智能控制 課件 第八章-機器人智能控制

機器人智能控制智能控制1

第八章

RobotIntelligentControl1 機器人控制系統(tǒng)的特點智能控制2運動描述復(fù)雜，機器人的控制與運動學(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)。僅考慮位置閉環(huán)是不夠的，還要考慮速度閉環(huán)，甚至加速度閉環(huán)。需要求解正逆運動學(xué)問題?？紤]各關(guān)節(jié)之間慣性力、哥氏力等耦合作用和重力負載等因素。機器人控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。簡單的工業(yè)機器人有3~5個自由度，每個自由度一般包含一個伺服電機，多個獨立的伺服系統(tǒng)必須有機協(xié)調(diào)起來。例子:機器人的手部運動是所有關(guān)節(jié)的合成運動，要使手部按照一定的軌跡運動，就必須控制各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動，包括運動軌跡、動作時序等多方面協(xié)調(diào)。1 機器人控制系統(tǒng)的特點智能控制3機器人控制系統(tǒng)是非線性的控制系統(tǒng)。描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型，隨狀態(tài)和外力的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合，經(jīng)常使用重力補償、前饋、解耦或自適應(yīng)控制等方法。機器人的動作可以通過不同的方式和路徑來完成，因此存在一個最優(yōu)的問題。采用人工智能的方法，根據(jù)傳感器和模式識別的方法獲得對象及環(huán)境的工況，按照給定的指標要求，自動選擇最佳的控制規(guī)律。需采用加（減）速控制。過大的加（減）速度會影響機器人運動的平穩(wěn)性，甚至使機器人發(fā)生抖動，因此應(yīng)在機器人起動或停止時采取加（減）速控制策略。2機器人控制系統(tǒng)的功能（1）控制機械臂末端執(zhí)行器的運動位置；（即控制末端執(zhí)行器經(jīng)過的點和移動路徑）（2）控制機械臂的運動姿態(tài)；（即控制相鄰兩個活動構(gòu)件的相對位置）（3）控制運動速度；（即控制末端執(zhí)行器運動位置隨時間變化的規(guī)律）（4）控制運動加速度；（即控制末端執(zhí)行器在運動過程中的速度變化）（5）控制機械臂中各動力關(guān)節(jié)的輸出轉(zhuǎn)矩；（即控制對操作對象施加的作用力）（6）具備操作方便的人機交互功能，機器人通過記憶和再現(xiàn)來完成規(guī)定的任務(wù)。智能控制42機器人力控制控制目的：控制機器人各關(guān)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（Directforce

control）PID控制間接力控制（Indirectforce

control）被動柔順（變剛度）主動柔順

（阻抗控制）智能控制52 機器人力控制軸孔配合

(ShaftHole

Assembly）智能控制6單純的位置控制會由于位置誤差而引起過大的作用力，從而傷害零件或機器人。機器人在這類運動受限環(huán)境中運動時，往往需要配合力控制來使用。2 機器人力控制機器人組裝智能控制7對于切削、磨光和裝配等作業(yè)，需要阻抗控制或柔順控制。當機器人遭遇障礙物時，會智能地調(diào)整預(yù)設(shè)位置軌跡，從而消除內(nèi)力。2 機器人力控制形狀適應(yīng)性（Shape

adaptability）力控制可以用于控制施加在機器人末端執(zhí)行器上的各種類型的力，包括接觸力和扭矩力。智能控制82機器人力控制+-KKi1/

sFd

F實現(xiàn)機器人與環(huán)境作用力的精確控制力控制分為直接力控制與間接力控制直接力控制的特點:

具有力控制回路，直接控制期望力，常用PID的控制方法。力的PI控制方法智能控制9分別表示期望力與傳感器測得的力。分別表示比例與積分增益。????

