機器人控制課件

機器人控制參考書目BrunoSiciliano,LorenzoSciavicco,etal.Robotics:Modeling,planningandcontrol.蔡自興.機器人學（第二版）.北京：清華大學出版社，2009譚民，徐德，侯增廣等.先進機器人控制.北京：高等教育出版社，2007.本章內(nèi)容機器人控制概述機器人控制分類機器人控制系統(tǒng)硬件配置及結構機器人的位置控制機器人的力控制總結一.機器人控制技術綜述“控制”的目的是使被控對象產(chǎn)生控制者所期望的行為方式“控制”的基本條件是了解被控對象的特性“實質(zhì)”是對驅(qū)動器輸出力矩的控制輸入X被控對象的模型輸出Y目的輸入X輸出Y機器人控制的兩個問題：1）求機器人的動態(tài)模型（動力學問題）；2）根據(jù)動態(tài)模型設計控制規(guī)律機器人技術與控制學科的關系機器人控制國際視野IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems

如果被控對象的模型能夠精確知道，但模型是變化的，怎么辦？如果模型的變化是可以預測的X1/P（T）P（T）Y開環(huán)預測控制如果模型的變化是可以實時辯識的X1/P（T）P（T）Y辨識器開環(huán)辨識控制按照期望控制量分為：位置控制，力控制位置控制單關節(jié)位置控制（位置反饋，位置速度反饋，位置速度加速度反饋）多關節(jié)位置控制分解運動控（decentralizedcontrol）集中控制(centralizedcontrol)力控制直接力控制（directforcecontrol）阻抗控制(impedancecontrol)力位混合控制(Hybridforce/Motioncontrol)三.控制系統(tǒng)硬件配置及結構電氣硬件軟件架構高性能機器人運動控制卡主控芯片５１單片機dsptms320c6713——DSPDigitalsignalprocessing

SamsungS5L8900B01——ARMＥＰＩＣ３Ｔ１４４——FPGAField

Programmable

Gate

Array（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）ＤＳＰ架構CodeComposerStudio(CCStudio)

集成開發(fā)環(huán)境編程環(huán)境總體架構1）傳感器信號采集及處理系統(tǒng)驅(qū)動電路系統(tǒng)基于PWM的三相全橋控制PID控制器的基本原理被控對象比例環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)求和求差期望輸出實際輸出反饋控制實例：PID被控參數(shù)（位置、力、速度、溫度、流量、液位等）以怎樣的途徑，多長時間到達期望值PID控制方法以單個關節(jié)的角度控制為例定義e(t)為輸入輸出之差的時間函數(shù)數(shù)字PID控制算法計算機控制系統(tǒng)多數(shù)是采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。連續(xù)-時間信號——采樣、量化——數(shù)字量積分，微分——采用數(shù)值逼近的方法。采用矩形積分差分代替微分代入ＰＩＤ的公式整理做代換得：ＰＩＤ算法流程Matlab/simulink模型仿真結果分析PID控制器具有一定的魯棒性，但對干擾抑制效果不是很好PID參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響Kp--影響系統(tǒng)的響應速度，Kp越大，響應速度越快,增大Kp可能會引起系統(tǒng)超調(diào)，甚至振蕩和不穩(wěn)定；Ki--影響系統(tǒng)的靜態(tài)精度，有利于消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，但Ki過大也可能會引起系統(tǒng)超調(diào)，甚至振蕩和不穩(wěn)定；Kd--影響系統(tǒng)的響應速度，通?？杉涌煜到y(tǒng)的穩(wěn)定時間，但微分環(huán)節(jié)也會把外部的干擾放大，微分作用過強，可能會引起系統(tǒng)的振蕩和不穩(wěn)定；傳統(tǒng)PID參數(shù)整定方法PID控制參數(shù)整定方法優(yōu)點缺點手動整定經(jīng)驗試湊發(fā)方法簡單，應用廣泛依靠經(jīng)驗，耗費時間Z-N經(jīng)驗公式法方法簡單，使用快捷大滯后過程中，控制品質(zhì)差Z-N臨界比例度法不依賴模型數(shù)學參數(shù)多次試驗耗時長，受不確定因素影響大，臨界振蕩不易判定衰減曲線法利用衰減振蕩整定參數(shù)負荷變化，需要重新調(diào)整Cohen-Coon整定法抗負載擾動能力強作用于小時滯系統(tǒng)產(chǎn)生大超調(diào)自動整定階躍辨識法魯棒性強，動態(tài)性能好計算簡單，精度高從階躍響應曲線獲得參數(shù)困難繼電反饋法耗時少，抗干擾，可整定高度非線性過程繼電反饋得到的參數(shù)是近似參數(shù)最優(yōu)整定法系統(tǒng)超調(diào)小、響應快性能指標提取困難內(nèi)模控制超調(diào)小、抗干擾模型建立精確性難保證非線性PID控制超調(diào)小、調(diào)整時間短控制參數(shù)的不易選取PID控制器參數(shù)整定的一般規(guī)律先調(diào)節(jié)Kp,至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,設此時比例增益為Kp’取Kp=Kp’/2,逐漸增大Ki,直至出現(xiàn)振蕩,記Ki’取Ki=Ki’/3,調(diào)節(jié)Kd,直至獲得滿意的系統(tǒng)特性

