機器人學導論 課件 第5章-操作臂的控制方法

機器人技術基礎

第4章機器人的軌跡生成

第1-15周，星期二，16:40-18:15，（五）10324.1基本概念4.2關節(jié)空間軌跡生成4.3直角坐標空間軌跡生成本節(jié)目錄35.1概述5.2機器人關節(jié)控制5.3工業(yè)機器人的控制器結構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機器人的編程技術（編程語言是用戶和機器人交互的接口）機器人模仿人的各種肢體動作、思維方式和控制決策能力。從編程的角度，機器人可以通過方式來達到這一目標：（1）示教再現(xiàn)方式：通過“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機械手如何動作，控制器將示教過程記憶下來，然后機器人就按照記憶周而復始地重復示教動作，如弧焊、點焊、噴涂機器人。”在線占用機器人”（2）離線編程方式：機器人編程員在外部計算機上根據(jù)工件的CAD模型編制機器人控制程序，然后將控制程序輸入給機器人的控制器，機器人就按照程序所規(guī)定的動作一步一步地去完成。如果任務變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便?！陛^少地占用機器人”大多數(shù)工業(yè)機器人都是按照這兩種方式編程的。機器人弧焊機器人噴涂機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：機器人表殼拋光機器人離線編程技術主要是應用計算機圖形學的方法，建立三維虛擬環(huán)境，根據(jù)加工工藝要求，生成機器人運動軌跡，控制機器人運動。機器人離線編程系統(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器人配置（第幾個解）自動生成機器人路徑文件導入零件三維模型后：選取零件表面點，并顯示三維坐標系將所選點構造B樣條曲線，生成加工路徑生成加工路徑后：建立系統(tǒng)坐標系及逆運動求解求解機器人配置：找到一組解，整條路徑都可達表面點的局部坐標系生成加工路徑求解機器人配置的過程（1）遙控方式：由人用有線或無線遙控器控制機器人在人難以到達或危險的場所完成某項任務。如防暴排險機器人、軍用機器人、在有核輻射和化學污染環(huán)境工作的機器人等。（2）自主控制方式：是機器人控制中最高級、最復雜的控制方式，它要求機器人在復雜的非結構化環(huán)境中具有識別環(huán)境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。機器人控制技術各種PID控制方式（PIDControl）

PID控制是將偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）通過線性組合構成控制量，算法簡單，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）

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

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

機器人各自由度之間存在著耦合，即某處的運動對另一處的運動有影響。在耦合嚴重的情況下，必須考慮一些解耦措施。機器人控制技術重力補償在伺服系統(tǒng)的控制量中實時地計算重力項，并加入一個抵消重力的量，可補償重力項的影響。耦合慣量及摩擦力的補償在高速、高精度機器人中，必須考慮一個關節(jié)運動會引起另一個關節(jié)的等效轉動慣量的變化，即耦合的問題；還要考慮摩擦力的補償。傳感器的位置補償在內(nèi)部反饋的基礎上，再用一個外部位置傳感器進一步消除誤差，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：從給定信號中提取速度、加速度信號。把它加在伺服系統(tǒng)的適當部位，以消除系統(tǒng)的速度和加速度跟蹤誤差。超前控制：估計下一時刻的位置誤差，并把這個估計量加到下一時刻的控制量中。操作臂控制技術記憶－修正控制(迭代學習控制)記憶前一次的運動誤差，改進后一次的控制量；適用于重復操作的場合。

聽覺控制有的機器人可以根據(jù)人的口頭命令做出回答或執(zhí)行任務，這是利用了聲音識別系統(tǒng)。視覺控制（視覺伺服）常將視覺系統(tǒng)用于判別物體形狀和物體之間的關系，也可以用來測量距離、選擇運動途徑。遞階控制（組織級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級）最低層是各關節(jié)的伺服系統(tǒng)，最高層是管理（主）計算機；大系統(tǒng)控制理論可以用在機器人系統(tǒng)中。先進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，通過“語言變量”表述和模糊推理來實現(xiàn)的無模型控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制神經(jīng)控制便是由神經(jīng)網(wǎng)絡組成的控制系統(tǒng)結構。魯棒控制魯棒控制的基本特征，是用一個結構和參數(shù)都是固定不變的控制器，來保證即使不確定性對系統(tǒng)的性能品質影響最惡劣的時候也能滿足設計要求。先進控制策略

滑?？刂?/p>

滑模變結構控制系統(tǒng)的特點是：在動態(tài)控制過程中，系統(tǒng)的結構根據(jù)系統(tǒng)當時的狀態(tài)偏差及其各階導數(shù)值，以躍變的方式按設定的規(guī)律作相應改變。該類控制系統(tǒng)預先在狀態(tài)空間設定一個特殊的超越曲面，由不連續(xù)的控制規(guī)律，不斷變換控制系統(tǒng)結構，使其沿著這個特定的超越曲面向平衡點滑動，最后漸近穩(wěn)定至平衡點。先進控制策略學習控制產(chǎn)生自主運動的認知控制系統(tǒng)，包括感知層、數(shù)據(jù)處理層、概念產(chǎn)生層、目標感知層、控制知識／數(shù)據(jù)庫、結論產(chǎn)生層等。

