機(jī)器人的基本控制方法

1、第5章 機(jī)器人基本控制方法 （The Basic Control Strategy of Robot）,機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理 軌跡控制 機(jī)器人的力控制,5.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理(The Structure and Principle of Robot Control System),一、機(jī)器人系統(tǒng) 機(jī)構(gòu)本體(Mechanism) 控制系統(tǒng)(Control System) 控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)用戶的指令對機(jī)構(gòu)本體進(jìn)行操作和控制，完成作業(yè)的各種動(dòng)作。,下面通過PUMA機(jī)器人來說明機(jī)器人的控制系統(tǒng):,PUMA機(jī)器人是美國Unimation公司于20 世紀(jì)70 年代末推出的商品

2、化工業(yè)機(jī)器人。有多個(gè)系列的產(chǎn)品，每個(gè)系列產(chǎn)品都有腰旋轉(zhuǎn)、肩旋轉(zhuǎn)、肘旋轉(zhuǎn)和手腕的回轉(zhuǎn)、彎曲和旋轉(zhuǎn)軸，構(gòu)成六自由度的開鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。具有速度快、精度高、靈活精巧、編程控制容易等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用，PUMA機(jī)器人控制器采用逆運(yùn)算機(jī)分級控制結(jié)構(gòu)，使用VAL機(jī)器人編程言。,二、PUMA-562 控制器硬件配置及結(jié)構(gòu)(Hardware) PUMA-562控制器為多CPU兩級控制結(jié)構(gòu) 上位計(jì)算機(jī)采用Q-Bus總線作為系統(tǒng)總線 上位計(jì)算機(jī)配有64kB RAM內(nèi)存，兩塊四串口板，一塊 I/O并行接口板，與下位機(jī)通信的A接口板 與上位機(jī)聯(lián)接的I/O設(shè)備有CRT顯示器和鍵盤、示教 盒、軟盤驅(qū)動(dòng)器，通過串口板還可接入視覺傳感

3、器、高 層監(jiān)控計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)路徑修正控制計(jì)算機(jī),接口板A、B是上下位機(jī)通們的橋梁。上位機(jī)經(jīng)過A、B接 口板向下位機(jī)發(fā)送命令和讀取下位機(jī)信息。A板插在上位 機(jī)的Q-Bus總線上，B板插在下位機(jī)的J-Bus總線上，A、B 接口板之間通過扁平信號(hào)電纜通信。 B板上有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，用于讀取B接口板傳遞的各關(guān) 節(jié)電位器信息，電位器用于各關(guān)節(jié)絕對位置的定位。,下位計(jì)算機(jī)系統(tǒng): 由六塊以6503CPU為核心的單板機(jī)組成，每 塊板負(fù)責(zé)一個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成6個(gè)獨(dú)立的數(shù)字伺服控制回路。 下位機(jī)的每塊單板機(jī)上都有一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出分 別接到6塊功率放大器板的輸入端。功率放大器輸出與6臺(tái)直流伺服電機(jī)相接。,P

4、UMA-562 機(jī)器人控制器硬件還包括一塊C 接口板、 一塊高壓控制板和六塊功率放大器板，這幾塊板插 在另外的一個(gè)專門設(shè)計(jì)的功率放大器總線上。C 接口 板用于手臂電源和電饑制動(dòng)的控制信號(hào)傳遞，放障檢 測，制動(dòng)控制。高壓控制板提供電機(jī)所需的電壓，還 控制手爪開閉電磁閥。,三、PUMA-562 控制器軟件系統(tǒng)的工作原理(Software) PUMA-562 控制器軟件 上位機(jī)軟件：系統(tǒng)編程軟件 下位機(jī)軟件：伺服軟件 系統(tǒng)軟件提供軟件系統(tǒng)的各種系統(tǒng)定義、命令、語言及其編譯系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件針對各種運(yùn)動(dòng)形式的軌跡規(guī)劃，坐標(biāo)變換，完成以28ms時(shí)間間隔的軌跡插補(bǔ)點(diǎn)的計(jì)算、與下位機(jī)的信息交換、執(zhí)行用戶編寫的V

5、AL語言機(jī)器人作業(yè)控制程序、示教盒信息處理、機(jī)器人標(biāo)定、故障 檢測及異常保護(hù)等。 PUMA-562 控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件駐留在下位單片機(jī)的EPROM中。伺服控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。PUMA機(jī)器人仍然采用PID控制。,5.2 軌跡控制(The Robot Trajectory Control),路徑：機(jī)械手由初始點(diǎn)(位置和姿態(tài))運(yùn)動(dòng)到終止點(diǎn)，經(jīng)過的空 間曲線。 規(guī)劃 直角坐標(biāo)空間 關(guān)節(jié)空間 軌跡控制解決的問題 軌跡的給定 如何高精度地跟蹤軌跡,一、示教再現(xiàn)方式 (Teach-replay) 示教使機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的方法 用示教盒上的控制按鈕 直接用手抓住機(jī)器人手部 使其手端按目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng) 軌跡再現(xiàn)方式 點(diǎn)位

