機(jī)器人基本控制方法解析PPT課件

1、1機(jī)器人控制的特點(diǎn) 傳統(tǒng)自動(dòng)機(jī)械的控制以自身的動(dòng)作為重點(diǎn)，而機(jī)器人的控制更著重本體與操作對(duì)象的相互關(guān)系。 機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)，經(jīng)常要求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題和逆問題，并且由于各關(guān)節(jié)之間慣性力、哥氏力的耦合作用以及重力負(fù)載的影響，使控制問題也變得復(fù)雜。 即使一個(gè)簡單的機(jī)器人也至少有3-5個(gè)自由度，每個(gè)自由度一船包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)必須有機(jī)地協(xié)調(diào)起來，組成一個(gè)多變量的控制系統(tǒng)。第1頁/共55頁2機(jī)器人控制的特點(diǎn) 描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性模型，隨著狀態(tài)的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，僅僅是位置閉環(huán)是不夠的，還要利用速度，甚至加速度閉

2、環(huán)。系統(tǒng)中還經(jīng)常采用一些控制策略，比如前饋、 PID控制、解耦控制等。 機(jī)器人還有一種持有的控制方式示教再現(xiàn)控制方式。當(dāng)要機(jī)器人完成某作業(yè)時(shí)，可預(yù)先移動(dòng)機(jī)器人的手臂，來示教該作業(yè)順序、位置以及其他信息，在執(zhí)行時(shí)，依靠機(jī)器人的動(dòng)作再現(xiàn)功能，可重復(fù)進(jìn)行該作業(yè)。第2頁/共55頁3機(jī)器人控制的分類 位置控制 速度控制 力（力矩）控制第3頁/共55頁4機(jī)器人控制的分類位置控制點(diǎn)位控制：僅控制離散點(diǎn)上機(jī)器人手爪或工具的位姿，要求盡快而無超調(diào)地實(shí)現(xiàn)相鄰點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，但對(duì)相鄰點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)執(zhí)逾一般不做具體規(guī)定。其技術(shù)指標(biāo)是定位精度和完成運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間。點(diǎn)焊、搬運(yùn)和上下料等工作，都采用該控制方式。連續(xù)軌跡控制：連

3、續(xù)控制機(jī)器人手爪或工具的位姿軌跡。一般要求軌跡光滑、速度可控且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。其技術(shù)指標(biāo)是軌跡精度和平穩(wěn)性。在弧焊、噴漆、切割等場所的機(jī)器人控制均屬于這一類。點(diǎn)位控制連續(xù)軌跡控制第4頁/共55頁5機(jī)器人控制的分類 速度控制：對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制來說，在位置控制的同時(shí)，有時(shí)還要進(jìn)行速度控制。由于機(jī)器人是一種工作情況(行程、負(fù)載)多變、慣性負(fù)載大的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，要處理好快速與平穩(wěn)的矛盾，必須控制啟動(dòng)加速和停止前的減速這兩個(gè)過渡運(yùn)動(dòng)區(qū)段。機(jī)器人行程的速度-時(shí)間曲線 力（力矩）控制：在進(jìn)行裝配或抓取物體等作業(yè)時(shí)，機(jī)器人末端操作器與環(huán)境或作業(yè)對(duì)象的表面接觸，除了要求準(zhǔn)確定位外，還要求使用適度的力或力矩進(jìn)行工作，這時(shí)

4、就要采取力(力矩)控制方式。第5頁/共55頁6機(jī)器人位置控制 簡單機(jī)械系統(tǒng)的位置控制 單關(guān)節(jié)的位置控制 基于直角坐標(biāo)的位置控制機(jī)器人控制系統(tǒng)方框圖第6頁/共55頁7簡單機(jī)械系統(tǒng)的位置控制 點(diǎn)位控制 連續(xù)軌跡控制 控制規(guī)律的分解第7頁/共55頁8點(diǎn)位控制質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)帶驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)第8頁/共55頁9點(diǎn)位控制式中：點(diǎn)位控制器框圖第9頁/共55頁10連續(xù)軌跡控制單位質(zhì)量系統(tǒng)軌跡跟蹤控制器框圖第10頁/共55頁11控制規(guī)律的分解帶驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)第11頁/共55頁12控制規(guī)律的分解利用控制規(guī)律分解的軌跡跟蹤控制器第12頁/共55頁13 如圖所示，系統(tǒng)的參數(shù)m1，c=1

