機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論 課件 第5章-操作臂的控制方法

機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)

第4章機(jī)器人的軌跡生成

第1-15周，星期二，16:40-18:15，（五）10324.1基本概念4.2關(guān)節(jié)空間軌跡生成4.3直角坐標(biāo)空間軌跡生成本節(jié)目錄35.1概述5.2機(jī)器人關(guān)節(jié)控制5.3工業(yè)機(jī)器人的控制器結(jié)構(gòu)5.4反饋與閉環(huán)控制2025/6/1本節(jié)目錄8.1概述5.1.1機(jī)器人的編程技術(shù)（編程語(yǔ)言是用戶和機(jī)器人交互的接口）機(jī)器人模仿人的各種肢體動(dòng)作、思維方式和控制決策能力。從編程的角度，機(jī)器人可以通過(guò)方式來(lái)達(dá)到這一目標(biāo)：（1）示教再現(xiàn)方式：通過(guò)“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機(jī)械手如何動(dòng)作，控制器將示教過(guò)程記憶下來(lái)，然后機(jī)器人就按照記憶周而復(fù)始地重復(fù)示教動(dòng)作，如弧焊、點(diǎn)焊、噴涂機(jī)器人?！痹诰€占用機(jī)器人”（2）離線編程方式：機(jī)器人編程員在外部計(jì)算機(jī)上根據(jù)工件的CAD模型編制機(jī)器人控制程序，然后將控制程序輸入給機(jī)器人的控制器，機(jī)器人就按照程序所規(guī)定的動(dòng)作一步一步地去完成。如果任務(wù)變更，只要修改或重新編寫(xiě)控制程序，非常靈活方便。”較少地占用機(jī)器人”大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都是按照這兩種方式編程的。機(jī)器人弧焊機(jī)器人噴涂機(jī)器人示教編程離線編程舉例—離線編程的定義52025/6/1離線編程的定義例子：機(jī)器人表殼拋光機(jī)器人離線編程技術(shù)主要是應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的方法，建立三維虛擬環(huán)境，根據(jù)加工工藝要求，生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人離線編程系統(tǒng)界面離線編程舉例—曲線路徑規(guī)劃62025/6/1主要功能核心算法顯示三維模型曲面生成加工路徑生成機(jī)器人配置（第幾個(gè)解）自動(dòng)生成機(jī)器人路徑文件導(dǎo)入零件三維模型后：選取零件表面點(diǎn)，并顯示三維坐標(biāo)系將所選點(diǎn)構(gòu)造B樣條曲線，生成加工路徑生成加工路徑后：建立系統(tǒng)坐標(biāo)系及逆運(yùn)動(dòng)求解求解機(jī)器人配置：找到一組解，整條路徑都可達(dá)表面點(diǎn)的局部坐標(biāo)系生成加工路徑求解機(jī)器人配置的過(guò)程（1）遙控方式：由人用有線或無(wú)線遙控器控制機(jī)器人在人難以到達(dá)或危險(xiǎn)的場(chǎng)所完成某項(xiàng)任務(wù)。如防暴排險(xiǎn)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、在有核輻射和化學(xué)污染環(huán)境工作的機(jī)器人等。（2）自主控制方式：是機(jī)器人控制中最高級(jí)、最復(fù)雜的控制方式，它要求機(jī)器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有識(shí)別環(huán)境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。機(jī)器人控制技術(shù)各種PID控制方式（PIDControl）

PID控制是將偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，算法簡(jiǎn)單，魯棒性好，可靠性高；但反饋增益是常量，它不能在有效載荷變化的情況下改變反饋增益。最優(yōu)控制（OptimalControl）

基于某種性能指標(biāo)的極大（?。┛刂?，稱之為最優(yōu)控制。在高速機(jī)器人中，除了選擇最佳路徑外，還普遍采用最短時(shí)間控制。自適應(yīng)控制（AdaptiveControl）

自適應(yīng)控制則是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，自動(dòng)補(bǔ)償模型中各不確定因素，從而顯著改善機(jī)器人的性能。分為模型參考自適應(yīng)控制器、自校正自適應(yīng)控制器和線性攝動(dòng)自適應(yīng)控制等。解耦控制（DecouplingControl）

