机器人控制-Control of Robotics.pptx

1 机器人控制ControlofRobotics 6 1机器人的基本控制原则6 2机械人的位置控制6 3机械人的柔顺控制6 4机器人的分解运动控制6 5机器人关节控制的模糊算法 2 6 1机器人的基本控制原则机器人控制特点 冗余的 多变量 本质非线性 耦合的6 1 1基本控制原则1 控制器分类结构形式 伺服 非伺服 位置反馈 速度反馈 力矩控制 控制方式 非线性控制 分解加速度控制 最优控制 自适应控制 滑模控制 模糊控制等控制器选择 依工作任务 可选PLC控制 普通计算机控制 智能计算机控制等 简单分类 单关节控制器 主要考虑稳态误差补偿 多关节控制器 主要考虑耦合惯量补偿 3 6 1机器人的基本控制原则6 1 1基本控制原则一般分类 PLC 单片机 小型计算机 多计算机分布控制 4 6 1机器人的基本控制原则6 1 1基本控制原则2 主要控制变量任务轴R0 描述工件位置的坐标系X t 末端执行器状态 t 关节变量 C t 关节力矩矢量 T t 电机力矩矢量 V t 电机电压矢量本质是对下列双向方程的控制 5 6 1机器人的基本控制原则6 1 1基本控制原则3 主要控制层次分三个层次 任务级 机器人运动 动力级 伺服驱动级1 任务级完成从机器人工作任务的语言描述生成X t 仍处于研究阶段 2 机器人运动 动力级建立X t T t 之间的双向关系 电机模型传动模型关节动力学模型机器人模型 6 6 1机器人的基本控制原则6 1 1基本控制原则3 伺服系统级解决关节伺服控制问题即 7 6 1机器人的基本控制原则6 1 2伺服控制系统举例1 液压缸伺服传动系统优点 减少减速器等 消除了间隙和磨损误差 结构简单 精度与电器传动相当 同样可以进行位置 速度 加速度及力的反馈 8 6 1机器人的基本控制原则6 1 2伺服控制系统举例2 典型的滑阀控制液压传动系统 9 6 2机器人的位置控制由于机器人系统具有高度非线性 且机械结构很复杂 因此在研究其动态模型时 做如下假设 1 机器人各连杆是理想刚体 所有关节都是理想的 不存在摩擦和间隙 2 相邻两连杆间只有一个自由度 或为旋转 或为平移 10 6 2机器人的位置控制6 2 1直流传动系统的建模1 传递函数与等效方框图伺服电机的参数 11 6 2机器人的位置控制6 2 1直流传动系统的建模1 传递函数与等效方框图 1 磁场型控制电机 12 6 2机器人的位置控制6 2 1直流传动系统的建模1 传递函数与等效方框图Laplace变换得 13 6 2机器人的位置控制6 2 1直流传动系统的建模1 传递函数与等效方框图一般可取K 0 则有等效框图同时 传递函数变为 14 6 2机器人的位置控制6 2 1直流传动系统的建模1 传递函数与等效方框图 电气时间常数 机械时间常数 15 6 2机器人的位置控制6 2 1直流传动系统的建模1 传递函数与等效方框图由于 有时可以忽略 于是而对角速度的传递函数为 因为 16 6 2机器人的位置控制6 2 1直流传动系统的建模1 传递函数与等效方框图 2 电枢控制型电机Ke 产生反电势 17 6 2机器人的位置控制6 2 1直流传动系统的建模1 传递函数与等效方框图经拉氏变换 并设K 0 有 18 6 2机器人的位置控制6 2 1直流传动系统的建模2 直流电机的转速调整误差信号 19 6 2机器人的位置控制6 2 1直流传动系统的建模2 直流电机的转速调整比例补偿 控制输出与e t 成比例 微分补偿 控制输出与de t dt成比例 积分补偿 控制输出与 e t dt成比例 测速补偿 与输出位置的微分成比例 比例微分PD补偿 比例积分PI补偿 比例微分积分PID补偿 测速补偿时 20 6 2机器人的位置控制6 2 2位置控制的基本结构1 基本控制结构位置控制也称位姿控制 或轨迹控制 分为 点到点PTP控制 如点焊 连续路径CP控制 如喷漆期望的关节位置期望的工具位置和姿态 21 6 2机器人的位置控制6 2 2位置控制的基本结构2 PUMA机器人的伺服控制结构1 机器人控制系统设计与一般计算机控制系统相似 2 多数仍采用连续系统的设计方法设计控制器 然后再将设计好的控制律离散化 用计算机实现 3 现有的工业机器人大多数采用独立关节的PID控制 下图PUMA机器人的伺服控制系统构成 22 6 2机器人的位置控制6 2 2位置控制的基本结构2 PUMA机器人的伺服控制结构 23 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器1 