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1、7.9 7.9 机器人力控制机器人力控制一、机器人的力与力控制种类一、机器人的力与力控制种类1 1、外力、外力/ /力矩与广义力的关系力矩与广义力的关系典型的腕力典型的腕力传感器及其在机械手中的位置感器及其在机械手中的位置机器人与环境间的机器人与环境间的交互作用将产生作交互作用将产生作用于机器人末端手用于机器人末端手爪或工具的力和力爪或工具的力和力矩。可以采用腕力矩。可以采用腕力传感器进行测量。传感器进行测量。7.9 7.9 机器人力控制机器人力控制 用用 表示机器人末端受到的外力和外表示机器人末端受到的外力和外力矩向量。设驱动装置对各关节施加的关节力矩是力矩向量。设驱动装置对各关节施加的关节
2、力矩是 ，广义力，广义力可以通过计算这些力所做的虚功来得到。设可以通过计算这些力所做的虚功来得到。设 为末端虚位移为末端虚位移 ， 为关节虚位移，满足：为关节虚位移，满足：产生的虚功为：产生的虚功为：在外力在外力 F 作用下，广义坐标作用下，广义坐标 对应广义力可表示为：对应广义力可表示为：1 1、单自由度刚性控制、单自由度刚性控制假假设机械手与机械手与环境在境在xE 点接触，点接触，若机械手的末端位置若机械手的末端位置x xE ，则施加于施加于环境的力境的力为：其中其中 为环境的境的刚度。度。整个系整个系统满足以下方程：足以下方程：其中其中 为输入力。若入力。若 如如图所示，采用以下所示，采
3、用以下PD控制控制二、阻尼力控制二、阻尼力控制2 2、机械手的阻抗控制、机械手的阻抗控制若增益若增益为正正则系系统稳定，在定，在稳态作用于作用于环境的力境的力为若若环境的境的刚性很大，性很大，则fe 可近似可近似为 对于于n自由度的机械手，可用以下方法自由度的机械手，可用以下方法实现阻抗控制。定阻抗控制。定义柔柔顺坐坐标系系 ，给出沿每个自由度的理想出沿每个自由度的理想刚性，性，这可以用可以用66的的对角矩角矩阵KX 表示，其表示，其对角元角元为表示表示线性和扭性和扭转刚性的性的刚度常数。度常数。给定定KX ，则对应虚位移虚位移 的的理想恢复力可表示理想恢复力可表示为若用若用 表示相表示相应的
4、关的关节虚位移，虚位移，则有有所需关所需关节节力矩力矩联合以上方程得：合以上方程得：其中依其中依赖赖于位形的矩于位形的矩阵阵 称称为为关关节刚节刚性矩性矩阵阵， 一般不是一般不是对对角矩角矩阵阵。当。当 为为降秩矩降秩矩阵时阵时，说说明机械手明机械手处处于奇异状于奇异状态态，这时这时在在某些方向机械手不能运某些方向机械手不能运动动，因而在，因而在这这些方向的些方向的刚刚性不能控制。性不能控制。 为了使系了使系统具有理想的具有理想的动态相相应性能，性能，还应提供一定的阻尼。同提供一定的阻尼。同时考考虑对重力矩的重力矩的补偿，实际的关的关节控制力矩可取控制力矩可取为：其中其中 ； ； 为在工作空在
5、工作空间表示的阻尼矩表示的阻尼矩阵。这这里所有的量均表示在任里所有的量均表示在任务务空空间间，控制律也可以表示，控制律也可以表示为为： 其中其中阻尼力控制其特点是不直接控制机器人与环境的作用力, 而是根据机器人端部的位置(或速度) 和端部作用力之间的关系, 通过调整反馈位置误差、速度误差或刚度来达到控制力的目的, 此时接触过程的弹性变形尤为重要。这类力控制不外乎基于位置和速度的两种基本形式。当把力反馈信号转换为位置调整量时，这种力控制称为刚度控制；当把力反馈信号转换为速度修正量时，这种力控制称为阻尼控制；当把力反馈信号同时转换为位置和速度的修正量时，即为阻抗控制。左左图为阻抗控制阻抗控制结构，
6、构，其核心其核心为力矩运力矩运动转换矩矩阵K设计，运，运动修正修正矩矩阵 ；从力；从力控制角度，希望控制角度，希望K阵中中元素越大越好，元素越大越好，则系系统柔一些；从位置控制角柔一些；从位置控制角度，希望度，希望K中元素越小中元素越小越好，越好，则系系统刚一些。一些。7.9 7.9 机器人力控制机器人力控制o被动柔顺n被动柔顺装置具有响应快、成本低廉等优点，但它的应用受到一定的限制，缺乏灵活性。o主动柔顺n主动柔顺是通过控制方法来实现的，因此对于不同的任务，可以通过改变控制算法来获得所需要的柔顺功能。主动柔顺具有更大的灵活性，但由于柔顺性是通过软件实现的，因而响应不如被动柔顺迅速。三、相互力
