工业机器人力控与顺应控制.pptVIP

* 智能与控制工程研究所 * 在静态情况下，C曲面可看作一几何问题。如果只有接触力，且机器人定位精度已知，在结构化环境下，我们就能确定机器人以什么样的组合形态会导致它与环境相接触。定义N（q0）为C曲面 q0点的法线方向，则在接触点q0处沿N轴方向的运动会导致作用力增大，反之作用力减少。因此沿法线N的运动可控制作用力的大小。以混合控制的观点，找到了C曲面的法线N，即给出了力控制的方向。而位置控制则不能越过C曲面，它只能沿C曲面接触面的切线方向运动。因此沿C曲面的法线方向进行力控制，沿切线方向进行位置控制，便形成了位置/力混合控制的控制策略。这样就把力/位置混合控制问题变成了如何确定C曲面的问题。 确定C曲面，必须依据具体的作业任务，把末端执行器受到的外部环境的几何约束 （称为自然约束 Natural Constraints）与完成作业要求的某些约束条件（称为人为约束 Artificial Constraints）结合起来考虑*。确定沿法线方向的力控制和沿切线方向的位置控制两个正交子集，这些正交子集便构成了C曲面。由此可确定机器人的控制策略和构造控制器。 M H Raibert and J J Craig. Hybrid Position/Force Control for Robot Manipulators. Trans. of the ASME.Vol.103, Journal of Energy Resources Technology, June, 1981, pp.126-133 在结构化环境下，自然约束较易确定，对于非结构化环境，则还须对环境进行识别的基础上，才能确定自然约束条件。 * 智能与控制工程研究所 * 10.6.2 R－C控制器 （R－C Controller） 图10-7是由Raibert和Craig提出的一种力/位置控制方案*，即著名的R－C控制器。该控制器不同于刚度控制和阻抗控制，阻抗控制和刚度控制的输入是位置和速度，其力控隐含在刚度反馈矩阵中，其本质还是属于位置控制。而R－C控制器的输入变量既有位置、速度，也有力。R－C控制器是位置/力混合控制的经典之作，以后许多控制方案都是在这一方案基础上演变或改进的结果。 图10-7中，机器人各关节驱动电机的力矩分别由位置环（上部）和力控制环（下部）这两个相对独立的控制环共同提供。位置环由PI调节器整定，而力控制环由带限幅器的PI调节器整定，给定力通过Jacobian矩阵转换直接加到关节驱动器。关节位置q和速度由光电码盘或测速发电机提供。用Jacobian矩阵转换为直角坐标变量 和 ，力反馈信号由腕力传感器测取Hf，通过坐标变换为C坐标系力向量cf。图10-7中的s为6×6的对角阵，即 s = diag[ s1 s2 …s6 ]，称为顺应选择矩阵（Compliance Selection Matrix），其对角线元素为1或0，由它来确定（选择）那些自由度施加力控，那些自由度施加位置控制。 I 是6×6的单位矩阵。所以I－s是选择矩阵s的逆。 * 智能与控制工程研究所 * － Kfp + τ J J Kpp+ Kpi∫dt Kpd I-S I-S S S JT JT J-1 J-1 Kfi∫dt cTH cfd cf cfe cfd + + + + + + + － － 图10-7 R－C 力/位置混合控制器 ARM * 智能与控制工程研究所 * 本节内容可参考下列文章 黄心汉，机器人的主动顺应控制，华中工学院学报，1987（4）：147－154 黄心汉、胡建元、陈锦江，环境约束下的机器人控制问题，高技术通讯，1991（8）：30－33 胡建元、黄心汉、陈锦江，机器人的力控和顺应控制进展，机器人，1992（2）：52－57 智能与控制工程研究所 智能与控制工程研究所 第十章 机器人的力控和顺应控制工业机器人http://  10.1 引言 10.2 通用机器人控制器和控制结构 10.3 通用机器人的动力学 10.4 阻抗控制 10.5 主动刚度控制 10.6 位置和力的混合控制 * 智能与控制工程研究所 * 10.1 引言（Introduction） 工业机器人的控制可大致分为三种形式 位置控制（Position Control） 力控（Force Control） 顺应控制（Compliance） * 智能与控制工程研究所 * 10.1.1 位置控制（ Position