機器人技術基礎 課件 第6章 機器人控制系統(tǒng) - 1

第6章機器人控制系統(tǒng)機器人技術基礎問題導入所謂控制，就是讓動的系統(tǒng)按照控制者的意愿運動。在這里，機器人系統(tǒng)就是這個動的系統(tǒng)，而控制者的意愿多種多樣。問題導入比如搬運機器人的任務是將重物從一點搬運到另一點，需要進行點位控制；焊接機器人則必須沿著焊縫進行焊接，需要進行軌跡控制；研磨機器人要在平行于研磨表面的方向進行軌跡控制，從而可以達到需要研磨的任意點，而在垂直于研磨表面的方向進行力控制，從而確保研磨的順利進行。如此種種不同的控制意愿應如何實現？這就是本章的研究內容。本章學習目標1.理解機器人控制系統(tǒng)的三大部分的功能及各部分之間的關系；2.了解機器人控制的三個層次和機器人控制的特點；3.能對直流伺服電機進行動力學建模并求其傳遞函數；4.理解單關節(jié)位置控制器需要位置和速度兩個反饋閉環(huán)的原因；5.能夠確定位置控制器的位置和速度兩個增益的取值范圍；本章學習目標6.能夠分析和計算位置控制器的穩(wěn)態(tài)誤差；7.理解PID控制中各項作用及PID控制特點；8.理解多關節(jié)位置控制的基本策略；9.能夠區(qū)別被動柔順和主動柔順的優(yōu)勢和劣勢；10.理解阻抗控制的基本原理和適用場合；11.理解力/位混合控制的基本原理和適用場合。目錄contants6.1機器人控制系統(tǒng)概述6.2機器人位置控制6.3機器人力控制第6章機器人控制系統(tǒng)6.1機器人控制系統(tǒng)概述6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成6.1.2機器人的控制層次和特點6.1.3工業(yè)機器人典型控制方式6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成圖為機器人控制系統(tǒng)結構框圖，它以功能為主線，清晰展示了構成機器人控制系統(tǒng)的三大模塊以及各部分之間的關系。6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成圖為機器人控制系統(tǒng)的組成示意圖，它兼顧功能與空間位置，直觀地展示了機器人控制系統(tǒng)的組成。下面我們結合這兩幅圖介紹機器人控制系統(tǒng)的構成。6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成機器人控制系統(tǒng)主要由主控單元、執(zhí)行機構和檢測單元三大功能模塊組成。主控單元是整個控制系統(tǒng)的核心，相當于人的大腦。主控單元既包含軟件也包含硬件。軟件指控制策略、算法以及實現算法的程序，負責機器人的運動學計算、運動規(guī)劃、插補計算等，這些計算由主控計算機完成，多軸運動控制器將計算機的計算結果轉變?yōu)榭刂菩盘?，控制多個伺服系統(tǒng)協(xié)調運動。6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成主控單元中的人機交互界面負責與控制者交換信息，它有多種形式，比如圖中的示教編程器（又稱示教盒）用于機器人工作軌跡示教、參數設定等；操作面板上提供各種操作按鍵和狀態(tài)指示燈；打印機、視覺、聲音、圖像等接口與對應設備（如打印機、顯示屏等）連接后，可用于輸出和記錄相關信息。6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成執(zhí)行機構這個模塊的核心是伺服單元，根據作業(yè)要求不同，伺服驅動可為氣動、液壓、電動等多種形式。6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成每個關節(jié)都有自己的伺服系統(tǒng)，控制和驅動各關節(jié)移動或轉動，多個伺服單元協(xié)調運動，就能使機械臂末端到達期望的位置。為了配合機器人完成作業(yè)，有時還需要一些外圍設備，比如焊接機器人作業(yè)過程中，為了保證焊接質量，焊槍與焊縫最好保持垂直關系，因此安裝在變位機的焊件需要配合機器人轉動。所示的輔助軸伺服控制器就用于變位機之類外圍設備的伺服控制。vv6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成檢測單元由機器人內部傳感器和外部傳感器構成。機器人內部傳感器集成在機器人各關節(jié)中，用于檢測機器人本體的位置、速度、力矩等信息。該信息反饋給主控單元，以便主控單元根據實際情況調整下一步的控制信號。與此同時該信息還可以通過人機交互界面以數字或圖像的形式展示出來。6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成外部傳感器涵蓋的范圍更廣，比如安裝在末端執(zhí)行器上的滑覺、力覺傳感器，比如配合機器人作業(yè)的各種外設上安裝的傳感器、視覺系統(tǒng)等都屬于這一范疇。