智能機器人原理與應(yīng)用 課件 第2章 智能機器人的運動系統(tǒng)

北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院智能機器人原理與應(yīng)用“智能檢測技術(shù)與模式識別”研究所北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》第二章

智能機器人的運動系統(tǒng)機器人的移動取決于其運動系統(tǒng)。高性能的運動系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人各種復(fù)雜行為的重要保障，機器人動作的穩(wěn)定性、靈活性、準(zhǔn)確性、可操作性將直接影響智能機器人的整體性能。通常，運動系統(tǒng)由移動機構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)組成，它們在控制系統(tǒng)的控制下完成各種運動。因此，合理選擇和設(shè)計運動系統(tǒng)是移動機器人設(shè)計中一項基本而重要的工作。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》2.1機器人的移動機構(gòu)機器人移動機構(gòu)的形式層出不窮，行走、跳躍、跑動、滾動、滑動、游泳等不少復(fù)雜奇特的三維移動機構(gòu)已經(jīng)進入了實用化和商業(yè)化階段。如表所示，機器人移動機構(gòu)的設(shè)計往往來自自然界生物運動的啟示。移動機構(gòu)的形式表2.1常見自然界生物運動形式與智能機器人移動機構(gòu)的運動學(xué)基本模型對比北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》2.1機器人的移動機構(gòu)移動機構(gòu)的選擇通?；谝韵略瓌t：2.

移動機構(gòu)的選擇(1)輪式移動機構(gòu)的效率最高，但其適應(yīng)能力、通行能力相對較差。(2)履帶機器人對于崎嶇地形的適應(yīng)能力較好，越障能力較強。(3)腿式機器人的適應(yīng)能力最強，但效率一般不高。為了適應(yīng)野外環(huán)境，室外移動機器人需要采用履帶式行動機構(gòu)。(4)一些仿生機器人則是通過模仿某種生物的運動方式而采用相應(yīng)的移動機構(gòu)，如機器蛇采用蛇行式移動機構(gòu)，機器魚則采用尾鰭推進式移動機構(gòu)。(5)在軟硬路面相間、平坦與崎嶇地形特征并存的復(fù)雜環(huán)境下，采用幾何形狀可變的履帶式和復(fù)合式(包括輪-履式、輪-腿式、輪-履-腿式等)。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》2.1機器人的移動機構(gòu)在相對平坦的地面上，車輪式移動方式十分優(yōu)越。車輪的形狀或結(jié)構(gòu)取決于地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌道上運行時多采用實心鋼輪，在室內(nèi)路面行駛時多采用充氣輪胎。輪式移動機構(gòu)根據(jù)車輪的多少分為1輪、2輪、3輪、4輪和多輪機構(gòu)。1輪及2輪移動機構(gòu)存在穩(wěn)定性問題，所以實際應(yīng)用的輪式移動機構(gòu)多采用3輪和4輪。3輪移動機構(gòu)一般是一個前輪、兩個后輪。4輪移動機構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，4輪機構(gòu)可采用不同的方式實現(xiàn)驅(qū)動和轉(zhuǎn)向。2.1.1輪式移動機構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》2.1機器人的移動機構(gòu)驅(qū)動輪的選擇通?；谝韵乱蛩乜紤]。(1)驅(qū)動輪直徑：在不降低機器人的加速特性的前提下，盡量選取大輪徑，以獲得更高的運行速度。(2)輪子材料：橡膠或人造橡膠最佳，因為橡膠輪有更好的抓地摩擦力和減震特性，在絕大多數(shù)場合都可以使用。(3)輪子寬度：寬度較大，可以取得較好的驅(qū)動摩擦力，防止打滑。(4)空心/實心：輪徑大時，盡量選取空心輪，以減小輪子重量。根據(jù)移動特性可將輪式機器人分為非全向和全向兩種。(1)若所具有的自由度少于三個，則為非全向移動機器人。汽車便是非全向移動的典型應(yīng)用。(2)若具有完全的三個自由度，則稱為全向移動機器人。全向移動機器人非常適合工作在空問狹窄有限、對機器人的機動性要求高的場合，具體有1輪、2輪、3輪、4輪等形式。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》2.1機器人的移動機構(gòu)圖2.1所示的掃地機器人就是一個典型的2輪差速移動機構(gòu)。基于如下假設(shè)建立機器人的運動學(xué)模型：路面為光滑平面；機器人縱向做純滾動，沒有側(cè)向滑移；機器人的左右輪半徑R、兩個驅(qū)動輪輪心間的距離2L等其他有關(guān)參數(shù)在機器人負載與空載情況下是相同的。1.兩輪差動移動機構(gòu)圖2.1掃地機器人2.1機器人的移動機構(gòu)