機器人學習控制系統(tǒng)結構圖傳感器層數(shù)據(jù)處理層存儲層控制層執(zhí)行層感知部分認知部分外部世界先進控制策略145.1概述5.2機器人關節(jié)控制5.3工業(yè)機器人的控制器結構5.4反饋與閉環(huán)控制2025/6/1本節(jié)目錄152025/6/1機器人關節(jié)控制

這時機器人關節(jié)動力學方程為：

Ja—關節(jié)驅動電機轉動慣量Jm—關節(jié)負載在傳動端的轉動慣量Jl—連桿轉動慣量

Bm—傳動端阻尼系數(shù)Bl—負載端阻尼系數(shù)傳動比

計入粘性阻力，關節(jié)方程可寫為：

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——感應電動勢τ

——電機驅動力矩θm——電樞（轉子）角位移電氣部分的模型由電機電樞的電壓平衡方程來描述電機力矩平衡方程：機械部分與電氣部分的耦合關系：對以上各式進行拉普拉斯變換得ka——電機電流—力矩比例常數(shù)kb——感應電勢常數(shù)電機的電樞電路機器人關節(jié)控制172025/6/1重新組合上式，得驅動系統(tǒng)傳遞函數(shù)忽略電樞的電感La，可簡化為：其中，電機增益常數(shù)為：電機時間常數(shù)為：單關節(jié)控制系統(tǒng)所加電壓與關節(jié)角位移之間的傳遞函數(shù)：機器人關節(jié)控制182025/6/1單關節(jié)角度反饋比例控制，P控制于是得到e——為系統(tǒng)誤差進而可得式中kp——位置反饋增益；η——傳動比位置控制器（比例）直流驅動單關節(jié)系統(tǒng)+－機器人關節(jié)控制192025/6/1位置控制器（比例）直流驅動單關節(jié)系統(tǒng)+－誤差驅動信號

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

上式表明關節(jié)機器人的比例控制器是一個二階系統(tǒng)。當系統(tǒng)參數(shù)均為正時，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導:機器人關節(jié)控制PID控制是機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)椋菏街校琸P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)稱為積分時間，TD(=kD/kP)稱為微分時間，分別具有時間量綱。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次采樣時的偏差值。PID控制（1）比例控制器實質上是一個具有可調(diào)增益的放大器。在控制系統(tǒng)中，增大kP可加快響應速度，但過大容易出現(xiàn)振蕩；（2）積分控制器能消除或減弱穩(wěn)態(tài)偏差，但它的存在會使系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)的時間變長，限制系統(tǒng)的快速性；（3）微分控制規(guī)律能反映輸入信號的變化趨勢，相對比例控制規(guī)律而言具有預見性，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，但對輸入信號的噪聲很敏感。PID控制器的三個參數(shù)有不同的控制作用：PID控制235.1概述5.2機器人關節(jié)控制5.3工業(yè)機器人的控制器結構5.4反饋與閉環(huán)控制2025/6/1本節(jié)目錄242025/6/1工業(yè)機器人的控制器結構通常使用兩級結構，頂層CPU作為控制系統(tǒng)的主機。主計算機向每個低級控制器發(fā)送指令，一般每個低級控制器對應一個關節(jié)。每個低級控制器控制一個關節(jié)伺服，上面通常運行簡單的PID控制律。典型機器人控制系統(tǒng)的計算機分級體系為了把力矩指令發(fā)送到安裝在機器人上的直流力矩電機，每個低級CPU與數(shù)字-模擬轉化器（DAC）有接口，使得電機電流能夠發(fā)送到電流驅動電路上。在模擬電路中通過調(diào)節(jié)電樞兩端的電壓來控制流過電機的電流，從而維持期望的電樞電流，即期望的轉矩。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關節(jié)控制器。關節(jié)控制器在高的伺服周期運行，使得關節(jié)跟隨位置指令。關節(jié)控制系統(tǒng)的功能塊PUMA機器人的位置控制系統(tǒng)框圖PUMA機器人的控制結構是典型的獨立關節(jié)PID控制。然而由于獨立關節(jié)PID控制未考慮機器人的非線性及關節(jié)間的耦合作用，因而控制精度和速度受到限制。工業(yè)機器人的控制器結構265.1概述5.2機器人關節(jié)控制5.3工業(yè)機器人的控制器結構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)行器的期望運動軌跡，實施運動學逆解（第2章），求出對應的關節(jié)運動軌跡。第3章：逆動力學，給定期望運動可以求出關節(jié)驅動力矩。第5章：討論如何才能使操作臂實際完成這些期望運動。本章討論的控制方法屬于線性控制系統(tǒng)的范疇。嚴格講，線性控制技術僅適用于能夠用線性微分方程進行數(shù)學建模的系統(tǒng)。對于操作臂的控制，這種線性方法實質上是一種近似方法。在第七章動力學中我們已看到，操作臂的動力學方程一般都是由非線性微分方程來描述的。但是，進行這種近似通常是可行的，而且這些線性方法是當前工程實際中最常用的方法。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節(jié)傳感器的反饋。通過比較期望位置和實際位置之差以及期望速度和實際速度之差來計算伺服誤差。這樣控制系統(tǒng)就能夠根據(jù)伺服誤差函數(shù)計算驅動器需要的扭矩。顯然，這個基本思想是通過計算驅動器的扭矩來減少伺服誤差。這種利用反饋的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。機器人控制系統(tǒng)的框圖所有信號線表示N×1維向量，因此，操作臂的控制問題