外部傳感器用于檢測機器人和外部環(huán)境的狀態(tài)信息并反饋給主控單元，為其控制決策提供支持。v6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成值得說明的是，圖中示意性質的“控制計算機”作為機器人的運動控制系統(tǒng)核心，其硬件的主流形式主要有三種。v6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成早期也有基于“PC+運動控制卡”的控制系統(tǒng)，因為工控機IPC比PC具有更豐富的硬件接口，幾乎兼容所有運動控制板卡，能夠更好滿足工業(yè)控制的需求，所以PC模式目前已經逐漸被IPC取代。系統(tǒng)中工控機IPC負責人機交互以及運動學求解、軌跡規(guī)劃、插補運算等工作，運動控制卡將計算結果轉變?yōu)榭刂菩盘?，實現對驅動單元的控制。（1）基于“工控機（IPC）+運動控制卡”的控制系統(tǒng)6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成在人們的印象中，PLC最擅長的是點對點控制，然而隨著PLC技術的快速發(fā)展，很多PLC已具備多種高端功能，比如它們支持各種運動功能指令，能對多軸實現協(xié)調控制和閉環(huán)控制，從而滿足工業(yè)機器人對運動控制的精度要求。這類PLC的優(yōu)勢在于接線簡單，可靠性高，且容易與其他工業(yè)設備實現系統(tǒng)集成控制。PLC基于循環(huán)掃描的工作機制，特別適合重復性高的工作的場合。（2）基于PLC的控制系統(tǒng)6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成機器人控制系統(tǒng)的另一個發(fā)展方向是網絡化。1994年KenGoldberge提出基于網絡的機器人概念。工業(yè)以太網技術應具有通信速度快、網絡集成度高、價位低的優(yōu)勢，已成為未來現場總線的發(fā)展方向。山東大學王云飛在2015年提出基于“PC+工業(yè)實時以太網”的機器人控制系統(tǒng)，如圖所示。（3）基于“PC+工業(yè)實時以太網”的控制系統(tǒng)6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成該系統(tǒng)的通信采用支持標準以太網卡的EtherMAC，在視覺系統(tǒng)的調度下成功控制SCARA和Delta并聯(lián)機械手完成流水線的物料拾取操作。在網絡控制中，通過一幀數據就可以對節(jié)點內的所有伺服電動機進行控制，并完成參數在線修改及信息采集等操作，因此具有控制效率高、可擴展性強的優(yōu)點。（3）基于“PC+工業(yè)實時以太網”的控制系統(tǒng)6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成基于網絡的機器人系統(tǒng)可以在不改變硬件結構的基礎上集成多個異構機器人，用戶可以在統(tǒng)一的平臺上對不同的機器人進行控制，所以能夠縮短開發(fā)時間，有效降低硬件改造成本。此模式將推動異構多機器人協(xié)同控制技術的發(fā)展。（3）基于“PC+工業(yè)實時以太網”的控制系統(tǒng)第6章機器人控制系統(tǒng)6.1機器人控制系統(tǒng)概述6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成6.1.2機器人的控制層次和特點6.1.3工業(yè)機器人典型控制方式6.1.2機器人的控制層次和特點機器人控制方法多種多樣，可以簡單地分為經典控制、現代控制和智能控制。1）經典控制以傳遞函數為工具，主要研究單輸入單輸出的控制系統(tǒng)，比如常用的PD、PID閉環(huán)控制；2）現代控制以狀態(tài)方程為工具，可以解決多輸入多輸出系統(tǒng)的控制問題，比如最優(yōu)控制、解耦控制、變結構控制和自適應控制等。（1）機器人的控制方法和控制層次6.1.2機器人的控制層次和特點3）智能控制起源于1971年，美籍華人傅京孫教授發(fā)表了“學習控制系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng):人工智能與自動控制的交叉”一文，討論人工智能在控制和自動化中深入且系統(tǒng)化的應用途徑，此文正式開啟了“智能控制(Intelligentcontrol)”這一嶄新的多學科交叉研究領域。智能控制是當今研究的熱門領域，是人工智能在機器人控制領域的應用，專家系統(tǒng)控制、模糊控制、神經網絡控制、學習控制、進化控制等都屬于智能控制范疇。（1）機器人的控制方法和控制層次6.1.2機器人的控制層次和特點機器人控制層次分為三級，即人工智能級、控制模式級和伺服系統(tǒng)級（1）機器人的控制方法和控制層次6.1.2機器人的控制層次和特點①人工智能級如果對機器人說“給我沖一杯茶送來”，它要如何執(zhí)行這個任務？