工業(yè)機(jī)器人的常用控制方法ppt課件

1、.7.9 7.9 機(jī)器人力控制機(jī)器人力控制一、機(jī)器人的力與力控制種類一、機(jī)器人的力與力控制種類1 1、外力、外力/ /力矩與廣義力的關(guān)系力矩與廣義力的關(guān)系典型的腕力傳感器及其在機(jī)械手中的位置典型的腕力傳感器及其在機(jī)械手中的位置機(jī)器人與環(huán)境間的機(jī)器人與環(huán)境間的交互作用將產(chǎn)生作交互作用將產(chǎn)生作用于機(jī)器人末端手用于機(jī)器人末端手爪或工具的力和力爪或工具的力和力矩。可以采用腕力矩?？梢圆捎猛罅鞲衅鬟M(jìn)行測(cè)量。傳感器進(jìn)行測(cè)量。.7.9 7.9 機(jī)器人力控制機(jī)器人力控制 用用 表示機(jī)器人末端受到的外力和外表示機(jī)器人末端受到的外力和外力矩向量。設(shè)驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)各關(guān)節(jié)施加的關(guān)節(jié)力矩是力矩向量。設(shè)驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)各關(guān)節(jié)施加

2、的關(guān)節(jié)力矩是 ，廣義力，廣義力可以通過計(jì)算這些力所做的虛功來得到。設(shè)可以通過計(jì)算這些力所做的虛功來得到。設(shè) 為末端虛位移為末端虛位移 ， 為關(guān)節(jié)虛位移，滿足：為關(guān)節(jié)虛位移，滿足：TzyxzyxnnnFFFF,X)(JX產(chǎn)生的虛功為：產(chǎn)生的虛功為：TTXFw在外力在外力 F 作用下，廣義坐標(biāo)作用下，廣義坐標(biāo) 對(duì)應(yīng)廣義力可表示為：對(duì)應(yīng)廣義力可表示為：FJT.1 1、單自由度剛性控制、單自由度剛性控制假設(shè)機(jī)械手與環(huán)境在假設(shè)機(jī)械手與環(huán)境在xE 點(diǎn)接觸，點(diǎn)接觸，若機(jī)械手的末端位置若機(jī)械手的末端位置x xE ，則，則施加于環(huán)境的力為：施加于環(huán)境的力為：)(eeexxkf其中其中 為環(huán)境的剛度。為環(huán)境的剛度

3、。ek整個(gè)系統(tǒng)滿足以下方程：整個(gè)系統(tǒng)滿足以下方程：fxxkxmee)( 其中其中 為輸入力。若為輸入力。若 如圖所示，采用以下如圖所示，采用以下PD控制控制fdxxkxxkfvdp)(二、阻尼力控制二、阻尼力控制.2 2、機(jī)械手的阻抗控制、機(jī)械手的阻抗控制若增益為正則系統(tǒng)穩(wěn)定，在穩(wěn)態(tài)作用于環(huán)境的力為若增益為正則系統(tǒng)穩(wěn)定，在穩(wěn)態(tài)作用于環(huán)境的力為)(edepepexxkkkkf若環(huán)境的剛性很大，則若環(huán)境的剛性很大，則fe 可近似為可近似為)(edpexxkf 對(duì)于對(duì)于n自由度的機(jī)械手，可用以下方法實(shí)現(xiàn)阻抗控制。定義柔順坐標(biāo)自由度的機(jī)械手，可用以下方法實(shí)現(xiàn)阻抗控制。定義柔順坐標(biāo)系系 ，給出沿每個(gè)自由