機(jī)器人各自由度之間存在著耦合，即某處的運(yùn)動(dòng)對(duì)另一處的運(yùn)動(dòng)有影響。在耦合嚴(yán)重的情況下，必須考慮一些解耦措施。機(jī)器人控制技術(shù)重力補(bǔ)償在伺服系統(tǒng)的控制量中實(shí)時(shí)地計(jì)算重力項(xiàng)，并加入一個(gè)抵消重力的量，可補(bǔ)償重力項(xiàng)的影響。耦合慣量及摩擦力的補(bǔ)償在高速、高精度機(jī)器人中，必須考慮一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起另一個(gè)關(guān)節(jié)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化，即耦合的問(wèn)題；還要考慮摩擦力的補(bǔ)償。傳感器的位置補(bǔ)償在內(nèi)部反饋的基礎(chǔ)上，再用一個(gè)外部位置傳感器進(jìn)一步消除誤差，這種系統(tǒng)稱為傳感器閉環(huán)系統(tǒng)。（否則為半閉環(huán)）前饋控制和超前控制前饋控制：從給定信號(hào)中提取速度、加速度信號(hào)。把它加在伺服系統(tǒng)的適當(dāng)部位，以消除系統(tǒng)的速度和加速度跟蹤誤差。超前控制：估計(jì)下一時(shí)刻的位置誤差，并把這個(gè)估計(jì)量加到下一時(shí)刻的控制量中。操作臂控制技術(shù)記憶－修正控制(迭代學(xué)習(xí)控制)記憶前一次的運(yùn)動(dòng)誤差，改進(jìn)后一次的控制量；適用于重復(fù)操作的場(chǎng)合。

聽(tīng)覺(jué)控制有的機(jī)器人可以根據(jù)人的口頭命令做出回答或執(zhí)行任務(wù)，這是利用了聲音識(shí)別系統(tǒng)。視覺(jué)控制（視覺(jué)伺服）常將視覺(jué)系統(tǒng)用于判別物體形狀和物體之間的關(guān)系，也可以用來(lái)測(cè)量距離、選擇運(yùn)動(dòng)途徑。遞階控制（組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)、執(zhí)行級(jí)）最低層是各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)，最高層是管理（主）計(jì)算機(jī)；大系統(tǒng)控制理論可以用在機(jī)器人系統(tǒng)中。先進(jìn)控制策略模糊控制通常的模糊控制是借助熟練操作者經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)“語(yǔ)言變量”表述和模糊推理來(lái)實(shí)現(xiàn)的無(wú)模型控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)控制便是由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。魯棒控制魯棒控制的基本特征，是用一個(gè)結(jié)構(gòu)和參數(shù)都是固定不變的控制器，來(lái)保證即使不確定性對(duì)系統(tǒng)的性能品質(zhì)影響最惡劣的時(shí)候也能滿足設(shè)計(jì)要求。先進(jìn)控制策略

滑?？刂?/p>

滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：在動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)偏差及其各階導(dǎo)數(shù)值，以躍變的方式按設(shè)定的規(guī)律作相應(yīng)改變。該類控制系統(tǒng)預(yù)先在狀態(tài)空間設(shè)定一個(gè)特殊的超越曲面，由不連續(xù)的控制規(guī)律，不斷變換控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其沿著這個(gè)特定的超越曲面向平衡點(diǎn)滑動(dòng)，最后漸近穩(wěn)定至平衡點(diǎn)。先進(jìn)控制策略學(xué)習(xí)控制產(chǎn)生自主運(yùn)動(dòng)的認(rèn)知控制系統(tǒng)，包括感知層、數(shù)據(jù)處理層、概念產(chǎn)生層、目標(biāo)感知層、控制知識(shí)／數(shù)據(jù)庫(kù)、結(jié)論產(chǎn)生層等。

