03 機(jī)械手的控制 58頁(yè) 0 7M

1、東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育,機(jī)器人技術(shù),第 十三 講,主講教師：王興松,機(jī)械手的控制Control of Robotic Manipulator,3.1 機(jī)械人系統(tǒng)的構(gòu)成 3.2 傳遞函數(shù)和方框圖 3.3 PID控制 3.4 機(jī)械手的位置控制 3.5 機(jī)械手的力控制 3.6 其他控制方式簡(jiǎn)介,Robotics控制,3.1 機(jī)械人系統(tǒng)的組成 3.1.1 機(jī)械人系統(tǒng)示意 機(jī)器人的功能： 動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)的控制 末端操作器/手爪的 軌跡和力的再現(xiàn) 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示、 參數(shù)設(shè)定功能,Robotics控制,3.1 機(jī)械人系統(tǒng)的組成 3.1.2 機(jī)械人框圖,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖 3.2.1 傳遞函數(shù)

2、,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖 3.2.1 傳遞函數(shù),Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖 3.2.1 傳遞函數(shù),Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖 3.2.1 傳遞函數(shù),L=0,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖 3.2.1 傳遞函數(shù),Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖 3.2.2 方框圖,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖 3.2.2 方框圖,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖 3.2.2 方框圖,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖 3.2.2 方框圖,Robotics控制,3.3 PID控

3、制 3.3.1 PID控制的基本形式,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.1 PID控制的基本形式,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.1 PID控制的基本形式,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.2 實(shí)用的PID控制,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.2 實(shí)用的PID控制 （1）微分超前型PD控制,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.2 實(shí)用的PID控制 （1）微分超前型PD控制,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.2 實(shí)用的PID控制 （1）微分超前型PD控制,Robotics控制,3.3 PID控制 3

4、.3.2 實(shí)用的PID控制 （2）I-PD控制,Robotics控制,3.4 機(jī)械手的位置控制 3.4.1 手爪位置控制 （1）使用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和關(guān)節(jié)角控制的方法,Robotics控制,3.4 機(jī)械手的位置控制 3.4.1 手爪位置控制 （2）注重靜力學(xué)關(guān)系的方法,Robotics控制,3.4 機(jī)械手的位置控制 3.4.2 動(dòng)態(tài)控制,Robotics控制,3.4 機(jī)械手的位置控制 3.4.2 動(dòng)態(tài)控制,Robotics控制,3.5 機(jī)械手的力控制 3.5.1 單自由度機(jī)械系統(tǒng)的阻抗控制,Robotics控制,3.5 機(jī)械手的力控制 3.5.1 單自由度機(jī)械系統(tǒng)的阻抗控制,Robotics控制,3.

5、5 機(jī)械手的力控制 3.5.1 單自由度機(jī)械系統(tǒng)的阻抗控制 （1）外力矩可計(jì)測(cè)的場(chǎng)合,Robotics控制,3.5 機(jī)械手的力控制 3.5.1 單自由度機(jī)械系統(tǒng)的阻抗控制 （2）關(guān)節(jié)角加速度可以檢出的場(chǎng)合,Robotics控制,3.5 機(jī)械手的力控制 3.5.2 機(jī)械手的阻抗控制,手爪位置：,手爪速度：,手爪加速度：,靜力學(xué)關(guān)系式：,控制對(duì)象：,期望的動(dòng)作：,（3.65）,Robotics控制,3.5 機(jī)械手的力控制 3.5.2 機(jī)械手的阻抗控制 （1）外力可以計(jì)測(cè)的情況,Robotics控制,3.5 機(jī)械手的力控制 3.5.2 機(jī)械手的阻抗控制 （2）關(guān)節(jié)角加速度可以檢出的情況,Roboti

6、cs控制,3.5 機(jī)械手的力控制 3.5.2 機(jī)械手的阻抗控制 （3）既不需要檢出外力也不需要檢出關(guān)節(jié)角加速度 左乘,Robotics控制,3.5 機(jī)械手的力控制 3.5.2 機(jī)械手的阻抗控制,Robotics控制,3.5 機(jī)械手的力控制 3.5.2 機(jī)械手的阻抗控制 （4）若手臂慢慢動(dòng)作,Robotics控制,3.5 機(jī)械手的力控制 3.5.3 機(jī)械手的混合控制,手爪偏差提?。?力偏差提?。?位置控制規(guī)律：,力控制規(guī)律：,Robotics控制,3.5 機(jī)械手的力控制 3.5.3 機(jī)械手的混合控制,東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育,機(jī)器人原理及應(yīng)用,第 三十一 講,主講教師：王興松,Robotics 控制,3

7、.6 機(jī)械手的其他控制方式 3.6.1 機(jī)械手的模糊控制 如果機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置誤差為： 則其PID控制為,東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育,機(jī)器人原理及應(yīng)用,第 二十二 講,主講教師：王興松,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.2 模糊集合與模糊邏輯的基本概念 一、模糊集合與集合計(jì)算符 定義1 模糊集合：設(shè)U為若干事件的總和，如U=Rn，我們稱U為論域，一個(gè)定義在U上的模糊集合F，由隸屬度函數(shù) 來(lái)表征，這里的 表示 在模糊集合F上的隸屬程度。 經(jīng)典的集合（確定集合）的隸屬度函數(shù)只取兩個(gè)值0,1。要么屬于，要么不屬于。因此模糊集合是經(jīng)典集合的推廣。,Robotics 控制,3.6

