第9讲机器人操纵理论与技术.ppt

第四章 机器人控制理论与技术 4.1 机器人控制问题 4.2 机器人的轨迹控制 4.3 机器人的力控制 4.4 机器人的高级智能控制简介 4.5 机器人控制系统 4.6 机器人编程 4.1 机器人控制问题 4.1.1 前 言 何为是机器人控制问题？ 根据具体的性能指标和要求，基于机器人运动学和动力学模型，设计其控制系统及控制算法，使机器人能按要求正常工作的理论与技术方法。 机器人控制技术的内容： 机器人轨迹控制。 机器人力控制（柔顺控制）。 机器人分解、协调控制。 机器人高级智能动态控制。 多机器人协调控制。 等。 4.1 机器人控制问题 机器人的动力学方程通式： 4.1 机器人控制问题 机器人动力学的特点： 1）、非线性：引起非线性的因数很多，如：机构构型、传动机构、驱动机构等。 2）、强耦合：某一关节的运动，会对其他关节产生动力效应，使得每个关节都要承受其他关节运动所产生的扰动。 3）、时变：动力学参数随关节运动位置的改变而变化。 4.1 机器人控制问题 基本控制原则： 1）、尽可能使问题简化。 2）、将复杂的总体系统控制问题尽可能简化为多个低阶子系统的控制问题。 3）、一般情况下，机器人的基本控制技术可归结为单关节控制技术和多关节控制技术，前者需要考虑误差补偿问题，后者可考虑耦合作用的补偿。 4.1 机器人控制问题 4.1 机器人控制问题 规划末端执行器的运动轨迹X(t)。 计算机器人关节向量θ(t)。 计算控制关节力矩C(t)。 控制电流或电压V(t)。 电动机输出力矩T(t)。 4.1 机器人控制问题 4.1.2 控制系统组成结构 机器人控制系统可分为四部分： 1）机器人工作任务，即给定值。 2）机器人本体，即被控对象。 3）机器人控制器，它是控制系统的核心部分。 4）机器人感知器，即传感器。 4.1 机器人控制问题 机器人控制系统硬件：一般包括三部分： 1）感知部分， 2）控制装置：基于高性能微处理器，多处理器技术。 3）伺服驱动部分。 机器人控制系统软件： 实时多任务操作系统。 机器人控制算法。 4.1 机器人控制问题 一种控制方案：单轴开环控制 4.1 机器人控制问题 另一种方案（半闭环）： 4.1 机器人控制问题 4.1.3 控制性能要求 考虑到机器人的多变量、时变、非线性、强耦合以及建模困难、干扰因数多等特点，必须根据实际工作的要求提出合理可行的控制性能指标。除一般的控制性能指标外，机器人通常注重如下控制性能要求： 1）在工作空间的可空性。 2）稳定性或相对稳定性。 3）动态响应性能。 4）定位精度、轨迹跟踪精度。 4.1 机器人控制问题 针对一些特殊用途的机器人，还可以进一步提出一些性能要求。如仿人机器人，他的关节多达32个以上，并双足行走： 多轴运动协调控制。 高稳定性。 位置无超调、动态响应速度快。 处理器具有很高的处理速度。 具有较高的智能。 结构紧凑。 4.2 机器人的轨迹控制 轨迹控制问题： 在给定期望运动轨迹情况下，选择一种控制策略，在关节驱动力矩的作用下，使机器人再现该运动轨迹。 该控制策略应对初始条件误差、传感器噪声、模型误差等应具有较好的鲁棒性。 这里，一般不考虑驱动器的动力学问题，并假定可以对关节施加任意的力矩。 4.2 机器人的轨迹控制 4.2.1 问题的提出 总体思路：从已知的末端执行器轨迹Xd(t)，根据逆运动学问题，求出个关节的位移 、速度 和加速度；进而根据动力学关系求出所需要的关节力矩 。 4.2 机器人的轨迹控制 4.2.2 单关节轨迹控制 机器人的动力学方程是高度耦合的。当机器人在低速小负载运动时，各关节动力学特性中的重力和关节间耦合可以忽略，当惯量参数变化不大时，机器人可以采用单关节位置伺服反馈控制来实现有效的控制，使机器人的控制问题大大简化。并在实际中得到大量的应用。 单关节伺服控制技术原理是在机器人各关节单独控制时，采用经典反馈控制方法，根据稳定性和误差设计准则，设计线性反馈控制器。 4.2 机器人的轨迹控制 单关节位置反馈伺服控制系统 4.2 机器人的轨迹控制 带速度反馈的单关节位置反馈伺服控制系统 4.2 机器人的轨迹控制 介绍一种使用的控制方法： 我们假设机器人