《机器人建模与控制 》 实验报告 项目10-单关节机械臂协作控制实验.pdf

实验报告

课程名称：机器人建模与控制实验类型：实物实验

实验项目名称：单关节机械臂协作控制实验

学生姓名：专业：自动化（电气）学号：

学生姓名：专业：自动化（电气）学号：

学生姓名：专业：自动化（电气）学号：

学生姓名：专业：自动化（控制）学号：

学生姓名：专业：自动化（控制）学号：

指导老师：

实验地点：石虎山机器人创新基地201实验日期：2023年4月18日

一、实验目的

1、针对给定单关节机械臂，编写重力补偿算法、力控制算法和控制程序，在实物上演示单关

节机械臂人机协作功能。

2、机械臂运行时，单臂可在垂直平面内做连续匀速转动（1rad/s）；

3、如人力介入阻挡机械臂运动，机械臂可自动根据设定接触力实现屈服或柔顺控制。

二、实验设备

1、单关节机械臂

2、电压源

3、自备电脑

三、实验原理

输入机械臂当前位置，由力矩前馈函数可以得到无外力情况下的力矩，将该力矩与输入的机械臂实测

力矩作差，输入到PID控制器中，再将输出量与设定的默认速度相加，可得到期望的速度。而电机控制器

会利用另一个PID控制器来控制实际速度达到期望速度，从而实现控制目标。

1

四、实验内容

1、实验操作方法和步骤

（1）通过辨识的方法，获取系统的力矩前馈函数T_ff=f(pos)（近似为正弦函数）；

（2）根据上方控制系统方框图补全程序（PID最好加上积分饱和）；

（3）调节力环(*Kp=1.5,KI0.002)和速度环(*KP=0.001,KI=0.015)的PID参数，以实现较为柔顺的

力屈服效果；

（4）由于力环在上位机搭建，pos_fb和T_fb和实物系统间具有一定的延迟，选用一种或多种方法对

该延迟进行补偿，以获得更好的控制效果；

（5）一般情况下，力控制应在力环（电流环）完成，分析一下此系统存在的问题。

2、实验数据记录和处理

（1）在无外力干扰情况下，观察机械臂反馈的力矩，此时机械臂只受到重力作用。而重力矩可以由

一个以当前旋转角度为因变量的正弦函数近似代替。因此首先运行代码，记录机械臂反馈的力矩，并且计

算出用来代替的正弦函数。

实验中，我们设定机械臂以固定角速度1rad/s转动，并记录此时输出的位置与力矩数据，绘制曲线如

下所示。

最终拟合得到的前馈函数为T_ff0.083+0.4835*sin(Pos_fb)

（2）当有外力干扰时，此时机械臂受到人的手施加的力以及重力，因此将反馈的力矩减去先前的以

角度为因变量的正弦函数，即为人手施加的干扰，这个值进行pid控制，来改变机械臂的旋转速度。

（3）当采用原PI的力环控制时，发现机械臂比较僵硬。考虑这是力控制余差过大导致的，减小余差

方式有增大Kc或减小Ti，也就是分别增大比例或积分。但在实验中发现增大比例对于余差的控制，至少

在短时间内效果远好于积分项的调节。同时，比例和积分都会导致最终稳定性变差，因此在实验中，由于

没有阶跃干扰的动态响应测试条件，根据试错法最终选择增大力环控制比例项为3，减小积分项为0.15。

（4）一般情况下，力控制应在力环完成，分析此系统存在的问题。系统中力的测量值是由速度环PID

输出得到的，可能存在的问题一是调节速度环的参数时，可能会导致力环动态响应发生变化，引起参数调

节的不便。二是增大了力环控制时延，增大控制不稳定性。

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力量环pid控制代码如下：

feedbackmotor.feedback(1)

iffeedback:

#前馈函数

current_error0.083+0.4835*math.sin(feedback[0])-feedback[2]

pass

#PID控制

temp(current_error-last