二自由度机器人的通用控制

二自由度机器人的通用控制

机器人是一中自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智力能力，如感知能力，规划能力，动作能力和协同能力，是一中具有高度灵敏的自动化机器。作为一个复杂的综合系统，机器人控制系统涉及到很多的学科（如计算机，机械，传感器，人工智能等）。其中，机器人的控制系统具有很重要的意义。随着机器人的功能日益复杂，如何综合考虑模块功能，控制性能要求，设计一个合乎要求的机器人控制系统，将是一项非常有意义的事情。

那么研究一个机器人控制系统，需要我们对机器人控制系统有一个明确的认识。机器人控制体系是指控制机器人的软件和硬件机构，其研究主要集中在机器人控制器的研究和开发上，通常分为功能设计和结构设计。功能设计部分要完成控制功能和算法的定义，结构设计是完成功能在软件和硬件上的分布。

本文概要

本文主要着眼于机器人的控制系统的设计。以二连杆机器人的控制系统为例提出二自由度机器人的控制设计方案：基于PID 控制器的二自由度机器人的MATLAB仿真。

第一章：机器人的基础知识

什么是机器人？如果将常规的机器人操作手与挂在多用车或着牵引车上的起重机进行比较，可发现两者非常相似。他们都具有许多的连杆，这些关节同过连杆依次连接，这些关节有驱动器驱动。在上

述两个系统中，操作手都能在空中运动并且还可以运动到空间的任何位置，他们都能承担一定的负荷，并都用一个中央控制器驱动器。然而，他们一个称为机器人一个称为起重机，两者最根本的不同就是起重机是有人工操作的，而机器人是由计算机编程控制的，正是通过这个可以区别一台设备到底是简单的操作机还是机器人。通常机器人设计成由计算机或着类似的装置来控制，机器人的动作受计算机监控的控制器多控制，该控制器本身也会运行某中类型的程序。因此，如果程序变了，机器人的动作相应的就会改变。我们希望一台设备能灵活地完成各种不同的工作而无需要重新设计硬件装置。为此机器人必须设计成可重复编程，通过改变程序来执行不同的任务（当然在限制的范围内）。简单的操作机除非一直有人来操作否则无法作到这一点。

机器人的分类：

按照日本工业机器人学会（JIRA）的标准，可奖机器人进行如下的分类：

第一类：人工操作装置----由操作员操纵的多自由度装置

第二类：固定顺序机器人-----按照预定的不变方法有步骤地依次执行任务的设备，其执行顺序很难改变。

第三类：可变顺序机器人------同第二类，但其顺序易于修改。

第四类：示教再现机器人（playback）-----操作员引导机器人手动执行任务，纪录下这些动作并由机器人以后再现执行，即机器人按照纪录下的信息重复执行同样的动作。

第五类：数控机器人----操作员为机器人提供运动程序，而不是

手动示教执行任务。

第六类：智能机器人----机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使起环境发生改变也能够成功的完成任务。

美国机器人学会（RIA）只将以上第三类到第六类视为机器人。

法国机器人学会（AFR）将机器人进行一下的分类：

类型A：手动控制远程机器人的操作装置。

类型B：具有预定周期的自动操作装置。

类型 C:具有连续轨迹或点到点轨迹的可编程伺服控制机器人。

类型D：同类型C，但能够获取环境的信息。

什么是机器人学

机器人学是人们设计和应用机器人的技术和知识。机器人系统不仅有机器人组成，还需要其它的装置和系统连同机器人来一起完成必要的任务。机器人可以用于生产制造，水下作业，空间探测，帮助残疾人甚至娱乐方面。通过编程控制，许多的场合均可运用机器人。机器人学是一门交叉的学科，他得益于机械工程，电器与电子工程，计算机科学，生物学以及许多的其它的学科。

机器人的组成部件

机器人作为一个系统，他由如下的部件组成：

机械手和移动车这是机器人的主体部分，由连杆和活动关节以及其他的结构部件构成。如果没有其他的部件，仅机械手本身并不是机器人。

末端执行器这就是连接在机械手最后的一个关节上的部件，

他一般用来抓取物体，与其他机构连接并执行需要的任务。机器人制造商一般不设计末端执行器，多数情况下他们只提供一个简单的抓持器。一般来说，机器人手部都具有能连接专用末端执行器的接口，折中末端执行器是为某中用途专门设计的。

