机器人机构与控制-9操作臂线性.pptx

第9章操作臂的线性控制欧林林、禹鑫燚

21.机器人运动学描述机器人末端执行器与各关节之间的运动微分。为结构设计提供运动特性分析方法，是动力学建模与位姿轨迹控制的基础。2.机器人动力学建模是运动学模型和刚体动力学理论，建立驱动力和力矩与关节位移、速度和加速度之间的联系。模型为结构设计提供力学特性分析方法，为控制系统设计提供模型依据。3.机器人控制问题是基于机器人运动学和动力学模型，根据具体的性能指标设计其控制算法与系统，使机器人能按要求正常工作的理论与技术方法。9.1概述

3（1）对于一般要求，将复杂的总体系统控制问题简化为多个低阶子系统的控制问题。（2）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，后者要考虑耦合作用的补偿。机器人难以精确建模机器人的基本控制方法9.1概述

4（1）在工作空间的可控性机器人的构型决定了机器人的运动空间中可能存在奇异点，因此控制系统需要保证插值过程连续，并且可以顺利避开奇异点。（2）稳定性（收敛性－衰减振荡）、相对稳定性（无超调）稳定性涉及系统、装置或工具运动过程中无振荡问题。当负载突然发生剧烈变化时，就会使各个关节的负载突变，并使得控制系统设计不好的机器人产生振荡。关节的运动也能产生有效惯性力、向心力和其他关节的耦合向心力的各种组合，其他关节对这些力矩的作用也会对原关节产生各种作用力，是一个潜在的振荡根源。另外，振荡可能是由公共的底座或支架等机械耦合，或者由两者同时夹持的工件引起的。（3）动态响应性能保证机器人快速到达指定的位姿并保持平衡状态。（4）定位精度、重复定位精度、轨迹跟踪精度对于一般机器人的控制性能要求

5主要控制变量电机电压；电机力矩；关节力矩；关节角；空间位姿电机电压电机力矩关节力矩关节角空间位姿机器人控制变量

69.1概述已知关节位置的时间历程，期望运动轨迹；如何才能使操作臂实际完成这些期望运动。操作臂的动力学方程一般是由非线性微分方程来描述的，通过线性化近似是可行的。线性控制作为操作臂的一种近似方法。

反馈控制和闭环控制7机器人高阶控制系统闭环系统开环控制系统

机器人控制8关节空间控制（笛卡尔）任务空间控制

关节空间控制9

反馈控制举例10

11机器人控制器分类：非伺服控制、伺服控制、位置和速度反馈控制、力或力矩控制、非线性控制、分解加速度控制、滑模控制、最优控制、自适应控制、递阶控制以及各种智能控制。机器人控制器的选择：由机器人所执行的任务决定。单关节控制器：稳态误差的补偿多关节控制器：耦合惯量的补偿机器人的基本控制原则

129.2二阶线性系统在讨论操作臂控制问题之前，先以一个简单的机械系统为例。（9-3）（9-3）的解的形式与特征方程的根有关。系统的极点

139.2二阶线性系统应用阻尼比和固有频率描述二阶系统阻尼比：固有频率：

149.2二阶线性系统应用阻尼比和固有频率描述二阶系统式（9-16）得到阻尼振动固有频率

例子15阻尼振动固有频率:

169.3二阶线性系统的控制一个带有驱动器的有阻尼质量-弹簧系统，驱动器给质量块施加一个力f。（9-34）（9-35）

9.4二阶线性系统的控制通过设定控制增益kv和kp可以使闭环系统呈现任何期望的二阶系统特性。

189.4二阶线性系统的控制（9-36）（9-37）（9-38）联立开环动力学方程式（9-34）和控制律式（9-35），得到闭环系统动力学方程：通过设定控制增益kv和kp可以使闭环系统呈现任何期望的二阶系统特性。临界阻尼：期望闭环刚度：

199.4二阶线性系统的控制如图所示系统，各参数分别为m=1,b=1,k=1,求使闭环刚度为16的临界阻尼系统的位置校正控制律的增益kv和kp。

209.5控制律的分解控制器分为基于模型的控制部分和伺服控制部分。开环运动方程基于模型的控制部分代入（9-42）得系统的单位质量运动方程（9-42）

219.5控制律的分解控制器分为基于模型的控制部分和伺服控制部分。开环动力学方程设计一个控制律系统处于临界阻尼状态：

例子22

239.6轨迹跟踪控制？保持在期望的位置能够跟踪一条轨迹？

249.6轨迹跟踪控制伺服控制律

259.7抗干扰具有附加输入-干扰力fdist的轨迹跟踪控制。闭环系统的误差方程如果已知fdist有界e(t)也是有界的

269.7抗干扰稳态误差当fdist为常数时，稳态方程或者附加积分项误差方程如果t0时e(t)=0,那么当t0时，误差方程可写成稳态时

279.9单关节的建模和控制传动比η力矩平衡方程：有效惯量有效阻尼

289.9单关节的建模和控制如果连杆惯量I在2~6kg.m2之间变化，电机转子惯量Im=0.01，传动比η=