圖2.32輪差動式移動機器人運動學(xué)模型

2.1機器人的移動機構(gòu)因此式(2.2)不可積，說明機器人系統(tǒng)運動約束條件是一個非完整約束。因此可建立機器人的質(zhì)心運動方程為：,,(2.5)即：(2.6)2.1機器人的移動機構(gòu)2.1機器人的移動機構(gòu)根據(jù)剛體運動規(guī)律，可得下列運動方程：

(2.7)(2.8)由式(2.8)分析可知：若

，質(zhì)心的角速度為0，機器人將沿直線運動；若

，質(zhì)心的線速度為0，則機器人將原地轉(zhuǎn)身，即機器人以零半徑轉(zhuǎn)彎。在其他情況下，機器人將圍繞圓心以零到無窮大的轉(zhuǎn)彎半徑做圓周運動。將(2.7)、(2.8)代入式(2.6)得：（2.9）2.1機器人的移動機構(gòu)2.三輪移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖2.43輪移動機構(gòu)圖2.4（a），前輪由操舵結(jié)構(gòu)和驅(qū)動結(jié)構(gòu)合并而成，由于操舵和驅(qū)動的驅(qū)動器都集中在前輪，所以該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。該結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑可以從0到無限大連續(xù)變化，但是由于輪子和地面之間存在滑動，絕對的0轉(zhuǎn)彎半徑很難實現(xiàn)。圖2.4（b），前輪為操舵輪，后兩輪由差動齒輪裝置驅(qū)動，但是該方法在移動機器人機構(gòu)中也不多。圖2.4（c），前輪為萬向輪，僅起支撐作用，后兩輪分別由兩個電機獨立驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可以從零到無限大任意設(shè)定。其旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動軸的直線上，所以旋轉(zhuǎn)半徑即使是0，旋轉(zhuǎn)中心也與車體的中心一致。2.1機器人的移動機構(gòu)3.全向移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)全向移動機構(gòu)，是指不改變機器人姿態(tài)的同時可以向任意方向移動，且可以原地旋轉(zhuǎn)任意角度，運動非常靈活。全向運動機構(gòu)包括全向輪、電動機、驅(qū)動軸系以及運動控制器幾個部分。圖2.5(a)給出了幾種不同的全向輪的結(jié)構(gòu)形式，圖2.5(b)闡明了全向輪的轉(zhuǎn)動特點。圖2.5（b）全向輪的轉(zhuǎn)動特點圖2.5（a）幾種不同的全向輪的結(jié)構(gòu)形式2.1機器人的移動機構(gòu)由于全向輪機構(gòu)特點的限制，驅(qū)動輪數(shù)大于或等于3，才能實現(xiàn)水平面內(nèi)的全向移動，并且行駛的平穩(wěn)性、效率和全向輪的結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系。圖2.6所示為3輪全向移動底盤。圖2.63輪全向移動底盤1）三輪全向移動機構(gòu)三輪全向底盤的驅(qū)動輪一般由三個完全相同的全向輪組成，并由性能相同的電機驅(qū)動。各輪徑向?qū)ΨQ安裝，夾角為120°。建立如圖2.7所示的世界坐標(biāo)系

和機器人坐標(biāo)系。2.7三輪全向底盤運動學(xué)分析2.1機器人的移動機構(gòu)

三輪全向移動機器人坐標(biāo)系的原點與其中心重合，L為機器人中心與輪子中心的距離，

為

與

的夾角，

為第

個輪子轉(zhuǎn)動的線速度，

為輪子與

的夾角。

系統(tǒng)的運動學(xué)方程如下：

（2.11）考慮到機器人的實際結(jié)構(gòu)以及所設(shè)立的坐標(biāo)系的客觀情況可知：

，將其代入（2.11）并寫成矩陣形式可以得到三輪全向底盤運動學(xué)模型：

(2.12)

