第8章 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)《工業(yè)機(jī)器人》教學(xué)課件

《工業(yè)機(jī)器人》?精品課件合集第八章工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)

8.1工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)概述8.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成及分類8.3工業(yè)機(jī)器人的控制方法與策略8.4工業(yè)機(jī)器人的位置控制8.5工業(yè)機(jī)器人的力控制8.6工業(yè)機(jī)器人的速度控制8.7工業(yè)機(jī)器人力-位置混合控制工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)類似于人的大腦，是工業(yè)機(jī)器人的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照要求工作，因此，控制系統(tǒng)的性能直接影響機(jī)器人的整體性能。8.1工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)概述8.1.1工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理為了使機(jī)器人能夠按照要求去完成特定的作業(yè)任務(wù)，需要以下四個過程：（1）示教過程。（2）計(jì)算與控制。（3）伺服驅(qū)動。（4）傳感與檢測。8.1.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)的自動機(jī)械是以自身的動作為重點(diǎn)，而工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對象的相互關(guān)系。無論多么高的精度控制手臂，機(jī)器人必須能夾持并操作物體到達(dá)目的位置。8.1.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)的自動機(jī)械是以自身的動作為重點(diǎn)，而工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對象的相互關(guān)系。無論多么高的精度控制手臂，機(jī)器人必須能夾持并操作物體到達(dá)目的位置。（2）工業(yè)機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)。機(jī)器人手足的狀態(tài)可以在各種坐標(biāo)下描述，且能根據(jù)需要選擇不同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。經(jīng)常需要求解運(yùn)動學(xué)中的正、逆問題。除此之外，還要考慮慣性、外力（包括重力）及哥氏力、向心力的影響。8.1.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)的自動機(jī)械是以自身的動作為重點(diǎn)，而工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對象的相互關(guān)系。無論多么高的精度控制手臂，機(jī)器人必須能夾持并操作物體到達(dá)目的位置。（2）工業(yè)機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)。機(jī)器人手足的狀態(tài)可以在各種坐標(biāo)下描述，且能根據(jù)需要選擇不同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。經(jīng)常需要求解運(yùn)動學(xué)中的正、逆問題。除此之外，還要考慮慣性、外力（包括重力）及哥氏力、向心力的影響。（3）即便一個簡單的工業(yè)機(jī)器人，至少也有3～5個自由度。每個自由度一般包含一個伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。（4）描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型，隨著狀態(tài)的不同和外力的變化，其參數(shù)也在變化。各變量之間還存在耦合。因此，不僅要利用位置閉環(huán)，還要利用速度甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中經(jīng)常使用重力補(bǔ)償、解耦和基于傳感信息的控制盒最優(yōu)PID控制等方法。8.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成及分類8.2.1工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般分為上、下兩個控制層次：上級為組織級，下級為實(shí)時控制級。一個完整的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)包括以下幾部分：（1）控制計(jì)算機(jī)。它是控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)。（2）示教盒。它用來示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及一些人機(jī)相互操作，擁有獨(dú)立的CPU以及存儲單元，與主計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)信息交互。（3）操作面板。它由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。（4）硬盤和存儲機(jī)器人工作程序的外部存儲器。（5）數(shù)字和模擬量的輸入和輸出，各種狀態(tài)和控制命令的輸入和輸出。（6）打印機(jī)接口。它記錄需要輸出的各種信息。（7）傳感器接口。它用于信息的自動檢測，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制。（8）軸控制器。它一般包括各關(guān)節(jié)的伺服控制器，完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。（9）輔助設(shè)備控制。它主要用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制。（10）通信接口。它主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換。不同類型的控制系統(tǒng)，其組成情況也不相同。圖

