機器人的許多作業(yè)是控制機械手末端工具的位置和姿態(tài)，以實現(xiàn)點到點的控制(PTP 控制，如搬運、點焊機器人)或連續(xù)路徑的控制(CP 控制，如弧焊、噴漆機器人)。因此實 現(xiàn)機器人的位置控制是機器人的Z基本的控制任務(wù)。機器人位置控制有時也稱位姿控制或軌跡控制。對于有些作業(yè)，如裝配、研磨等，只有位置控制是不夠的，還需要力控制。 主要有兩種機器人的位置控制結(jié)構(gòu)形式，即關(guān)節(jié)空間控制結(jié)構(gòu)和直角坐標空間控制結(jié) 構(gòu)，分別見圖5-9a 和圖5-9b 所示。

在圖5-9a 中 ，q=[qa1,qu2,…,qun] 是期望的關(guān)節(jié)位置矢量， q 和q。是期望的關(guān) 節(jié)速度矢量和加速度矢量， q 和q 是實際的關(guān)節(jié)位置矢量和速度矢量。 t=[ti,T2, … , T]T 是關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩矢量， U₁ 和U₂ 是相應(yīng)的控制矢量。

在圖5-9b 中 ，wu=[pl,φI] 是期望的工具位姿，其中p=[xd,ya,zu] 表示期望 的工具位置， qu 表示期望的工具姿態(tài)。 w=[v,wJ], 其 中 va=[v,V4,v] 是期 望的工具線速度， w=[wa,,wa,wd] 是期望的工具角速度， wa 是期望的工具加速度， w 和w 表示實際的工具位姿和工具速度。運行中的工業(yè)機器人一般采用圖5-9a 所示控制結(jié) 構(gòu)。該控制結(jié)構(gòu)的期望軌跡是關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度，因而易于實現(xiàn)關(guān)節(jié)的伺服控 制。這種控制結(jié)構(gòu)的主要問題是：由于往往要求的是在直角坐標空間的機械手末端運動軌 跡，因而為了實現(xiàn)軌跡跟蹤，需將機械手末端的期望軌跡經(jīng)逆運動學計算變換為在關(guān)節(jié)空 間表示的期望軌跡。

機器人的伺服控制結(jié)構(gòu)

機器人控制器一般均由計算機來實現(xiàn)。計算機的控制結(jié)構(gòu)具有多種形式，常見的有集中控制、分散控制和遞階控制等。圖5-10表示 PUMA 機器人兩J遞階控制的結(jié)構(gòu)圖。

機器人控制系統(tǒng)是以機器人作為控制對象的，它的設(shè)計方法及參數(shù)選擇，仍可參照一 般計算機控制系統(tǒng)。不過，用得較多的仍是連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計方法，即先把機器人控制系 統(tǒng)當作連續(xù)系統(tǒng)進行設(shè)計，然后將設(shè)計好的控制規(guī)律離散化，Z后由計算機來加以實現(xiàn)。 對于有些設(shè)計方法(如采用自校正控制的設(shè)計方法),則采用直接離散化的設(shè)計方法，即 先將機器人控制對象模型離散化，然后直接設(shè)計出離散的控制器，再由計算機實現(xiàn)。

現(xiàn)有的工業(yè)機器人大多采用d立關(guān)節(jié)的PID 控制。圖5-10所示 PUMA 機器人的控制 結(jié)構(gòu)即為一典型。然而，由于d立關(guān)節(jié)PID 控制未考慮被控對象(機器人)的非線性及關(guān)節(jié)間的耦合作用，因而控制精度和速度的提高受到限制。除了本節(jié)介紹的d立關(guān)節(jié) PID 控制 外，還將在后續(xù)各節(jié)討論一些新的控制方法。