《机器人控制》课件 chapter 6 机器人力和位置控制

11Chapter

6机器人力和位置控制

机器人控制系统概述

机器人的位置控制

机器人的力控制

机器人的力、位混合控制

机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例/12965836.html（1）机器人控制系统是一个多变量控制系统。（2）运动描述复杂，机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。（3）具有较高的重复定位精度，系统刚性好。（4）信息运算量大。（5）需采用加（减）速控制。（6）示教再现控制方式。6.1

机器人控制系统概述2机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例机器人控制系统的特点：6.1

机器人控制系统概述3机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例机器人控制系统的功能：6.1

机器人控制系统概述4机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例机器人的控制方式：55机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例6.2机器人的位置控制对于机器人的位置控制，可将关节位置给定值与当前值相比较得到的误差作为位置控制器的输入量，经过位置控制器的运算后，将输出作为关节速度控制的给定值。机器人位置控制如图(a)所示。速度控制通常用于对目标跟踪的任务中，机器人的关节速度控制框图如下图(b)所示。(a)(b)66单关节位置控制①基于直流伺服电动机单关节位置控制机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例6.2机器人的位置控制单关节控制器中，机器人的机械惯性影响常常被作为扰动项考虑，把机器人看作刚体结构，不考虑关节之间的相互影响。由电机、齿轮和负载组成的单关节电动机负载模型如下图所示：

机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例76.2机器人的位置控制

（6.1）（6.2）（6.3）（6.4）（6.5）机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例86.2机器人的位置控制

拉氏变换

（6.3）（6.4）（6.5）（6.6）（6.7）（6.8）机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例9

6.2机器人的位置控制

（6.9）（6.8）机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例106.2机器人的位置控制误差电压：

拉氏变换

（6.10）（6.11）（6.12）（6.13）机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例116.2机器人的位置控制(a)单关节位置控制器

（6.16）机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例126.2机器人的位置控制(b)具有速度反馈的位置控制器

（6.14）（6.15）机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例136.2机器人的位置控制(c)考虑摩擦力矩、外负载力矩、重力矩及向心力作用的位置控制器上图(c)为考虑了摩擦力矩、外负载力矩、重力矩及向心力作用的位置控制器。（1）以任一扰动作为干扰输入，可写出干扰的输出与传递函数。（2）利用拉氏变换中的终值定理，即可求出因干扰引起的静态误差。机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例146.2机器人的位置控制②带力矩的单关节位置控制带有力矩闭环的单关节位置控制系统是一个三闭环控制系统，它由位置环、力矩环和速度环构成，如下图所示：速度环——对电动机电压的控制使电动机表现出期望的速度特性。位置环——用于控制关节达到期望的位置。机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例15机器人的多关节控制6.2机器人的位置控制①机器人系统的伺服控制律

（6.17）（6.18）机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例166.2机器人的位置控制②基于模型机械臂控制

（6.19）（6.20）（6.21）机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例176.2机器人的位置控制控制系统的结构框图如下：

（6.22）（6.23）6.3机器人的力控制18机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例机器人的力控制着重研究如何控制机器人的各个关节,使其末端表现出一定的力和力矩特性，是利用机器人进行自动加工（如装配等）的基础。图6.7机器人与环境的相互作用图6.8质量——弹簧系统6.3机器人的力控制19机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例重点讨论质量-弹簧系统的力控制问题。图6.8质量——弹簧系统

描述该物理系统的方程为

（6.24）（6.25）6.3机器人的力控制20机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例

采用控制律分解的方法，令（6.26）（6.27）从而得到控制律，即（6.28）

6.3机器人的力控制21机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例

（6.29）（6.30）

（6.31）6.3机器人的力控制22机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例

（6.32）

图6.9质量——弹簧系统的力控制系统原理图6.3机器人的力控制23机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例

（6.33）图6.10实际的质量——弹簧系统的力控制系统原理图

6.4机器人的力/位混合控制力/位混合控制问题的提出机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例24机器人末端执行器与外界环境接触有两种极端情况：(1)机器人末端执行器在空间可以自由移动，如图(a)所示。

(2)末端执行器固定不动，即其不能自由的改变位置，如图(b)所示。(a)(b)上述两种极端情况，第一种情况为位置控制问题，第二种情况是对系统的某些自由度需要进行位置控制，而对另外一些自由度则需要进行力控制。这时就需要采用力和位置混合控制的方式。6.4机器人的力/位混合控制机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例25

以坐标系{C}为基准的直角坐标机械臂的力/位混合控制系统

机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例26

6.4机器人的力/位混合控制

机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例276.4机器人的力/位混合控制

28机器人控制—运动学.控制器设计.人机交互与应用实例6.4机器人的力/位混合控制应用于一般机械臂的力/位混合控制系统用直角坐标空间的动力学模型，把实际机械臂的组合系统和计算模型变换为一系列独立的、解耦的单位质量系统，就可以应用前面所介绍的简单伺服方法来进行综合分析。上图为在直角坐标空间中机械臂动力学公式的解耦形式，它使机械臂呈现为一系列解耦的单位质量系统。由于设计了一个与约束坐标系一致的直角坐标型机械臂的混合控制器，并且