機(jī)器人學(xué)-第5章 機(jī)器人控制算法(4)

1、第七章第七章 控制控制 Control 7.1 7.1 引言引言 7.2 7.2 機(jī)器人控制器和控制結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器和控制結(jié)構(gòu) 7.3 7.3 機(jī)器人位置控制機(jī)器人位置控制 7.4 7.4 二階線性系統(tǒng)控制規(guī)律的分解二階線性系統(tǒng)控制規(guī)律的分解 7.5 7.5 單關(guān)節(jié)機(jī)器人的建模與控制單關(guān)節(jié)機(jī)器人的建模與控制 7.6 7.6 柔順控制柔順控制 7.7 7.7 位置和力的混合控制位置和力的混合控制 7.8 7.8 其他控制方法其他控制方法第第5章章 機(jī)器人的控制系統(tǒng)機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.3 控制理論與算法在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)中，已知機(jī)器人末端欲到達(dá)的位姿，通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程的求解可求出各關(guān)節(jié)需轉(zhuǎn)過(guò)的角度。所

2、以運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)并不是相互獨(dú)立的，而是各軸相互關(guān)聯(lián)、協(xié)調(diào)地運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制實(shí)際上是通過(guò)各軸伺服系統(tǒng)分別控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)必須分解到各個(gè)軸的分運(yùn)動(dòng)，即執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的速度、加速度和力或力矩必須分解為各個(gè)軸的速度、加速度和力或力矩，由各軸伺服系統(tǒng)的獨(dú)立控制來(lái)完成。然而，各軸伺服系統(tǒng)的控制往往在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下進(jìn)行，而用戶通常采用笛卡兒坐標(biāo)來(lái)表示末端執(zhí)行器的位姿，所以有必要進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括速度、加速度和力(或力矩)的分解運(yùn)動(dòng)控制。分解運(yùn)動(dòng)控制能很大程度上化簡(jiǎn)為完成某個(gè)任務(wù)而對(duì)運(yùn)動(dòng)順序提出的要求。本節(jié)將討論分解運(yùn)動(dòng)的求解問(wèn)題。 7.1 引言引言(Introductio

3、n) 前幾章，我們借助齊次變換闡述了對(duì)于包括機(jī)械手在內(nèi)的任何物體的位置和姿態(tài)的描述方法。研究了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)，建立了機(jī)械手關(guān)節(jié)坐標(biāo)和與直角坐標(biāo)的位置和速度之間的關(guān)系，推導(dǎo)了機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)方程。 本章，我們要根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程來(lái)考慮機(jī)械手的控制問(wèn)題，由于任何機(jī)械手的實(shí)際控制都是通過(guò)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，必須對(duì)每一個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行有效的控制。7.2 7.2 機(jī)器人控制器和控制結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器和控制結(jié)構(gòu) 機(jī)器人的控制就是要使機(jī)器人的各關(guān)節(jié)或末端執(zhí)行器的位置能夠以理想的動(dòng)態(tài)品質(zhì)跟蹤給定的軌跡或穩(wěn)定在給定的位姿上。機(jī)器人控制特點(diǎn)：冗余的、多變量、本質(zhì)非線性、耦合的1.控制器分類 結(jié)構(gòu)形式：伺服、非伺

4、服、位置反饋、速度反饋、力矩控制、 控制方式：非線性控制、分解加速度控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等 控制器選擇：依工作任務(wù)，可選PLC控制、普通計(jì)算機(jī)控制，智能計(jì)算機(jī)控制等。 簡(jiǎn)單分類：?jiǎn)侮P(guān)節(jié)控制器：主要考慮穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償； 多關(guān)節(jié)控制器：主要考慮耦合慣量補(bǔ)償。2、主要控制變量 任務(wù)軸R0：描述工件位置的坐標(biāo)系 X(t):X(t):末端執(zhí)行器狀態(tài)； (t):關(guān)節(jié)變量； C C(t)：關(guān)節(jié)力矩矢量； T(t)T(t)：電機(jī)力矩矢量； V V(t)：電機(jī)電壓矢量本質(zhì)是對(duì)下列雙向方程的控制)()()()()(tttttXCTV3、主要控制層次 分三個(gè)層次：人工智能