8.1

所示為非伺服控制系統(tǒng)。圖

8.2

所示為伺服控制系統(tǒng)。（a）開環(huán)非伺服型（b）帶開關(guān)反饋的非伺服型圖8.1非伺服控制系統(tǒng)（a）閉環(huán)伺服型（b）智能機(jī)器人控制系統(tǒng)圖8.2伺服控制系統(tǒng)8.2.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。按照運(yùn)動坐標(biāo)控制的方式，可以分為關(guān)節(jié)空間運(yùn)動控制和直角坐標(biāo)空間運(yùn)動控制；按照控制系統(tǒng)對工作環(huán)境變化的適應(yīng)度，可以分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)；按照同時控制機(jī)器人的數(shù)目，可以分為單控制系統(tǒng)和群控制系統(tǒng)。除此之外，通常按照運(yùn)動控制方式，可以分為位置控制、速度控制和力控制三類。8.3工業(yè)機(jī)器人的控制方法和策略常用的控制策略，如變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制。各種控制策略的應(yīng)用范圍不同，如變結(jié)構(gòu)控制使控制帶寬和控制精度達(dá)到最優(yōu)折中，自適應(yīng)控制補(bǔ)償參數(shù)不確定性，魯棒控制補(bǔ)償非參數(shù)不確定性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成功應(yīng)用于各種機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃、模糊控制、簡化控制算法等。8.3.1變結(jié)構(gòu)控制20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)學(xué)者Emelyanov提出變結(jié)構(gòu)控制。變結(jié)構(gòu)控制的基本思想是先在誤差系統(tǒng)的狀態(tài)空間中找到一個超平面，使得超平面內(nèi)的所有狀態(tài)軌跡都收斂于零。然后，通過不斷切換控制器的結(jié)構(gòu)，使得誤差系統(tǒng)的狀態(tài)能夠到達(dá)該平面，進(jìn)而沿該平面滑向原點(diǎn)。8.3.2模糊控制方法模糊控制系統(tǒng)的控制對象可以是實(shí)際的閉環(huán)控制、專家系統(tǒng)或任何類型的人機(jī)系統(tǒng)，其中決策部分由近似推理完成。圖