式（2.12）描述了三輪全向移動機器人在地面坐標(biāo)系中的運動的速度與驅(qū)動輪線速度之間的關(guān)系。2.1機器人的移動機構(gòu)2）4輪Mecanum輪全向移動機構(gòu)2.1機器人的移動機構(gòu)4輪Mecanum輪全向移動底盤的一種布置方式如下圖所示。圖2.84輪Mecanum輪全向移動底盤（1）比3輪全向移動底盤更大的驅(qū)動力、負載能力以及更好的通過性；與3輪全向移動機構(gòu)相比，四輪Mecanum輪全向移動機構(gòu)具有以下優(yōu)點：（2）在4個輪子分別安裝有電機的情況下，4輪Mecanum輪全向移動底盤能擁有冗余，在一個輪子故障的情況下依然能夠運行。但4輪Mecanum輪全向移動底盤的成本更高，更不易于維護。由于增加了一個輪子，其在不平整的地面上行進時極有可能出現(xiàn)一個輪子懸空的情況，這將導(dǎo)致機器人在計算輪速時產(chǎn)生較大的誤差。2.1機器人的移動機構(gòu)2.1.2履帶式移動機構(gòu)履帶式移動機構(gòu)的特征是將圓環(huán)狀的無限軌道履帶卷繞在多個車輪上，使車輪不直接同地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平狀況。它具有穩(wěn)定性好、越野能力和地面適應(yīng)能力強、牽引力大等優(yōu)點。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，能量消耗大，減振性能差，零件易損壞。圖2.9履帶式移動機器人2.1機器人的移動機構(gòu)常用履帶通常為方形或倒梯形（如圖2.10所示），履帶機構(gòu)主要由履帶板、主動輪、從動輪、支撐輪、托帶輪和伺服驅(qū)動電機組成。圖2.10履帶移動機構(gòu)

為進一步改善對地面環(huán)境的適應(yīng)能力和越障能力，履帶結(jié)構(gòu)衍生出很多派生機構(gòu)。圖2.11給出了一種典型的帶前擺臂的關(guān)節(jié)式履帶移動機構(gòu)。2.11關(guān)節(jié)式履帶移動機構(gòu)2.1機器人的移動機構(gòu)（1）同步帶/齒形帶同步帶/齒形帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準(zhǔn)確的傳動比。幾種常見的同步帶和帶輪如圖2.12所示。圖2.12常見的同步帶和帶輪2.1機器人的移動機構(gòu)同步帶/齒形帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。在同步帶傳動中，由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準(zhǔn)確的傳動比。同步帶作為履帶的優(yōu)點：(1)效率高，最高效率能達到90%以上。(2)設(shè)計簡單，只需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)同步帶規(guī)格選擇節(jié)距、齒數(shù)、長度、寬度。同步帶作為履帶的缺點：同步帶一旦選定，長度、寬度就是固定的，因此基本上屬于定制。設(shè)計不同的履帶式平臺就需要不同的同步帶，這限制了同步帶作為履帶應(yīng)用的靈活性。（2）活節(jié)履帶活節(jié)履帶是將履帶分解為單獨的履塊，通過軸對各節(jié)履塊進行連接，類似金屬表帶或自行車鏈條的連接方式。一種典型的活節(jié)履帶如圖2.13所示。圖2.13活節(jié)履帶2.1機器人的移動機構(gòu)活節(jié)履帶的優(yōu)點：單獨的履塊簡單，可以用注塑成型的方法制造，可以以單節(jié)履塊為單位任意增減，因此具有較好的靈活性。單節(jié)履塊上可以裝配各種類型的履帶齒，適應(yīng)不同地形。而且活節(jié)履帶的履塊中部可以設(shè)計側(cè)向限位塊，帶輪無須擋邊就可以防止履帶從帶輪側(cè)面脫出?；罟?jié)履帶的缺點：由于各履塊之間靠連桿連接，因此連桿處受力較大，整個履帶的承載能力弱于同步帶式履帶，并且由于活節(jié)履塊為剛性結(jié)構(gòu)，理論效率較同步帶式履帶低，運行噪音也會較大。2.1機器人的移動機構(gòu)3.