4、度的理想剛性，這可以用，給出沿每個(gè)自由度的理想剛性，這可以用66的對(duì)角矩陣的對(duì)角矩陣KX 表示，其對(duì)角元為表示線性和扭轉(zhuǎn)剛性的剛度常數(shù)。給定表示，其對(duì)角元為表示線性和扭轉(zhuǎn)剛性的剛度常數(shù)。給定KX ，則對(duì)應(yīng)，則對(duì)應(yīng)虛位移虛位移 的理想恢復(fù)力可表示為的理想恢復(fù)力可表示為cccczyxoXFFx若用若用 表示相應(yīng)的關(guān)節(jié)虛位移，則有表示相應(yīng)的關(guān)節(jié)虛位移，則有)(JXX所需關(guān)節(jié)力矩所需關(guān)節(jié)力矩FJT)(.聯(lián)合以上方程得：聯(lián)合以上方程得：)()()(KJKJXT其中依賴于位形的矩陣其中依賴于位形的矩陣 稱為關(guān)節(jié)剛性矩陣，稱為關(guān)節(jié)剛性矩陣， 一般不是一般不是對(duì)角矩陣。當(dāng)對(duì)角矩陣。當(dāng) 為降秩矩陣時(shí)，說明機(jī)械手

5、處于奇異狀態(tài)，這時(shí)在為降秩矩陣時(shí)，說明機(jī)械手處于奇異狀態(tài)，這時(shí)在某些方向機(jī)械手不能運(yùn)動(dòng)，因而在這些方向的剛性不能控制。某些方向機(jī)械手不能運(yùn)動(dòng)，因而在這些方向的剛性不能控制。)(K)(K)(J 為了使系統(tǒng)具有理想的動(dòng)態(tài)相應(yīng)性能，還應(yīng)提供一定的阻尼。同為了使系統(tǒng)具有理想的動(dòng)態(tài)相應(yīng)性能，還應(yīng)提供一定的阻尼。同時(shí)考慮對(duì)重力矩的補(bǔ)償，實(shí)際的關(guān)節(jié)控制力矩可取為：時(shí)考慮對(duì)重力矩的補(bǔ)償，實(shí)際的關(guān)節(jié)控制力矩可取為：)( )(gXKXKJBXT其中其中 ； ； 為在工作空間表示的阻尼矩陣。為在工作空間表示的阻尼矩陣。XXXdXXXdBK這里所有的量均表示在任務(wù)空間，控制律也可以表示為：這里所有的量均表示在任務(wù)空間

6、，控制律也可以表示為： )( )()(gKK其中其中)()()(JKJKBT.阻尼力控制其特點(diǎn)是不直接控制機(jī)器人與環(huán)境的作用力, 而是根據(jù)機(jī)器人端部的位置(或速度) 和端部作用力之間的關(guān)系, 通過調(diào)整反饋位置誤差、速度誤差或剛度來達(dá)到控制力的目的, 此時(shí)接觸過程的彈性變形尤為重要。這類力控制不外乎基于位置和速度的兩種基本形式。當(dāng)把力反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為位置調(diào)整量時(shí)，這種力控制稱為剛度控制；當(dāng)把力反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度修正量時(shí)，這種力控制稱為阻尼控制；當(dāng)把力反饋信號(hào)同時(shí)轉(zhuǎn)換為位置和速度的修正量時(shí)，即為阻抗控制。左圖為阻抗控制結(jié)構(gòu)，左圖為阻抗控制結(jié)構(gòu)，其核心為力矩運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換其核心為力矩運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換矩陣矩陣K K設(shè)

7、計(jì)，運(yùn)動(dòng)修正設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)修正矩矩陣陣 ；從力控制角度，希望；從力控制角度，希望K K陣中元素越大越好，陣中元素越大越好，則系統(tǒng)柔一些；從位置則系統(tǒng)柔一些；從位置控制角度，希望控制角度，希望K K中元中元素越小越好，則系統(tǒng)剛素越小越好，則系統(tǒng)剛一些。一些。FKX.7.9 7.9 機(jī)器人力控制機(jī)器人力控制o 被動(dòng)柔順n被動(dòng)柔順裝置具有響應(yīng)快、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但它的應(yīng)用受到一定的限制，缺乏靈活性。o 主動(dòng)柔順n主動(dòng)柔順是通過控制方法來實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)于不同的任務(wù)，可以通過改變控制算法來獲得所需要的柔順功能。主動(dòng)柔順具有更大的靈活性，但由于柔順性是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，因而響應(yīng)不如被動(dòng)柔順迅速。三、相互力控制三

