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1、机械手的控制 Control of Robotic Manipulator 3.1 机械人系统的构成 3.2 传递函数和方框图 3.3 PID控制 3.4 机械手的位置控制 3.5 机械手的力控制 3.6 其他控制方式简介 机器人控制系统的特点 1. 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关 2. 多自由度，多变量，耦合的非线性系统 3. 必须依靠计算机完成控制任务 4. 由于非线性，强耦合的数学模型，控制指令复 杂 5. 机器人的动作方式和路径多解，因此存在最优 性 Robotics控制 非常好的自动控制理论研究的命题 引言 机器人控制分类 设定点控制 (Setpoint Control)
2、路径控制 (Path Control) 轨迹控制 （Trajectory Control） 4. 力（力矩）控制 (Force Control) Robotics控制 引言 点焊，安插元件点焊，安插元件 喷漆，移动机器人喷漆，移动机器人 工业机械手工业机械手 装配，磨削机器人装配，磨削机器人 机器人控制的基本单元 1. 电机 液压驱动，气压驱动，直流伺服电机，交流伺服 电机，步进电机 减速器 增加驱动力矩，降低运动速度 驱动电路 脉冲宽度调制方式驱动 运动检测装置 位置，速度，姿态, 加速度 控制系统硬件 工控机，控制板卡， 控制系统软件 运动特性计算，控制指令计算 Robotics控制 引言
3、 Robotics控制 3.1 机械人系统的组成 3.1.1 机械人系统示意 机器人的功能： 动作和运动的控制 末端操作器/手爪的 轨迹和力的再现 运动状态显示、 参数设定功能 Robotics控制 3.1 机器人系统的组成 3.1.2 机器人框图 力反馈力反馈 位置反馈位置反馈 控制控制 逆向运动（动力学）逆向运动（动力学） 位置，速度，力矩位置，速度，力矩 Robotics控制 3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数 对于给定控制输入，如何求解机器人相应的动作？ 1.数值解 2.解析解 计算机实现，龙格计算机实现，龙格- -库塔方法库塔方法 数值迭代方法数值迭代方法 理论分析方法，
4、建立系统传递函数理论分析方法，建立系统传递函数 传递函数：传递函数：G(S)=Y(S)/X(S)G(S)=Y(S)/X(S) Robotics控制 3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数 求一阶系统传递函数和阶跃响应 电容电荷 基尔霍夫定律 Robotics控制 3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数 求系统传递函数和阶跃响应 增益固有频率 衰减系数 Robotics控制 3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数 物理意义？物理意义？ Robotics控制 3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数 L=0 求直流伺服电机系统传递函数 运动方程式 电机生成转矩 基尔霍
5、夫定律 反电势 令 Robotics控制 3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数 带有积分环节的二阶系统带有积分环节的二阶系统 Robotics控制 3.2 传递函数和方框图 3.2.2 方框图 在各方框内写出控制元件的传递函数，并用带有 信号流向的箭头线段把各方框连接起来的框图 Robotics控制 3.2 传递函数和方框图 3.2.2 方框图 Robotics控制 3.2 传递函数和方框图 3.2.2 方框图 适用局限性适用局限性 Robotics控制 3.2 传递函数和方框图 3.2.2 方框图 Robotics控制 3.3 PID控制 3.3.1 PID控制的基本形式 Robo
6、tics控制 3.3 PID控制 3.3.1 PID控制的基本形式 PID控制器的三个参数有不同的控制作用 （3）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制 规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调 量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输 入信号的噪声很敏感。 （1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统 中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡； （2）积分控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统 到达稳态的时间变长，限制系统的快速性； Robotics控制 Robotics控制 3.3 PID控制 3.3.1 PID控制的
7、基本形式 图中为同一对象在各 种不同的控制规律的作用 下的过渡过程曲线。可以 看出，在比例作用的基础 上，加入微分作用可以减 少过渡过程的最大偏差及 控制时间；加入积分作用 虽然能消除余差，但使过 渡过程的最大偏差及控制 时间增大。 实际工程中PID控制仍应用广泛，其三个系数是通过调整和观 察实际性能来经验地确定。 Robotics控制 PI PID P PD Robotics控制 3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制 1.1.用用C C 1 1 和和C C 2 2 构造出构造出PDPD和和PIDPID控制控制 2.2.可以有多种可以有多种PIDPID控制结构，此处用输出控制结构，