8.3

是模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，模糊控制器由模糊產(chǎn)生器、知識庫、模糊邏輯決策及模糊消除器組成。圖8.3模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8.3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬包括兩個方面，一是在結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)機(jī)理上進(jìn)行模擬，二是從功能上進(jìn)行模擬，即盡可能使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些功能特性，如學(xué)習(xí)、識別和控制等。在控制領(lǐng)域主要利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第二類模擬功能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有以下特性：（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性逼近能力。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有任意逼近非線性映射的能力，因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在用于非線性系統(tǒng)的過程控制時，具有更大的發(fā)展前途。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行分布處理能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高效并行結(jié)構(gòu)，可以對信息進(jìn)行高速并行處理。（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能，能夠根據(jù)系統(tǒng)過去的記錄，找出輸入、輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而求得問題的答案。這一處理過程不依靠對問題的先驗(yàn)知識和規(guī)則，因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的自適應(yīng)性。（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)融合能力，可以同時對定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。（5）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有多輸入和多輸出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以處理多變量問題。（6）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行結(jié)構(gòu)便于硬件的實(shí)現(xiàn)。在上述諸多特性中，對于控制系統(tǒng)，其中最有意義的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性逼近能力。8.3.4自適應(yīng)控制策略自適應(yīng)控制的方法就是在運(yùn)行過程中不斷測量受控對象的特性，根據(jù)測得的特征信息使控制系統(tǒng)按最新的特性實(shí)現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制。自適應(yīng)控制主要分模型參考自適應(yīng)控制（ModelReferenceAdaptiveControl，MRAC）和自校正自適應(yīng)控制（Self-tuningAdaptiveControl，SAC）。1.模型參考自適應(yīng)控制模型參考自適應(yīng)控制器的作用是使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)趨近于某種指定的參考模型。8.3.4自適應(yīng)控制策略自適應(yīng)控制的方法就是在運(yùn)行過程中不斷測量受控對象的特性，根據(jù)測得的特征信息使控制系統(tǒng)按最新的特性實(shí)現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制。自適應(yīng)控制主要分模型參考自適應(yīng)控制（ModelReferenceAdaptiveControl，MRAC）和自校正自適應(yīng)控制（Self-tuningAdaptiveControl，SAC）。1.模型參考自適應(yīng)控制模型參考自適應(yīng)控制器的作用是使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)趨近于某種指定的參考模型。2.自校正自適應(yīng)控制機(jī)器人自校正自適應(yīng)控制是把機(jī)器人狀態(tài)方程在目標(biāo)軌跡附近線性化，形成離散攝動方程，用遞推最小二乘法辨識攝動方程中的系統(tǒng)參數(shù)，并在每個采樣周期更新和調(diào)整線性化系統(tǒng)的參數(shù)和反饋增益，以確定所需的控制力。自校正控制器的設(shè)計(jì)通常有兩種方法，即最優(yōu)設(shè)計(jì)方法（包括最小方差法和廣義最小方差法）和極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)方法。8.3.5魯棒控制策略魯棒控制的基本特征是用一個結(jié)構(gòu)和參數(shù)都固定不變的控制器，來保證即使不確定性對系統(tǒng)的性能品質(zhì)影響最惡劣時也能夠滿足設(shè)計(jì)要求。8.4工業(yè)機(jī)器人的位置控制8.4.1位置控制問題工業(yè)機(jī)器人位置控制的目的，是要使機(jī)器人各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃的運(yùn)動，最終保證工業(yè)機(jī)器人終端（手爪）沿預(yù)定的軌跡運(yùn)行。圖8.4所示的機(jī)器人控制系統(tǒng)方框圖表示了機(jī)器人本身、控制系統(tǒng)和軌跡規(guī)劃器之間的關(guān)系。圖8.4機(jī)器人控制系統(tǒng)方框圖機(jī)器人的位置控制結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：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)，分別如圖8.5（a）和（b）所示。（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)（c）復(fù)合控制結(jié)構(gòu)圖8.5機(jī)器人位置控制基本結(jié)構(gòu)8.4.2位置控制模型1.定點(diǎn)位置控制2.軌跡跟蹤位置控制8.5工業(yè)機(jī)器人的力控制8.5.1力控制的柔順性以產(chǎn)生任意需要的作用力。將機(jī)器人能夠?qū)Νh(huán)境順從的能力稱為柔順（compliance）機(jī)器人柔順性可分為被動柔順性和主動柔順性兩類。（1）被動柔順性：機(jī)器人憑借一些輔助的柔性機(jī)構(gòu)，使其操作機(jī)在與環(huán)境接觸時能夠?qū)ν獠孔饔昧Ξa(chǎn)生自然的順從。采用被動柔順裝置進(jìn)行作業(yè)，存在以下問題：①無法根除智能機(jī)器高剛度與高柔順性之間的矛盾。②被動柔順裝置的專用性強(qiáng)，適應(yīng)能力差，使用范圍受到限制；智能機(jī)器加上被動柔順裝置，本身并不具備控制能力，給智能機(jī)器控制帶來了極大的困難，尤其在既需要控制作用力又需要嚴(yán)格控制定位的場合中更為突出。③無法使智能機(jī)器本身產(chǎn)生對力的反應(yīng)動作，成功率較低等，這都是被動柔順方法的不足之處。（2）主動柔順控制：機(jī)器人利用力的反饋信息采用一定的控制策略去主動控制作用力，稱為主動柔順。主動柔順控制也就是力控制。實(shí)現(xiàn)主動柔順控制的方法主要有兩類，一類為阻抗控制，另一類為力和位置混合控制。阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而是通過控制力和位置之間的動態(tài)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)柔順功能。8.5.2力控制系統(tǒng)的組成（1）以位移控制為基礎(chǔ)。圖8.6表示了以位移控制為基礎(chǔ)的力控制系統(tǒng)框圖。圖8.6以位移控制為基礎(chǔ)的力控制系統(tǒng)框圖（2）以廣義力控制為基礎(chǔ)。這一方案的特點(diǎn)是，在力閉環(huán)的基礎(chǔ)上再加上位置環(huán)，如圖8.7所示。圖8.7以廣義力控制為基礎(chǔ)的力控制系統(tǒng)框圖（3）位置和力的混合控制。8.6工業(yè)機(jī)器人的速度控制圖8.8機(jī)器人行程的速度-時間曲線8.7工