5、和k1，為了使質(zhì)量塊保持在某個(gè)固定位置，需要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。試?yán)每刂埔?guī)律的分解方法，確定控制器的、和增益kp和kv，要求閉環(huán)系統(tǒng)具有臨界阻尼，且剛度為k16.0。帶驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)第13頁/共55頁14利用控制規(guī)律分解的定點(diǎn)位置控制器第14頁/共55頁15單關(guān)節(jié)的位置控制 數(shù)學(xué)模型 閉環(huán)傳遞函數(shù) 位置和速度控制增益的確定第15頁/共55頁16數(shù)學(xué)模型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖第16頁/共55頁17數(shù)學(xué)模型電樞繞組等效電路機(jī)械傳動(dòng)原理圖第17頁/共55頁18數(shù)學(xué)模型電樞繞組等效電路第18頁/共55頁19數(shù)學(xué)模型第19頁/共55頁20數(shù)學(xué)模型第20頁/共55頁21數(shù)學(xué)模型單關(guān)節(jié)開環(huán)傳遞函數(shù)第

6、21頁/共55頁22閉環(huán)傳遞函數(shù)帶位置反饋的閉環(huán)控制框圖第22頁/共55頁23閉環(huán)傳遞函數(shù)第23頁/共55頁24閉環(huán)傳遞函數(shù)帶位置反慣與速度反饋的閉環(huán)控制框圖第24頁/共55頁25閉環(huán)傳遞函數(shù)第25頁/共55頁26位置和速度控制增益的確定第26頁/共55頁27位置和速度控制增益的確定第27頁/共55頁28基于直角坐標(biāo)的位置控制 直角坐標(biāo)路徑輸入時(shí)的控制方案 直角坐標(biāo)解耦控制第28頁/共55頁29直角坐標(biāo)路徑輸入時(shí)的控制方案直角坐標(biāo)路徑輸入的關(guān)節(jié)空間控制方案直角坐標(biāo)空間控制方案原理圖第29頁/共55頁30直角坐標(biāo)解耦控制用直角坐標(biāo)變量表示的操作空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程為：式中：F為作用在機(jī)器人末端操

7、作器上的廣義操作力； x為末端操作器的位姿矢量； Mx()為質(zhì)量矩陣； 為向心力、哥氏力矢量； Gx()為重力矢量。) ,(xU第30頁/共55頁31直角坐標(biāo)解耦控制基于模型的控制規(guī)律為：伺服控制規(guī)律為：式中：kv、kp都是矩陣，通常選為對(duì)角陣； exd-x、 都是誤差矢量，分別表示位置誤差和速度誤差。xxed第31頁/共55頁32直角坐標(biāo)解耦控制動(dòng)力學(xué)解耦的直角坐標(biāo)控制方案 所表示的控制器允許直接描述直角坐標(biāo)軌跡，而無需進(jìn)行軌跡變換。第32頁/共55頁33機(jī)器人力控制 需要采用力控制的作業(yè)情況 約束條件 約束坐標(biāo)系 力控制的基本原理 穩(wěn)態(tài)誤差分析 實(shí)際應(yīng)用的伺服規(guī)則第33頁/共55頁34需要

8、采用力控制的作業(yè)情況在噴漆、點(diǎn)焊、搬運(yùn)時(shí)所使用的機(jī)器人，一船只要求其末端操作器(噴槍、焊槍、手爪等)沿某一預(yù)定的路徑運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中末端操作器始終不與外界任何物體相接觸。這時(shí)，只需對(duì)機(jī)器人進(jìn)行位置控制。在裝配、加工、拋光等作業(yè)中，工作過程中要求機(jī)器人手爪與作業(yè)對(duì)象接觸，并保持一定的壓力。此時(shí)，如果只對(duì)其實(shí)施位置控制，有可能由于機(jī)器人的位姿誤差及作業(yè)對(duì)象放置不準(zhǔn)，或者使手爪與作業(yè)對(duì)象脫離接觸，或者使兩者相碰撞而引起過大的接觸力，其結(jié)果，不是機(jī)器人手爪在空中晃動(dòng)，就是造成機(jī)器人或作業(yè)對(duì)象的損傷。對(duì)于這類作業(yè)，一種比較好的控制方案是：控制手爪與作業(yè)對(duì)象之間的接觸力。這樣，即使是作業(yè)對(duì)象位置不準(zhǔn)確，也

9、能保持手爪與作業(yè)環(huán)境的正確接觸。相應(yīng)地，對(duì)機(jī)器人的控制，除了在一些自由度方向上進(jìn)行位置控制外，還需要在另一些自由度方向上進(jìn)行力控制。第34頁/共55頁35約束條件 自然約束條件：機(jī)器人手抓接觸外界環(huán)境時(shí)自然生成的約束條件。 人為約束條件：人為給定的約束，用來描述機(jī)器人預(yù)期的運(yùn)動(dòng)或施加的力。 自然約束條件與人為約束條件表達(dá)了位置控制與力控制的對(duì)偶性。 在一個(gè)給定的自由度上，不能同時(shí)對(duì)力和位置實(shí)施控制。第35頁/共55頁36約束坐標(biāo)系 約束坐標(biāo)系：在許多機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)中，可以定義這樣一個(gè)廣義平面：沿此廣義平面的法線方向有自然位置約束，可施加人為力約束，即施加力控制；而沿切線方向有自然力約束，可施