8、、相互力控制.7.9 7.9 機(jī)器人力控制機(jī)器人力控制o對(duì)于需要進(jìn)行柔順控制的作業(yè)任務(wù)，在完成任務(wù)的整個(gè)過程中，往往需要根據(jù)任務(wù)的不同階段采用不同的控制策略。以銷釘插孔（插軸入孔）的任務(wù)為例，下圖表示了該任務(wù)操作過程的四個(gè)階段。每個(gè)階段包含了不同的約束情況，因而需采用不同的控制策略。.7.9 7.9 機(jī)器人力控制機(jī)器人力控制實(shí)現(xiàn)柔順控制的方法主要有兩類，一類是阻抗控制，一類是力和位置的混合控制(動(dòng)態(tài)混合控制)。阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而是通過控制力和位置之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系實(shí)現(xiàn)柔順控制。這樣的動(dòng)態(tài)關(guān)系類似于電路中的阻抗概念，因而稱為阻抗控制。在機(jī)械手末端施加一個(gè)作用力，相應(yīng)地便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)

9、運(yùn)動(dòng)(如速度)。如果只考慮靜態(tài)，力和位置之間的關(guān)系可以用剛性矩陣描述。如果考慮力和速度之間的關(guān)系，可以用粘滯阻尼矩陣來描述。因此阻抗控制，就是通過適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ箼C(jī)械手末端呈現(xiàn)需要的剛性和阻尼。動(dòng)態(tài)混合控制的基本思想是在柔順坐標(biāo)空間將任務(wù)分解為沿某些自由度的位置控制和沿另一些自由度的力控制，并在該空間分別進(jìn)行位置控制和力控制的計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間合并為統(tǒng)一的關(guān)節(jié)控制力矩，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以實(shí)現(xiàn)所需要的柔順功能。.7.10 7.10 機(jī)器人行為控制機(jī)器人行為控制一、機(jī)器人行為種類：一、機(jī)器人行為種類： 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航 自主移動(dòng)機(jī)器人自主移動(dòng)機(jī)器人 機(jī)器人視覺行為機(jī)器人視覺行

10、為 基于主動(dòng)視覺機(jī)器人行為控制實(shí)現(xiàn)基于主動(dòng)視覺機(jī)器人行為控制實(shí)現(xiàn).7.10 7.10 機(jī)器人行為控制機(jī)器人行為控制二、機(jī)器人行為控制方式二、機(jī)器人行為控制方式1 1、移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航、移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航o移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分為：基于環(huán)境信息的移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分為：基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航、基于各種導(dǎo)航信號(hào)的陸標(biāo)導(dǎo)地圖模型匹配導(dǎo)航、基于各種導(dǎo)航信號(hào)的陸標(biāo)導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和味覺導(dǎo)航等。航、視覺導(dǎo)航和味覺導(dǎo)航等。2 2、自主移動(dòng)機(jī)器人的控制方法、自主移動(dòng)機(jī)器人的控制方法o傳統(tǒng)的基于認(rèn)識(shí)模型的功能規(guī)劃法傳統(tǒng)的基于認(rèn)識(shí)模型的功能規(guī)劃法n自頂向下的研究方法自頂向下的研究方法n將系統(tǒng)按照功能劃分成不

11、同的模塊，即感知將系統(tǒng)按照功能劃分成不同的模塊，即感知一建模一規(guī)劃一行動(dòng)，分別進(jìn)行研究，是一一建模一規(guī)劃一行動(dòng)，分別進(jìn)行研究，是一條從感知到動(dòng)作的串行功能分解控制路線。條從感知到動(dòng)作的串行功能分解控制路線。感知一規(guī)劃一行動(dòng)的模型感知一規(guī)劃一行動(dòng)的模型 .7.10 7.10 機(jī)器人行為控制機(jī)器人行為控制三、基于行為的控制方法三、基于行為的控制方法n包容式結(jié)構(gòu)包容式結(jié)構(gòu)n自底向上自底向上n將系統(tǒng)按照行為劃分成不同的層次將系統(tǒng)按照行為劃分成不同的層次，即感知一行動(dòng)，相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行，即感知一行動(dòng)，相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行研究。即將復(fù)雜的任務(wù)分解成很多研究。即將復(fù)雜的任務(wù)分解成很多簡(jiǎn)單的可以并發(fā)執(zhí)行的單元，每個(gè)簡(jiǎn)