首先它需要過語音識別理解任務，然后將任務分解為幾個子任務，比如取茶杯、放茶包、接水、再將茶水送到指定位置。它還需要決定每個子任務應該如何完成，以子任務送茶水為例，茶杯應如何握持，路線應如何選擇等都需要一一確定。（1）機器人的控制方法和控制層次6.1.2機器人的控制層次和特點①人工智能級人工智能級的使命就是通過智能決策，建立起任務指令與機器人末端執(zhí)行器在工作空間的期望運動軌跡X(t)之間的關系。事實上，人工智能級仍處于研究階段，在工業(yè)機器人的應用還不多，目前該級別的工作基本還是由人來完成的。（1）機器人的控制方法和控制層次6.1.2機器人的控制層次和特點②控制模式級控制模式級的使命是建立起機器人末端執(zhí)行器的運動軌跡X(t)與各關節(jié)伺服電機驅動信號之間的關系。因為伺服電機可以工作在位置、速度和力矩三種模式下，因此驅動信號也可以是位置、速度或力矩。（1）機器人的控制方法和控制層次6.1.2機器人的控制層次和特點②控制模式級以力矩驅動為例，首先要將工作空間中的期望運動軌跡X(t)通過逆運動學轉換為關節(jié)空間的期望運動軌跡θ(t)，然后根據機器人及其驅動系統(tǒng)的動力學模型，結合各種控制算法，建立θ(t)與驅動力矩T(t)之間的關系。本章講述的控制方法，主要以這個層級為主。（1）機器人的控制方法和控制層次6.1.2機器人的控制層次和特點③伺服系統(tǒng)級伺服系統(tǒng)級也稱為執(zhí)行層，它的使命是按照給定信號，準確地輸出期望的位置、速度或力矩，帶動機器人本體完成任務。該層屬于一般自動化層級。在6.2.1中，會詳細介紹伺服系統(tǒng)的構成及其動力學模型。（1）機器人的控制方法和控制層次6.1.2機器人的控制層次和特點與一般的伺服系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)相比，機器人控制系統(tǒng)有如下特點。①機器人的控制與機構運動學及動力學密切相關。機器人末端在工作空間中作業(yè)，而我們只能控制關節(jié)空間中的電動機，所以經常需要求解運動學正問題和逆問題。此外，由于機器人的動力學模型十分復雜，要獲得高質量的控制，必須考慮慣性力、向心力和哥氏力、外力等多種因素的影響。（2）機器人的控制特點6.1.2機器人的控制層次和特點②機器人一般都有多個自由度，每一個自由度均包含一個伺服系統(tǒng)，從而構成一個多變量的控制系統(tǒng)。把多個獨立的伺服系統(tǒng)有機地協(xié)調起來，使其按照人的意志運動，甚至賦予機器一定的智能，這個任務必須由計算機來完成。（2）機器人的控制特點6.1.2機器人的控制層次和特點③描述機器人狀態(tài)和運動的動力學模型具有非線性，隨著機器臂位姿和外力的變化，模型中各參數也在變化，而且各變量之間還存在耦合，因此僅僅利用位置閉環(huán)是不夠的，還需要利用速度閉環(huán)甚至加速度閉環(huán)，系統(tǒng)中經常使用重力補償、前饋解耦或自適應控制等方法提高控制精度。（2）機器人的控制特點6.1.2機器人的控制層次和特點④機器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成，因此存在一個最優(yōu)的問題，較高級的機器人可以用人工智能的方法，用計算機建立起龐大的信息庫，借助信息庫進行控制、決策、管理和操作，根據傳感器和模式識別的方法獲得對象及環(huán)境的工況，按照給定的指標要求自動地選擇最佳控制規(guī)律。（2）機器人的控制特點6.1.2機器人的控制層次和特點總而言之，機器人控制系統(tǒng)是一個與運動學和動力學緊密相關的、有耦合的、多輸入多輸出的非線性控制。機器人控制理論至今還不完善，但在實踐中，最簡單的控制策略是把機器人每個關節(jié)作為一個單輸入單輸出系統(tǒng)來控制，將其他關節(jié)運動引起的耦合則當作干擾來處理。這種獨立關節(jié)控制方法是工程實際中常用的近似方法，也是本章主要介紹的方法。（2）機器人的控制特點第6章機器人控制系統(tǒng)6.1機器人控制系統(tǒng)概述6.1.1機器人控制系統(tǒng)的構成6.1.2機器人的控制層次和特點6.1.3工業(yè)機器人典型控制方式6.1.3工業(yè)機器人典型控制方式根據控制目標的不同，機器人控制可分為位置控制和力控制兩類，前者是最基本的控制形式，目前已形成比較成熟的控制方法在業(yè)界廣泛使用，后者也已探索出一些較為有效的方法，但其中還有些問題尚處在研究之中。本章將對位置控制做比較詳細的定量分析，對力控制主要做定性的討論。6.1.3工業(yè)機器人典型控制方式機器人作業(yè)時如果不與環(huán)境接觸，通常采用位置控制，它主要有以下兩種形式，即①點位控制（PTP，pointtopoint）點位控制實現機器人末端從一個給定點運動到另一個給定點的控制，而點與點之間的軌跡卻無關緊要。點焊機器人、搬運機器人主要采用這種控制方式。6.1.3工業(yè)機器人典型控制方式②軌跡控制（CP，continuouspath）軌跡控制要確保機器人末端