机械行业手的控制基础知识讲义

机械手的控制

ControlofRoboticManipulator3.1机械人系统的构成3.2传递函数和方框图3.3PID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(SetpointControl)路径控制(PathControl)轨迹控制（TrajectoryControl）

4.力（力矩）控制(ForceControl)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机械人系统示意机器人的功能：①动作和运动的控制②末端操作器/手爪的轨迹和力的再现③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3.3PID控制3.3.1PID控制的基本形式Robotics控制3.3PID控制3.3.1PID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3.3PID控制3.3.1PID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。Robotics控制PIPIDPPDRobotics控制3.3PID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uRobotics控制3.3PID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3.3PID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KDPD控制控制对象系统输出Robotics控制3.3PID控制3.3.2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3.3PID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3.3PID控制3.3.2实用的PID控制Robotics控制3.3PID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？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（ImpedanceControl）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（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现力的控制。阻抗控制就是通过适当的方法使得机器人末端呈现需要的刚度和阻尼混合控制将任务分解为某些自由度的位置控制和另一些自由度上的力控制，在任务空间分别进行位置控制和力控制，然后将计算结果转化到关节空间并进行合并为统一的关节控制力矩。需要分别反馈。Robotics控制3.5机械手的力控制小结：位置控制是机器人最基本的控制，主要讨论了机器人位置控制的两种结构，关节空间控制和直角（末端执行器）坐标空间控制。机器人力控制包括阻抗控制，力/位置混合控制针对更为复杂的机器人，可以采用变结构控制，智能控制，自适应控制等高级控制方法教師專業發展評鑑

推動策略姚素蓮一、學校擁有發展課程的決定權：我們如何決定？課程決定的信心多大？課程決定規準是主觀？客觀？專業？隨意？檢視課程理論與學校現場二、教師自主決定：１.課程設計２.教學實施３.學生輔導４.教學評量５.班級經營教師的專業知能如何？

三、教師專業表現１.建構學校課程、教材２.靈活有效啟發學生３.培養學生帶著走的能力四、教師專業自主的省思１.教師自主VS.專業提升２.自主衝突VS.專業判斷３.判斷標準VS.衝突、和諧４.職場現象VS.專業知識五、評鑑為溝通與協商的歷程推動策略宣導→溝通→實作

↑↓培訓檢討評鑑回饋←結果運用←人員

實用正當可行具體壹、宣導一、對象：行政人員、教師、家長二、教師專業發展需求日殷三、評鑑的本質與目的是為教師專業發展四、試辦是找可行性和發現執行問題五、學校對教師專業發展評鑑提供支持六、試辦的選擇權在學校和教師七、並非為解決不適任教師八、試辦期程自９５年～９８年有補助經費，加速學校本位發展貳、溝通一、澄清疑慮１.與不適任教師、考績..等脫鉤２.是教師專業形象的重塑二、透過對話建立互信三、評鑑計劃回歸學校本位四、實施計畫、配套措施、支持系統同步規劃實施計畫含：（一）評鑑內容：１.課程設計與教學２.班級經營與輔導３.研究發展與進修４.敬業精神與態度（二）評鑑人員（三）評鑑方式（四）評鑑時程（五）評鑑結果的運用五、引領教師了解評鑑指標意涵＊評鑑指標可自訂，亦可參考已研發之規準評鑑人員在評鑑時，以所列規準和項目為依據。工具若有錯誤，結果必打折。好的工具應符合：1.教育現場需求2.有效評量出所要達到的目標。參、實作一、掌握回歸教學現場，化評鑑於無形的原則二、輔導建置教學檔案三、擬訂實用可行的評鑑方式四、開發簡易具體的評鑑工具一、掌握回歸教學現場，化評鑑於無形的原則1.全面宣導。自願參與鼓勵參與全面參與。2.成立評鑑推動委員會，討論評鑑計劃。3.透過工作坊(讀書會)方式詮釋評鑑規準、內涵、示例..等。4.經由討論決定評鑑模式、工具..等二、輔導建置教學檔案教育專業被挑戰！專業的尊嚴－是贏來的，而非爭來的.