機器人的位置控制

機器人系統(tǒng)的特點：電機驅(qū)動，動態(tài)特性非線性，關節(jié)彈性及摩擦存在在建立模型時，提出下列兩個假設：（1）機器人的各段是理想剛體，因而所有關節(jié)都是理想的，不存在摩擦和間隙。

（2）相鄰兩連桿間只有一個自由度，要么為完全旋轉(zhuǎn)的．要么是完全平移的。笛卡爾空間位置控制Xd為笛卡爾空間期望位置，Xe為實際位置

從穩(wěn)定性和精度的觀點看，要獲得滿意的伺服傳動性能，必須在伺服電路內(nèi)引入補償網(wǎng)絡。1．機器人位置控制任務分類：點到點的控制(如搬運、點焊機器人)或連續(xù)路徑的控制（如弧焊、噴漆機器人）。2.位置控制方法：關節(jié)空間控制結構和直角坐標空間控制結構，分別見圖5.11（a）和（b）所示。位置、速度反饋控制速度環(huán)：使關節(jié)電機表現(xiàn)出期望的速度特性，通常通過驅(qū)動器的電流環(huán)控制位置環(huán)：使關節(jié)電機運動到期望的位置，由控制器實現(xiàn)。速度、加速度前饋補償控制當機器人處于高度運動時，位置、速度反饋的精度大幅降低，此時通過速度、加速度前饋補償提高跟蹤精度。速度、加速度前饋補償鎖住機器人的其他各關節(jié)而依次移動一個關節(jié)，這種工作方法顯然是低效率的。這種工作過程使執(zhí)行規(guī)定任務的時間變得過長，因而是不經(jīng)濟的。不過，如果要讓一個以上的關節(jié)同時運動，那么各運動關節(jié)間的力和力矩會產(chǎn)生互相作用，而且不能對每個關節(jié)適當?shù)貞们笆鑫恢每刂破鳌Ｒ虼?，要克服這種互相作用，就必須附加補償作用。要確定這種補償，就需要分析機器人的動態(tài)特征。1．動態(tài)方程的拉格朗日公式動態(tài)方程式表示一個系統(tǒng)的動態(tài)特征。我們已討論過動態(tài)方程的一般形式的拉格朗日方程如下：

多關節(jié)位置控制器二自由度機械手簡圖二自由度機械手的動力學方程分解控制基于計算力矩前饋補償?shù)亩嚓P節(jié)分解控制專家控制系統(tǒng)(ExpertControlSystem)幾乎所有的專家控制都包括：knowledgebase(知識庫),reasoningengineer(推理機),ruleset(控制規(guī)則集)and/orcontrolalgorithm.模糊控制系統(tǒng)(FuzzyControlSystem)Anewmechanismofcontrollawofknowledge-based(rule-based)andevenlanguage-description.Animprovedalternativemethodtonon-linearcontrol.神經(jīng)控制系統(tǒng)(Neuro-ControlSystem)控制系統(tǒng)基于ArtificialNeuralNetwork(ANN-basedcontrol),簡稱為neuralcontrolorNNcontrol.教師學習Supervisedneuralcontrollerstructure例：基于神經(jīng)網(wǎng)絡的位置控制五.機器人的力控制力控制簡介直接力控制（Directforcecontrol）間接力控制（Indirectforcecontrol）應用舉例力控制簡介目的:控制機器人各關節(jié)使其末端表現(xiàn)出一定的力或力矩特性。分類直接力控制（Directforcecontrol）PID控制間接力控制（Indirectforcecontrol）被動柔順（變剛度）主動柔順（阻抗控制）為什么采用力控制？軸孔配合形狀適應性接觸碰撞直接力控制作用：實現(xiàn)機器人與環(huán)境作用力的精確控制實例：力的PI控制方法特點：直接力控制具有力回路，直接控制期望力直接力控制間接力控制分類：主動柔順-阻抗控制；被動柔順-變剛度特點：間接力控制（阻抗控制、力/位混合控制）通過控制位置實現(xiàn)力控制，沒有明確力回路單自由度系統(tǒng)柔順控制寫成狀態(tài)圖的形式為：在PD控制下聯(lián)立得：閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)圖為：傳遞函數(shù)為：閉環(huán)系統(tǒng)的拉氏變換為：穩(wěn)態(tài)位置為：穩(wěn)態(tài)接觸力為：當：二自由度機械臂與平面接觸的柔順控制包含阻尼項的阻抗控制模型阻抗控制分類區(qū)別在內(nèi)環(huán)基于位置的笛卡爾空間阻抗控制基于力的笛卡爾空間阻抗控制例：機械臂笛卡爾阻抗控制末端期望軌跡：X-Y平面內(nèi)直徑300mm的圓。障礙物：圓柱形杯子。坐標參數(shù)XYZRyKi

1500(N/m)1500(N/m)1500(N/m)5(Nm/deg)Di

20(Ns/m)20(Ns/m)20(Ns/m)1(Nms/deg)Fi

5(N)5(N)5(N)1(Nm)各關節(jié)位置響應笛卡爾位置響應機械臂末端接觸力響應曲線末端接觸力各關節(jié)力矩響應曲線關節(jié)力矩被動柔順控制目的：基于安全性考慮阿西莫夫三定律：1950年,美國作家埃薩克·阿西莫夫在