一體式履帶一體式專用履帶的基本結(jié)構(gòu)采用同步帶的形式，具備側(cè)向定位，因此能很好地避免履帶脫出且效率高承載力大。但是履帶設(shè)計較復(fù)雜，成本較高，多用于大型機器人。一種典型的一體式履帶如圖2.14所示。圖2.14一體式履帶同步帶履帶的最大缺點是缺乏側(cè)向定位，帶輪上需要附加擋邊來防止履帶脫出；活節(jié)履帶的最大缺點是效率較低，且承載能力有限。2.1.3腿式移動機構(gòu)2.1機器人的移動機構(gòu)腿式機器人顧名思義就是使用腿系統(tǒng)作為主要進行方式的機器人，如圖2.15所示。圖2.15各種足式機器人1.腿式移動機構(gòu)的優(yōu)勢(1)腿式移動機構(gòu)對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，可自主選擇離散的立足點，在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點，而輪式和履帶式移動機構(gòu)必須面臨最壞地形上的幾乎所有的點。(2)腿式運動方式還具有主動隔振能力，盡管地面高低不平，機身的運動仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)。(3)多自由度系統(tǒng)有利于保持穩(wěn)定，并在失去穩(wěn)定的條件下進行自恢復(fù)。(4)腿式行走機構(gòu)在不平地面和松軟地面上的動速度較高，能耗較少。已有的類人機器人步行研究顯示，被動式機構(gòu)可以在沒有主動能量輸入的情況下，完全采用重力作為驅(qū)動力完成下坡等動作。2.1機器人的移動機構(gòu)2.腿式移動機構(gòu)的設(shè)計腿式機器人的構(gòu)思來源于對腿式生物的模仿，在研究足式機器人的特征時，我們主要考慮以下幾個方面：

(1)腿的數(shù)目；(2)腿的自由度；(3)穩(wěn)定性。

2.1機器人的移動機構(gòu)3.典型腿式移動機構(gòu)

（1）四足移動機構(gòu)圖2.16BigDog圖

四足機器人的常見控制方法可分為以下三類：(1)基于模型的控制方法。(2)基于行為的控制方法。(3)生物控制方法是一種融合生物科學(xué)和工程技術(shù)的新型控制方法。2.1機器人的移動機構(gòu)(2)兩腿步行移動機構(gòu)人類的關(guān)節(jié)運動是靠肌肉收縮實現(xiàn)的。人類的上肢有52對肌肉，下肢有62對肌肉，背部有112對肌肉，胸部有52對肌肉，腰部有8對肌肉，頸部有16對肌肉，頭部有25對肌肉。要控制好這個有正400個具有雙作用促動器的多變量系統(tǒng)，目前看幾乎是不可能的。設(shè)計步行機構(gòu)必須簡化，只考慮其基本的運動功能。圖2.18是一個具有16個關(guān)節(jié)點(三維特征點)的三維人體骨架模型。圖2.18人體三維骨架模型2.1機器人的移動機構(gòu)（1）類人機器人穩(wěn)定性判斷依據(jù)通常來說，穩(wěn)定性可以分為靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定。1)靜態(tài)穩(wěn)定是指機器人的全身質(zhì)心COM(centerofmass)在運動的整個過程中始終落在雙腳支撐域內(nèi)，如果機器人在運動過程中的任何時刻停止，必將保持穩(wěn)定，不會摔倒。2)動態(tài)穩(wěn)定是指在運動的過程中，質(zhì)心可以偏離雙腳支撐域外，但是ZMP點必須落在支撐域內(nèi)。（2）類人機器人行走方式從行走方式來講，兩足走行的行走方式主要有以下三種。1)靜態(tài)步行；2)準(zhǔn)動態(tài)步行；3)動態(tài)步行。2.1機器人的移動機構(gòu)（3）類人機器人運動規(guī)劃運動規(guī)劃包括動作規(guī)劃、復(fù)雜運動規(guī)劃、路徑規(guī)劃和任務(wù)規(guī)劃。1)動作規(guī)劃的結(jié)果是指類人機器人實現(xiàn)某個動作需要的各個關(guān)節(jié)自由度的運動軌跡，以及實現(xiàn)該軌跡所需要輸入的力矩的變化。2)復(fù)雜運動規(guī)劃則在基本動作規(guī)劃之上，主要考慮規(guī)劃那些使機器人能夠適合人類環(huán)境的復(fù)雜運動，規(guī)劃的結(jié)果除了考慮運動的穩(wěn)定性之外，還可以結(jié)合運動所消耗的能量、時間等性能指標(biāo)和運動的可行性方面進行研究。3)路徑規(guī)劃是指動態(tài)環(huán)境中的避障問題，任務(wù)規(guī)劃是指上升到任務(wù)級的終端決策規(guī)劃。2.1機器人的移動機構(gòu)4.運動規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)（1）基于仿生學(xué)的步態(tài)規(guī)劃基于仿生學(xué)的步態(tài)規(guī)劃就是用傳感器記錄下人類步行時的各個數(shù)據(jù)軌跡(humanmotioncapturedata，HMCD)，經(jīng)過修正處理之后直接用于類人機器人上?；贖MCD的仿人機器人的運動規(guī)劃流程如圖2.19所示。圖2.17基于HMCD的仿人機器人的復(fù)雜動作設(shè)計流程2.1機器人的移動機構(gòu)（2）基于動力學(xué)模型的步態(tài)規(guī)劃

