第五章 机器人控制精要.ppt

2、控制策略 * 简单任务，在工作过程中约束保持不变 复杂任务：分解为多项子任务，对每个子任务规定约束 坐标和对应的人为约束（约束系列）。 检测接触环境，使得自然约束和人为约束一一对应。 * 约束坐标建立在销上，三个子任务。 销放在平面 销在平面左移 销落入销孔 销插入销孔 * 销放在平面 销在平面左移 销插入销孔+推入销孔 自然约束的变化依据检测的信息来确认；这些被检测的信息多数是不受控制的力或位置。 5.3.2 力和位置混合控制 机器人手爪与外界接触的两种极端状况： * 多数情况是机器人手爪 的部分自由度受位置约 束，部分自由度受力的 约束。 按照控制策略，力和位置控制需要解决以下3个问题： * （1）在存在力自然约束的方向上施加位置控制 （切线方向） （2）在存在位置自然约束的方向上施加力控制 （法线方向） （3）根据接触状态，规定约束坐标系，将整个形位空间分解成两个子空间，分别实施位置和力的控制。 * 需要进行力的控制。 两个方向需要进行轨迹控制。 关节1、3使用轨迹控制器 关节2使用力控制器 由于外界环境的变化，同一关节（自由度）可能既需要进行轨迹控制，又需要进行力控制。 但是一般情况不可能同时进行！ * 选择矩阵：两组互锁开关，用来设置各个自由度所要求的控制模式。 * 　* 位置控制的实现 1）期望的轨迹 2）跟踪误差（控制误差） 3）控制输入 * 1 位置控制的基本概念 * 位置控制目标（目的） 控制是一个时间的历程 控制的目的就是不断调整控制输入，使得跟踪误差（控制误 差）随着时间的变化最终趋于0！ 控制问题的核心： 反馈！ 1）直观概念 有阻尼自由振动 在初始条件不为0的情况下，经过一段时间的运动，系统 将回到平衡位置 *-2 控制系统设计的基本方法 2）概念移植 通过控制输入的作用，使得误差动力学方程具有以下形式 达到控制目的！ 3）控制器设计初步 A、质量-阻尼-弹簧系统 设计控制输入： 设计变量 控制输入代入动力学系统，得到误差方程： 设计控制输入： 设计变量 控制输入代入动力学系统，得到误差方程： 设计变量： 误差方程： 控制器设计参数——控制增益！ OK！ B、单摆系统 设计控制输入： 控制器代入动力学系统，得到误差方程： 设计变量： 误差方程： 控制器设计参数——控制增益！ OK！ C、双摆系统 设计控制输入： 控制器代入动力学系统，得到误差方程： 设计变量： 质量-阻尼-弹簧系统 设计控制输入： *-3 控制系统设计的 进阶 误差方程： 得到以上误差方程的前提条件 ？？？ 系统完全已知（模型、参数），需要的状态可测！ 得到以上误差方程的前提条件 ？？？ 系统完全已知（模型、参数），需要的状态可测！ 在实际的控制系统中，完全满足以上条件是 十分困难的！ 误差方程改变为： 误差方程改变为： 假设c、k 测量值不准确 无法实现跟踪误差为0！ 假设非线性项未知： 1）鲁棒控制——滑模控制 但是未知项是有界的 设计滑模函数（滑模面） 如何设计控制输入，实现 以上目标？ Lyapunov函数的特点： 定义Lyapunov函数 设计控制输入 将控制输入代入Lyapunov的导数 MATLAB仿真实例 * 以上控制器设计的不足： 不确定项是随时间 变化的量，但是控制增 益只能取一个定值，且 为不确定项的变化上限。 2）鲁棒控制——滑模控制（以神经网络逼近不确定项） MATLAB仿真实例 * * 本章小结: 机器人控制系统的一般形式和特点 * 机器人的位置控制问题 机器人的位置和力的混合控制问题 机器人控制问题的进阶 第5 章 机器人控制 5.1 概述 简单地说，控制就是为了达到一定目的而实行的适当操作。 * 控制系统是机器人的两大主要 组成部分之一。（机构本体） 机器人控制系统 一般分为上下控制层： * 机器人控制系统特点： 1、相关性（动力学与运动学） 2、多控制量的协调 3、智能化 4、控制方法的先进性 5、控制的最优性 5.2 机器人位置控制（位姿控制、轨迹控制） 机械人控制——控制末端工具的位置和姿态 * 点到点（PTP）的控制； 连续路径（Continuous path ）控制 空间关节控制结构： 直角坐标空间 控制结构： 为了便于实现伺服控制，通常是采用关节控制结构； * 轨迹规划（获得直角坐标） 逆向运动学（获得关节坐标的期望值） 仿真实例：平面二连杆端点轨迹的实现 （二连杆端点实现直线、圆轨迹） 5.2.1 单关节位置控制 驱动：直流永磁力矩电机 * 1、单关节系统的传递函数 折算到电机轴上的等效总转动惯量 折算到电机轴的总粘性阻尼 * 不计励磁回路效应，电气部分的模型 （电枢绕组的电