机械手的控制基础知识讲义(ppt 58页).ppt

1、机械手的控制Control of Robotic Manipulator,3.1 机械人系统的构成 3.2 传递函数和方框图 3.3 PID控制 3.4 机械手的位置控制 3.5 机械手的力控制 3.6 其他控制方式简介,机器人控制系统的特点 1. 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关 2. 多自由度，多变量，耦合的非线性系统 3. 必须依靠计算机完成控制任务 4. 由于非线性，强耦合的数学模型，控制指令复杂 5. 机器人的动作方式和路径多解，因此存在最优性,Robotics控制,非常好的自动控制理论研究的命题,引言,机器人控制分类 设定点控制 (Setpoint Control) 路径控

2、制 (Path Control) 轨迹控制 （Trajectory Control） 4. 力（力矩）控制 (Force Control,Robotics控制,引言,点焊，安插元件,喷漆，移动机器人,工业机械手,装配，磨削机器人,机器人控制的基本单元 1. 电机 液压驱动，气压驱动，直流伺服电机，交流伺服电机，步进电机 减速器 增加驱动力矩，降低运动速度 驱动电路 脉冲宽度调制方式驱动 运动检测装置 位置，速度，姿态, 加速度 控制系统硬件 工控机，控制板卡， 控制系统软件 运动特性计算，控制指令计算,Robotics控制,引言,Robotics控制,3.1 机械人系统的组成 3.1.1 机械

3、人系统示意 机器人的功能： 动作和运动的控制 末端操作器/手爪的 轨迹和力的再现 运动状态显示、 参数设定功能,Robotics控制,3.1 机器人系统的组成 3.1.2 机器人框图,力反馈,位置反馈,控制,逆向运动（动力学,位置，速度，力矩,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数,对于给定控制输入，如何求解机器人相应的动作,1.数值解,2.解析解,计算机实现，龙格-库塔方法 数值迭代方法,理论分析方法，建立系统传递函数,传递函数：G(S)=Y(S)/X(S,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数,求一阶系统传递函数和阶跃响应,电容电

4、荷,基尔霍夫定律,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数,求系统传递函数和阶跃响应,增益,固有频率,衰减系数,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数,物理意义,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数,L=0,求直流伺服电机系统传递函数,运动方程式,电机生成转矩,基尔霍夫定律,反电势,令,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图 3.2.1 传递函数,带有积分环节的二阶系统,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图 3.2.2 方框图,在各方框内写出控制元件的传递函数，并用带有信号流向的箭头线段

5、把各方框连接起来的框图,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图 3.2.2 方框图,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图 3.2.2 方框图,适用局限性,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图 3.2.2 方框图,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,PID控制器的三个参数有不同的控制作用,3）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输入

6、信号的噪声很敏感,1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡,2）积分控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长，限制系统的快速性,Robotics控制,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.1 PID控制的基本形式,图中为同一对象在各种不同的控制规律的作用下的过渡过程曲线。可以看出，在比例作用的基础上，加入微分作用可以减少过渡过程的最大偏差及控制时间；加入积分作用虽然能消除余差，但使过渡过程的最大偏差及控制时间增大,实际工程中PID控制仍应用广泛，其三个系数是通过调整和观察实际性能来经验地确定,Ro

7、botics控制,PI,PID,P,PD,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制,1.用C1和C2构造出PD和PID控制,2.可以有多种PID控制结构，此处用输出x和误差e产生控制命令u,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制 （1）微分超前型PD控制,如何确定反馈增益,将闭环系统写成标准形式，与期望的理想模型的评价指标对比，得到反馈增益,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制,求传递函数，并写成标准形式，确定KP和KD,PD控制,控制对象,系统输出,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3

8、.2 实用的PID控制,传递函数,标准传递函数,只要给定了期望的角频率和阻尼，就可以确定控制器增益,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制 （2）I-PD控制,目的：比例环节效果有限，处理残余稳态误差问题,得到三阶闭环系统,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制,Robotics控制,3.3 PID控制 3.3.2 实用的PID控制,惯性矩变化引起的驱动力变化,物体重时,手臂的姿势不同时,Robotics控制,有障碍物时,路径（运动轨迹）控制,Robotics控制,力控制,Robotics控制,机械手爪与外界接触有两种极端状态,手

9、爪位置的PID控制,一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题,另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位置，可在任意方向施加力和力矩，属于力控制问题。大多数是位置/力的混合控制问题,Robotics控制,Robotics控制,3.4 机械手的位置控制 3.4.1 手爪位置控制 （1）使用逆运动学和关节角控制的方法,机械手关节变量,末端执行器,正向运动学,逆向运动学,控制目标：给定机械手末端执行器所期望能达到的目标状态，基于测量信号，设计控制规律，按照控制规律驱动关节变量，保证末端执行器能够尽可能准确地完成任务,Robotics控制,3.4 机械手的位置控制 3.4.1 手