位置控制系统结构具有力 位移 速度反馈 24 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器1 位置控制系统结构控制器路径点的获取方式 1 以数字形式输入系统 若以直角坐标给出 须计算获得其关节坐标位置 2 以示教方式输入系统 系统将直接获得关节坐标位置允许机器人只移动一个关节 而锁住其他关节 轨迹控制 按关键点或轨迹进行定位控制 25 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器2 单关节控制器的传递函数对图示系统 有J 等效转动惯量 B 等效阻尼系数 26 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器2 单关节控制器的传递函数因此可得其传递函数 同电枢控制直流伺服电机 27 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器2 单关节控制器的传递函数 28 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器2 单关节控制器的传递函数其开环传递函数为 因为 略去Lm的项 简化上式为 29 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器2 单关节控制器的传递函数则其闭环传递函数为 这是一个典型的二阶系统闭环传递函数 30 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器2 单关节控制器的传递函数 31 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器2 单关节控制器的传递函数含有速度反馈的机械手单关节控制器的开环传递函数为闭环传递函数为 32 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器3 控制参数确定与稳态误差 1 的确定由上述闭环传递函数 得控制系统的特征方程为 将其写为二阶系统标准形式得 33 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器3 控制参数确定与稳态误差 1 的确定 34 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器3 控制参数确定与稳态误差 1 的确定 35 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器3 控制参数确定与稳态误差 1 的确定设结构的共振频率为 则为避免运动中发生共振 要求同时要求系统阻尼大于1 J值随负载和位姿变化 应选可能的最大惯量 36 6 2机器人的位置控制6 2 3单关节位置控制器3 控制参数确定与稳态误差 2 稳态误差根据控制理论 在控制系统框图中 计算得到E s 即可得到系统的稳态位置误差 速度误差和加速度误差 对于单位阶越位移C0 其稳态误差为 37 6 2机器人的位置控制6 2 4多关节位置控制器1 为快速运动 一般应采用多关节协调 同步运动 2 这时各关节的位置和速度会互相作用 因此 必须进行附加补偿 1 动态拉格朗日公式其他关节加速自身加速科式力重力且D项皆与关节角有关 38 6 2机器人的位置控制6 2 4多关节位置控制器 39 6 3机器人的柔顺控制6 3 1柔顺控制的基本概念柔性无刚性作用的运动控制 如擦玻璃 抓鸡蛋 装配等一般应增加力反馈 40 6 3机器人的柔顺控制6 3 1柔顺控制的基本概念1 被动柔顺和主动柔顺被动柔顺 通过弹簧 消振器等机械结构或通过改变机械操作方式而使机器人与工作对象间产生相对柔性运动的柔顺方式 无须控制器参与 如 1 海绵擦玻璃 2 把工件拉进孔取代推入主动柔顺 通过改变控制器控制方式 增加力反馈等使机器人与工作对象间无刚性运动的柔顺方式 必须控制器参与 41 6 3机器人的柔顺控制6 3 1柔顺控制的基本概念1 被动柔顺和主动柔顺定义 在工作点的小位移 工作点的关节小位移 正定对角刚度矩阵 机器人雅可比矩阵 回复力 关节力矩定义关节刚度矩阵 反应力矩与微位移关系 42 6 3机器人的柔顺控制6 3 1柔顺控制的基本概念2 作业约束和力控制自然约束与人为约束 43 6 3机器人的柔顺控制6 3 1柔顺控制的基本概念2 