7、控制三、相互力控制7.9 7.9 机器人力控制机器人力控制o对于需要进行柔顺控制的作业任务，在完成任务的整个过程中，往往需要根据任务的不同阶段采用不同的控制策略。以销钉插孔（插轴入孔）的任务为例，下图表示了该任务操作过程的四个阶段。每个阶段包含了不同的约束情况，因而需采用不同的控制策略。7.9 7.9 机器人力控制机器人力控制实现柔顺控制的方法主要有两类，一类是阻抗控制，一类是力和位置的混合控制(动态混合控制)。阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而是通过控制力和位置之间的动态关系实现柔顺控制。这样的动态关系类似于电路中的阻抗概念，因而称为阻抗控制。在机械手末端施加一个作用力，相应地便会产生一
8、个运动(如速度)。如果只考虑静态，力和位置之间的关系可以用刚性矩阵描述。如果考虑力和速度之间的关系，可以用粘滞阻尼矩阵来描述。因此阻抗控制，就是通过适当的控制方法使机械手末端呈现需要的刚性和阻尼。动态混合控制的基本思想是在柔顺坐标空间将任务分解为沿某些自由度的位置控制和沿另一些自由度的力控制，并在该空间分别进行位置控制和力控制的计算，然后将计算结果转换到关节空间合并为统一的关节控制力矩，驱动机械手以实现所需要的柔顺功能。7.10 7.10 机器人行为控制机器人行为控制一、机器人行为种类：一、机器人行为种类： 移动机器人导航移动机器人导航 自主移动机器人自主移动机器人 机器人视觉行为机器人视觉行
9、为 基于主动视觉机器人行为控制实现基于主动视觉机器人行为控制实现7.10 7.10 机器人行为控制机器人行为控制二、机器人行为控制方式二、机器人行为控制方式1 1、移动机器人导航、移动机器人导航o移动机器人的导航方式可分为：基于环境信息的移动机器人的导航方式可分为：基于环境信息的地图模型匹配导航、基于各种导航信号的陆标导地图模型匹配导航、基于各种导航信号的陆标导航、视觉导航和味觉导航等。航、视觉导航和味觉导航等。2 2、自主移动机器人的控制方法、自主移动机器人的控制方法o传统的基于认识模型的功能规划法传统的基于认识模型的功能规划法n自顶向下的研究方法自顶向下的研究方法n将系统按照功能划分成不同
10、的模块，即感知将系统按照功能划分成不同的模块，即感知一建模一规划一行动，分别进行研究，是一一建模一规划一行动，分别进行研究，是一条从感知到动作的串行功能分解控制路线。条从感知到动作的串行功能分解控制路线。感知一感知一规规划一行划一行动动的模型的模型 7.10 7.10 机器人行为控制机器人行为控制三、基于行为的控制方法三、基于行为的控制方法n包容式结构包容式结构n自底向上自底向上n将系统按照行为划分成不同的层次，将系统按照行为划分成不同的层次，即感知一行动，相对独立地进行研即感知一行动，相对独立地进行研究。即将复杂的任务分解成很多简究。即将复杂的任务分解成很多简单的可以并发执行的单元，每个单单
11、的可以并发执行的单元，每个单元有其自己的感知器和执行器，构元有其自己的感知器和执行器，构成感知动作行为。多个行为相互耦成感知动作行为。多个行为相互耦合构成层次模型，它们通过竞争与合构成层次模型，它们通过竞争与仲裁产生抑制、禁止和激活信息协仲裁产生抑制、禁止和激活信息协调彼此的动作。调彼此的动作。包容式包容式结构构层次模型次模型7.10 7.10 机器人行为控制机器人行为控制四、基于行为机器人视觉系统结构四、基于行为机器人视觉系统结构o视觉系统的初始化，包括硬件设备视觉系统的初始化，包括硬件设备(CCD(CCD摄像头和图像采集卡摄像头和图像采集卡) )的初的初始化及各种初始信息的输入调整；始化及
12、各种初始信息的输入调整；o图像采集模块，采集数字图像到计算机显存和内存；图像采集模块，采集数字图像到计算机显存和内存；o图像处理模块主要是对所获取的图像进行分割，优化图像质量，图像处理模块主要是对所获取的图像进行分割，优化图像质量，获得视野中物体数目并对每个物体作标记；获得视野中物体数目并对每个物体作标记；o图像匹配模块是根据己知目标物体的信息与当前图像中的物体逐图像匹配模块是根据己知目标物体的信息与当前图像中的物体逐个匹配，找出目标并计算它在机器人视野中的位置；个匹配，找出目标并计算它在机器人视野中的位置；o摄像头控制模块把上一步得到的目标位置信息转化成摄像头的控摄像头控制模块把上一步得到的
