东南大学-机器人教程12-机器人控制 82页

机器人控制机器人控制Control of Robotics6.6.1 1 机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 6.6.2 2 机械人的位置控制机械人的位置控制6.6.3 3 机械人的柔顺控制机械人的柔顺控制 6.6.4 4 机器人的分解运动控制机器人的分解运动控制6.6.5 5 机器人关节控制的模糊算法机器人关节控制的模糊算法Robotics 控制6.6.1 1 机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则 机器人控制特点：冗余的、多变量、本质非线性、耦合的6.1.1 基本控制原则1、控制器分类 结构形式：伺服、非伺服、位置反馈、速度反馈、力矩控制、控制方式：非线性控制、分解加速度控制、最优控制、自适应控制、滑模控制、模糊控制等 控制器选择：依工作任务，可选PLC控制、普通计算机控制，智能计算机控制等。简单分类：单关节控制器：主要考虑稳态误差补偿；多关节控制器：主要考虑耦合惯量补偿。Robotics 控制6.6.1 1 机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则6.1.1 基本控制原则 一般分类：PLC、单片机、小型计算机、多计算机分布控制Robotics 控制6.6.1 1 机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则6.1.1 基本控制原则2、主要控制变量 任务轴R0：描述工件位置的坐标系 X(t):X(t):末端执行器状态；(t):关节变量；C C(t)：关节力矩矢量；T(t)T(t)：电机力矩矢量；V V(t)：电机电压矢量本质是对下列双向方程的控制：Robotics 控制6.6.1 1 机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则6.1.1 基本控制原则3、主要控制层次 分三个层次：人工智能级、控制模式级、伺服系统级1）人工智能级 完成从机器人工作任务的语言描述 生成X X(t)；仍处于研究阶段。2）控制模式级 建立X X(t)T T(t)之间的双向关系。电机模型 传动模型 关节动力学模型 机器人模型Robotics 控制6.6.1 1 机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则6.1.1 基本控制原则3、伺服系统级 解决关节伺服控制问题即Robotics 控制6.6.1 1 机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则6.1.2 伺服控制系统举例1、液压缸伺服传动系统 优点：减少减速器等，消除了间隙和磨损误差，结构简单、精度与电器传动相当。同样可以进行位置、速度、加速度及力的反馈。Robotics 控制6.6.1 1 机器人的基本控制原则机器人的基本控制原则6.1.2 伺服控制系统举例2、典型的滑阀控制液压传动系统Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制 由于机器人系统具有高度非线性，且机械结构很复杂，因此在研究其动态模型时，做如下假设：（1）机器人各连杆是理想刚体，所有关节都是理想的，不存在摩擦和间隙；（2）相邻两连杆间只有一个自由度，或为旋转、或为平移。Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.1 直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图 伺服电机的参数：Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.1 直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图（1）磁场型控制电机Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.1 直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图 Laplace变换得：Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.1 直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图一般可取 K K=0，则有等效框图同时，传递函数变为Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.1 直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图 ：电气时间常数；：机械时间常数。Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.1 直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图由于 ，有时可以忽略，于是而对角速度的传递函数为：，因为Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.1 直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图（2）电枢控制型电机K Ke:产生反电势。Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.1 直流传动系统的建模1、传递函数与等效方框图 经拉氏变换、并设K K=0，有Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.1 直流传动系统的建模2、直流电机的转速调整误差信号：Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.1 直流传动系统的建模2、直流电机的转速调整 比例补偿：控制输出与e(t)成比例；微分补偿：控制输出与de(t)/dt成比例；积分补偿：控制输出与e(t)dt成比例；测速补偿：与输出位置的微分成比例。比例微分PD补偿：比例积分PI补偿：比例微分积分PID补偿：测速补偿时：Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.2 位置控制的基本结构1、基本控制结构 位置控制也称位姿控制、或轨迹控制。