12、單的可以并發(fā)執(zhí)行的單元，每個(gè)單元有其自己的感知器和執(zhí)行器，單元有其自己的感知器和執(zhí)行器，構(gòu)成感知?jiǎng)幼餍袨?。多個(gè)行為相互構(gòu)成感知?jiǎng)幼餍袨椤６鄠€(gè)行為相互耦合構(gòu)成層次模型，它們通過競(jìng)爭(zhēng)耦合構(gòu)成層次模型，它們通過競(jìng)爭(zhēng)與仲裁產(chǎn)生抑制、禁止和激活信息與仲裁產(chǎn)生抑制、禁止和激活信息協(xié)調(diào)彼此的動(dòng)作。協(xié)調(diào)彼此的動(dòng)作。包容式結(jié)構(gòu)包容式結(jié)構(gòu)層次模型層次模型.7.10 7.10 機(jī)器人行為控制機(jī)器人行為控制四、基于行為機(jī)器人視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、基于行為機(jī)器人視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)o視覺系統(tǒng)的初始化，包括硬件設(shè)備視覺系統(tǒng)的初始化，包括硬件設(shè)備(CCD(CCD攝像頭和圖像采集卡攝像頭和圖像采集卡) )的初的初始化及各種初始信息的輸入調(diào)

13、整；始化及各種初始信息的輸入調(diào)整；o圖像采集模塊，采集數(shù)字圖像到計(jì)算機(jī)顯存和內(nèi)存；圖像采集模塊，采集數(shù)字圖像到計(jì)算機(jī)顯存和內(nèi)存；o圖像處理模塊主要是對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行分割，優(yōu)化圖像質(zhì)量，圖像處理模塊主要是對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行分割，優(yōu)化圖像質(zhì)量，獲得視野中物體數(shù)目并對(duì)每個(gè)物體作標(biāo)記；獲得視野中物體數(shù)目并對(duì)每個(gè)物體作標(biāo)記；o圖像匹配模塊是根據(jù)己知目標(biāo)物體的信息與當(dāng)前圖像中的物體逐圖像匹配模塊是根據(jù)己知目標(biāo)物體的信息與當(dāng)前圖像中的物體逐個(gè)匹配，找出目標(biāo)并計(jì)算它在機(jī)器人視野中的位置；個(gè)匹配，找出目標(biāo)并計(jì)算它在機(jī)器人視野中的位置；o攝像頭控制模塊把上一步得到的目標(biāo)位置信息轉(zhuǎn)化成攝像頭的控?cái)z像頭控制模塊把上

14、一步得到的目標(biāo)位置信息轉(zhuǎn)化成攝像頭的控制命令送到攝像頭。制命令送到攝像頭。.7.10 7.10 機(jī)器人行為控制機(jī)器人行為控制RIRA-ROBOT 基于行為機(jī)器人視覺系統(tǒng)構(gòu)成基于行為機(jī)器人視覺系統(tǒng)構(gòu)成.7.10 7.10 機(jī)器人行為控制機(jī)器人行為控制五、基于主動(dòng)視覺機(jī)器人行為控制實(shí)現(xiàn)五、基于主動(dòng)視覺機(jī)器人行為控制實(shí)現(xiàn)RIRA-ROBOT基于行為機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖基于行為機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.7.11 7.11 機(jī)器人智能控制機(jī)器人智能控制一、智能控制的特點(diǎn)一、智能控制的特點(diǎn) 以控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科為基以控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，擴(kuò)展了相關(guān)的理論和技術(shù)，

