第5章 機(jī)器人控制

1、機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)國(guó)家級(jí)國(guó)家級(jí)智能科學(xué)基礎(chǔ)系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)智能科學(xué)基礎(chǔ)系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)“機(jī)器人學(xué)機(jī)器人學(xué)”課程配套教材課程配套教材蔡自興蔡自興 主編主編20092第五章 機(jī)器人控制5.1 機(jī)器人的基本控制原則 從控制觀點(diǎn)看，機(jī)器人系統(tǒng)代表冗余的、多變量和本質(zhì)上非線性的控制系統(tǒng)，同時(shí)又是復(fù)雜的耦合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。每個(gè)控制任務(wù)本身就是一個(gè)動(dòng)力學(xué)任務(wù)。機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)35.1 機(jī)器人的基本控制原則控制器分類(lèi) 機(jī)器人控制器是具有多種結(jié)構(gòu)形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反饋控制、力（力矩）控制、基于傳感器的控制、非線性控制、分解加速度控制、滑模控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、遞階控制以及各種智能控制等

2、 。 第五章 機(jī)器人控制5.1.1 基本控制原則45.1.1 基本控制原則5.1 機(jī)器人的基本控制原則5.1 表機(jī)器人控制的分類(lèi)及其分析方法5.1.1 基本控制原則5主控變量 圖5.1表示一臺(tái)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)控制變量。5.1 圖機(jī)器手各關(guān)節(jié)控制變量5.1 機(jī)器人的基本控制原則6主要控制層次 圖5.2表示機(jī)器人的主要控制層次。第一級(jí)：人工智能級(jí)第二級(jí)：控制模式級(jí) 第三級(jí)：伺服系統(tǒng)級(jí)5.2 圖機(jī)器手主要控制層次5.1.1 基本控制原則5.1 機(jī)器人的基本控制原則5.1.2 伺服控制系統(tǒng)舉例液壓缸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)75.1 機(jī)器人的基本控制原則5.3 圖液壓缸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電-液壓伺服控制系統(tǒng) 85.1

3、.2 伺服控制系統(tǒng)舉例5.4 -圖電 液壓伺服控制系統(tǒng)5.1 機(jī)器人的基本控制原則9 機(jī)器人為串續(xù)連桿式機(jī)械手，其動(dòng)態(tài)特性具有高度的非線性。要控制這種由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的操作機(jī)器人，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程式來(lái)表示其運(yùn)動(dòng)是十分重要的。這種數(shù)學(xué)表達(dá)式就是數(shù)學(xué)模型，或簡(jiǎn)稱(chēng)模型。 在設(shè)計(jì)模型時(shí)，提出下列二個(gè)假設(shè)： （1）機(jī)器人的各段是理想剛體，因而所有關(guān)節(jié)都是理想的，不存在摩擦和間隙。 （2）相鄰兩連桿間只有一個(gè)自由度，要么為完全旋轉(zhuǎn)的，要么是完全平移的。第五章 機(jī)器人控制5.2 機(jī)器人的位置控制105.2.1 直流傳動(dòng)系統(tǒng)的建模n傳遞函數(shù)與等效方框圖 5.5圖 直流電動(dòng)機(jī)伺服傳動(dòng)原理5.2 機(jī)器人的位置控制11直

4、流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整5.2 機(jī)器人的位置控制5.8圖 具有測(cè)速反饋的直流電動(dòng)機(jī)控制原理圖5.2.1 直流傳動(dòng)系統(tǒng)的建模(a) 控制原理圖(b) 等效電路圖12基本控制結(jié)構(gòu)5.2.2 位置控制的基本結(jié)構(gòu)5.9圖 機(jī)器人位置控制基本結(jié)構(gòu)5.2 機(jī)器人的位置控制(a) 關(guān)節(jié)空間控制結(jié)構(gòu)(b) 直角坐標(biāo)空間控制結(jié)構(gòu)13PUMA機(jī)器人的伺服控制結(jié)構(gòu) 5.10 PUMA圖 機(jī)器人的伺服控制結(jié)構(gòu)5.2.2 位置控制的基本結(jié)構(gòu)5.2 機(jī)器人的位置控制145.2.3 單關(guān)節(jié)位置控制器n位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.11圖 斯坦福機(jī)械手的位置控制系統(tǒng)方框圖5.2 機(jī)器人的位置控制15單關(guān)節(jié)控制器的傳遞函數(shù) 5.12圖 一個(gè)關(guān)

