第六章 机器人控制

机器人控制 Control of Robotics6.1 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

Robotics 控制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。

Robotics 控制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

Robotics 控制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； θ(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：

V(t ) T(t ) C(t ) (t ) X(t )

Robotics 控制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：人工智能级、控制模式级、伺服系统级 1)人工智能级 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)控制模式级 建立X(t) T(t)之间的双向关系。

X(t ) (t ) C(t ) T(t ) T(t ) C(t ) (t )电机模型 传动模型 关节动力学模型

X(t )机器人模型

Robotics 控制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 V T

Robotics 控制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。

Robotics 控制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

Robotics 控制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。

Robotics 控制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：

Robotics 控制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

v f rf i f l f Tm kmi f

di f dt

d m d m Tm J 2 F K m dt dt Jc fc kc J J m 2 , F fm 2 , K 2 2

Robotics 控制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：

V f ( s ) (rf l f s ) I f ( s ) Tm ( s) km I f ( s) Tm ( s) ( Js Fs K ) m ( s)2

m (s)

km V f ( s ) (rf l f s )( Js 2 Fs K )

Robotics 控制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

Robotics 控制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

m (s)

km V f ( s ) s (r f l f s )( Js F ) km rf F 1 J s (1 s )(1 s ) rf F lf k0 s (1 e s )(1 m s )

e m

:电气时间常数； :机械时间常数。

Robotics 控制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 e m ,有时可以忽略，于是

m ( s)

k0 V f ( s ) s (1 m s )

而对角速度的传递函数为：

m ( s) k0 V f ( s) 1 ms

,因为

m

d m

dt

Robotics 控制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

dim Vm Rmim Lm ke m dt Tm k 'm im d 2 m d m Tm J 2 F K m dt dt Jc fc kc J J m 2 , F fm 2 , K 2 K :产生反电势。e

Robotics 控制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

m ( s)

km Vm ( s) s ( Rm Lm s)( F Js) ke k m

Robotics 控制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：

e(t ) i (t ) 0 (t )

Robotics 控制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： E ( s) (k d s) E ( s) 比例积分PI补偿： E ( s ) (k i ) E ( s)s

比例微分积分PID补偿： E ( s) (k d

is

) E ( s)

测速补偿时：E ( s) E (s) t s 0 ( s) i (s) (1 t s) 0 ( s)

Robotics 控制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

qd qd 1

qd 2 qdn

T

期望的关节位置

T T wd [ pd , d ]

期望的工具位置和姿态

Robotics 控制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

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