15、其中應(yīng)用較多的有模糊邏礎(chǔ)，擴(kuò)展了相關(guān)的理論和技術(shù)，其中應(yīng)用較多的有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論和自適應(yīng)控制輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論和自適應(yīng)控制、自組織控制、自組織控制、( (自自) )學(xué)習(xí)控制等技術(shù)。學(xué)習(xí)控制等技術(shù)。 研究?jī)?nèi)容之一就是把智能控制的相關(guān)技術(shù)與控制方式結(jié)合研究?jī)?nèi)容之一就是把智能控制的相關(guān)技術(shù)與控制方式結(jié)合或綜合交叉結(jié)合，構(gòu)成風(fēng)格和功能各異的智能控制系統(tǒng)和或綜合交叉結(jié)合，構(gòu)成風(fēng)格和功能各異的智能控制系統(tǒng)和智能控制器。智能控制器。.7.11 7.11 機(jī)器人智能控制機(jī)器人智能控制二、特點(diǎn)分析二、特點(diǎn)分析 適用于不確定的或難定義的過程控制、復(fù)雜的非線性被控對(duì)

16、象適用于不確定的或難定義的過程控制、復(fù)雜的非線性被控對(duì)象控制、隨時(shí)間變化的過程控制等。控制、隨時(shí)間變化的過程控制等。 利用自適應(yīng)、自組織、利用自適應(yīng)、自組織、( (自自) )學(xué)習(xí)等方式來提高系統(tǒng)的自動(dòng)化和學(xué)習(xí)等方式來提高系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化控制。智能化控制。 能綜合交叉各種技術(shù)，使智能控制系統(tǒng)和智能控制器設(shè)計(jì)形式能綜合交叉各種技術(shù)，使智能控制系統(tǒng)和智能控制器設(shè)計(jì)形式日益多樣化和智能控制技術(shù)應(yīng)用范圍日益廣泛化。日益多樣化和智能控制技術(shù)應(yīng)用范圍日益廣泛化。.7.11 7.11 機(jī)器人智能控制機(jī)器人智能控制 智能控制可以像傳統(tǒng)控制理論分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性一樣，描述系智能控制可以像傳統(tǒng)控制理論分析系統(tǒng)的動(dòng)

17、態(tài)性一樣，描述系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的能控和能觀性、系統(tǒng)的最優(yōu)控制統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的能控和能觀性、系統(tǒng)的最優(yōu)控制( (即嫡函即嫡函數(shù)和能量函數(shù)的描述數(shù)和能量函數(shù)的描述) )、系統(tǒng)的復(fù)雜性等。與傳統(tǒng)控制理論不、系統(tǒng)的復(fù)雜性等。與傳統(tǒng)控制理論不同的是智能控制對(duì)復(fù)雜知識(shí)系統(tǒng)的有關(guān)理論分析的描述目前還同的是智能控制對(duì)復(fù)雜知識(shí)系統(tǒng)的有關(guān)理論分析的描述目前還缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。.7.11 7.11 機(jī)器人智能控制機(jī)器人智能控制三、智能控制的主要方式三、智能控制的主要方式智能控制系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu).7.11 7.11 機(jī)器人智能控制機(jī)器人智能控制分層遞階智能控制結(jié)構(gòu)分層遞階智能控制

18、結(jié)構(gòu)o 對(duì)不同用途的智能控制系統(tǒng)，對(duì)不同用途的智能控制系統(tǒng)，以上各部分的形式和功能可能以上各部分的形式和功能可能存在較大的差異。薩里迪斯提存在較大的差異。薩里迪斯提出了智能控制系統(tǒng)的分層遞階出了智能控制系統(tǒng)的分層遞階的組成結(jié)構(gòu)形式的組成結(jié)構(gòu)形式o 對(duì)控制來講，自上而下控制精對(duì)控制來講，自上而下控制精度愈來愈高；度愈來愈高；o 對(duì)識(shí)別來講，自下而上信息回對(duì)識(shí)別來講，自下而上信息回饋愈來愈粗略。饋愈來愈粗略。.7.11 7.11 機(jī)器人智能控制機(jī)器人智能控制智能控制的多學(xué)科交叉智能控制的多學(xué)科交叉.7.11 7.11 機(jī)器人智能控制機(jī)器人智能控制 智能控制系統(tǒng)所包含的理論內(nèi)容：智能控制系統(tǒng)所包含的理論內(nèi)容：1、 自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)控制；自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)控制；2、 知識(shí)工程；知識(shí)工程；3、 信息熵；信息熵；4、 Petri 網(wǎng)；網(wǎng)；5、