基于動力學(xué)模型規(guī)劃方法是根據(jù)機器人的簡化動力學(xué)模型直接計算出重心的運動軌跡，然后利用逆運動學(xué)方程得到關(guān)節(jié)角的軌跡。其動力學(xué)模型有：倒立擺模型、連桿模型。圖2.217連桿的類人機器人模型圖2.20（a）

二維倒立擺模型2.1機器人的移動機構(gòu)（3）基于智能算法的步態(tài)規(guī)劃在類人機器人上使用最多的智能算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法、強化學(xué)習(xí)以及它們的結(jié)合構(gòu)成的混合進化算法。（4）被動動力學(xué)步態(tài)規(guī)劃被動動態(tài)行走被認為是一種有效并且簡單的行走方法。20世紀(jì)初，一種完全被動步行的裝置就已經(jīng)被制造出來。用這種方法設(shè)計的機器人，行走的效率要比當(dāng)時使用參考軌跡控制方法的機器人的效率高上10倍。2.2機器人的運動控制2.2.1運動控制任務(wù)在二維平面上運動的移動機器人主要有以下3種控制任務(wù)：(1)姿態(tài)穩(wěn)定控制；(2)路徑跟蹤控制；(3)軌跡跟蹤控制。圖2.23智能機器人姿態(tài)穩(wěn)定控制示意圖圖2.24智能機器人路徑跟蹤控制示意圖圖2.25智能機器人軌跡跟蹤控制示意圖2.2.2速度控制為簡化問題的復(fù)雜性，通常不對機器人直接進行轉(zhuǎn)矩控制，而將機器人近似看成恒轉(zhuǎn)矩負載，則機器人的速度可以轉(zhuǎn)化為帶負載的直流電機轉(zhuǎn)速控制。機器人速度控制結(jié)構(gòu)如圖2.26所示。圖2.26機器人速度控制結(jié)構(gòu)2.2機器人的運動控制2.2機器人的運動控制2.2.3位置控制機器人位置控制模式框圖如圖2.27所示。期望位置和感知位置之間的位置偏差通過位置控制器和一個位置前饋環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化成速度給定信號，借助于如圖2.27所示結(jié)構(gòu)的速度內(nèi)環(huán)將位置控制問題轉(zhuǎn)化成了電機的轉(zhuǎn)速控制問題，進而實現(xiàn)移動機器人的位置控制。圖2.27機器人位置控制結(jié)構(gòu)2.2機器人的運動控制2.2.4航向角控制航向控制是路徑跟蹤的基礎(chǔ)，其控制結(jié)構(gòu)如圖2.28所示。移動機器人的位置偏差和航向偏差最終都將轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速偏差的控制。這就需要根據(jù)機器人的當(dāng)前狀態(tài)來規(guī)劃航向控制，航向控制借助于兩輪之間的位移差來實現(xiàn)。圖2.28機器人航向控制結(jié)構(gòu)2.3機器人的控制策略2.3.1PID控制器PID控制結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，并具有較強的魯棒性，被廣泛應(yīng)用于機器人控制及其他各種工業(yè)過程控制中。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，應(yīng)用PID控制技術(shù)最方便，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定。PID控制的參數(shù)整定是否合適，是其能否在實用中得到好的控制效果的前提。圖2.29PID控制結(jié)構(gòu)2.3機器人的控制策略2.3.2自適應(yīng)控制自從應(yīng)用角度，自適應(yīng)控制大體可以歸納為兩類：模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。如圖2.30所示，模型參考自適應(yīng)控制的基本思想是在控制器—控制對象組成的閉環(huán)回路外再建立一個由參考模型和自適應(yīng)機構(gòu)組成的附加調(diào)節(jié)回路。參考模型的輸出(狀態(tài))就是系統(tǒng)的理想輸出(狀態(tài))。圖2.30模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)2.3機器人的控制策略2.3.3變結(jié)構(gòu)控制

