1.背景介紹

機(jī)械臂的位置控制是機(jī)械臂最重要的功能。機(jī)械臂的位置控制精度也是研究者及工程師一直關(guān)注的問題。本文梳理下機(jī)械臂位置控制的一些發(fā)展脈絡(luò)，幫助大家提高對其的認(rèn)識以及如何去提升機(jī)械臂的位置控制性能。

精度衡量：直接測量機(jī)械臂末端的位置比較困難，這里采用一種近似的方式，比較機(jī)械臂各軸指令角度與實(shí)際編碼器反饋角度間的偏差值。

2.控制策略

三環(huán)反饋伺服控制 這種位置控制方式是大家最為熟悉的。 此時(shí)控制都是在驅(qū)動(dòng)器里完成的，它根據(jù)指令位置去生成力矩，讓機(jī)械臂很好地追上指令位置，而控制器只是一個(gè)軌跡規(guī)劃器，負(fù)責(zé)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器指令位置。

這種方式在穩(wěn)態(tài)時(shí)的精度很高，且抗干擾能力強(qiáng)，這可以保證機(jī)器人的重復(fù)定位精度。 然而動(dòng)態(tài)性能較差，比如指令位置曲線與實(shí)際位置曲線間的時(shí)間延遲較大。

前饋+三環(huán)控制 這種策略是在三環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，加入前饋指令值。 驅(qū)動(dòng)器一般需工作在CSP模式，前饋值的生成方式有兩種：控制器還是只發(fā)送給機(jī)械臂指令位置，驅(qū)動(dòng)器通過差分生成前饋速度值及前饋加速度值； 控制器不止發(fā)送指令位置，它還將前饋速度偏置值、前饋力矩偏置值也發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器。

這種方式可以提供機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，下圖是無前饋及有前饋下的位置誤差曲線。

非線性控制 前兩種方式的驅(qū)動(dòng)器都是工作在位置控制下，而第三種策略將驅(qū)動(dòng)器置于電流/力矩模式下，采用現(xiàn)代控制理論中的一些非線性控制策略。 控制器直接根據(jù)指令位置計(jì)算出力矩值，發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器。此時(shí)驅(qū)動(dòng)器弱化為一個(gè)功率放大模塊，而控制器才能算是在做運(yùn)動(dòng)控制。 這其中可采用的控制策略有計(jì)算力矩法、反饋線性化及一些自適應(yīng)控制策略等。 下圖的采用反饋線性化方法的控制效果，可以達(dá)到跟上一種方法差不多的動(dòng)態(tài)效果，但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，它的穩(wěn)態(tài)精度及抗干擾能力不如上一種。

下圖是關(guān)于ABB控制器原理的一些資料，從中可以看到他們可能已經(jīng)采用了現(xiàn)代控制理論及非線性控制的部分東西。

高級控制 前面的控制中都是將機(jī)械臂看做是完全剛性的，然而實(shí)際的材料都是有柔性的。 機(jī)械臂的柔性可歸結(jié)為連桿的柔性及關(guān)節(jié)的柔性，這其中機(jī)械臂70~80%的柔性是由關(guān)節(jié)減速器及傳動(dòng)元件等引起的。 在上圖ABB的控制器框圖中，也區(qū)分了tool position與motor position。這種控制策略中普遍需要電機(jī)端位置反饋及連桿端位置反饋。

該類機(jī)械臂控制中會對關(guān)節(jié)柔性部分進(jìn)行建模及辨識。 此外，機(jī)械臂中一般只有電機(jī)端安裝有編碼器，這種控制在實(shí)際使用中還涉及到如何有效且方便地估計(jì)連桿的位置。 在后續(xù)的文章中，我們會討論關(guān)于關(guān)節(jié)剛度辨識及連桿位置估計(jì)等問題。

3.總結(jié)

機(jī)器人控制器能發(fā)揮出最大性能，需要機(jī)器人結(jié)構(gòu)、裝配、系統(tǒng)辨識、狀態(tài)估計(jì)、控制周期、控制方法等多方面來共同保證的。 機(jī)器人非線性控制策略是學(xué)術(shù)上的研究熱點(diǎn)，然而國內(nèi)工程師普遍對這些不太感冒，覺得前兩種控制策略足夠好了。 將非線性控制策略與三環(huán)控制策略結(jié)合在一起，并考慮關(guān)節(jié)柔性，可充分發(fā)揮理論的能力，或許可以在實(shí)踐中獲取更好的效果。

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審核編輯 黃宇