5、節(jié)的電動(dòng)機(jī)-齒輪-負(fù)載聯(lián)合裝置示意圖)()()()(2IemmmmImmKkBRSBLJRJSLSKSVS(5.35)5.2.3 單關(guān)節(jié)位置控制器5.2 機(jī)器人的位置控制165.13圖 機(jī)械手位置控制器結(jié)構(gòu)圖5.2 .3 單關(guān)節(jié)位置控制器5.2 機(jī)器人的位置控制17參數(shù)確定及穩(wěn)態(tài)誤差 的確定關(guān)節(jié)控制器的穩(wěn)態(tài)誤差1KK 和tetIeffmKkKKBJRK/ )/(1ImeffKRJK4/2ILgfmsspKKCCCRe/ )(5.2 .3 單關(guān)節(jié)位置控制器5.2 機(jī)器人的位置控制(5.53)(5.55)(5.64)5.2 .4 多關(guān)節(jié)位置控制器18動(dòng)態(tài)方程的拉格朗日公式各關(guān)節(jié)間的耦合與補(bǔ)償耦合慣

6、量補(bǔ)償?shù)挠?jì)算niqLqLdtdiii, 2 , 1,T616161ijkikjijkiaijijiDqqDqJqD T5.2 機(jī)器人的位置控制195.3 機(jī)器人的力和位置混合控制5.3.1 力和位置混合控制方案主動(dòng)剛性控制 如果希望在某個(gè)方向上遇到實(shí)際約束，那么這個(gè)方向的剛性應(yīng)當(dāng)降低，以保證有較低的結(jié)構(gòu)應(yīng)力；反之，在某些不希望碰到實(shí)際約束的方向上，則應(yīng)加大剛性，這樣可使機(jī)械手緊緊跟隨期望軌跡。于是，就能夠通過(guò)改變剛性來(lái)適應(yīng)變化的作業(yè)要求。第五章 機(jī)器人控制5.15圖 主動(dòng)剛性控制框圖205.3.1 力和位置混合控制方案雷伯特-克雷格位置/力混合控制器5.16 R-C圖 控制器結(jié)構(gòu)5.3 機(jī)器人

7、的力和位置混合控制21雷伯特-克雷格位置/力混合控制器對(duì)R-C控制器進(jìn)行如下改進(jìn)：在混合控制器中考慮機(jī)械手的動(dòng)態(tài)影響，并對(duì)機(jī)械手所受重力及哥氏力和向心力進(jìn)行補(bǔ)償； 考慮力控制系統(tǒng)的欠阻尼特性，在力控制回路中，加入阻尼反饋，以消弱振蕩因素。引入加速度前饋，以滿足作業(yè)任務(wù)對(duì)加速度的要求，也可使速度平滑過(guò)渡。改進(jìn)后的R-C力/位置混合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5.17所示。5.3.1 力和位置混合控制方案225.17R-C圖 改進(jìn)后的混合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雷伯特-克雷格位置/力混合控制器5.3.1 力和位置混合控制方案235.3.1 力和位置混合控制方案操作空間力和位置混合控制系統(tǒng)5.18/圖 操作空間力 位置混

8、合控制系統(tǒng)框圖5.3 機(jī)器人的力和位置混合控制5.3.2 力和位置混合控制系統(tǒng)控制規(guī)律的綜合位置控制規(guī)律系統(tǒng)的控制器方程為：閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程：取24)(),()()()(qGqqCqqKqqKqqMTdppdpdd (5.67)0qKqKqpppd (5.70)IKIKnppnpd22(5.71)5.3 機(jī)器人的力和位置混合控制25力控制規(guī)律令圖5.17中的位置適從選擇矩陣 S=0，控制末端在基坐標(biāo)系z(mì)0方向上受到反作用力。設(shè)約束表面為剛體，末端受力如圖5.19所示，那么對(duì)三連桿機(jī)械手進(jìn)行力控制時(shí)有力控制選擇矩陣：100000000S5.3.2 力和位置混合控制系統(tǒng)控制規(guī)律的綜合5.3 機(jī)器

9、人的力和位置混合控制5.19圖 機(jī)械手末端受力圖力控制規(guī)律閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程：上式表明，關(guān)節(jié)1對(duì)力控制不起作用，關(guān)節(jié)2和3對(duì)力控制有作用。265.3.2 力和位置混合控制系統(tǒng)控制規(guī)律的綜合)()(0223333233233313233322223221dfdfddfdfdffHqKJJqKJqffHqKJJqKJqq (5.76)27力和位置混合控制規(guī)律設(shè)約束坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系重合。如果要求作業(yè)在基坐標(biāo)系的z0方向進(jìn)行力控制，在某個(gè)與x0y0平面平行的約束面上進(jìn)行位置控制，則適從選擇矩陣為位置： 力： 000010001S100000000SfHJHJHJHJHJHJfHfHJzKzyKyKyx

