机器人位置控制基本控制结构：关节空间控制结构和直角坐标空间控制结构,伺服控制结构

机器人的许多作业是控制机械手末端工具的位置和姿态，以实现点到点的控制(PTP 控制，如搬运、点焊机器人)或连续路径的控制(CP 控制，如弧焊、喷漆机器人)。因此实 现机器人的位置控制是机器人的Z基本的控制任务。机器人位置控制有时也称位姿控制或轨迹控制。对于有些作业，如装配、研磨等，只有位置控制是不够的，还需要力控制。 主要有两种机器人的位置控制结构形式，即关节空间控制结构和直角坐标空间控制结 构，分别见图5-9a 和图5-9b 所示。

在图5-9a 中 ，q=[qa1,qu2,…,qun] 是期望的关节位置矢量， q 和q。是期望的关 节速度矢量和加速度矢量， q 和q 是实际的关节位置矢量和速度矢量。 t=[ti,T2, … , T]T 是关节驱动力矩矢量， U₁ 和U₂ 是相应的控制矢量。

在图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 表示期望的工具姿态。 w=[v,wJ], 其 中 va=[v,V4,v] 是期 望的工具线速度， 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 表示实际的工具位姿和工具速度。运行中的工业机器人一般采用图5-9a 所示控制结 构。该控制结构的期望轨迹是关节的位置、速度和加速度，因而易于实现关节的伺服控 制。这种控制结构的主要问题是：由于往往要求的是在直角坐标空间的机械手末端运动轨 迹，因而为了实现轨迹跟踪，需将机械手末端的期望轨迹经逆运动学计算变换为在关节空 间表示的期望轨迹。

机器人的伺服控制结构

机器人控制器一般均由计算机来实现。计算机的控制结构具有多种形式，常见的有集中控制、分散控制和递阶控制等。图5-10表示 PUMA 机器人两J递阶控制的结构图。

机器人控制系统是以机器人作为控制对象的，它的设计方法及参数选择，仍可参照一 般计算机控制系统。不过，用得较多的仍是连续系统的设计方法，即先把机器人控制系 统当作连续系统进行设计，然后将设计好的控制规律离散化，Z后由计算机来加以实现。 对于有些设计方法(如采用自校正控制的设计方法),则采用直接离散化的设计方法，即 先将机器人控制对象模型离散化，然后直接设计出离散的控制器，再由计算机实现。

现有的工业机器人大多采用d立关节的PID 控制。图5-10所示 PUMA 机器人的控制 结构即为一典型。然而，由于d立关节PID 控制未考虑被控对象(机器人)的非线性及关节间的耦合作用，因而控制精度和速度的提高受到限制。除了本节介绍的d立关节 PID 控制 外，还将在后续各节讨论一些新的控制方法。