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(shí)現點(diǎn)到點(diǎn)的控制(PTP 控制，如搬運、點(diǎn)焊機器人)或連續路徑的控制(CP 控制，如弧焊、噴漆機器人)。因此實(shí) 現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(shí)也稱(chēng)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構形式，即關(guān)節空間控制結構和直角坐標空間控制結 構，分別見(jiàn)圖5-9a 和圖5-9b 所示。

在圖5-9a 中 ，q=[qa1,qu2,…,qun] 是期望的關(guān)節位置矢量， q 和q。是期望的關(guān) 節速度矢量和加速度矢量， q 和q 是實(shí)際的關(guān)節位置矢量和速度矢量。 t=[ti,T2, … , T]T 是關(guān)節驅動(dòng)力矩矢量， U₁ 和U₂ 是相應的控制矢量。

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(xiàn)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(shí)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 構。該控制結構的期望軌跡是關(guān)節的位置、速度和加速度，因而易于實(shí)現關(guān)節的伺服控 制。這種控制結構的主要問(wèn)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(dòng)軌 跡，因而為了實(shí)現軌跡跟蹤，需將機械手末端的期望軌跡經(jīng)逆運動(dòng)學(xué)計算變換為在關(guān)節空 間表示的期望軌跡。

機器人的伺服控制結構

機器人控制器一般均由計算機來(lái)實(shí)現。計算機的控制結構具有多種形式，常見(jiàn)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遞階控制的結構圖。

機器人控制系統是以機器人作為控制對象的，它的設計方法及參數選擇，仍可參照一 般計算機控制系統。不過(guò)，用得較多的仍是連續系統的設計方法，即先把機器人控制系 統當作連續系統進(jìn)行設計，然后將設計好的控制規律離散化，Z后由計算機來(lái)加以實(shí)現。 對于有些設計方法(如采用自校正控制的設計方法),則采用直接離散化的設計方法，即 先將機器人控制對象模型離散化，然后直接設計出離散的控制器，再由計算機實(shí)現。

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