作业约束和力控制约束对机器人力控制的影响 1 约束使自由度减少 限制了末端的运动方式 2 约束给机器人增加了作用力 增加了控制的复杂程度 3 上述两种情况会相互作用 44 6 3机器人的柔顺控制6 3 1柔顺控制的基本概念3 柔顺控制的种类1 阻抗控制通过控制力和位置间的动态关系 阻抗 来实现柔顺功能 即 通过控制使机械手末端呈现所需要的刚性和阻尼 需要位置控制的自由度 需要大的刚性 需要力控制的自由度 需要小的刚性 2 力和位置混合控制将控制分为一些自由度的位置控制 和另一些自由度的力控制 通过计算 在关节空间合并 进行关节控制 45 6 3机器人的柔顺控制6 3 2主动阻抗控制1 位置型阻抗控制 估计重力矩 雅可比矩阵 机械手等效刚度比例系数 机械手等效阻尼系数教材中的稳定性讨论 内容不全 这里省略 46 6 3机器人的柔顺控制6 3 2主动阻抗控制2 柔顺型阻抗控制 接触引起的环境变形 接触时 不接触时环境作用于机械手的力为 47 6 3机器人的柔顺控制6 3 3力和位置混合控制Kp 刚性对角矩镇阵 可以通过对其元素的修改 适应不同方向的刚性要求 达到柔顺目的 48 6 3机器人的柔顺控制6 3 3力和位置混合控制 49 6 3机器人的柔顺控制6 3 3力和位置混合控制 50 6 4机器人的分解运动控制6 4 1分解运动控制原理将机械手末端运动分解为沿笛卡儿坐标的运动的形式 分别用各关节的综合运动合成为沿笛卡儿坐标的运动 主要是针对夹持器的坐标进行讨论 51 6 4机器人的分解运动控制6 4 1分解运动控制原理用俯 仰 滚表示夹手的姿态 可以定义夹手的位置 姿态 线速度 角速度矢量为 52 6 4机器人的分解运动控制6 4 1分解运动控制原理线速度 角速度 53 6 4机器人的分解运动控制6 4 1分解运动控制原理即 求逆 得即 54 6 4机器人的分解运动控制6 4 1分解运动控制原理根据雅可比矩阵定义 有若逆雅可比矩阵存在 则有 这是分解速度控制的基础 55 6 4机器人的分解运动控制6 4 1分解运动控制原理对于加速度有 从而有 这是分解加速度控制的基础 56 6 4机器人的分解运动控制6 4 2分解运动速度控制分解运动速度控制 各关节电机联合运行 保证夹手沿笛卡儿坐标稳定运动 先把夹手运动分解为各关节的期望速度 然后对各关节实行速度伺服控制 57 6 4机器人的分解运动控制6 4 2分解运动速度控制当m n 机械手非冗余时 有当m n 机械手为冗余 需要用广义逆 58 6 4机器人的分解运动控制6 4 3分解运动加速度分解运动加速度控制 首先计算出工具的笛卡儿坐标加速度 然后将其分解为相应的各关节加速度 再按照动力学方程计算出控制力矩 实际位置和姿态期望的位置和姿态位置误差姿态误差 59 6 4机器人的分解运动控制6 4 2分解运动速度控制为减少位置和姿态误差 要求因为 60 6 4机器人的分解运动控制6 4 2分解运动速度控制从而有 代入得 因为这里考虑的是误差项 因此是闭环控制 精度高 61 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 1机器人关节控制的PID算法如果机器人的关节位置误差为 则其PID控制为 62 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 1机器人关节控制的PID算法 比例系数 控制量中 减小误差的直观比例部分 微分系数 提高响应速度 相位超前 使系统趋于稳定 积分系数 提高稳态精度 相位滞后 使系统趋于不稳定 积分时间 微分时间 63 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 1机器人关节控制的PID算法微分超前型PD控制 积分项在使用中 经常出现饱和 有时会使系统不稳定 因此常常使用PD控制 其控制律为 64 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 2模糊集合与模糊逻辑的基本概念一 模糊集合与集合计算符定义1模糊集合 设U为若干事件的总和 如U Rn 我们称U为论域 一个定义在U上的模糊集合F 由隶属度函数来表征 这里的表示在模糊集合F上的隶属程度 经典的集合 确定集合 的隶属度函数只取两个值 0 1 要么属于 要么不属于 因此模糊集合是经典集合的推广 65 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 2模糊集合与模糊逻辑的基本概念定义2交集 