機器人學-第5章 機器人控制算法-2學時

1、第七章第七章 控制控制 Control 7.1 7.1 引言引言 7.2 7.2 機器人控制器和控制結(jié)構(gòu)機器人控制器和控制結(jié)構(gòu) 7.3 7.3 機器人位置控制機器人位置控制 7.4 7.4 二階線性系統(tǒng)控制規(guī)律的分解二階線性系統(tǒng)控制規(guī)律的分解 7.5 7.5 單關(guān)節(jié)機器人的建模與控制單關(guān)節(jié)機器人的建模與控制 7.6 7.6 柔順控制柔順控制 7.7 7.7 位置和力的混合控制位置和力的混合控制 7.8 7.8 其他控制方法其他控制方法第第5章章 機器人的控制系統(tǒng)機器人的控制系統(tǒng) 5.3 控制理論與算法在機器人的運動學中，已知機器人末端欲到達的位姿，通過運動方程的求解可求出各關(guān)節(jié)需轉(zhuǎn)過的角度。所

2、以運動過程中各個關(guān)節(jié)的運動并不是相互獨立的，而是各軸相互關(guān)聯(lián)、協(xié)調(diào)地運動。機器人運動的控制實際上是通過各軸伺服系統(tǒng)分別控制來實現(xiàn)的。所以機器人末端執(zhí)行器的運動必須分解到各個軸的分運動，即執(zhí)行器運動的速度、加速度和力或力矩必須分解為各個軸的速度、加速度和力或力矩，由各軸伺服系統(tǒng)的獨立控制來完成。然而，各軸伺服系統(tǒng)的控制往往在關(guān)節(jié)坐標系下進行，而用戶通常采用笛卡兒坐標來表示末端執(zhí)行器的位姿，所以有必要進行各種運動參數(shù)包括速度、加速度和力(或力矩)的分解運動控制。分解運動控制能很大程度上化簡為完成某個任務(wù)而對運動順序提出的要求。本節(jié)將討論分解運動的求解問題。 7.1 引言引言(Introductio

3、n) 前幾章，我們借助齊次變換闡述了對于包括機械手在內(nèi)的任何物體的位置和姿態(tài)的描述方法。研究了機械手的運動學，建立了機械手關(guān)節(jié)坐標和與直角坐標的位置和速度之間的關(guān)系，推導了機械手的動力學方程。 本章，我們要根據(jù)動力學方程來考慮機械手的控制問題，由于任何機械手的實際控制都是通過對各個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)的，因此，必須對每一個關(guān)節(jié)進行有效的控制。7.2 7.2 機器人控制器和控制結(jié)構(gòu)機器人控制器和控制結(jié)構(gòu) 機器人的控制就是要使機器人的各關(guān)節(jié)或末端執(zhí)行器的位置能夠以理想的動態(tài)品質(zhì)跟蹤給定的軌跡或穩(wěn)定在給定的位姿上。機器人控制特點：冗余的、多變量、本質(zhì)非線性、耦合的1.控制器分類 結(jié)構(gòu)形式：伺服、非伺

4、服、位置反饋、速度反饋、力矩控制、 控制方式：非線性控制、分解加速度控制、最優(yōu)控制、自適應控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等 控制器選擇：依工作任務(wù)，可選PLC控制、普通計算機控制，智能計算機控制等。 簡單分類：單關(guān)節(jié)控制器：主要考慮穩(wěn)態(tài)誤差補償； 多關(guān)節(jié)控制器：主要考慮耦合慣量補償。2、主要控制變量 任務(wù)軸R0：描述工件位置的坐標系 X(t):X(t):末端執(zhí)行器狀態(tài)； (t):關(guān)節(jié)變量； C C(t)：關(guān)節(jié)力矩矢量； T(t)T(t)：電機力矩矢量； V V(t)：電機電壓矢量本質(zhì)是對下列雙向方程的控制)()()()()(tttttXCTV3、主要控制層次 分三個層次：人工智能

5、級、控制模式級、伺服系統(tǒng)級1）人工智能級 完成從機器人工作任務(wù)的語言描述 生成X X(t)； 仍處于研究階段。2）控制模式級 建立X X(t) T T(t)之間的雙向關(guān)系。 電機模型 傳動模型 關(guān)節(jié)動力學模型 機器人模型3）伺服系統(tǒng)級 解決關(guān)節(jié)伺服控制問題即)()()()(ttttTCX)()()()(ttttXCTTV PUMAPUMA機器人的伺服控制結(jié)構(gòu)計算機分級控制結(jié)構(gòu)，VAL編程語言。采用獨立關(guān)節(jié)的PID伺服控制，伺服系統(tǒng)的反饋系數(shù)是確定的。由于機器人慣性力、關(guān)節(jié)間耦合、重力與機器人位姿和速度有關(guān)，所以難于保證在高速、變速和變載情況下的精度。上位機配有64kB RAM內(nèi)存，采用Q-Bu

6、s作為系統(tǒng)總線，經(jīng)過A、B接口板與下位機交換數(shù)據(jù)。上位機作運動規(guī)劃，并將手部運動轉(zhuǎn)化為各關(guān)節(jié)的運動，按控制周期傳給下位機。A接口板插在上位機的Q-Bus總線上，B接口板插在下位機的J-Bus總線上。B板有一個A /D轉(zhuǎn)換器，用于采樣電位器反饋的位置信息。下位機進行運動插補及關(guān)節(jié)伺服控制。它由6塊6503CPU為核心的單板機組成，它與B接口板、手臂信號板插在J-Bus總線上。C接口板、高壓控制板和6塊功率放大器板插在Power amp bus上。上位機軟件為系統(tǒng)編程軟件軟件系統(tǒng)的各種系統(tǒng)定義、命令、語言及其編譯系統(tǒng)。針對各種運動形式的軌跡規(guī)劃和坐標變換，以28ms的時間間隔完成軌跡插補點的計算、

7、與下位機信息交換、執(zhí)行VAL程序、示教盒信息處理、機器人標定、故障檢測等。n，機械手為冗余，需要用廣義逆：A為對稱正定矩陣mjniqfJiiij1 ,1 ,)()()(1txqJtq)()()()()(111txqJAqJqJAtqTT3 分解運動加速度 分解運動加速度控制：首先計算出工具的笛卡兒坐標加速度，然后將其分解為相應的各關(guān)節(jié)加速度，再按照動力學方程計算出控制力矩。 實際位置和姿態(tài) 期望的位置和姿態(tài)位置誤差姿態(tài)誤差1000)()()()()(tptatotntH1000)()()()()(tptatotntHddddd)()()()()()()()()(tptptptptptptptptezdzydyxdxdpdddataotontnte)()()(21)(0 為減少位置和姿態(tài)誤差，要求因為)(),()()()()()()()()(tqqqJtqqJtxtqqJttvtx )()()()()()()()()()(2121tekttktttektvtvktvtvoddpdd)()()(,)()()(tetetettvtxopddd從而有： 代入得：因為這里考慮的是誤差項，因此是閉環(huán)控制，精度高。)()()()()(21tektxtxktxtxdd )(),()()()(