13、目标位置信息转化成摄像头的控制命令送到摄像头。制命令送到摄像头。7.10 7.10 机器人行为控制机器人行为控制RIRA-ROBOT 基于行基于行为为机器人机器人视觉视觉系系统统构成构成7.10 7.10 机器人行为控制机器人行为控制五、基于主动视觉机器人行为控制实现五、基于主动视觉机器人行为控制实现RIRA-ROBOT基于行基于行为为机器人系机器人系统结统结构构图图7.11 7.11 机器人智能控制机器人智能控制一、智能控制的特点一、智能控制的特点以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础，扩展了相关的理论和技术，其中应用较多的有模
14、糊逻础，扩展了相关的理论和技术，其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论和自适应控制、辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论和自适应控制、自组织控制、自组织控制、( (自自) )学习控制等技术。学习控制等技术。研究内容之一就是把智能控制的相关技术与控制方式结合研究内容之一就是把智能控制的相关技术与控制方式结合或综合交叉结合，构成风格和功能各异的智能控制系统和或综合交叉结合，构成风格和功能各异的智能控制系统和智能控制器。智能控制器。7.11 7.11 机器人智能控制机器人智能控制二、特点分析二、特点分析适用于不确定的或难定义的过程控制、复杂的非线性被控对象适用于不确定的或难定
15、义的过程控制、复杂的非线性被控对象控制、随时间变化的过程控制等。控制、随时间变化的过程控制等。利用自适应、自组织、利用自适应、自组织、( (自自) )学习等方式来提高系统的自动化和学习等方式来提高系统的自动化和智能化控制。智能化控制。能综合交叉各种技术，使智能控制系统和智能控制器设计形式能综合交叉各种技术，使智能控制系统和智能控制器设计形式日益多样化和智能控制技术应用范围日益广泛化。日益多样化和智能控制技术应用范围日益广泛化。7.11 7.11 机器人智能控制机器人智能控制智能控制可以像传统控制理论分析系统的动态性一样，描述系智能控制可以像传统控制理论分析系统的动态性一样，描述系统的稳定性、系
16、统的能控和能观性、系统的最优控制统的稳定性、系统的能控和能观性、系统的最优控制( (即嫡函即嫡函数和能量函数的描述数和能量函数的描述) )、系统的复杂性等。与传统控制理论不、系统的复杂性等。与传统控制理论不同的是智能控制对复杂知识系统的有关理论分析的描述目前还同的是智能控制对复杂知识系统的有关理论分析的描述目前还缺少统一的标准。缺少统一的标准。7.11 7.11 机器人智能控制机器人智能控制三、智能控制的主要方式三、智能控制的主要方式智能控制系统的智能控制系统的基本结构基本结构7.11 7.11 机器人智能控制机器人智能控制分分层递阶智能控制智能控制结构构o对不同用途的智能控制系统，对不同用途
17、的智能控制系统，以上各部分的形式和功能可能以上各部分的形式和功能可能存在较大的差异。萨里迪斯提存在较大的差异。萨里迪斯提出了智能控制系统的分层递阶出了智能控制系统的分层递阶的组成结构形式的组成结构形式o对控制来讲，自上而下控制精对控制来讲，自上而下控制精度愈来愈高；度愈来愈高；o对识别来讲，自下而上信息回对识别来讲，自下而上信息回馈愈来愈粗略。馈愈来愈粗略。7.11 7.11 机器人智能控制机器人智能控制智能控制的多学科交叉智能控制的多学科交叉7.11 7.11 机器人智能控制机器人智能控制 智能控制系统所包含的理论内容：智能控制系统所包含的理论内容：1、 自适应、自组织和自学习控制；自适应、
18、自组织和自学习控制；2、 知识工程；知识工程；3、 信息熵；信息熵；4、 Petri 网；网；5、 人人机系统理论；机系统理论；6、 形式语言与自动机；形式语言与自动机；7、 大系统理论；大系统理论；8、 神经网络理论；神经网络理论；9、 模糊集合论；模糊集合论；10、 优化理论。优化理论。7.12 7.12 机器人智能控制机器人智能控制控制方法有以下几种：控制方法有以下几种： 机器人的模糊控制机器人的模糊控制 机器人的神经网络控制机器人的神经网络控制 机器人智能控制技术的融合机器人智能控制技术的融合 模糊控制和变结构控制的融合模糊控制和变结构控制的融合 神经网络和变结构控制的融合神经网络和变结构控制的融合 模糊控制和神经网络控制的融合模糊控制和神经网络控制的融合
