机器人基本控制方法解读课件

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1、1,4 机器人基本控制方法,机器人控制的特点 机器人控制的分类 机器人位置控制 机器人力控制 机器人位置/力控制,2,机器人控制的特点,传统自动机械的控制以自身的动作为重点，而机器人的控制更着重本体与操作对象的相互关系。 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关，经常要求解运动学正问题和逆问题，并且由于各关节之间惯性力、哥氏力的耦合作用以及重力负载的影响，使控制问题也变得复杂。 即使一个简单的机器人也至少有3-5个自由度，每个自由度一船包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协调起来，组成一个多变量的控制系统。,3,机器人控制的特点,描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状

2、态的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅仅是位置闭环是不够的，还要利用速度，甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比如前馈、 PID控制、解耦控制等。 机器人还有一种持有的控制方式示教再现控制方式。当要机器人完成某作业时，可预先移动机器人的手臂，来示教该作业顺序、位置以及其他信息，在执行时，依靠机器人的动作再现功能，可重复进行该作业。,4,机器人控制的分类,位置控制 速度控制 力（力矩）控制,5,机器人控制的分类,位置控制 点位控制：仅控制离散点上机器人手爪或工具的位姿，要求尽快而无超调地实现相邻点之间的运动，但对相邻点之间的运动执逾一般不做具体规定。其技术指标是定位精

3、度和完成运动所需的时间。点焊、搬运和上下料等工作，都采用该控制方式。 连续轨迹控制：连续控制机器人手爪或工具的位姿轨迹。一般要求轨迹光滑、速度可控且运动平稳。其技术指标是轨迹精度和平稳性。在弧焊、喷漆、切割等场所的机器人控制均属于这一类。,点位控制,连续轨迹控制,6,机器人控制的分类,速度控制：对机器人的运动控制来说，在位置控制的同时，有时还要进行速度控制。由于机器人是一种工作情况(行程、负载)多变、惯性负载大的运动机构，要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制启动加速和停止前的减速这两个过渡运动区段。,机器人行程的速度-时间曲线,力（力矩）控制：在进行装配或抓取物体等作业时，机器人末端操作器与环境

4、或作业对象的表面接触，除了要求准确定位外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要采取力(力矩)控制方式。,7,机器人位置控制,简单机械系统的位置控制 单关节的位置控制 基于直角坐标的位置控制,机器人控制系统方框图,8,简单机械系统的位置控制,点位控制 连续轨迹控制 控制规律的分解,9,点位控制,质量-弹簧-阻尼系统,带驱动器的质量-弹 簧-阻尼系统,10,点位控制,式中：,点位控制器框图,11,连续轨迹控制,单位质量系统轨迹跟踪控制器框图,12,控制规律的分解,带驱动器的质量-弹 簧-阻尼系统,13,控制规律的分解,利用控制规律分解的轨迹跟踪控制器,14,如图所示，系统的参数m1，c=1和

5、k1，为了使质量块保持在某个固定位置，需要对系统实施控制。试利用控制规律的分解方法，确定控制器的、和增益kp和kv，要求闭环系统具有临界阻尼，且刚度为k16.0。,带驱动器的质量-弹 簧-阻尼系统,15,利用控制规律分解的定点位置控制器,16,单关节的位置控制,数学模型 闭环传递函数 位置和速度控制增益的确定,17,数学模型,直流电机驱动原理图,18,数学模型,电枢绕组等效电路,机械传动原理图,19,数学模型,电枢绕组等效电路,20,数学模型,21,数学模型,22,数学模型,单关节开环传递函数,23,闭环传递函数,带位置反馈的闭环控制框图,24,闭环传递函数,25,闭环传递函数,带位置反惯与速

6、度反馈的闭环控制框图,26,闭环传递函数,27,位置和速度控制增益的确定,28,位置和速度控制增益的确定,29,基于直角坐标的位置控制,直角坐标路径输入时的控制方案 直角坐标解耦控制,30,直角坐标路径输入时的控制方案,直角坐标路径输入的关节空间控制方案,直角坐标空间控制方案原理图,31,直角坐标解耦控制,用直角坐标变量表示的操作空间机器人动力学方程为：,式中：F为作用在机器人末端操作器上的广义操作力； x为末端操作器的位姿矢量； Mx()为质量矩阵； 为向心力、哥氏力矢量； Gx()为重力矢量。,32,直角坐标解耦控制,基于模型的控制规律为：,伺服控制规律为：,式中：kv、kp都是矩阵，通常

7、选为对角阵； exd-x、 都是误差矢量，分别表示位置误差和速度误差。,33,直角坐标解耦控制,动力学解耦的直角坐标控制方案,所表示的控制器允许直接描述直角坐标轨迹，而无需进行轨迹变换。,34,机器人力控制,需要采用力控制的作业情况 约束条件 约束坐标系 力控制的基本原理 稳态误差分析 实际应用的伺服规则,35,需要采用力控制的作业情况,在喷漆、点焊、搬运时所使用的机器人，一船只要求其末端操作器(喷枪、焊枪、手爪等)沿某一预定的路径运动，运动过程中末端操作器始终不与外界任何物体相接触。这时，只需对机器人进行位置控制。 在装配、加工、抛光等作业中，工作过程中要求机器人手爪与作业对象接触，并保持一

