機(jī)器人控制課件

機(jī)器人控制參考書目BrunoSiciliano,LorenzoSciavicco,etal.Robotics:Modeling,planningandcontrol.蔡自興.機(jī)器人學(xué)（第二版）.北京：清華大學(xué)出版社，2009譚民，徐德，侯增廣等.先進(jìn)機(jī)器人控制.北京：高等教育出版社，2007.本章內(nèi)容機(jī)器人控制概述機(jī)器人控制分類機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件配置及結(jié)構(gòu)機(jī)器人的位置控制機(jī)器人的力控制總結(jié)一.機(jī)器人控制技術(shù)綜述“控制”的目的是使被控對(duì)象產(chǎn)生控制者所期望的行為方式“控制”的基本條件是了解被控對(duì)象的特性“實(shí)質(zhì)”是對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出力矩的控制輸入X被控對(duì)象的模型輸出Y目的輸入X輸出Y機(jī)器人控制的兩個(gè)問題：1）求機(jī)器人的動(dòng)態(tài)模型（動(dòng)力學(xué)問題）；2）根據(jù)動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)控制規(guī)律機(jī)器人技術(shù)與控制學(xué)科的關(guān)系機(jī)器人控制國(guó)際視野IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems

如果被控對(duì)象的模型能夠精確知道，但模型是變化的，怎么辦？如果模型的變化是可以預(yù)測(cè)的X1/P（T）P（T）Y開環(huán)預(yù)測(cè)控制如果模型的變化是可以實(shí)時(shí)辯識(shí)的X1/P（T）P（T）Y辨識(shí)器開環(huán)辨識(shí)控制按照期望控制量分為：位置控制，力控制位置控制單關(guān)節(jié)位置控制（位置反饋，位置速度反饋，位置速度加速度反饋）多關(guān)節(jié)位置控制分解運(yùn)動(dòng)控（decentralizedcontrol）集中控制(centralizedcontrol)力控制直接力控制（directforcecontrol）阻抗控制(impedancecontrol)力位混合控制(Hybridforce/Motioncontrol)三.控制系統(tǒng)硬件配置及結(jié)構(gòu)電氣硬件軟件架構(gòu)高性能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制卡主控芯片５１單片機(jī)dsptms320c6713——DSPDigitalsignalprocessing

SamsungS5L8900B01——ARMＥＰＩＣ３Ｔ１４４——FPGAField

Programmable

Gate

Array（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列）ＤＳＰ架構(gòu)CodeComposerStudio(CCStudio)