10、爪位置控制 （1）使用逆运动学和关节角控制的方法,PD控制,逆运动学,被控量,控制量,操作量,反馈关节变量，可以理解为在关节空间上完成的控制任务,需要实时求解机器人逆向运动学,提供关节空间的目标值,Robotics控制,3.4 机械手的位置控制 3.4.1 手爪位置控制 （2）注重静力学关系的方法,反馈末端执行器变量，可以理解为在空间坐标上完成的控制任务,需要实时计算机器人正向运动学和雅克比矩阵,PD控制,正运动学,静力学关系,静力学实现力向关节空间的折算,得到实际的空间坐标,Robotics控制,3.4 机械手的位置控制 3.4.2 动态控制,问题：什么时候采用基于机器人运动学模型的控制？

11、什么时候需要考虑动力学模型设计控制器,质量轻，惯性小，速度低，考虑运动学足够,质量重，惯性大，速度高，负载变化剧烈，必须考虑动力学,Robotics控制,3.4 机械手的位置控制 3.4.2 动态控制,考虑动力学模型的控制,线性化补偿器,伺服补偿器,动力学模型,Robotics控制,3.4 机械手的位置控制 3.4.2 动态控制,按照上图,代入动力学,得到线性化模型,代入伺服补偿器，得到闭环误差方程,Robotics控制,3.4 机械手的位置控制 3.4.2 动态控制 说明; 1.在理想条件下，可以得到标准的二阶线性闭环系统，可以保证闭环系统误差收敛到0。 2.实际参数难于精确获得，摩擦力不可

12、能精确补偿，因此存在控制误差 3.如何对误差进行补偿,在伺服补偿器中加入积分环节,采用高级控制方法，如自适应控制，鲁棒控制，智能控制等,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 引言： 焊接，喷涂，清洁工作：位置控制,切削，磨削，装配工作：阻抗（柔顺）控制 （Impedance Control） 把力偏差信号加入位置反馈控制环节，实现力的控制,对一个被约束的机械手进行控制，要比一般机械手的控制更为复杂与困难，这是因为,Robotics控制,3.5 机械手的力控制,约束使自由度减少，以至再不能规定末端的任意运动 （路径有约束） 2.约束给手臂施加一个反作用力，必须对这个力进行有效的控制，以免

13、它任意增大，甚至损坏机械手或与其接触的表面 （对相互作用力进行约束） 3.需要同时对机械手的位置和所受约束反力进行控制 （双重任务,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 3.5.1 单自由度机械系统的阻抗控制,控制目标：在有外力施加的情况下，控制机械手让其表现出期望的阻尼（阻抗）特性,阻抗控制:考虑外力产生手爪位移的难易程度，通过控制使外力和位移之间的关系达到期望状态,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 3.5.1 单自由度机械系统的阻抗控制,由于要考虑到力的因素，因此采用动力学模型,控制对象,期望动作,以期望参数产生的动作 d:阻尼特性 K：刚度特性,外力影响,Roboti

14、cs控制,3.5 机械手的力控制 3.5.1 单自由度机械系统的阻抗控制 （1）外力矩可计测的场合,求解加速度,代入控制对象模型,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 3.5.1 单自由度机械系统的阻抗控制 （2）关节角加速度可以检出的场合,消去NE,假设理想条件下,以上两种控制都变为,控制信号不需要外力矩和关节加速度，和速度以及误差有关,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 3.5.2 机械手的阻抗控制,手爪位置,手爪速度,手爪加速度,静力学关系式,控制对象,期望的动作,正向运动学,微分运动学,虚功原理,关节空间上的动力学,末端坐标上的动力学,Robotics控制,3.5 机

15、械手的力控制 3.5.2 机械手的阻抗控制 （1）外力可以计测的情况,由于外力可以预测，所以考虑消去加速度,获得关节空间的加速度 （坐标空间的转化,关节空间的动力学,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 3.5.2 机械手的阻抗控制 （2）关节角加速度可以检出的情况,由于加速度可以预测，所以考虑消去外力,利用期望动力学 （坐标空间的转化,关节空间的动力学,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 3.5.2 机械手的阻抗控制 （3）既不需要检出外力也不需要检出关节角加速度,求解 ，并代入动力学模型,左乘,得到,定义,其中,Mr， hr的物理意义,关节空间上的惯性阵和其他力的作用向末

16、端执行器空间上的折算,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 3.5.2 机械手的阻抗控制,假定,则有,以上两种控制都变为,控制信号不需要外力矩和加速度,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 3.5.2 机械手的阻抗控制 （4）若手臂慢慢动作,可以认为,考虑,得到刚性控制规律,关节空间的刚度矩阵，阻抗矩阵,不满足力和空间的对应关系,折算，弹簧,微小运动关系,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 3.5.3 机械手的混合控制,混合控制:手爪的某个方向因环境关系受到约束时，同时进行不受约束方向的位置控制和受约束方向的力控制的控制方法,Robotics控制,3.5 机械手的力控

17、制 3.5.3 机械手的混合控制,手爪偏差提取,力偏差提取,注意向量eP和eF的定义,什么含义,末端任务空间上的误差在各个向量上的投影幅值,位置控制规律,力控制规律,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 3.5.3 机械手的混合控制,其中,说明： 在关节空间上设计控制规律 在同一个空间内针对两个目的分别设计控制规律 由于在同一个空间上设计控制规律，因此可以相加得到混合控制规律,微分运动学,静力学,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 3.5.3 机械手的混合控制,需要力和位置的同时反馈,Robotics控制,3.5 机械手的力控制 混合控制与阻抗控制 阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而是通过控制力和位置之间的动态关系来实