机器人课件机器人控制

1、5 机器人控制机器人控制5.1 概述概述5.2 单自由度机器人的控制单自由度机器人的控制5.3 多关节机器人的控制方法多关节机器人的控制方法5.1 概述概述n构成机器人控制系统的要素主要有：计算机硬构成机器人控制系统的要素主要有：计算机硬件系统及控制软件；输入输出设备；驱动器；件系统及控制软件；输入输出设备；驱动器；传感器系统。它们之间的关系如图所示：传感器系统。它们之间的关系如图所示：5.1.1机器人控制的特点机器人控制的特点n1.机器人的控制与机构运动学和动力学密切相关机器人的控制与机构运动学和动力学密切相关.n2.机器人系统是一个多变量强耦合的控制系统机器人系统是一个多变量强耦合的控制系

2、统.n3.多数机器人控制系统中都含有非最小相位系统多数机器人控制系统中都含有非最小相位系统.n4.机器人的数学模型是一个多变量、强耦合、非线性机器人的数学模型是一个多变量、强耦合、非线性时变系统模型。时变系统模型。n5.采用混合控制方式采用混合控制方式n6.机器人控制系统必定是计算机控制系统机器人控制系统必定是计算机控制系统n7.存在存在“最优最优”问题问题.5.1.2机器人的控制方式机器人的控制方式n工业机器人的控制方式分类工业机器人的控制方式分类：（见讲义图表）（见讲义图表）5.1.3机器人示教编程方式机器人示教编程方式n1.直接示教法直接示教法n2.遥控示教法遥控示教法n3.间接示教法间

3、接示教法n4.离线示教法离线示教法5.2 单自由度机器人的控制单自由度机器人的控制5.2.1单关节的线性模型和控制单关节的线性模型和控制n一、单关节的传递函数一、单关节的传递函数直流电机驱动原理图直流电机驱动原理图这一方程代表单关节控制系统输入电压与这一方程代表单关节控制系统输入电压与关节角位移之间的传递函数关节角位移之间的传递函数.系统的方框图系统的方框图(未忽略电感未忽略电感la的作用的作用)化简推导二二.单关节的位置控制器单关节的位置控制器ek()mksjf sdln无阻尼自振频率无阻尼自振频率n阻尼比阻尼比 emnk kj2emfk k j三三.单关节速度反馈单关节速度反馈(速度环速度

4、环)ek()mmvkjsfk k1s( )ds( ) s简化后:n （）n在这个系统中，机电常数在这个系统中，机电常数km是相对是相对固定的，可以调节放大器增益固定的，可以调节放大器增益ke与与速度反馈增益速度反馈增益kv，来改善系统的品，来改善系统的品质。质。n在机器人系统中，要防止激起结构振荡，也在机器人系统中，要防止激起结构振荡，也就是共振。就是共振。n结构振荡频率用结构振荡频率用s来表示，来表示， s的大小与系的大小与系统的结构、刚度和惯性有关。一般来说，机统的结构、刚度和惯性有关。一般来说，机器人的机械系统存在器人的机械系统存在20-50hz的固有振荡频的固有振荡频率率.n为了保证机

5、器人的稳定工作，必须把为了保证机器人的稳定工作，必须把n限制限制在在0.5 s之内之内.n如果我们已知在惯量等于如果我们已知在惯量等于j0的情况下，结的情况下，结构振荡频率为构振荡频率为0，那么在任意惯量的情况，那么在任意惯量的情况下，有下式成立下，有下式成立00sjj控制系统的无阻尼自振频率应满足控制系统的无阻尼自振频率应满足n在满足上式的条件下，应调整速度反馈增益在满足上式的条件下，应调整速度反馈增益kv,使系统具有临界阻尼。如果已知在惯量为使系统具有临界阻尼。如果已知在惯量为j0的的情况下，选择速度反馈增益为情况下，选择速度反馈增益为kv0可使系统具可使系统具有临界阻尼，根据（）式，则有

6、临界阻尼，根据（）式，则n （）（）memvkkjkkf020n比较（）式和（）式，可以求出在惯量为任意比较（）式和（）式，可以求出在惯量为任意值的情况下，保证系统具有值的情况下，保证系统具有临界阻尼临界阻尼的速度反馈增益的速度反馈增益kv为为n式中式中0000()/()/()/vvmmmvmjkfk kfkjg jfkgfk kj5.2.2单关节稳态误差单关节稳态误差n误差传递函数误差传递函数( )de sn1.如果输入信号为单位阶跃信号，则如果输入信号为单位阶跃信号，则n2.如果输入信号为单位斜坡信号，则如果输入信号为单位斜坡信号，则1( )dss21( )dss3.如果在关节处加一个干扰力矩如果在关节处加一个干扰力矩,则方框图则方框图为为mettkktss)(limn如果给系统加上一个幅值为如果给系统加上一个幅值为t的阶跃力矩的阶跃力矩干扰干扰,则系统的稳态误差为则系统的稳态误差为:5.3多关节机器人的控制方法n5.3.1传感器反馈控制传感器反馈控制5.3.2记忆记忆-修正控制修正控制ku( )kxtke内存t数字微分内存d/a机器人控制系统a/ddxku5.3.3 自适应控制自适应控制机器人动力学可调整的反馈增益自适应机构参考模型输入输出5.3.4 机器