10、KxKxfdpppdpppd23313222312221311221322110 (5.84)5.3.2 力和位置混合控制系統(tǒng)控制規(guī)律的綜合5.3 機(jī)器人的力和位置混合控制5.4 機(jī)器人的智能控制5.4.1 智能控制系統(tǒng)的分類(lèi) 遞階控制系統(tǒng)遞階智能控制系統(tǒng)是個(gè)整體。組織級(jí)代表控制系統(tǒng)的主導(dǎo)思想，并由人工智能起控制作用。協(xié)調(diào)級(jí)是上（組織）級(jí)和下（執(zhí)行）級(jí)間的接口，承上啟下，并由人工智能和運(yùn)籌學(xué)共同作用。執(zhí)行級(jí)是遞階控制的底層，要求具有較高的精度和較低的智能，它按控制論進(jìn)行控制，對(duì)相關(guān)過(guò)程執(zhí)行適當(dāng)?shù)目刂谱饔谩?8第五章 機(jī)器人控制遞階控制系統(tǒng) 智能控制系統(tǒng)是由三個(gè)基本控制級(jí)構(gòu)成的，其級(jí)聯(lián)交互結(jié)構(gòu)如

11、圖5.20 所示。遞階智能控制系統(tǒng)遵循提高精度而降低智能（IPDI）的原理。概率模型用于表示組織級(jí)推理、規(guī)劃和決策的不確定性，指定協(xié)調(diào)級(jí)的任務(wù)以及執(zhí)行級(jí)的控制作用。采用熵來(lái)度量智能機(jī)器執(zhí)行各種指令的效果，并采用熵進(jìn)行最優(yōu)決策。295.4.1 智能控制系統(tǒng)的分類(lèi) 5.20圖 遞階智能機(jī)器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)30圖5.21表示具有視覺(jué)反饋的PUMA600機(jī)械手的智能系統(tǒng)分級(jí)結(jié)構(gòu)圖。遞階控制系統(tǒng) 5.4.1 智能控制系統(tǒng)的分類(lèi) 5.21圖 具有視覺(jué)反饋的機(jī)械手遞階控制結(jié)構(gòu)315.4.1 智能控制系統(tǒng)的分類(lèi) 專(zhuān)家控制系統(tǒng)專(zhuān)家控制系統(tǒng)是一個(gè)應(yīng)用專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)的控制系統(tǒng)，也是一個(gè)典型的和廣泛應(yīng)用的基于知識(shí)的控制系統(tǒng)。

12、幾乎所有的專(zhuān)家控制系（控制器）都包含知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、控制規(guī)則集和或控制算法等。圖5.22 畫(huà)出專(zhuān)家控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。5.4 機(jī)器人的智能控制5.22圖 專(zhuān)家控制器的典型結(jié)構(gòu)325.4 .1 智能控制的分類(lèi)模糊控制系統(tǒng)有效性：提供一種實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)（基于規(guī)則）的甚至語(yǔ)言描述的控制規(guī)律的新機(jī)理。 提供了一種改進(jìn)非線性控制器的替代方法 。模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖5.23所示。5.23圖 模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)5.4 機(jī)器人的智能控制335.4 .1 智能控制的分類(lèi)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制具有4個(gè)主要功能：搜索、識(shí)別、記憶和推理。在線學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)和離線學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，分別如圖5.26(a) 和圖5.26(

13、b)所示。5.4 機(jī)器人的智能控制5.24圖 學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)原理圖345.4 .1 智能控制的分類(lèi)神經(jīng)控制系統(tǒng)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制(ANN-based control)，簡(jiǎn)稱(chēng)神經(jīng)控制(neurocontrol)或NN控制。提出的神經(jīng)控制的結(jié)構(gòu)方案很多，包括NN學(xué)習(xí)控制、NN直接逆控制、NN自適應(yīng)控制、NN內(nèi)模控制、NN預(yù)測(cè)控制、NN最優(yōu)決策控制、NN強(qiáng)化控制、CMAC控制、分級(jí)NN控制和多層NN控制等。圖5.25 表示監(jiān)督式神經(jīng)控制器的結(jié)構(gòu)。5.25NN圖 監(jiān)督式學(xué)習(xí)控制器的結(jié)構(gòu)5.4 機(jī)器人的智能控制355.4 .1 智能控制的分類(lèi)進(jìn)化控制系統(tǒng)進(jìn)化與反饋?zhàn)鳛樽匀唤绱嬖诘膬煞N基本調(diào)節(jié)機(jī)制，具有