變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。如圖2.31所示。這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不固定，而是可以在動態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時的狀態(tài)(如偏差及各階導(dǎo)數(shù)等)，以躍變的方式、有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按預(yù)定的滑動模態(tài)狀態(tài)軌跡運動。它在非線性控制和數(shù)控機床、機器人等伺服系統(tǒng)以及電動機轉(zhuǎn)速控制等領(lǐng)域中獲得了許多成功的應(yīng)用。圖2.31系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3機器人的控制策略2.3.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制由于固有的任意非線性函數(shù)逼近優(yōu)勢，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于各種非線性工程領(lǐng)域。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制即是其中一個重要方面，這是由于其非線性映射能力、實時處理能力和容錯能力使然。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用領(lǐng)域，目前應(yīng)用得較多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為多層前向網(wǎng)絡(luò)和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2.32所示。圖2.32BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.3機器人的控制策略神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制常用的基本策略如下：1.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其他控制器進行學(xué)習(xí)，然后逐漸取代原有控制器的方法，稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)一組含系統(tǒng)操作策略的訓(xùn)練樣本，即可掌握從傳感器輸入到執(zhí)行器控制行為間的映射關(guān)系。圖2.33神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制2.3機器人的控制策略2.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制就是將被控對象的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型直接與被控對象串聯(lián)起來，以便使期望輸出(即網(wǎng)絡(luò)輸入)與對象實際輸出之間的傳遞函數(shù)等于1，從而在將此網(wǎng)絡(luò)作為前饋控制器后，使被控對象的輸出為期望輸出。圖2.34神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制主要是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為自適應(yīng)控制中的參考模型。從應(yīng)用角度看，自適應(yīng)控制大體上可以歸納成兩類：模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。2.3機器人的控制策略2.3機器人的控制策略1.基本模糊控制圖2.35模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)模糊控制的核心部分是模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖2.35所示，主要包括輸入量的模糊化、模糊推理和逆模糊化(或稱模糊判決)三部分。模糊控制器的實現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實現(xiàn)，或由計算機(或微處理機)的程序來實現(xiàn)，用計算機實現(xiàn)的具體過程如下。求系統(tǒng)給定值與反饋值的誤差。

計算誤差變化率。輸入量的模糊化。控制規(guī)則。模糊推理。反模糊化。計算機執(zhí)行完1~6步驟后，即完成了對被控對象的一步控制，然后等到下一次A/D采樣，再進行第二步控制。

2.模糊PID控制圖2.36模糊PID的結(jié)構(gòu)原理圖2.3機器人的控制策略

2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)包括執(zhí)行器的驅(qū)動系統(tǒng)和機器人本體的驅(qū)動系統(tǒng)。執(zhí)行器的驅(qū)動系統(tǒng)相當(dāng)于人的肌肉，它通過移動或轉(zhuǎn)動連桿來控制機器人執(zhí)行機構(gòu)的動作狀態(tài)，以完成不同的任務(wù)。驅(qū)動系統(tǒng)主要采用以下幾種驅(qū)動器：電動機驅(qū)動器（包括伺服電動機、步進電動機、直接驅(qū)動電動機），液壓驅(qū)動器，氣動驅(qū)動器，形狀記憶金屬驅(qū)動器，磁性伸縮驅(qū)動器。其中，電動機驅(qū)動器尤其是伺服電機是最常用的機器人驅(qū)動器。

機器人驅(qū)動系統(tǒng)中的電機不同于一般的電動機，它具有以下特點及要求：(1)可控性。(2)高精度。(3)可靠性。(4)快速性。(5)環(huán)境適應(yīng)性。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.1直流伺服電動機從結(jié)構(gòu)上講，目前的直流伺服電動機就是小功率的直流電動機。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其他電動機的挑戰(zhàn)，但是直流有刷電動機的功率密度大，尺寸小，控制相對簡單，不需要交流電，因此目前仍被大量使用于移動機器人等場合。1.特點(1)具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩。(2)調(diào)速范圍寬，且運行速度平穩(wěn)。(3)具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化。(4)電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊的影響。