驱动器驱动器是机械手的肌肉。常见的驱动器有伺服电机，步进电机，汽缸和液压缸等，也还有一些用于特殊场合的新型驱动器，还有驱动器受控制器的控制。

传感器传感器用来收集机器人内部状态的信息和用来与外部环境进行通信。想人一样，机器人控制器也需要知道每一个连杆的位置才能知道机器人的总体结构，人即使在完全黑暗中，也会知道胳膊和腿在那里，这是因为肌腱内的中枢神经系统中的神经传感器将信息反馈给了人的大脑。大脑利用这些信息来测定肌肉伸缩的程度，进而确定腿和胳膊的状态。机器人也同样如此，集成在机器人内的传感器将每一个关节和连杆的信息发送给控制器，于是控制器就能机器人的构型。机器人常用的传感器有许多外部传感器，例如视觉传感器，语言合成器以使机器人能与外部进行通信。

控制器机器人控制器与人的大脑十分的相似，虽然小脑的功能没有人的大脑功能强大，三他却控制着人的运动。机器人控制器从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。假如要机器人从箱柜里取出一个零件，他的第一关节必须为35度，如果第一关节尚未达到这一角度，控制器就会发出一个信号到驱动器（输送电流到电机，输送气体到汽缸或发送信号到液

压缸的伺服阀），使驱动器运动，然后通过关上的反馈传感器（电位器或是编码器）测量关节上的角度变化，当关、关节达到预定的角度时，停止发送控制信号。对与更复杂的机器人，机器人的运动速度和力也由控制器控制。

处理器处理器是机器人呢的大脑，用来计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定速度和位置，并且监督控制器与传感器协调工作。处理器通常是一台计算机，只不过是一台专用计算机。他也需要拥有操作系统，程序和象监视器那样的外部设备等，同时他在许多其他的方面也具有与PC处理器同样的功能和局限性。

软件用于机器人的软件大致有三块。第一块是操作系统，用来操作计算机；第二块是机器人软件，他根据机器人的运动学方程计算每个关节的必要动作，然后将这些信息传送到控制器，这中软件有多种级别，即从机器语言到现代机器人使用的复杂高级语言不等；第十块是例行程序和应用程序，他们是为了使用机器人外部设备而开发的（例如视觉程序），或者是为了执行特定任务而开发的。

注意：在许多系统中控制器和处理器放在同一单元中。虽然着两部分放在同一装置盒内甚至集成在同一电路中，但他们有各自的功能。

机器人的自由度

正如工程力学课程中所学到的为了确定点在空间中的位置，需要指定三个坐标，就象沿直角坐标x, y 和 z三个坐标。要确定该点的位

置必须要有三个坐标，同时只要有三个坐标便可确定该点的位置。虽然这三个坐标可以用不同的坐标系来表示，但没有坐标系是不性的。然而，不能用两个或四个坐标，因为两个坐标不能确定点在空间中的位置，而在三维空间不可能有四个坐标。同样的，如果考虑三自由度的三维装置。例如，台架（x y z）起重机可以将一个求放到他工作区内操作员所制定的任意位置。

同样，要确定一个刚体（一个三维的物体而不是一个点）在空间的位置，首先要在该刚体上选择一个点并指定该改点的位置，因此需要三个数据来确定他的位置。然而，即使物体的位置已经确定仍有无数中的方法来确定物体关于所选点的姿态。为了安全定位空间的物体，除了确定所选点的位置外还需要确定物体的姿态。这就意味着需要有六个数据才能完全确定刚体的位置和姿态。基于同样的理由，需要有六个自由度才能见物体放置到期望的位姿。如果少于六个自由度，机器人的能力将会受到很大的限制。为了说明问题，考虑一个三自由度的机器人，他只能沿x, y 和z轴运动。在这中情况下，不能指定机械手的姿态。此时，机器人只能夹持物件做平行与坐标轴的运动，姿态保持不变。再假设一个机器人有五个自由度，可以饶三坐标轴旋转运动，但只能沿x和 y轴移动。这时虽然可以任意的指定姿态，但只能沿x和y 轴而不可能沿z轴给部件定位。

具有七个自由度的系统没有一个唯一的解。这就意味着，如果一个机器人有七个自由度，那么机器人就可以有无穷多种方法在期望位置为部件定位和定姿。为了使控制器知道具体怎么做，必须有附加的