集成開發(fā)環(huán)境編程環(huán)境總體架構(gòu)1）傳感器信號(hào)采集及處理系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)基于PWM的三相全橋控制PID控制器的基本原理被控對(duì)象比例環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)求和求差期望輸出實(shí)際輸出反饋控制實(shí)例：PID被控參數(shù)（位置、力、速度、溫度、流量、液位等）以怎樣的途徑，多長(zhǎng)時(shí)間到達(dá)期望值PID控制方法以單個(gè)關(guān)節(jié)的角度控制為例定義e(t)為輸入輸出之差的時(shí)間函數(shù)數(shù)字PID控制算法計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)多數(shù)是采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。連續(xù)-時(shí)間信號(hào)——采樣、量化——數(shù)字量積分，微分——采用數(shù)值逼近的方法。采用矩形積分差分代替微分代入ＰＩＤ的公式整理做代換得：ＰＩＤ算法流程Matlab/simulink模型仿真結(jié)果分析PID控制器具有一定的魯棒性，但對(duì)干擾抑制效果不是很好PID參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響Kp--影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，Kp越大，響應(yīng)速度越快,增大Kp可能會(huì)引起系統(tǒng)超調(diào)，甚至振蕩和不穩(wěn)定；Ki--影響系統(tǒng)的靜態(tài)精度，有利于消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，但Ki過大也可能會(huì)引起系統(tǒng)超調(diào)，甚至振蕩和不穩(wěn)定；Kd--影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，通?？杉涌煜到y(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間，但微分環(huán)節(jié)也會(huì)把外部的干擾放大，微分作用過強(qiáng)，可能會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩和不穩(wěn)定；傳統(tǒng)PID參數(shù)整定方法PID控制參數(shù)整定方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)手動(dòng)整定經(jīng)驗(yàn)試湊發(fā)方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛依靠經(jīng)驗(yàn)，耗費(fèi)時(shí)間Z-N經(jīng)驗(yàn)公式法方法簡(jiǎn)單，使用快捷大滯后過程中，控制品質(zhì)差Z-N臨界比例度法不依賴模型數(shù)學(xué)參數(shù)多次試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，受不確定因素影響大，臨界振蕩不易判定衰減曲線法利用衰減振蕩整定參數(shù)負(fù)荷變化，需要重新調(diào)整Cohen-Coon整定法抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)作用于小時(shí)滯系統(tǒng)產(chǎn)生大超調(diào)自動(dòng)整定階躍辨識(shí)法魯棒性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能好計(jì)算簡(jiǎn)單，精度高從階躍響應(yīng)曲線獲得參數(shù)困難繼電反饋法耗時(shí)少，抗干擾，可整定高度非線性過程繼電反饋得到的參數(shù)是近似參數(shù)最優(yōu)整定法系統(tǒng)超調(diào)小、響應(yīng)快性能指標(biāo)提取困難內(nèi)?？刂瞥{(diào)小、抗干擾模型建立精確性難保證非線性PID控制超調(diào)小、調(diào)整時(shí)間短控制參數(shù)的不易選取PID控制器參數(shù)整定的一般規(guī)律先調(diào)節(jié)Kp,至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,設(shè)此時(shí)比例增益為Kp’取Kp=Kp’/2,逐漸增大Ki,直至出現(xiàn)振蕩,記Ki’取Ki=Ki’/3,調(diào)節(jié)Kd,直至獲得滿意的系統(tǒng)特性

機(jī)器人的位置控制

機(jī)器人系統(tǒng)的特點(diǎn)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)特性非線性，關(guān)節(jié)彈性及摩擦存在在建立模型時(shí)，提出下列兩個(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。笛卡爾空間位置控制Xd為笛卡爾空間期望位置，Xe為實(shí)際位置

從穩(wěn)定性和精度的觀點(diǎn)看，要獲得滿意的伺服傳動(dòng)性能，必須在伺服電路內(nèi)引入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。1．機(jī)器人位置控制任務(wù)分類：點(diǎn)到點(diǎn)的控制(如搬運(yùn)、點(diǎn)焊機(jī)器人)或連續(xù)路徑的控制（如弧焊、噴漆機(jī)器人）。2.位置控制方法：關(guān)節(jié)空間控制結(jié)構(gòu)和直角坐標(biāo)空間控制結(jié)構(gòu)，分別見圖5.11（a）和（b）所示。位置、速度反饋控制速度環(huán)：使關(guān)節(jié)電機(jī)表現(xiàn)出期望的速度特性，通常通過驅(qū)動(dòng)器的電流環(huán)控制位置環(huán)：使關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到期望的位置，由控制器實(shí)現(xiàn)。速度、加速度前饋補(bǔ)償控制當(dāng)機(jī)器人處于高度運(yùn)動(dòng)時(shí)，位置、速度反饋的精度大幅降低，此時(shí)通過速度、加速度前饋補(bǔ)償提高跟蹤精度。速度、加速度前饋補(bǔ)償鎖住機(jī)器人的其他各關(guān)節(jié)而依次移動(dòng)一個(gè)關(guān)節(jié)，這種工作方法顯然是低效率的。這種工作過程使執(zhí)行規(guī)定任務(wù)的時(shí)間變得過長(zhǎng)，因而是不經(jīng)濟(jì)的。不過，如果要讓一個(gè)以上的關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，那么各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)間的力和力矩會(huì)產(chǎn)生互相作用，而且不能對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)適當(dāng)?shù)貞?yīng)用前述位置控制器。因此，要克服這種互相作用，就必須附加補(bǔ)償作用。要確定這種補(bǔ)償，就需要分析機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特征。1．動(dòng)態(tài)方程的拉格朗日公式動(dòng)態(tài)方程式表示一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征。我們已討論過動(dòng)態(tài)方程的一般形式的拉格朗日方程如下：