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和????2 機器人力控制比例+積分+微分控制器（PID）比例+微分控制器（PD）比例控制器（P）比例+積分控制器（P+I）tu

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DTPID控制器設(shè)計2機器人力控制?Directforce

control智能控制113 機器人力與位置協(xié)同控制柔順：compliance智能控制123機器人力與位置協(xié)同控制順應(yīng)用戶的運動意圖智能控制133 機器人力與位置協(xié)同控制為什么位置控制不具備順應(yīng)能力？Positioncontrol:suppresspeople'smovement

intention抑制人的運動意圖智能控制143 機器人力與位置協(xié)同控制關(guān)節(jié)空間柔順控制Compliancecontrol:conformtohuman’smovement

intention順從人的運動意圖智能控制153 機器人力與位置協(xié)同控制主動柔順控制主動柔順

控制的本質(zhì)是通過機器人對接觸力的信號反饋，采取相應(yīng)的主動控制策略，通過調(diào)整機器人末端位置、速度和加速度來控制力保持恒定，實現(xiàn)接觸操作過程的力順從。智能控制163 機器人力與位置協(xié)同控制位置控制律位置反饋力控制律運動學(xué)力傳感器作業(yè)環(huán)境++++--逆運動學(xué)機械臂期望位置智能控制17期望力力/位混合控制示意圖力/位混合控制方法將機械臂的工作任務(wù)空間正交分解為力和位置子空間，并在兩個子空間中分別建立控制回路，從而實現(xiàn)期望力和位置的控制。機械臂的作業(yè)過程被分為位置控制和力交互兩個狀態(tài)，并且可以根據(jù)需要在這兩種狀態(tài)之間進行相互切換。3 機器人力與位置協(xié)同控制阻抗控制通過控制，讓機器人的表現(xiàn)等價于一個Mass-spring-damper系統(tǒng)。BMedF FK智能控制18KemXX

r機械臂阻抗控制是將機械臂力/位置控制系統(tǒng)等效為一個彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)描述機械臂與環(huán)境間接觸力和位置的關(guān)系，可以通過調(diào)節(jié)阻抗控制器的慣性參數(shù)、阻尼參數(shù)和剛度參數(shù)來調(diào)節(jié)機械臂末端與環(huán)境間接觸力和位置的關(guān)系。3機器人力與位置協(xié)同控制阻抗控制阻抗控制（impedance

control）：不是直接控制期望的力和位置，而是通過控制力和位置之間的動態(tài)關(guān)系來實現(xiàn)柔順功能。通過適當?shù)目刂品椒ㄒ允箼C械手末端呈現(xiàn)需要的剛性和阻尼?；诹Φ淖杩箍刂疲ㄗ杩箍刂疲┗谖恢玫淖杩箍刂疲▽?dǎo)納控制）智能控制193機器人力與位置協(xié)同控制Z智能控制20X F阻抗控制基于力的阻抗控制（阻抗控制）基于力的阻抗控制將機械臂末端位置偏差轉(zhuǎn)換為控制力矩，通過控制力矩直接調(diào)節(jié)末端交互力，進而實現(xiàn)柔順交互。阻抗特性示意圖X表示機械臂末端實際軌跡與期望軌跡之差（位置控制部分）；Z表示等效的阻抗模型（阻尼-彈簧-質(zhì)量模型）；F表示機械臂末端與環(huán)境的接觸力。3機器人力與位置協(xié)同控制++--力矩控制機械臂阻抗控制J

T參考位置+正運動學(xué)非結(jié)構(gòu)環(huán)境rX XFd期望力FeX

mqm力跟蹤內(nèi)環(huán)智能控制21阻抗控制框圖基于力的阻抗控制（阻抗控制）該框圖由內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩部分組成，內(nèi)環(huán)負責力跟蹤控制，外環(huán)負責位置跟蹤控制。力跟蹤內(nèi)環(huán)起到了控制機械臂施加在外部環(huán)境中的力的作用。在外環(huán)中，位置控制起到了指導(dǎo)機械臂運動以跟蹤給定位置的作用。3 機器人力與位置協(xié)同控制1/

ZXF

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X智能控制22導(dǎo)納特性示意圖X表示位置控制部分；1/Z表示等效的導(dǎo)納控制模型；F表示機械臂末端與環(huán)境的接觸力?；谖恢玫淖杩箍刂疲▽?dǎo)納控制）導(dǎo)納控制:是阻抗控制的反過程，輸入力輸出位置。當機器人受到外力作用時，將在原有軌跡上發(fā)生偏移以順應(yīng)外力?；谖恢玫淖杩箍刂疲▽?dǎo)納控制）通過力傳感器獲取外界對末端的外力，將其帶入質(zhì)量-彈簧-阻尼模型中，通過調(diào)整末端的位置、速度等實現(xiàn)與外力的平衡。3 機器人力與位置協(xié)同控制基于位置的阻抗控制（導(dǎo)納控制）位置反饋力傳感器位置控制機械臂作業(yè)環(huán)境+

導(dǎo)納控制-智能控制23期望力

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