5、級(jí)、控制模式級(jí)、伺服系統(tǒng)級(jí)1）人工智能級(jí) 完成從機(jī)器人工作任務(wù)的語(yǔ)言描述 生成X X(t)； 仍處于研究階段。2）控制模式級(jí) 建立X X(t) T T(t)之間的雙向關(guān)系。 電機(jī)模型 傳動(dòng)模型 關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型 機(jī)器人模型3）伺服系統(tǒng)級(jí) 解決關(guān)節(jié)伺服控制問(wèn)題即)()()()(ttttTCX)()()()(ttttXCTTV PUMAPUMA機(jī)器人的伺服控制結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)分級(jí)控制結(jié)構(gòu)，VAL編程語(yǔ)言。采用獨(dú)立關(guān)節(jié)的PID伺服控制，伺服系統(tǒng)的反饋系數(shù)是確定的。由于機(jī)器人慣性力、關(guān)節(jié)間耦合、重力與機(jī)器人位姿和速度有關(guān)，所以難于保證在高速、變速和變載情況下的精度。上位機(jī)配有64kB RAM內(nèi)存，采用Q-Bu

6、s作為系統(tǒng)總線，經(jīng)過(guò)A、B接口板與下位機(jī)交換數(shù)據(jù)。上位機(jī)作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并將手部運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，按控制周期傳給下位機(jī)。A接口板插在上位機(jī)的Q-Bus總線上，B接口板插在下位機(jī)的J-Bus總線上。B板有一個(gè)A /D轉(zhuǎn)換器，用于采樣電位器反饋的位置信息。下位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)及關(guān)節(jié)伺服控制。它由6塊6503CPU為核心的單板機(jī)組成，它與B接口板、手臂信號(hào)板插在J-Bus總線上。C接口板、高壓控制板和6塊功率放大器板插在Power amp bus上。上位機(jī)軟件為系統(tǒng)編程軟件軟件系統(tǒng)的各種系統(tǒng)定義、命令、語(yǔ)言及其編譯系統(tǒng)。針對(duì)各種運(yùn)動(dòng)形式的軌跡規(guī)劃和坐標(biāo)變換，以28ms的時(shí)間間隔完成軌跡插補(bǔ)點(diǎn)的計(jì)算、

7、與下位機(jī)信息交換、執(zhí)行VAL程序、示教盒信息處理、機(jī)器人標(biāo)定、故障檢測(cè)等。n，機(jī)械手為冗余，需要用廣義逆：A為對(duì)稱正定矩陣mjniqfJiiij1 ,1 ,)()()(1txqJtq)()()()()(111txqJAqJqJAtqTT3 分解運(yùn)動(dòng)加速度 分解運(yùn)動(dòng)加速度控制：首先計(jì)算出工具的笛卡兒坐標(biāo)加速度，然后將其分解為相應(yīng)的各關(guān)節(jié)加速度，再按照動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出控制力矩。 實(shí)際位置和姿態(tài) 期望的位置和姿態(tài)位置誤差姿態(tài)誤差1000)()()()()(tptatotntH1000)()()()()(tptatotntHddddd)()()()()()()()()(tptptptptptptptptezdzydyxdxdpdddataotontnte)()()(21)(0 為減少位置和姿態(tài)誤差，要求因?yàn)?(),()()()()()()()()(tqqqJtqqJtxtqqJttvtx )()()()()()()()()()(2121tekttktttektvtvktvtvoddpdd)()()(,)()()(tetetettvtxopddd從而有： 代入得：因?yàn)檫@里考慮的是誤差項(xiàng)，因此是閉環(huán)控制，精度高。)()()()()(