控制系統(tǒng)的基本概念及機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類方式

　　機(jī)器人控制系統(tǒng)是由控制裝置、機(jī)械手形式的受控對(duì)象、行走裝置（在可移動(dòng)的機(jī)器人的情況下）以及其他一些裝置所組成。其它裝置是指那些屬于機(jī)器人，但結(jié)構(gòu)上和操作上獨(dú)立的裝置。

　　由于控制機(jī)器人的主要任務(wù)是控制機(jī)械手，因此，下面介紹機(jī)器人控制系統(tǒng)時(shí)主要指的是機(jī)器人的機(jī)械手控制系統(tǒng)。如果控制機(jī)器人的其它裝置時(shí)，將會(huì)特別說明。控制機(jī)械手的基本原理同樣適用于控制機(jī)器人的其它裝置。

　　可作為控制系統(tǒng)分類依據(jù)的主要特征是：

　　(1)控制運(yùn)動(dòng)的方式（程序控制系統(tǒng)、按照外界狀態(tài)而作用的控制系統(tǒng)，包括適應(yīng)性系統(tǒng)及復(fù)合控制系統(tǒng)）；

　　(2)控制裝置的信號(hào)類型(連續(xù)作用系統(tǒng)和離散作用系統(tǒng)）；

　　(3)同時(shí)控制機(jī)器人的數(shù)目（單控系統(tǒng)和群控系統(tǒng)）；

　　(4)操作人員參與的特點(diǎn)（自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)）。

　　下面根據(jù)這些特性進(jìn)一步研究控制系統(tǒng)分類問題。

　　機(jī)器人控制系統(tǒng)按控制運(yùn)動(dòng)的方式分類：

　　根據(jù)這一特征，系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)，按照外界狀態(tài)作用的控制系統(tǒng)以及同時(shí)采用這兩種方式的復(fù)合控制系統(tǒng)。

　　圖1示出了**類系統(tǒng)，即程序控制系統(tǒng)的方塊圖。圖中受控對(duì)象即是機(jī)械手。給機(jī)械手的每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的傳動(dòng)系統(tǒng)施加控制作用，就可控制機(jī)械手，控制裝置包括時(shí)間程序裝置、信息變換器（變換由時(shí)間程序裝置送來的信息）以及執(zhí)行裝置（它直接對(duì)機(jī)械手傳動(dòng)裝置進(jìn)行作用）。

　　輸出量X表征受控對(duì)象的狀態(tài)。X是一個(gè)向量。它的各分量即是機(jī)器人機(jī)械手的各運(yùn)動(dòng)自由度的坐標(biāo)。控制作用U簡(jiǎn)稱控制，也是向量。控制作用由控制裝置加到受控對(duì)象（指機(jī)械手所有運(yùn)動(dòng)自由度）的輸入端。給定作用G簡(jiǎn)稱給定。G包括輸出量X要求的（或給定的）變化規(guī)律X?（t）的信息。X?作為控制程序加給時(shí)間程序裝置。控制目的就是保證等式X（t）=X?（t）成立。這里X?是輸出量X的給定值，X?是以程序形式給定的時(shí)間函數(shù)。若機(jī)械手每個(gè)傳動(dòng)裝置都完成實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)自由度的給定程序，則機(jī)械手就可以完全實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)自由度的給定程序，則機(jī)械手就可以完全復(fù)現(xiàn)所需求的空間運(yùn)動(dòng)。

　　程序控制機(jī)器人的典型實(shí)例是**代工業(yè)機(jī)器人，也就是幾乎所有現(xiàn)今業(yè)中采用的機(jī)器人。

　　編制程序（即圖1中的G）的方法有：

　　(1)按機(jī)械手給定軌跡的坐標(biāo)來編制程序；

　　(2)按工業(yè)范圍內(nèi)軌跡的坐標(biāo)形式來編制程序。這就要求把這些坐標(biāo)變換成機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自由度的實(shí)時(shí)坐標(biāo)。這種變換是由圖1所示的變換器完成的；

　　(3)按標(biāo)準(zhǔn)的操作名稱（必須把完成操作的實(shí)際條件具體化）來編制程序，或者按操作順序來編制程序。這時(shí)，機(jī)器人控制裝置根據(jù)G值能夠自動(dòng)計(jì)算出運(yùn)動(dòng)軌跡。為此，相應(yīng)地要求有比較復(fù)雜的信息交換器（見圖1），甚至要用電子計(jì)算機(jī)。這時(shí)，可以在機(jī)器人開始操作之前進(jìn)行軌跡計(jì)算，也可以在機(jī)器手傳動(dòng)裝置執(zhí)行程序的過程中進(jìn)行計(jì)算。但是，這種計(jì)算應(yīng)比機(jī)械手執(zhí)行程序提前一定的時(shí)間。

　　有兩種計(jì)算機(jī)軌跡的方法，求**解的方法和在給定的范圍內(nèi)求出一個(gè)允許解的簡(jiǎn)單方式。

　　編制程序的方法不同，程序控制系統(tǒng)也不同。在一些控制系統(tǒng)中，通過計(jì)算機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡來編制程序（可以在機(jī)器人之外計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡，然后往時(shí)間程序裝置中順序地輸入程序；也可以在機(jī)器人本身的控制裝置內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算）。在另外一些程序控制系統(tǒng)中，用示教法編制程序。所謂示教法就是：操作人員手控機(jī)器人或者是機(jī)器人的機(jī)械手由操作人員手動(dòng)，使機(jī)械手產(chǎn)生機(jī)械位移，此時(shí)機(jī)器人完成所要求的動(dòng)作，并把產(chǎn)生這個(gè)動(dòng)作的控制作用（即信號(hào)）U記錄下來。

　　按運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)形式，系統(tǒng)可分為連續(xù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和離散運(yùn)動(dòng)。連續(xù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中每一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)軌跡是連續(xù)的。離散運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中每一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)是由程序給定的、不連續(xù)的、有限的點(diǎn)位序列。

　　完成連續(xù)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)稱為輪廓式控制系統(tǒng)。完成離散控制運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)稱為點(diǎn)位式控制系統(tǒng)。循環(huán)控制系統(tǒng)是點(diǎn)位式系統(tǒng)的最簡(jiǎn)單方案。在這種系統(tǒng)中，機(jī)械手每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的每一個(gè)坐標(biāo)的程序點(diǎn)數(shù)目是起點(diǎn)和終點(diǎn)，有時(shí)再多幾個(gè)中間點(diǎn)。現(xiàn)時(shí)的點(diǎn)位系統(tǒng)能夠保證每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度由幾十個(gè)，甚至上百個(gè)程序點(diǎn)。

　　當(dāng)一個(gè)機(jī)器人的每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度采用不同類型的控制系統(tǒng)時(shí)，這種系統(tǒng)稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。

　　程序控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。但是，只有在完成操作（在要求的精度范圍內(nèi)完成操作）的整個(gè)工作期間，工作條件完全確定和不變的情況下，才能采用這種系統(tǒng)。工作條件指的是外界環(huán)境、機(jī)器人本身的情況及控制目的?？刂颇康脑跈C(jī)器人開始工作之前就應(yīng)該完全確定下來。

　　機(jī)器人的程序控制系統(tǒng)可以是連續(xù)作用的或離散作用的開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)系統(tǒng)中輸出量X有反饋（如圖1中虛線所示）。在連續(xù)作用的系統(tǒng)中，不僅時(shí)間程序裝置，而且機(jī)器人的所有其它裝置都應(yīng)是連續(xù)作用的。