多關(guān)節(jié)位置控制器二自由度機(jī)械手簡(jiǎn)圖二自由度機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)方程分解控制基于計(jì)算力矩前饋補(bǔ)償?shù)亩嚓P(guān)節(jié)分解控制專家控制系統(tǒng)(ExpertControlSystem)幾乎所有的專家控制都包括：knowledgebase(知識(shí)庫(kù)),reasoningengineer(推理機(jī)),ruleset(控制規(guī)則集)and/orcontrolalgorithm.模糊控制系統(tǒng)(FuzzyControlSystem)Anewmechanismofcontrollawofknowledge-based(rule-based)andevenlanguage-description.Animprovedalternativemethodtonon-linearcontrol.神經(jīng)控制系統(tǒng)(Neuro-ControlSystem)控制系統(tǒng)基于ArtificialNeuralNetwork(ANN-basedcontrol),簡(jiǎn)稱為neuralcontrolorNNcontrol.教師學(xué)習(xí)Supervisedneuralcontrollerstructure例：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的位置控制五.機(jī)器人的力控制力控制簡(jiǎn)介直接力控制（Directforcecontrol）間接力控制（Indirectforcecontrol）應(yīng)用舉例力控制簡(jiǎn)介目的:控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)使其末端表現(xiàn)出一定的力或力矩特性。分類直接力控制（Directforcecontrol）PID控制間接力控制（Indirectforcecontrol）被動(dòng)柔順（變剛度）主動(dòng)柔順（阻抗控制）為什么采用力控制？軸孔配合形狀適應(yīng)性接觸碰撞直接力控制作用：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與環(huán)境作用力的精確控制實(shí)例：力的PI控制方法特點(diǎn)：直接力控制具有力回路，直接控制期望力直接力控制間接力控制分類：主動(dòng)柔順-阻抗控制；被動(dòng)柔順-變剛度特點(diǎn)：間接力控制（阻抗控制、力/位混合控制）通過控制位置實(shí)現(xiàn)力控制，沒有明確力回路單自由度系統(tǒng)柔順控制寫成狀態(tài)圖的形式為：在PD控制下聯(lián)立得：閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)圖為：傳遞函數(shù)為：閉環(huán)系統(tǒng)的拉氏變換為：穩(wěn)態(tài)位置為：穩(wěn)態(tài)接觸力為：當(dāng)：二自由度機(jī)械臂與平面接觸的柔順控制包含阻尼項(xiàng)的阻抗控制模型阻抗控制分類區(qū)別在內(nèi)環(huán)基于位置的笛卡爾空間阻抗控制基于力的笛卡爾空間阻抗控制例：機(jī)械臂笛卡爾阻抗控制末端期望軌跡：X-Y平面內(nèi)直徑300mm的圓。障礙物：圓柱形杯子。坐標(biāo)參數(shù)XYZRyKi

1500(N/m)1500(N/m)1500(N/m)5(Nm/deg)Di

20(Ns/m)20(Ns/m)20(Ns/m)1(Nms/deg)Fi

5(N)5(N)5(N)1(Nm)各關(guān)節(jié)位置響應(yīng)笛卡爾位置響應(yīng)機(jī)械臂末端接觸力響應(yīng)曲線末端接觸力各關(guān)節(jié)力矩響應(yīng)曲線關(guān)節(jié)力矩被動(dòng)柔順控制目的：基于安全性考慮阿西莫夫三定律：1950年,美國(guó)作家埃薩克·阿西莫夫在