7.1.2 机载操作臂的机构与控制
一般来说，对操作臂的机构和控制理论的研究并非一门新学科，它只不过是对传统学科理论的一种综合。机械工程理论为研究静态和动态环境下的操作臂提供了方法论；数学方法用于描述机械手空间运动及其特性；控制理论为实现期望运动或力提供了各种设计方法和评估算法；电气工程技术可用于传感器和工业机器人接口的设计；计算机技术提供了执行期望任务所需的编程平台。
下面介绍一些术语，并对将要涉及的一些专题进行概述。
1）位姿描述。
在机器人研究中，我们通常在三维空间中研究物体的位姿。这里所说的物体既包括操作臂的杆件、零部件和抓持工具，也包括操作臂工作空间内的其他物体。通常这些物体可用两个非常重要的特性来描述：位置和姿态。自然我们会首先研究如何用数学方法表示和计算这些参量。
为了描述空间物体的位姿，我们一般先将物体置于一个空间坐标系，即参考系中，然后我们就在这个参考坐标系中研究空间物体的位姿，如图7.1所示。
图7.1 在坐标系（参考系）中的操作臂和工作空间内的其他物体
2）线性位置控制。
一些操作臂装有步进电机或其他驱动器来直接产生所需要的轨迹。绝大多数操作臂是由驱动器来驱动的，这些驱动器提供力或力矩来驱动连杆运动。在这种情况下，就需要一种算法来计算用于产生期望运动的力矩。动力学是设计这种算法的核心，但仅依靠动力学本身并不能解决问题。设置位置控制系统首先要考虑的是自动补偿由于系统参数引起的误差，以及抑制引起系统偏离期望轨迹的扰动。为此，通过控制算法对位置和速度传感器进行检测，以计算出驱动器的力矩指令（见图7.2）。
3）非线性位置控制。
尽管基于近似线性模型的控制系统广泛应用于当前的工业机器人中，但在进行控制算法综合时，考虑操作臂完整的非线性动力学就很重要了。一些工业机器人在控制器中已经应用非线性控制算法。操作臂的非线性控制技术比简单的线性控制方法具有更好的性能。
4）力控制。
图7.2 操作臂运动轨迹
在操作臂执行实际操作任务的过程中，当操作臂接触零件、工具或工作表面时，操作臂控制力的能力显得极其重要。力控制是对位置控制的补偿，因为在特定情况下，我们一般认为只有力控制或位置控制是合适的。当操作臂在自由空间中运动时，只有位置控制的概念，因为它不与任何表面接触。然而在一些应用场合，当操作臂接触刚性表面时，位置控制方法可能会在接触表面产生过大的力或者执行器脱离接触表面。操作臂很少同时在所有方向受到作用表面的约束，因此就需要混合控制方式，也就是说，在某些方向用位置控制法则来控制，而其余方向通过力控制法则来控制（见图7.3）。
图7.3 操作臂混合控制系统