6、控制(PTP) 連續(xù)路徑控制(CP),二、數(shù)控方式(Numerical Control) 數(shù)控方式是把目標(biāo)軌跡用數(shù)值數(shù)據(jù)的形式給出。 要求 軌跡平滑; 位置、速度及加速度 的連續(xù)性,由于機(jī)器人手端的位移、速度及加速度與關(guān)節(jié)變量間不是線性關(guān)系，通過生成平滑的關(guān)節(jié)軌跡不能保證生成平滑的手端路徑，因此有必要首先直接生成手端的平滑路徑，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題求解關(guān)節(jié)位移、速度及加速度變化規(guī)律。,5.3 機(jī)器人的力控制(The Force Control of Robots),位置控制和力控制融合在一起的控制問題就是 位置和力混合控制問題，例：擦玻璃、擰 螺絲、轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄 力控制是在正確的位置控制基礎(chǔ)上進(jìn)一

7、步的控 制內(nèi)容。,一、作業(yè)約束與力控制 自然約束：當(dāng)機(jī)器人手端（常為機(jī)器人乎臂端部安裝的工 具）與環(huán)境（作業(yè)對象）接觸時(shí)，環(huán)境的幾何 特性構(gòu)成對作業(yè)的約束 自然位置約束：當(dāng)手部與固定剛性表面接觸時(shí)，不能自由 穿過這個(gè)表面(在法線方向) 自然力約束：若這個(gè)表面是光滑的，則不能對手施加沿表 面切線方向的力(在切線方向),位置約束可以用手端在約束坐標(biāo)系中的位置分最表示 V = vx vy vz x y z T 力約束可以用手端在約束坐標(biāo)中的力、力矩分量表示 F = fx fy fz x y z T 自然約束 力：在切線方向上 位置：在法線方向 人為約束 力：在法線方向 以保證與自然約束相符 位置：在

8、切線方向上,二、 例：插銷入孔的控制 a）自然約束力：F=0 人為約束：(產(chǎn)生一個(gè)沿Z軸向下的運(yùn)動(dòng)) V = 0 0 vz 0 0 0 T vz為豎直向下的速度 b）自然約束：vz= 0 x= 0 y= 0 fx= 0 fy = 0 z = 0 人為約束：vx= 0 vy=vh z= 0 fz= fj x= 0 y= 0 在平面上滑動(dòng)為保持與平面接觸 所需要的小的正壓力。 fj為銷子對平面的正壓力， vh 為 銷的滑動(dòng)速度。當(dāng)檢測到沿Z的速度，表明銷子進(jìn)入孔中。,c、自然約束：vx= 0 vy= 0 x= 0 y= 0 fz= 0z = 0 人為約束： vz=vc z= 0 fx= 0 fy=

9、 0 x = 0y= 0 Vc為銷子插入孔中的速度,自然約束發(fā)生變化的情況總是通過對一些量的 檢測發(fā)現(xiàn)的而檢測量并不是受控量； 手部的位置控制是沿著有自然力約束的方向； 手部的力控制是沿著有自然位置約束的方向。,三、作業(yè)約束與力控制的總結(jié),四、順應(yīng)控制(Appliance Control) 分為 主動(dòng)式順應(yīng)控制 被動(dòng)式順應(yīng)控制,五、剛性控制(Robust Control) 位置和力混合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 是位置和力是獨(dú)立控制的以及控制規(guī)律是以關(guān)節(jié)坐標(biāo)給出的。但當(dāng)作業(yè)環(huán)境的約束給出后，在實(shí)際環(huán)境約束中有不確定的部分，就可能出現(xiàn)控制不穩(wěn)定的危險(xiǎn)。例如，在理應(yīng)有約束的方向上沒有約束時(shí)，由于按照作用力保持一定進(jìn)行控制，就有失控的危險(xiǎn)；在理應(yīng)沒有約束的方向上出現(xiàn)了約束時(shí)，由于位置控制而產(chǎn)生過大的力。剛性控制就是為了解決此類問題而產(chǎn)生的。剛性控制是將位置和力聯(lián)合起來進(jìn)行控制，即在純粹的位置控制和力控制之問采用能實(shí)現(xiàn)彈簧特性的控制，并用作業(yè)坐標(biāo)系表示控制規(guī)律。,F = Ksp ( xd - x ) F 作業(yè)坐標(biāo)系中的力向量； xd 作業(yè)坐標(biāo)系中