專業的權威－是來自別人的肯定，而非自我的認定.建置教學檔案是展現教師專業能力簡易、具體的措施教學檔案的定義一、教師是教學檔案的主體二、教學檔案的要項是有系統的、有結構的三、教學檔案的內容是反省與對話的歷程四、教學檔案的目的是促進教學專業發展教學檔案含一、教學目標與教學理念之陳述二、檔案計畫與組織三、課程的計畫四、作業的樣本（含對作業的解說與標題）五、師生的互動情形六、學習成就記錄七、個人的成長及反省八、他人的回饋及建議九、自我專業成長的記錄十、對檔案的評述三、實用可行的評鑑方式:(一).對話(二).審閱教學檔案(三).教室觀察(四).教學計畫(五).作業調閱對話訪談模式有:1.非正式訪談2.導引式訪談3.標準化開放式訪談4.封閉式訪談(一).對話說明目的→使參與者感到輕鬆→促使人際互動1.要有議題.2.對話內容要有準備.3.論述要有辯証,勿淪於各抒己見.訪談要領1.確認錄音(錄影)正常運作2.一次只問一個問題3.過程保持中立4.鼓勵多發表意見5.紀錄時不忘注意受訪者表情6.順利移轉主題訪談方法與發問技巧

1.選取符合主題需要人員.2.先談事實的問題,再談爭論性問題.3.先討論現況,再討論過去或未來的事4.讓受訪者自由發揮感覺.對話(訪談)1.以開放性問題引起討論問題.如:您以為目前的教學環境如何?2.激發與會者提出不同想法.如:我不認為有那麼糟,您以為呢?3.達到初步共識後:引入更深入討論.如:我們可以怎麼做?4.討論離題時,需回到主題.5.盡量不要過度贊同與會者意見.6.盡量不發表個人意見.7.錄音或即時紀錄要點.(二).審閱教學檔案評量要項一.檔案目錄二.個人專業背景三.課程教學設計與省思四.學習成果評量五.班級經營與輔導六.個人專業成長*注意事項1.不論是教師成長或學生作品樣本均須同一教學單元,其因為:a.能真正深入教學整體的各細部,有效協助教師反思與專業成長.b.一次一個單元不會造成過度負擔較易引導教師分析反省自己.2.簡要解釋每一個作品內容的標題和註解3.對教學及作品反省思考.4.檔案內容要逐年更改.屬直接觀察教學行為、察看環境與設備,以了解實際行為、環境現況的方法.含:1.教學環境佈置.2.學習形式組織.3.師生互動.4.靜態文件資料.如:教師檔案、學習檔案、作業、會議記錄.(三).教室觀察:教室觀察方法:1.準備紀錄單／檢核表.2.觀察並紀錄每一項的行為或存在事實.3.可同時紀錄次數、人數,以符合程度、量化依據.4.留意紀錄單未載之行為或情形.5.簡單紀錄行為發生或事物存在之現場環境.6.觀察次數要足夠,避免斷章取義.教室觀察注意事項:一.要蒐集具有代表性的事實資料,不必蒐集全部資料二.掌握新發現問題,並進一步蒐集相關資料以為驗證三.有效運用時間:1.觀察教師教學與學生學習2.與學生晤談

3.觀察對象要廣泛,觀察要完整a.觀察課外活動情形b.查閱評鑑與績效管理情形c.分析學生近期表現資料d.分析特殊學生學習紀錄4.把重點擺在影響學生表現的原因(四).教學計畫一.教學目標1.掌握教材內容~能連結舊經驗與新概念.2.設計教學方案~依據教學目標設計教學活動並提供切合教學目標的補充教材.3.系統呈現教材二.活用教學策略~善用不同教學方法；善於發問.三.善用評量回饋~評估學習表現提供回饋與指導.

(五).作業調閱1.作業內容要項分布是否平均?2.學生作業品質.3.教師批閱是否適切~批閱的時間、方式進度、評語..等等作業訂正是否追蹤?四、開發簡易具體的評鑑工具1.課程計畫編寫自我檢核表2.課程計畫編寫課發會檢核表3.教學檔案建置指標檢核表4.教學環境佈置檢核表5.教室觀察表6.班級經營表現(檢核表)教室觀察量表1.教室管理技巧2.維持適當的教室行為3.集中並維持學生的注意力4.提供學生複習與練習的機會5.展現發問技巧6.呈現多種教學方式7.營造一個積極的教室氣氛8.促進正向的自我概念9.佈置積極教室環境教學效能教室觀察表一.學科教學能力1.導引學習方向2.清楚呈現教材3.運用多種教學技巧4.提供練習與回饋5.有效利用時間二.班級經營能力1.維持班級秩序2.鼓勵正向行為表現3.實施生活教育4.表達清晰5.板書適當6.正向的師生互動教學效能教室觀察表臺北縣○○國小教師教學評鑑—「教室觀察」檢視表