并集和补集 设A和B是U上的两个模糊集合 对所有的 A和B的交集是定义在U上的一个模糊集合 其隶属度函数定义为 对所有的 A和B的并集是定义在U上的一个模糊集合 其隶属度函数定义为 对所有的 A的补集是定义在U上的一个模糊集合 其隶属度函数为 66 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 2模糊集合与模糊逻辑的基本概念定义3模糊关系设U和V是两个论域 模糊关系R是积空间UxV上的一个模糊集合 即当时 R的隶属函数为 定义4模糊蕴涵设A和B分别为定义在U和V上的模糊集合 则由所表示的模糊蕴涵是定义在UxV上的一个特殊模糊关系 其隶属度函数定义为 模糊与 模糊或 实质蕴涵 命题演算 67 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 2模糊集合与模糊逻辑的基本概念定义5广义取式推理 前提1x为A 前提2如果x为A 则y为B结论y为B 其中A A B B为模糊集合 x y为语言变量定义6广义取式推理 前提1y为B 前提2如果x为A 则y为B结论x为A 其中A A B B为模糊集合 x y为语言变量 68 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 3模糊规则与模糊推理模糊规则是由如下形式的 如果 则 规则的总和组成R l 如果x1为F1l 且 且xn为Fnl 则y为Gl Fil Gl为模糊集合 xi为模糊变量 将变量模糊化后 经过按照模糊规则的运算 获得模糊结果 这个过程称为一个模糊推理 模糊推理得到的模糊输出 再经过反模糊化 即可得到模糊推理的精确解 69 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 2模糊集合与模糊逻辑的基本概念定义5广义取式推理 前提1x为A 前提2如果x为A 则y为B结论y为B 其中A A B B为模糊集合 x y为语言变量定义6广义取式推理 前提1y为B 前提2如果x为A 则y为B结论x为A 其中A A B B为模糊集合 x y为语言变量 70 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 3模糊规则与模糊推理模糊规则是由如下形式的 如果 则 规则的总和组成R l 如果x1为F1l 且 且xn为Fnl 则y为Gl Fil Gl为模糊集合 xi为模糊变量 将变量模糊化后 经过按照模糊规则的运算 获得模糊结果 这个过程称为一个模糊推理 模糊推理得到的模糊输出 再经过反模糊化 即可得到模糊推理的精确解 71 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 4模糊控制工作原理一个典型的模糊控制系统 72 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 4模糊控制工作原理例 一热处理用的电热炉 按工艺要求须保持炉温600O不变 由于炉温受零件数量 体积 环境温度变化 电网电压波动等影响 会出现波动所以要设计控制器 控制方式 通过改变可控硅的导通角实现 也可以通过PWM方式调节 人工调节时 通过面板上的电位器实现 计算机调节通过驱动线路实现 73 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 4模糊控制工作原理典型的温度控制电路如图INT1 INT2过零检测 PB7触发控制 AN0传感器输入A D 74 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 4模糊控制工作原理人工操作时 根据经验 控制规则可以用语言描述如下 如果炉稳低于600OC则升压 低得越多升压越高 如果炉稳高于600OC则降压 高得越多降压越低 如果炉稳等于600OC则保持电压不变 采用模糊控制时 其工作原理如下 1 模糊控制器的输入变量与输出变量设定炉温t0 600 测量炉稳t K 则将误差e K t0 t K 作为模糊控制的输入变量 输出变量为 控制电压u 可通过改变可控硅的导通角或PWM比例实现 75 6 5机器人关节控制的模糊算法6 5 4模糊控制工作原理2 输入变量及输出变量的模糊语言描述 模糊化 设描述输入及输出变量的语言值的模糊子集为 负大 负小 0 正小 正大 或记为 NB NS 0 PS PB 设误差e的论域为X 并将误差大小