决策程序死机器人能够从无数中方法中只选择一种。例如，可以采用最优程序来选择最快和最段路径到达目的地。为此，计算机必须检验所有的解，从中找到最短和最快的并且执行。由于这种额外的需要会耗费许多计算时间，因此这种七自由度的机器人在工业上是不被采用的。与之类似的的问题是，假如一个机械手机器人安装在一个活动的基座上，例如移动平台或传送带上，则这种机器人就有冗余的自由度。给予前面的讨论，这种自由度是无法控制的。机器人能够从传送带或移动平台的无数不确定的位置上到达所要求的位姿。这时虽然有太多的自由度但是这种多余的自由度一般来说好不去求解的。换言之，当机器人安装在传送带上或是可移动的，机器人基座相对于传送带或其他参考坐标系的位置是已知的，由于基座的位置无需有控制器决定，自由度的个数实际上仍为六个，因此解是唯一的。只要机器人基座在传送带或移动平台上的位置已知（或已选定），就没有必要靠求解一组机器人运动方程来找到机器人基座的位置，从而系统得以求解。

对于机器人系统来说，从来不将末端执行器考虑为一个自由度。所有的机器人都有该附加功能，他看起来类似一个自由度，但末端执行器的动作并不计入机器人的自由度。

有时会有这样的情况，虽然关节是能够活动的，但他的运动并不完全受控制器的控制。例如，假设一个线性关节由一个汽缸，其上的手臂可以把全程伸开，也可以收缩，但不能控制他在两个极限之间的位置。在着中情况下，通常把这个关节的自由度确定为1/2，他表示这个关节只能在他的运动极限内定位。自由度为1/2的另一个含义是

仅仅只能对该关节赋予一些特定值，例如，假设一个关节的角度只能为0，30，60和90度，那么如前所述，该关节被限定为只有几个可能的取值，从而是一个受限制的自由度。

许多工业机器人的自由度都少于6个。实际上，自由度为3.5个，4个，和5个的机器人非常普遍。只要没有对附加自由度的需要，这些机器人都能很好的工作。例如，假设将电子元件插入电路板，电路板防在一个给定的工作平面上，此时，电路板相对与机器人基座的高度（z坐标）是已知的。因此，只需要沿x轴和 y 轴方向上的两个自由度就可以确定元件插入电路板的位置。另外，假设元件需要按照某个方位插入电路板，而且电路板是平的，此时，需要一个绕z轴旋转的自由度，才能在电路板上给元件定向。由于这里还需要一个1/2的自由度，一边能完全伸展末端执行器来插入元件，或者在运动前能够完全收缩见机器人抬起，因而总共需要3.5个自由度，其中两个自由度用来在电路板的上方运动，一个用来旋转元件，还有1/2个自由度用来插入和缩回。

机器人关节

机器人有许多不同类型的关节，有线性的，旋转的，滑动的或球形的。虽然球关节机器人在许多系统中很普遍，但是但是拥有多个自由度而且难以控制，所以在机器人中除了用于研究外并不长用。大多数机器人关节是线性的或旋转型关节。

滑动关节是线性的，他不包含旋转运动，并有汽缸，液压缸或者线性电机驱动器驱动。

回转关节属于旋转型的，主要有步进电机驱动，或者更普遍的采用伺服电机驱动。

机器人坐标

机器人的构型通常是根据他们的坐标系来确定。滑动关节用P表示，旋转关节用R表示，球形关节用S表示。例如：一个机器人有个滑动关节和三个旋转关节，则用3P3R表示。

以下是用于机器人手定位的常用构型：

笛卡儿坐标/直角坐标/台架型（3P）

圆柱坐标型（R2P）

求坐标型（２RP）

链式/拟人型(3R)

选择性柔性装配机器人臂（SCARA）

机器人的参考坐标系

机器人可以相对与不同的坐标系运动，在每一种坐标系中的运动都不相同。通常，机器人的运动在以下三种坐标系下完成。

全局参考坐标系全局参考坐标系是一种通用的坐标系，由x y 和z轴多定义。在此情况下，通过机器人关节的同时运动来产生沿三个主轴方向的运动。在这种坐标系中，无论手臂在那里，x轴的正向运动就是在x轴的正方向。这一坐标通常用来定义机器人相对与其他物体的运动，与机器人通信的其他部件以及运动路径。

关节参考坐标系关节参考坐标系用来描述机器人每一个独立关节的运动。假设希望将机器人的手运动到一个特定的位置可以

一次只运动一个关节，从而把手引导到期望的位置上。在这种情况下，每一个关节单独控制，从而每次只有一个关节运动。由于所以关节的类型（滑动型，旋转型，球形的）不同，机器人手的动作也各不相同。例如，旋转关节运动，机器人手将绕着关节的轴旋转。

第二章二连杆机器人模型的建立