14、明顯的互補(bǔ)性。把進(jìn)化思想與反饋控制理論相結(jié)合，產(chǎn)生了一種新的智能控制方法進(jìn)化控制。進(jìn)化控制是綜合考察了幾種典型智能控制方法的思想起源、組成結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)等之后提出來(lái)的，它模擬生物界演化的進(jìn)化機(jī)制，將進(jìn)化思想與反饋控制理論相結(jié)合，提高了系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的自主性、創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)能力。5.4 機(jī)器人的智能控制365.4 .2 機(jī)器人的自適應(yīng)模糊控制模糊控制是應(yīng)用最廣的一種智能控制，它具有多種結(jié)構(gòu)形式，如PID模糊控制、自組織模糊控制、自校正模糊控制、自學(xué)習(xí)模糊控制、專(zhuān)家模糊控制等。 自適應(yīng)模糊控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.4 機(jī)器人的智能控制5.26 ZebraZERO圖 機(jī)器人模型5.27/圖 附加力

15、外環(huán)的機(jī)器人力 位置自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)框圖37自適應(yīng)模糊控制器實(shí)驗(yàn)研究 經(jīng)分析研究和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可知，這種含有附加力外環(huán)的力位置自適應(yīng)模糊控制方法，可以在不改變機(jī)器人原有位置控制器的情況下，使機(jī)械手在其末端執(zhí)行器與接觸剛度變化范圍較大的外界工作環(huán)境接觸時(shí)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，對(duì)力和位置的控制具有良好的魯棒性和跟蹤能力。該方法通用性強(qiáng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。 5.4.2 機(jī)器人的自適應(yīng)模糊控制385.4.3 多指靈巧手的神經(jīng)控制多指靈巧手又稱(chēng)多指多關(guān)節(jié)機(jī)械手，是一種關(guān)聯(lián)加串聯(lián)形式的機(jī)器人，一般由手掌和3 5個(gè)手指組成，每個(gè)手指有34個(gè)關(guān)節(jié)。多指靈巧手的機(jī)械本體一般較小，自由度又較多，可完成各種抓持及

16、操作。多指靈巧手比一般的機(jī)器人具有更強(qiáng)的非線性。5.4 機(jī)器人的智能控制395.4.3 多指靈巧手的神經(jīng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)算法采用一個(gè)3201的三層前饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)學(xué)習(xí)原有的控制器的輸入輸出關(guān)系。學(xué)習(xí)結(jié)束后，用此前饋網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作控制器。學(xué)習(xí)采用BP算法與趨化算法相結(jié)合的混合學(xué)習(xí)算法，即先用BP算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，然后再用趨化算法訓(xùn)練。5.4 機(jī)器人的智能控制40網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)算法趨化算法把權(quán)重W設(shè)為-0.1, 0.1上的隨機(jī)初值，即W0；把樣本輸入網(wǎng)絡(luò)并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)輸出；求目標(biāo)函數(shù)J的值，并令B1J；產(chǎn)生與權(quán)重W維數(shù)相同、零均值的-1, +1上正態(tài)分布的隨機(jī)向量；令 ，是一實(shí)系數(shù)；求目標(biāo)函數(shù)J的值，令B2=

17、J；如果E2E1，則令W0=W1，轉(zhuǎn)到（4）；否則，轉(zhuǎn)到（4）。1,0aWaWW5.4.3 多指靈巧手的神經(jīng)控制415.4.3 多指靈巧手的神經(jīng)控制基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)軟件控制軟件分為兩部分，上位機(jī)軟件用C語(yǔ)言編寫(xiě)，伺服控制器的軟件用MCS51單片機(jī)匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。5.31圖 控制系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)圖5.4 機(jī)器人的智能控制5.32圖 控制器結(jié)構(gòu)圖425.4.3 多指靈巧手的神經(jīng)控制5.33圖 主機(jī)軟件流程圖5.4 機(jī)器人的智能控制43基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器設(shè)計(jì)復(fù)合控制方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單純用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行控制，系統(tǒng)的響應(yīng)在跟蹤階段可以很好地跟蹤給定的軌跡，但穩(wěn)態(tài)效果不好，存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差。由于時(shí)間限制，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)只能得到一個(gè)近似的最優(yōu)解，而不可能得到真正的最優(yōu)解。為了使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，采用一個(gè)P