10、加人為位置約束，即施加位置控制。可用一個(gè)坐標(biāo)系C來取代這一廣義平面，該坐標(biāo)系C稱為約束坐標(biāo)系。第36頁/共55頁37約束坐標(biāo)系 約束坐標(biāo)系的選取：一般應(yīng)建立在機(jī)器人手抓與作業(yè)對(duì)象相接觸的界面上。 約束坐標(biāo)系的特點(diǎn)：C為直角坐標(biāo)系，以方便描述作業(yè)操作；視任務(wù)的不同，C可能在環(huán)境中固定不動(dòng)，也可能隨手抓一起運(yùn)動(dòng)；C有六個(gè)自由度，任意時(shí)刻的作業(yè)均可分解為沿C中每一自由度的位置控制或力控制。第37頁/共55頁38螺釘進(jìn)入螺釘孔下行時(shí): 位移分量狀態(tài)為： 力/力矩分量狀態(tài)為： 自然約束與人為約束表達(dá)式為：第38頁/共55頁39螺釘擰到位后: 位移分量狀態(tài)為： 力/力矩分量狀態(tài)為： 自然約束與人為約束表達(dá)

11、式為：第39頁/共55頁40兩點(diǎn)結(jié)論： 人為約束必須適應(yīng)自然約束，且兩者的約束數(shù)目相等。即當(dāng)C中某個(gè)自由度上存在位置自然約束時(shí)，就應(yīng)該相應(yīng)地給定一個(gè)力的人為約束；反之亦然。 自然約束條件的變化是根據(jù)檢測到的信息來確認(rèn)的，而這些被檢測的信息一般在當(dāng)時(shí)是不受控制的位置或力的變化量。如螺釘在未擰緊時(shí)的被控制量是繞CZ轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 ，而用來確定是否擰緊的被控制量則是當(dāng)時(shí)不受控制的力矩mz。Z第40頁/共55頁41力控制的基本原理機(jī)器人與環(huán)境的相互作用質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)第41頁/共55頁42力控制的基本原理第42頁/共55頁43質(zhì)量-彈簧力控制系統(tǒng)框圖 既簡單、實(shí)用，又可使穩(wěn)態(tài)誤差較小。力控制的基本原理第4

12、3頁/共55頁44穩(wěn)態(tài)誤差分析 通常情況下環(huán)境為剛性，是較小的正數(shù)。比較ef1和ef2，可知ef1 ef2。第44頁/共55頁45實(shí)際應(yīng)用的伺服規(guī)則 在一般情況下，力軌跡是恒定的，即要求接觸力控制為某個(gè)常數(shù)值，而很少把它設(shè)置為任意的時(shí)間函數(shù)。這樣，控制方程中導(dǎo)數(shù)項(xiàng) ； 另一個(gè)實(shí)際問題是檢測出的力有時(shí)帶有很大的噪聲，如果根據(jù)檢測出的fe，用數(shù)值微分的方法求 ,會(huì)使系統(tǒng)的噪聲很大。由于fekex，可以用測得系統(tǒng)質(zhì)量塊的速度 來計(jì)算環(huán)境作用力的導(dǎo)數(shù) 。0ddff efx xkfee第45頁/共55頁46實(shí)際應(yīng)用的伺服規(guī)則實(shí)際的質(zhì)量-彈簧力控制系統(tǒng)第46頁/共55頁47機(jī)器人位置/ /力控制 問題的提

13、出 直角坐標(biāo)機(jī)器人的位置/力混合控制 一般機(jī)器人的位置/力混合控制第47頁/共55頁48問題的提出手抓與環(huán)境的兩種極端狀態(tài)(a) 自由狀態(tài)(b) 固定狀態(tài)自由狀態(tài)：為力自然約束，可自由地控制手抓的運(yùn)動(dòng)，但無法對(duì)其施加力和力矩控制，屬于位置控制問題；固定狀態(tài)：為位置自然約束，手抓不能自由地改變位置，但可控制其向?qū)ο笫┘恿土?，?shí)際中很少出現(xiàn)；通常狀態(tài)：機(jī)器人在一部分自由度上受到位置約束時(shí)的力控制問題，即位置/力混合控制。第48頁/共55頁49問題的提出刻畫作業(yè)第49頁/共55頁50問題的提出 機(jī)器人控制所要解決的三個(gè)問題：沿著力自然約束方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的位置控制；沿著位置自然約束方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的力控制；在任意約束坐標(biāo)系C的正交自由度上，