機(jī)器人學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖傳感器層數(shù)據(jù)處理層存儲(chǔ)層控制層執(zhí)行層感知部分認(rèn)知部分外部世界先進(jìn)控制策略145.1概述5.2機(jī)器人關(guān)節(jié)控制5.3工業(yè)機(jī)器人的控制器結(jié)構(gòu)5.4反饋與閉環(huán)控制2025/6/1本節(jié)目錄152025/6/1機(jī)器人關(guān)節(jié)控制

這時(shí)機(jī)器人關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程為：

Ja—關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm—關(guān)節(jié)負(fù)載在傳動(dòng)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jl—連桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

Bm—傳動(dòng)端阻尼系數(shù)Bl—負(fù)載端阻尼系數(shù)傳動(dòng)比

計(jì)入粘性阻力，關(guān)節(jié)方程可寫(xiě)為：

162025/6/1Ua

,

ia

——電樞回路電壓與電流Ra

,La

——電樞回路電阻與電感

eb——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)τ

——電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩θm——電樞（轉(zhuǎn)子）角位移電氣部分的模型由電機(jī)電樞的電壓平衡方程來(lái)描述電機(jī)力矩平衡方程：機(jī)械部分與電氣部分的耦合關(guān)系：對(duì)以上各式進(jìn)行拉普拉斯變換得ka——電機(jī)電流—力矩比例常數(shù)kb——感應(yīng)電勢(shì)常數(shù)電機(jī)的電樞電路機(jī)器人關(guān)節(jié)控制172025/6/1重新組合上式，得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)忽略電樞的電感La，可簡(jiǎn)化為：其中，電機(jī)增益常數(shù)為：電機(jī)時(shí)間常數(shù)為：?jiǎn)侮P(guān)節(jié)控制系統(tǒng)所加電壓與關(guān)節(jié)角位移之間的傳遞函數(shù)：機(jī)器人關(guān)節(jié)控制182025/6/1單關(guān)節(jié)角度反饋比例控制，P控制于是得到e——為系統(tǒng)誤差進(jìn)而可得式中kp——位置反饋增益；η——傳動(dòng)比位置控制器（比例）直流驅(qū)動(dòng)單關(guān)節(jié)系統(tǒng)+－機(jī)器人關(guān)節(jié)控制192025/6/1位置控制器（比例）直流驅(qū)動(dòng)單關(guān)節(jié)系統(tǒng)+－誤差驅(qū)動(dòng)信號(hào)

E(s)與實(shí)際位移之間的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：由此得系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：

上式表明關(guān)節(jié)機(jī)器人的比例控制器是一個(gè)二階系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)均為正時(shí)，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo):機(jī)器人關(guān)節(jié)控制PID控制是機(jī)器人控制中最常用的控制算法P指proportional

(比例），I指integral（積分），D指derivative（微分）可利用偏差，偏差的積分值，偏差的微分值來(lái)控制。PID控制基本形式框圖rPID控制PID控制如果用e=(r-y)表示偏差，則PID控制變?yōu)椋菏街?，kP稱為比例增益；kI稱為積分增益；kD稱為微分增益。它們是影響控制規(guī)律特性的參數(shù)，統(tǒng)稱為反饋增益。而TI(=kP/kI)稱為積分時(shí)間，TD(=kD/kP)稱為微分時(shí)間，分別具有時(shí)間量綱。PID控制規(guī)律的傳遞函數(shù)可表示為:或