分为：点到点PTP控制；如点焊；连续路径CP控制；如喷漆 期望的关节位置 期望的工具位置和姿态Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.2 位置控制的基本结构2、PUMAPUMA机器人的伺服控制结构 1）机器人控制系统设计与一般计算机控制系统相似。2）多数仍采用连续系统的设计方法设计控制器，然后再将设计好的控制律离散化，用计算机实现。3）现有的工业机器人大多数采用独立关节的PID控制。下图PUMA机器人的伺服控制系统构成 Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.2 位置控制的基本结构2、PUMAPUMA机器人的伺服控制结构 Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器1、位置控制系统结构具有力、位移、速度反馈 Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器1、位置控制系统结构 控制器路径点的获取方式：（1）以数字形式输入系统；若以直角坐标给出，须计算获 得其关节坐标位置。（2）以示教方式输入系统；系统将直接获得关节坐标位置 允许机器人只移动一个关节，而锁住其他关节。轨迹控制：按关键点或轨迹进行定位控制。Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器2、单关节控制器的传递函数 对图示系统，有J J：等效转动惯量；B B：等效阻尼系数。Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器2、单关节控制器的传递函数 因此可得其传递函数（同电枢控制直流伺服电机）Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器2、单关节控制器的传递函数 Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器2、单关节控制器的传递函数 其开环传递函数为：因为：，略去Lm的项，简化上式为：Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器2、单关节控制器的传递函数 则其闭环传递函数为：这是一个典型的二阶系统闭环传递函数。Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器2、单关节控制器的传递函数 Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器2、单关节控制器的传递函数 含有速度反馈的机械手单关节控制器的开环传递函数为 闭环传递函数为Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器3、控制参数确定与稳态误差（1）的确定由上述闭环传递函数，得控制系统的特征方程为：将其写为二阶系统标准形式得Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器3、控制参数确定与稳态误差（1）的确定Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器3、控制参数确定与稳态误差（1）的确定Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器3、控制参数确定与稳态误差（1）的确定 设结构的共振频率为 ，则为避免运动中发生共振，要求同时要求系统阻尼大于1，J值随负载和位姿变化，应选可能的最大惯量。Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.3 单关节位置控制器3、控制参数确定与稳态误差（2）稳态误差 根据控制理论，在控制系统框图中，计算得到E(s),即可得到系统的稳态位置误差、速度误差和加速度误差。对于单位阶越位移C C0，其稳态误差为 Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.4 多关节位置控制器 1）为快速运动，一般应采用多关节协调、同步运动。2）这时各关节的位置和速度会互相作用，因此，必须进行附加补偿。1、动态拉格朗日公式 其他关节加速 自身加速 科式力 重力且D项皆与关节角有关。Robotics 控制6.6.2 2 机器人的位置控制机器人的位置控制6.2.4 多关节位置控制器 Robotics 控制6.6.3 3 机器人的柔顺控制机器人的柔顺控制6.3.1柔顺控制的基本概念 柔性无刚性作用的运动控制。如擦玻璃、抓鸡蛋、装配等 一般应增加力反馈。Robotics 控制6.6.3 3 机器人的柔顺控制机器人的柔顺控制6.3.1柔顺控制的基本概念1、被动柔顺和主动柔顺 被动柔顺：通过弹簧、消振器等机械结构或通过改变机械操 作方式而使机器人与工作对象间产生相对柔性运 动的柔顺方式。（无须控制器参与）如：1）海绵擦玻璃，2）把工件拉进孔取代推入 主动柔顺：通过改变控制器控制方式，增加力反馈等使机器 人与工作对象间无刚性运动的柔顺方式。（必须 控制器参与）Robotics 控制6.6.3 3 机器人的柔顺控制机器人的柔顺控制6.3.1柔顺控制的基本概念1、被动柔顺和主动柔顺 定义：在工作点的小位移；：工作点的关节小位移 ：正定对角刚度矩阵 ：机器人雅可比矩阵 ：回复力 ：关节力矩 定义关节刚度矩阵：，反应力矩与微位移关系Robotics 控制6.6.3 3 机器人的柔顺控制机器人的柔顺控制6.3.1柔顺控制的基本概念2、作业约束和力控制 自然约束与人为约束Robotics 控制6.6.3 3 机器人的柔顺控制机器人的柔顺控制6.3.1柔顺控制的基本概念2、作业约束和力控制 约束对机器人力控制的影响：1）约束使自由度减少，限制了末端的运动方式；2）约束给机器人增加了作用力，增加了控制的复杂程度；3）上述两种情况会相互作用 Robotics 控制6.6.3 3 机器人的柔顺控制机器人的柔顺控制6.3.1柔顺控制的基本概念3、柔顺控制的种类 1）阻抗控制 通过控制力和位置间的动态关系（阻抗），来实现柔顺功能。即：通过控制使机械手末端呈现所需要的刚性和阻尼。需要位置控制的自由度，需要大的刚性；需要力控制的自由度，需要小的刚性。2）力和位置混合控制 将控制分为一些自由度的位置控制，和另一些自由度的力控制，通过计算，在关节空间合并，进行关节控制。Robotics 控制6.6.3 3 机器人的柔顺控制机器人的柔顺控制6.3.2 主动阻抗控制1、位置型阻抗控制 ：估计重力矩 ：雅可比矩阵 ：机械手等效刚度比例系数 ：机械手等效阻尼系数教材中的稳定性讨论，内容不全，这里省略。Robotics 控制6.6.3 3 机器人的柔顺控制机器人的柔顺控制6.3.2 主动阻抗控制2、柔顺型阻抗