2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.轉(zhuǎn)速控制方法直流有刷電動機的轉(zhuǎn)速與電壓成正比,轉(zhuǎn)矩與電流成正比。對于同一臺直流有刷電動機，電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩這三者之間的關(guān)系如圖2.37所示?？梢钥吹?，在相同的電壓下，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)矩越大；在相同的轉(zhuǎn)矩下，電壓越高，轉(zhuǎn)速越大；在相同的轉(zhuǎn)速下，電壓越高，轉(zhuǎn)矩越大。圖2.37電壓、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩三者關(guān)系2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)3.參數(shù)與選用選用直流電動機時，可根據(jù)上述參數(shù)考慮，需要注意的問題有以下幾個方面。(1)一般考慮工作轉(zhuǎn)矩的大小，良好的轉(zhuǎn)矩意味著加速性能好。(2)盡量確保每個電動機的停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩>機器人的重量X輪子半徑。(3)工作電流，該值乘以額定電壓就得到電動機運行的平均功率。電動機長時間運轉(zhuǎn)，或在高出額定電壓時運行，應(yīng)給電動機加上散熱槽，避免線圈熔化。(4)電機失效電壓。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.2交流伺服電動機交流伺服電動機本質(zhì)上是一種兩相異步電動機。其控制方法主要有3種：幅值控制、相位控制和幅相控制。這種電動機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無電刷和換向器；缺點是易產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，特性非線性且較軟，效率較低。交流電動機，特別是鼠籠式感應(yīng)電動機，轉(zhuǎn)子慣量較直流電動機小，使得動態(tài)響應(yīng)更好。在同樣的體積下，交流電動機的輸出功率可比直流電動機提高10%~70%。此外，交流電動機的容量可比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代數(shù)控機床都傾向采用交流伺服驅(qū)動。在工業(yè)領(lǐng)域，交流伺服驅(qū)動已有取代直流伺服驅(qū)動之勢。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.3無刷直流電動機無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，其驅(qū)動電流是不折不扣的交流。無刷直流電動機又可以分為無刷速率電動機和無刷力矩電動機。一般地，無刷電動機的驅(qū)動電流有兩種，一種是梯形波(一般是方波)，另一種是正弦波。有時將前一種電動機叫作直流無刷電動機，后一種叫作交流伺服電動機，確切地講是交流伺服電動機的一種。圖2.39給出了市場上容易買到的、常用于制作機器人的無刷直流電動機。(a)航模用無刷電動機(b)馬克森電機2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.4直線電動機普通的電動機產(chǎn)生的運動都是旋轉(zhuǎn)。如果需要得到直線運動，就必須通過絲杠螺母機構(gòu)或者齒輪齒條機構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。這樣顯然增加了復(fù)雜性，增加了成本，降低了運動的精度。直線電動機是一種特殊的無刷電動機，可以理解為將無刷電動機沿軸線展開，鋪平；定子上的繞組被平鋪在一條直線上，而永久磁鋼制成的轉(zhuǎn)子放在這些繞組的上方。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.5空心杯直流電動機空心杯直流電動機屬于直流永磁電動機，與普通有刷、無刷直流電動機的主要區(qū)別是采用無鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子是直接采用導(dǎo)線繞制成的，沒有任何其他的結(jié)構(gòu)支撐這些繞線，繞線本身做成杯狀，就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)?？招谋妱訖C具有以下優(yōu)勢。(1)由于沒有鐵芯，極大地降低了鐵損。(2)激活、制動迅速，響應(yīng)極快。(3)可靠的運行穩(wěn)定性。(4)電磁干擾少。(5)能量密度大。2.4.6步進電機驅(qū)動系統(tǒng)步進電動機是將電脈沖信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元件，其角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。1.特點步進電動機的最大特點就是可以直接接受計算機的方向和速度的控制，控制信號簡單，便于數(shù)字化，而且具有調(diào)速方便、定位準(zhǔn)確、抗干擾能力強、誤差不長期累積等優(yōu)點。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.7舵機舵機，顧名思義是控制舵面的電動機。舵機最早是作為遙控模型控制舵面、油門等機構(gòu)的動力來源，但是由于舵機具有很多優(yōu)秀的特性，制作機器人時也時常能看到它的應(yīng)用。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)1.舵機的結(jié)構(gòu)一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成，舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等。圖2.4