PID控制規(guī)律的離散形式為:式中，T為采樣周期；e(n)為第n次采樣的偏差值；e(n-1)為第n-1次采樣時(shí)的偏差值。PID控制（1）比例控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大器。在控制系統(tǒng)中，增大kP可加快響應(yīng)速度，但過(guò)大容易出現(xiàn)振蕩；（2）積分控制器能消除或減弱穩(wěn)態(tài)偏差，但它的存在會(huì)使系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變長(zhǎng)，限制系統(tǒng)的快速性；（3）微分控制規(guī)律能反映輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，相對(duì)比例控制規(guī)律而言具有預(yù)見(jiàn)性，增加了系統(tǒng)的阻尼程度，有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的跟蹤速度，但對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感。PID控制器的三個(gè)參數(shù)有不同的控制作用：PID控制235.1概述5.2機(jī)器人關(guān)節(jié)控制5.3工業(yè)機(jī)器人的控制器結(jié)構(gòu)5.4反饋與閉環(huán)控制2025/6/1本節(jié)目錄242025/6/1工業(yè)機(jī)器人的控制器結(jié)構(gòu)通常使用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，頂層CPU作為控制系統(tǒng)的主機(jī)。主計(jì)算機(jī)向每個(gè)低級(jí)控制器發(fā)送指令，一般每個(gè)低級(jí)控制器對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)。每個(gè)低級(jí)控制器控制一個(gè)關(guān)節(jié)伺服，上面通常運(yùn)行簡(jiǎn)單的PID控制律。典型機(jī)器人控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)分級(jí)體系為了把力矩指令發(fā)送到安裝在機(jī)器人上的直流力矩電機(jī)，每個(gè)低級(jí)CPU與數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)化器（DAC）有接口，使得電機(jī)電流能夠發(fā)送到電流驅(qū)動(dòng)電路上。在模擬電路中通過(guò)調(diào)節(jié)電樞兩端的電壓來(lái)控制流過(guò)電機(jī)的電流，從而維持期望的電樞電流，即期望的轉(zhuǎn)矩。按照給定值更新位置指令，主CPU發(fā)送新的位置控制指令到低級(jí)關(guān)節(jié)控制器。關(guān)節(jié)控制器在高的伺服周期運(yùn)行，使得關(guān)節(jié)跟隨位置指令。關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的功能塊PUMA機(jī)器人的位置控制系統(tǒng)框圖PUMA機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)是典型的獨(dú)立關(guān)節(jié)PID控制。然而由于獨(dú)立關(guān)節(jié)PID控制未考慮機(jī)器人的非線性及關(guān)節(jié)間的耦合作用，因而控制精度和速度受到限制。工業(yè)機(jī)器人的控制器結(jié)構(gòu)265.1概述5.2機(jī)器人關(guān)節(jié)控制5.3工業(yè)機(jī)器人的控制器結(jié)構(gòu)5.4反饋與閉環(huán)控制2025/6/1本節(jié)目錄27第4章：給定末端執(zhí)行器的期望運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)施運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解（第2章），求出對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡。第3章：逆動(dòng)力學(xué)，給定期望運(yùn)動(dòng)可以求出關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩。第5章：討論如何才能使操作臂實(shí)際完成這些期望運(yùn)動(dòng)。本章討論的控制方法屬于線性控制系統(tǒng)的范疇。嚴(yán)格講，線性控制技術(shù)僅適用于能夠用線性微分方程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的系統(tǒng)。對(duì)于操作臂的控制，這種線性方法實(shí)質(zhì)上是一種近似方法。在第七章動(dòng)力學(xué)中我們已看到，操作臂的動(dòng)力學(xué)方程一般都是由非線性微分方程來(lái)描述的。但是，進(jìn)行這種近似通常是可行的，而且這些線性方法是當(dāng)前工程實(shí)際中最常用的方法。2025/6/1反饋與閉環(huán)控制：操作臂的控制282025/6/1反饋與閉環(huán)控制

機(jī)器人控制系統(tǒng)的框圖

292025/6/1一般而言，建立高性能的控制系統(tǒng)的唯一方法就是利用關(guān)節(jié)傳感器的反饋。通過(guò)比較期望位置和實(shí)際位置之差以及期望速度和實(shí)際速度之差來(lái)計(jì)算伺服誤差。這樣控制系統(tǒng)就能夠根據(jù)伺服誤差函數(shù)計(jì)算驅(qū)動(dòng)器需要的扭矩。顯然，這個(gè)基本思想是通過(guò)計(jì)算驅(qū)動(dòng)器的扭矩來(lái)減少伺服誤差。這種利用反饋的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。機(jī)器人控制系統(tǒng)的框圖所有信號(hào)線表示N×1維向量，因此，操作臂的控制問(wèn)題