与定位精度，而且污染环境；需配备压力源及复杂的管路系统，因而成本较高。液压驱动方式大多用于要求输出力较大、运动速度较低的场合。
    (3)电气驱动
    电气驱动是利用各种电动机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，以获得要求的机器人运动。电气驱动是最普遍、应用最多的驱动方式，因为它有许多优点：易于控制、运动精度高；使用方便、成本低；驱动效率高、不污染环境等。电气驱动又可细分为直流电动机驱动、直流无刷电动机驱动和交流伺服电动机驱动。后者有着最大的转矩质量比，由于没有电刷，其可靠性极高，几乎不需任何维护。20世纪90年代生产的机器人，大多采用这种驱动方式。

 

　　机器人的位置控制
   　 机器人要运动，就要控制它的位置、速度、加速度等，因此机器人至少是一个位置控制系统，当然对于高级机器人是在位置控制基础上加有传感器的决策与控制，以提高机器人智能水平，完成更多的作业任务。由于绝大多数机器人是关节式运动形式，很难直接检测机器人末端的运动，只能对各关节进行控制，从控制观点来看，它是属于半闭环系统，即仅从电动机轴上闭环。机器人是由多轴（关节）组成，每轴的运动都影响机器人末端的位置和姿态。如何协调各轴的运动，使机器人末端完成要求的轨迹，这就需要插补。由此机器人位置控制系统，大多是关节角位移闭环控制系统。那么如何给定一个机器人的各关节角，以实现要求的空间轨迹（直线或圆弧），这就要用到轨迹插补和机器人逆向运动分析。
　    插补算法是独立于机器人结构的，而机器人逆向运动分析是随机器人不同而不同。一个机器人的空间位置控制，可由图14.12概括。目前机器人的一种基本操作方式是通过示教再现的，首先教机器人如何做，机器人就记住了这个过程，于是它可以根据需要重复这个动作

 

  　  显然，不能把一个空间轨迹的所有点都示教一遍，让机器人记住，因为这样太繁琐也浪费许多计算机内存。实际上，对有规律的轨迹，仅示教几个特征点，如直线需要示教两点，圆弧需要示教三点，就可唯一决定一个圆弧。插补算法能获得中间点的坐标（相对基础坐标系），这是直角坐标值而不是关节角（关节坐标），通过机器人逆向运动学算法，可以把轨迹中间点的位置和姿态，转换为对应的关节角(θ1，……θ2)，然后由后面的角位置闭环控制系统去实现。这样就实现了要求轨迹上的一点，继续插补并重复上述过程，就实现了要求的轨迹。常用的插补方法有定时插补与定距插补、直线插补算法、圆弧插补算法、动态规划、曲线拟合、移动路径的智能决策等，这里不再重复介绍。

　　机器人的力的控制
   　 弧焊、喷漆等机器人作业时，机器人把持着工具沿规定的轨迹运动，机器人与被控对象无接触，这是纯运动控制情况。但另一类机器人作业，如装配、抛光、打毛刺等，需要对末端执行器（工具）不但要施加运动命令，而且还要保持一定的接触力，这是力控制情况。机器人的运动是由一个个关节运动完成的，显然，在任意时刻，只能命令某关节做运动控制或力控制，不可能让它同时实现力和运动控制。另外，某关节的力控制，是通过位移（运动）来实现的，如果该关节控制回路增益很大，表现出很大伺服刚度（或高阻抗），那么，一个很小的位置误差，将引起很大接触力，其值可能超过容许的限度。为避免这种情况的发生，或者降低该关节伺服回路增益（减小伺服刚度），或者串联上一个柔性元件，两者的效果是降低该关节的阻抗，表现出一定的柔顺性(compliance)。
   　 实现力的控制，需要有力传感器，大多情况下使用六维（三个力，三个力矩）力传感器，大致有三种方案构成力控制系统。

    (1)以位移控制为基础
  　  图14. 13表示了力控制系统的框图。这一方案特点是，在位置闭环之外再加上一个力闭环。图中P是末端执行器作用于操作对象上时的位置，Q是操作对象的输出力。P、Q分别为位置和广义力给定输入。力控制轴选择框的功能是选择广义力受控的自由度，力/位变换的功能是将力输出误差转换为对应的位移指令。
 　   由图14. 13可知，位移控制作为系统的内环，力控制作为外环，因此系统的稳定性同时与位移闭环和力闭环有关。位移输出和力输出都由同一个前向控制器实现，常难以同时满足两方面的控制要求。此外，当采用增量式码盘作为位移量反馈元件时，若末端执行器和环境接触刚度足够大，在一个增量位移范围内就会引起相当大的力增量。为了保证系统的稳定性，需要终端作用器具有一定的柔性。
    (2)以广义力控制为基础
　    这一方案特点是，在力闭环基础上再加上位置环，其框图如图14.14所示。与图14.13方案比较，可以避免在位移闭环下一个增量位移引起过大的力增量，不足之处是力输出和位移输出仍都由同一个前向控制器实现。

    (3)位置和力的混合控制
  　  在这一方案里，通过力控制轴和位置控制轴的选择，确定各关节受控类型，分别进行控制，见图14. 15。显然，这一方案是优于上述两种方案，因而获得广泛应用。

    实现以上三种方案，都需要确定力控轴或位控轴选择及位／力变换等关键技术，这里不再介绍。