智能控制 课件 第八章-机器人智能控制

机器人智能控制RobotIntelligentControl第八章1机器人控制系统的特点

运动描述复杂，机器人的控制与运动学及动力学密切相关。仅考虑位置闭环是不够的，还要考虑速度闭环，甚至加速度闭环。考虑各关节之间惯性力、哥氏力等耦合作用和重力负载等因素。需要求解正逆运动学问题。

机器人控制系统是一个多变量控制系统。简单的工业机器人有3~5个自由度，每个自由度一般包含一个伺服电机，多个独立的伺服系统必须有机协调起来。例子:机器人的手部运动是所有关节的合成运动，要使手部按照一定的轨迹运动，就必须控制各关节协调运动，包括运动轨迹、动作时序等多方面协调。1机器人控制系统的特点

机器人控制系统是非线性的控制系统。采用人工智能的方法，根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况，按照给定的指标要求，自动选择最佳的控制规律。

机器人的动作可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在一个最优的问题。描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随状态和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合，经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。

需采用加（减）速控制。过大的加（减）速度会影响机器人运动的平稳性，甚至使机器人发生抖动，因此应在机器人起动或停止时采取加（减）速控制策略。2机器人控制系统的功能（1）控制机械臂末端执行器的运动位置；

（即控制末端执行器经过的点和移动路径）（2）控制机械臂的运动姿态；

（即控制相邻两个活动构件的相对位置）（3）控制运动速度；

（即控制末端执行器运动位置随时间变化的规律）（4）控制运动加速度；

（即控制末端执行器在运动过程中的速度变化）（5）控制机械臂中各动力关节的输出转矩；

（即控制对操作对象施加的作用力）（6）具备操作方便的人机交互功能，机器人通过

记忆和再现来完成规定的任务。2机器人力控制控制目的：控制机器人各关节使其末端表现出一定的力或力矩特性分类直接力控制（Directforcecontrol）PID控制

间接力控制（Indirectforcecontrol）被动柔顺（变刚度）主动柔顺（阻抗控制）2机器人力控制单纯的位置控制会由于位置误差而引起过大的作用力，从而伤害零件或机器人。轴孔配合(ShaftHoleAssembly）

机器人在这类运动受限环境中运动时，往往需要配合力控制来使用。2机器人力控制机器人组装对于切削、磨光和装配等作业，需要阻抗控制或柔顺控制。当机器人遭遇障碍物时，会智能地调整预设位置轨迹，从而消除内力。2机器人力控制形状适应性（Shapeadaptability）力控制可以用于控制施加在机器人末端执行器上的各种类型的力，包括接触力和扭矩力。2机器人力控制实现机器人与环境作用力的精确控制力的PI控制方法直接力控制的特点:

具有力控制回路，直接控制期望力，常用PID的控制方法。力控制分为直接力控制与间接力控制

2机器人力控制比例+积分控制器（P+I）比例+积分+微分控制器（PID）比例+微分控制器（PD）比例控制器（P）PID控制器设计2机器人力控制Directforcecontrol3机器人力与位置协同控制柔顺：compliance3机器人力与位置协同控制顺应用户的运动意图3机器人力与位置协同控制为什么位置控制不具备顺应能力？Positioncontrol:suppresspeople'smovementintention

抑制人的运动意图3机器人力与位置协同控制关节空间柔顺控制Compliancecontrol:conformtohuman’smovementintention顺从人的运动意图3机器人力与位置协同控制主动柔顺控制主动柔顺

控制的本质是通过机器人对接触力的信号反馈，采取相应的主动控制策略，通过调整机器人末端位置、速度和加速度来控制力保持恒定，实现接触操作过程的力顺从。3机器人力与位置协同控制力/位混合控制方法力/位混合控制示意图将机械臂的工作任务空间正交分解为力和位置子空间，并在两个子空间中分别建立控制回路，从而实现期望力和位置的控制。机械臂的作业过程被分为位置控制和力交互两个状态，并且可以根据需要在这两种状态之间进行相互切换。3机器人力与位置协同控制阻抗控制通过控制，让机器人的表现等价于一个Mass-spring-damper系统。机械臂阻抗控制是将机械臂力/位置控制系统等效为一个弹簧质量阻尼系统，使用该系统描述机械臂与环境间接触力和位置的关系，可以通过调节阻抗控制器的惯性参数、阻尼参数和刚度参数来调节机械臂末端与环境间接触力和位置的关系。3机器人力与位置协同控制阻抗控制（impedancecontrol）：不是直接控制期望的力和位置，而是通过控制力和位置之间的动态关系来实现柔顺功能。通过适当的控制方法以使机械手末端呈现需要的刚性和阻尼。阻抗控制基于力的阻抗控制（阻抗控制）基于位置的阻抗控制（导纳控制）3机器人力与位置协同控制阻抗控制基于力的阻抗控制（阻抗控制）阻抗特性示意图基于力的阻抗控制将机械臂末端位置偏差转换为控制力矩，通过控制力矩直接调节末端交互力，进而实现柔顺交互。X表示机械臂末端实际轨迹与期望轨迹之差（位置控制部分）；Z表示等效的阻抗模型（阻尼-弹簧-质量模型）；F表示机械臂末端与环境的接触力。3机器人力与位置协同控制阻抗控制框图基于力的阻抗控制（阻抗控制）该框图由内环和外环两部分组成，内环负责力跟踪控制，外环负责位置跟踪控制。力跟踪内环起到了控制机械臂施加在外部环境中的力的作用。在外环中，位置控制起到了指导机械臂运动以跟踪给定位置的作用。3机器人力与位置协同控制导纳控制:是阻抗控制的反过程，输入力输出位置。当机器人受到外力作用时，将在原有轨迹上发生偏移以顺应外力。基于位置的阻抗控制（导纳控制）FX导纳特性示意图X表示位置控制部分；1/Z表示等效的导纳控制模型；F表示机械臂末端与环境的接触力。基于位置的阻抗控制（导纳控制）通过力传感器获取外界对末端的外力，将其带入质量-弹簧-阻尼模型中，通过调整末端的位置、速度等实现与外力的平衡。3机器人力与位置协同控制基于位置的阻抗控制（导纳控制）

导纳控制框图内环负责运动