8、機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.2 模糊集合與模糊邏輯的基本概念 定義2 交集、并集和補(bǔ)集：設(shè)A和B是U上的兩個(gè)模糊集合。對(duì)所有的 ，A和 B的交集是定義在U上的一個(gè)模糊集合，其隸屬度函數(shù)定義為： 對(duì)所有的 ，A和B的并集是定義在U上的一個(gè)模糊集合，其隸屬度函數(shù)定義為： 對(duì)所有的 ，A的補(bǔ)集是定義在U上的一個(gè)模糊集合，其隸屬度函數(shù)為：,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.2 模糊集合與模糊邏輯的基本概念 定義3 模糊關(guān)系 設(shè)U和V是兩個(gè)論域。模糊關(guān)系R是積空間UxV上的一個(gè)模糊集合，即當(dāng) 時(shí)，R的隸屬函數(shù)為 . 定義4 模糊蘊(yùn)涵 設(shè)A和 B分別為定義在U和V上的

9、模糊集合,則由 所表示的模糊蘊(yùn)涵是定義在UxV上的一個(gè)特殊模糊關(guān)系,其隸屬度函數(shù)定義為: 模糊與: 模糊或: 實(shí)質(zhì)蘊(yùn)涵: 命題演算:,東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育,機(jī)器人原理及應(yīng)用,第 二十三 講,主講教師：王興松,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.2 模糊集合與模糊邏輯的基本概念 定義5 廣義取式推理: 前提1 x為A 前提2 如果x為A,則y為B 結(jié)論 y為B 其中A、A、B、B為模糊集合，x、y為語(yǔ)言變量 定義6 廣義取式推理: 前提1 y為B 前提2 如果x為A,則y為B 結(jié)論 x為A 其中A、A、B、B為模糊集合，x、y為語(yǔ)言變量,Robotics 控制,3.6

10、機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.3 模糊規(guī)則與模糊推理 模糊規(guī)則是由如下形式的“如果-則”規(guī)則的總和組成 R（l）：如果x1為F1l ，且，且xn為Fnl，則y為Gl； Fil 、Gl為模糊集合， xi為模糊變量。 將變量模糊化后，經(jīng)過(guò)按照模糊規(guī)則的運(yùn)算，獲得模糊結(jié)果，這個(gè)過(guò)程稱為一個(gè)模糊推理。模糊推理得到的模糊輸出，再經(jīng)過(guò)反模糊化，即可得到模糊推理的精確解。,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.4 模糊控制工作原理 一個(gè)典型的模糊控制系統(tǒng),Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.4 模糊控制工作原理 例：一熱處理用的電熱爐，按工藝要求

11、須保持爐溫600O不變。由于爐溫受零件數(shù)量、體積、環(huán)境溫度變化、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等影響，會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)所以要設(shè)計(jì)控制器。 控制方式：通過(guò)改變可控硅的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)；也可以通過(guò)PWM方式 調(diào)節(jié)。人工調(diào)節(jié)時(shí)，通過(guò)面板上的電位器實(shí)現(xiàn)，計(jì) 算機(jī)調(diào)節(jié)通過(guò)驅(qū)動(dòng)線路實(shí)現(xiàn)。,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.4 模糊控制工作原理 典型的溫度控制電路如圖 INT1，INT2過(guò)零檢測(cè)，PB7觸發(fā)控制，AN0傳感器輸入A/D。,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.4 模糊控制工作原理 人工操作時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，控制規(guī)則可以用語(yǔ)言描述如下： 如果爐穩(wěn)低于600OC則升壓，

12、低得越多升壓越高； 如果爐穩(wěn)高于600OC則降壓，高得越多降壓越低； 如果爐穩(wěn)等于600OC則保持電壓不變； 采用模糊控制時(shí)，其工作原理如下： 1、模糊控制器的輸入變量與輸出變量 設(shè)定爐溫t0=600，測(cè)量爐穩(wěn)t（K），則將誤差e(K)=t0-t(K)作為模糊控制的輸入變量。 輸出變量為：控制電壓u，可通過(guò)改變可控硅的導(dǎo)通角或PWM比例實(shí)現(xiàn)。,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.4 模糊控制工作原理 2、輸入變量及輸出變量的模糊語(yǔ)言描述（模糊化） 設(shè)描述輸入及輸出變量的語(yǔ)言值的模糊子集為： 負(fù)大，負(fù)小，0，正小，正大 或記為 NB，NS，0，PS，PB 設(shè)誤差e的

13、論域?yàn)閄，并將誤差大小分為七個(gè)等級(jí)，為：-3，-2，-1，0，1，2，3，則有：X=-3，-2，-1，0，1，2，3 選控制變量u的論域?yàn)閅，并將其也分為七個(gè)等級(jí)，為：-3，-2，-1，0，1，2，3，則有：Y=-3，-2，-1，0，1，2，3 定義其隸屬度函數(shù)如圖：,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.4 模糊控制工作原理 由此得模糊變量賦值表：,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.4 模糊控制工作原理 3、模糊控制規(guī)則的語(yǔ)言描述 根據(jù)手動(dòng)控制策略，規(guī)則為： （1）若e負(fù)大，則u正大； （2）若e負(fù)小，則u正??； （3）若e為零，則

14、u為零； （4）若e正小，則u負(fù)??； （5）若e正大，則u負(fù)大； 由此可得控制規(guī)則表：,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.4 模糊控制工作原理 4、模糊控制規(guī)則的矩陣形式 模糊控制規(guī)則實(shí)際上是從誤差論域X到控制量論域Y的模糊關(guān)系R，可記為： 從模糊賦制值表可得：,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.4 模糊控制工作原理 通理，可以得到 將這些代入求和式，有,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法 3.6.4 模糊控制工作原理 5、模糊決策 當(dāng)模糊輸入為e（K）時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出為 u（K）=e（K）。R 例如，當(dāng)e（K）=PS時(shí)， 6、模糊輸出變?yōu)榫_值 （1）隸屬度最大原則，則u=-1； （2）平均法：,Robotics 控制,3.6 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的模糊算法