8、此处用输出x x和误差和误差e e产生产生 控制命令控制命令u u Robotics控制 3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制 （1）微分超前型PD控制 如何确定反馈增益？如何确定反馈增益？ 将闭环系统写成标准形式，与期望的理想模型将闭环系统写成标准形式，与期望的理想模型 的评价指标对比，得到反馈增益的评价指标对比，得到反馈增益 Robotics控制 3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制 求传递函数，并写成标准形式，确定求传递函数，并写成标准形式，确定K K P P 和和K K D D PD控制 控制对象 系统输出 Robotics控制 3.3 PID控制 3.3.2
9、实用的PID控制 传递函数 标准传递函数 只要给定了期望的角频率和阻尼，就可以确定只要给定了期望的角频率和阻尼，就可以确定 控制器增益控制器增益 Robotics控制 3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制 （2）I-PD控制 目的：比例环节效果有限，处理残余稳态误差问题目的：比例环节效果有限，处理残余稳态误差问题 得到三阶闭环系统得到三阶闭环系统 Robotics控制 3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制 Robotics控制 3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制 惯 性 矩 变 化 引 起 的 驱 动 力 变 化 物 体 重 时 手 臂 的 姿 势 不 同
10、 时 Robotics控制 有障碍物时 路径（运动轨迹）控制 Robotics控制 力控制 Robotics控制 机械手爪与外界接触有两种极端状态： 手爪位置的PID控制 一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题 ； 另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位 置，可在任意方向施加力和力矩，属于力控制问题。大多数是位 置/力的混合控制问题。 Robotics控制 Robotics控制 3.4 机械手的位置控制 3.4.1 手爪位置控制 （1）使用逆运动学和关节角控制的方法 机械手关节变量机械手关节变量末端执行器末端执行器 正向运动学正向运动学 逆向运动学逆向运动学 控制目
11、标：控制目标：给定机械手末端执行器所期望能达到的目标 状态，基于测量信号，设计控制规律，按照控制规律驱 动关节变量，保证末端执行器能够尽可能准确地完成任 务。 Robotics控制 3.4 机械手的位置控制 3.4.1 手爪位置控制 （1）使用逆运动学和关节角控制的方法 PD控制 逆运动学 被控量控制量 操作量 反馈关节变量，可以理解为在关节空间上完成的控制任务反馈关节变量，可以理解为在关节空间上完成的控制任务 需要实时求解机器人逆向运动学需要实时求解机器人逆向运动学 提供关节空间的目标值 Robotics控制 3.4 机械手的位置控制 3.4.1 手爪位置控制 （2）注重静力学关系的方法 反
12、馈末端执行器变量，可以理解为在空间坐标上完成的控制任务反馈末端执行器变量，可以理解为在空间坐标上完成的控制任务 需要实时计算机器人正向运动学和雅克比矩阵需要实时计算机器人正向运动学和雅克比矩阵 PD控制 正运动学 静力学关系 静力学实现力向关节空间 的折算 得到实际的空间坐标 Robotics控制 3.4 机械手的位置控制 3.4.2 动态控制 问题：什么时候采用基于机器人运动学模型的控制？问题：什么时候采用基于机器人运动学模型的控制？ 什么时候需要考虑动力学模型设计控制器？什么时候需要考虑动力学模型设计控制器？ 质量轻，惯性小，速度低，考虑运动学足够 质量重，惯性大，速度高，负载变化剧烈，必
13、须 考虑动力学 Robotics控制 3.4 机械手的位置控制 3.4.2 动态控制 考虑动力学模型的控制考虑动力学模型的控制 线性化补偿器 伺服补偿器 动力学模型 Robotics控制 3.4 机械手的位置控制 3.4.2 动态控制 按照上图 代入动力学 得到线性化模型 代入伺服补偿器，得到闭环误差方程 Robotics控制 3.4 机械手的位置控制 3.4.2 动态控制 说明说明; ; 1. 1.在理想条件下，可以得到标准的二阶线性闭环在理想条件下，可以得到标准的二阶线性闭环 系统，可以保证闭环系统误差收敛到系统，可以保证闭环系统误差收敛到0 0。 2.2.实际参数难于精确获得，摩擦力不可
14、能精确补实际参数难于精确获得，摩擦力不可能精确补 偿，因此存在控制误差偿，因此存在控制误差 3.3.如何对误差进行补偿？如何对误差进行补偿？ 在伺服补偿器中加入积分环节 采用高级控制方法，如自适应控制，鲁棒控制，智能 控制等 Robotics控制 3.5 机械手的力控制 引言： 焊接，喷涂，清洁工作：位置控制 切削，磨削，装配工作：阻抗（柔顺）控制 （Impedance Control） 把力偏差信号加入位置反馈控制环节，实现力的控制 对一个被约束的机械手进行控制，要比一般机械手 的控制更为复杂与困难，这是因为: Robotics控制 3.5 机械手的力控制 1. 约束使自由度减少，以至再不能
15、规定末端的任意运 动 （路径有约束） 2.约束给手臂施加一个反作用力，必须对这个力进行 有效的控制，以免它任意增大，甚至损坏机械手或 与其接触的表面 （对相互作用力进行约束） 3.需要同时对机械手的位置和所受约束反力进行控制 （双重任务） Robotics控制 3.5 机械手的力控制 3.5.1 单自由度机械系统的阻抗控制 控制目标：控制目标：在有外力施加的情况下，控制机械手让其在有外力施加的情况下，控制机械手让其 表现出期望的阻尼（阻抗）特性表现出期望的阻尼（阻抗）特性 阻抗控制阻抗控制: :考虑外力产生手爪位移的难易程度，通过考虑外力产生手爪位移的难易程度，通过 控制使外力和位移之间的关系达到期望状态控制使外力和位移之间的关系达到期望状态 Robotics控制 3.5 机械手的力控制 3.5.1 单自由度机械系统的阻抗控制 由于要考虑到力的因素，因此采用动力学模型由于要考虑到力的因素，因此采用动力学模型 控制对象 期望动作 以期望参数产生的动作以期望参数产生的动作 d d: :阻尼特性阻尼特性 K K：刚度特性：刚度特性 外力影响外力影响 Robotics控制 3.5 机械手的力控制 3.5.1 单自由度机械系统的阻抗控制 （1）外力矩可计测的场合 求解加速度 代入控制对象模型 Robotics控制 3.5 机械手的力控制 3.5.1 单自由度机械系统的阻抗控制 （2）