基本資料授課教師（）老師學習領域（）學習領域授課班級（）年（）班教材來源□教科書（）版本□其他

教學日期

年月日時分觀察者指標觀察紀錄或資料來源省思暨建議1瞭解學校課程計畫的內涵□持續參與領域課程計畫□徹底執行彈性學習課程□設計校本課程相關主題與活動設計□規劃補救或銜接教學□自編教材或學習單□教學札記□□2瞭解學校課程的架構□了解學校願景□了解校本課程主題□參與教科書評選□了解重大大議題融入領域教學□□□□□□

指標觀察紀錄或資料來源省思暨建議3參與學校課程的發展□參與課程發展小組的座談、研討□與行政人員、教師意見交流、對話□學校課程地圖充分運用□積極參與學年（班群）、班親會會議□學生課程活動紀錄□教學札記□

4分析可運用的教學資源□思賢公園□文化藝術中心□新莊運動公園□署立台北醫院□大眾廟□慈祐宮□廣福宮□文昌祠□新莊老街□傳統行業□導護商店□自然公園

5研擬適切的教學計畫□教學計畫設計週延□活動安排與學校行事曆相結合□運用家庭聯絡簿進行個別輔導□注意學生學習經驗□流暢的教學歷程

6編選適切的教學材料□教材與學生身心發展相合□採用教科書版本經過分析、整理□社區資源融入教材□教學材料與學生生活經驗相融合□

指標觀察紀錄或資料來源省思暨建議7規劃適切的學習評量□筆試□口試□表演□實作□自我評量□小組討論□實踐□同儕互評□

8編選適當的評量工具□文字描述的□圖畫的□量化的測驗□檔案記錄的評量□口語的評量□□□□□

指標觀察紀錄或資料來源省思暨建議9.營造有利於學習的情境□配合教學單元佈置教室□佈置欄分類呈現□佈置欄內物品沒有掉落□掃除用具排列整齊□粉筆槽整理乾淨□黑板只呈現該單元內容□學生桌面整潔□學生抽屜不雜亂□教師桌面整齊□桌椅排放整齊□公物維修良好□打開窗戶讓教室光線充足、通風□美化、綠化教室□教室內外保持整潔□維護教室內設備如CD收錄音機、電視、錄放影機等清潔。□上課秩序良好□□

指標觀察紀錄或資料來源省思暨建議指標觀察紀錄或資料來源省思暨建議10.建立有助於學習的常規□準時上、下課□學生秩序井然有序□學生學習氣氛熱絡□師生互動頻繁□學生對教師問題樂意回答□學生學習態度認真□學生對課程有興趣□學生穿著整齊□教師說話語調自然□教師說話語詞合適、比喻恰當□教師教學態度自然、舉止適合□教師穿著得體□眼神關愛全班□表情□以手勢動作輔助表達□身體動作□儀態大方□模仿動作□幽默、滑稽動作□指標觀察紀錄或資料來源省思暨建議11.積極落實班級學生輔導.□快樂的學習氣氛□良好的教室常規□傾聽□讚美□口頭鼓勵□良性的師生互動□活絡的親師互動□和諧的同儕互動□適才適性的原則□鼓舞團隊士氣□公開獎勵□私下規勸□妥適規劃合作學習小組□肢體語言溫婉□晤談12.建立人力資源網絡與管理□班親會□親師懇談□家庭訪問□電話聯絡□聯絡簿聯絡□約談□通知書聯絡□E-Mail聯絡□由學生轉達□親職講座□□指標觀察紀錄或資料來源省思暨建議13.善用教學媒體進行教學□自製教具□合製教具□多媒體使用：電腦結合電視、等□投影機使用□實物使用□網路資源□學術專書□雜誌資源□刊物資源□圖書館資源14.靈活運用多元的教學方法□講授法□問答法□討論法□比較法□練習教學法□欣賞教學法□角色扮演□價值澄清□問題解決□小組討論□合作學習□發現教學法□建構式教學法□創意思考教學法□編序教學法□精熟學習法□發現教學法□協同教學法指標觀察紀錄或資料來源省思暨建議15.系統呈現學習單元的教材內容□簡介單元之重要性□資料蒐集整理□教學活動設計周延□□□□□□□16.熟練有效的教學技巧□講解□問答□討論□示範□參觀□訪問□表演□觀察□測量□紀錄□實驗□操作□角色扮演□分組報告□閱讀□資料蒐集□創作指標觀察紀錄或資料來源省思暨建議17.實施多元化的學習評量□筆試□口試□表演□實作□作業□報告□資料蒐集整理□鑑賞□晤談□實踐□檔案評量□遊戲化評量□