8、定的压力。此时，如果只对其实施位置控制，有可能由于机器人的位姿误差及作业对象放置不准，或者使手爪与作业对象脱离接触，或者使两者相碰撞而引起过大的接触力，其结果，不是机器人手爪在空中晃动，就是造成机器人或作业对象的损伤。对于这类作业，一种比较好的控制方案是：控制手爪与作业对象之间的接触力。这样，即使是作业对象位置不准确，也能保持手爪与作业环境的正确接触。相应地，对机器人的控制，除了在一些自由度方向上进行位置控制外，还需要在另一些自由度方向上进行力控制。,36,约束条件,自然约束条件：机器人手抓接触外界环境时自然生成的约束条件。 人为约束条件：人为给定的约束，用来描述机器人预期的运动或施加的力。

9、自然约束条件与人为约束条件表达了位置控制与力控制的对偶性。 在一个给定的自由度上，不能同时对力和位置实施控制。,37,约束坐标系,约束坐标系：在许多机器人的作业任务中，可以定义这样一个广义平面：沿此广义平面的法线方向有自然位置约束，可施加人为力约束，即施加力控制；而沿切线方向有自然力约束，可施加人为位置约束，即施加位置控制。可用一个坐标系C来取代这一广义平面，该坐标系C称为约束坐标系。,38,约束坐标系,约束坐标系的选取：一般应建立在机器人手抓与作业对象相接触的界面上。 约束坐标系的特点： C为直角坐标系，以方便描述作业操作； 视任务的不同，C可能在环境中固定不动，也可能随手抓一起运动； C有

10、六个自由度，任意时刻的作业均可分解为沿C中每一自由度的位置控制或力控制。,39,螺钉进入螺钉孔下行时:,位移分量状态为：,力/力矩分量状态为：,自然约束与人为约束表达式为：,40,螺钉拧到位后:,位移分量状态为：,力/力矩分量状态为：,自然约束与人为约束表达式为：,41,两点结论：,人为约束必须适应自然约束，且两者的约束数目相等。即当C中某个自由度上存在位置自然约束时，就应该相应地给定一个力的人为约束；反之亦然。 自然约束条件的变化是根据检测到的信息来确认的，而这些被检测的信息一般在当时是不受控制的位置或力的变化量。如螺钉在未拧紧时的被控制量是绕CZ转动的角速度 ，而用来确定是否拧紧的被控制量

11、则是当时不受控制的力矩mz。,42,力控制的基本原理,机器人与环境的相互作用,质量-弹簧系统,43,力控制的基本原理,44,质量-弹簧力控制系统框图,既简单、实用，又可使稳态误差较小。,力控制的基本原理,45,稳态误差分析,通常情况下环境为刚性，是较小的正数。比较ef1和ef2，可知ef1 ef2。,46,实际应用的伺服规则,在一般情况下，力轨迹是恒定的，即要求接触力控制为某个常数值，而很少把它设置为任意的时间函数。这样，控制方程中导数项 ； 另一个实际问题是检测出的力有时带有很大的噪声，如果根据检测出的fe，用数值微分的方法求 ,会使系统的噪声很大。由于fekex，可以用测得系统质量块的速度

12、 来计算环境作用力的导数 。,47,实际应用的伺服规则,实际的质量-弹簧力控制系统,48,机器人位置/力控制,问题的提出 直角坐标机器人的位置/力混合控制 一般机器人的位置/力混合控制,49,问题的提出,手抓与环境的两种极端状态,(a) 自由状态,(b) 固定状态,自由状态：为力自然约束，可自由地控制手抓的运动，但无法对其施加力和力矩控制，属于位置控制问题； 固定状态：为位置自然约束，手抓不能自由地改变位置，但可控制其向对象施加力和力矩，实际中很少出现； 通常状态：机器人在一部分自由度上受到位置约束时的力控制问题，即位置/力混合控制。,50,问题的提出,刻画作业,51,问题的提出,机器人控制所要解决的三个问题： 沿着力自然约束方向，实现机器人的位置控制； 沿着位置自然约束方向，实现机器人的力控制； 在任意约束坐标系C的正交自由度上，实现机器人的位置/力混合控制。,52,直角坐标机器人的位置/力混合控制,直角坐标机器人与平面作用,53,直角坐标机器人的位置/力混合控制,三自由度直角坐标机器人的混合控制,54,一般机器人的位置/力混合控制,直角坐标解耦形式,55,一般机器人的位置/力混合控制,一般机器人的位置/力混合控制（略去速度反馈回路）,