機(jī)器人控制理論與技術(shù)ppt課件

1、常用的機(jī)器人控制構(gòu)造常用的機(jī)器人控制構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 輪式輪式 履帶式履帶式 腿式腿式Effectors與與ActuatorsnEffectors：支配安裝：支配安裝ndevice on a robot that has an effect (impact or influence) on the environmentn比如腿，輪子，手臂等比如腿，輪子，手臂等nActuators：執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)nMechanism that enables the effector to workn比如電機(jī)、液壓缸、氣壓缸等比如電機(jī)、液壓缸、氣壓缸等運(yùn)動(dòng)的機(jī)理運(yùn)動(dòng)的機(jī)理nInteraction

2、forcesne.g. frictionContact pointsInteraction forcesn機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng) locomotionn挪動(dòng)環(huán)境物體挪動(dòng)環(huán)境物體 manipulation運(yùn)動(dòng)安裝的作用運(yùn)動(dòng)安裝的作用直流電機(jī)直流電機(jī)n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n簡(jiǎn)單、價(jià)廉、性能可靠、簡(jiǎn)單、價(jià)廉、性能可靠、易于運(yùn)用、易于購(gòu)買易于運(yùn)用、易于購(gòu)買n輸入：輸入：n電流或者電壓電流或者電壓n速度：速度：n3k9krpm(50150rps) n問題：?jiǎn)栴}：n速度較高速度較高/力矩較小力矩較小傳動(dòng)安裝傳動(dòng)安裝n目的目的: :改動(dòng)直流電機(jī)的輸出力矩！改動(dòng)直流電機(jī)的輸出力矩！ntorqueout torq

3、uein/radiustorqueout torquein/radiusn問題問題: :如何添加輸出力矩呢如何添加輸出力矩呢? ?n處理方法：設(shè)計(jì)傳動(dòng)安裝！處理方法：設(shè)計(jì)傳動(dòng)安裝！傳動(dòng)安裝傳動(dòng)安裝齒輪減速比齒輪減速比3:1驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)輪(1)從動(dòng)輪從動(dòng)輪(2)n電機(jī)輸出功率電機(jī)輸出功率 torque * vrotnvrot,2 = vrot,1/3 n torque2 = torque1 * 3傳動(dòng)安裝傳動(dòng)安裝n如何獲取更大的齒輪比，比如如何獲取更大的齒輪比，比如9:1?n運(yùn)用更大的齒輪運(yùn)用更大的齒輪n運(yùn)用更多的齒輪運(yùn)用更多的齒輪n產(chǎn)生的問題：產(chǎn)生的問題：n齒隙齒隙n增大摩擦增大摩擦n浪費(fèi)能量浪

4、費(fèi)能量n處理方法處理方法:n “變速箱變速箱 GearBox9:1 gear reductionwith ganged gearsinputoutput電機(jī)伺服電機(jī)伺服n目的目的: :以轉(zhuǎn)動(dòng)到給定位置以轉(zhuǎn)動(dòng)到給定位置n 替代電機(jī)的延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)替代電機(jī)的延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)n組成構(gòu)造組成構(gòu)造n電機(jī)本體電機(jī)本體n減速箱減速箱n位置或速度傳感器位置或速度傳感器n控制器或驅(qū)動(dòng)器控制器或驅(qū)動(dòng)器n輸入信號(hào)輸入信號(hào): :n經(jīng)過脈沖調(diào)制的電壓信號(hào)經(jīng)過脈沖調(diào)制的電壓信號(hào)NXT MotorLEGO電機(jī)電機(jī)齒輪編碼器齒輪編碼器齒輪組齒輪組主傳動(dòng)軸主傳動(dòng)軸NXT Motor轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速vs功率曲線功率曲線No load, no serv

5、o, 9VNo load, no servo, 7.2V11.5 Ncm load, no servo, 9V NXT11.5 Ncm load, servo, 9V11.5 Ncm, load, servo, 7.2VSource: philohome/nxtmotor/nxtmotor.htm自在度自在度 Degrees of Freedomn位姿自在度：系統(tǒng)在空間中的位姿描畫所位姿自在度：系統(tǒng)在空間中的位姿描畫所需變量的個(gè)數(shù)。需變量的個(gè)數(shù)?？煽刈栽诙瓤煽刈栽诙萵可控自在度可控自在度vs不可控自在度不可控自在度根據(jù)自在度系統(tǒng)的分類根據(jù)自在度系統(tǒng)的分類nTDOF = CDOF Holonom

6、ic(完好完好)n比如直升機(jī)比如直升機(jī)nTDOF CDOF Nonholonomic(非完好非完好)n比如汽車比如汽車nCDOF TDOF Redundant(冗余冗余)n比如機(jī)械手臂比如機(jī)械手臂n3 shouldern1 elbown3 wrist 輪式挪動(dòng)機(jī)器人輪式挪動(dòng)機(jī)器人n主要挪動(dòng)方式：主要挪動(dòng)方式：n輪子輪子n靜態(tài)穩(wěn)定條件：靜態(tài)穩(wěn)定條件：n至少需求至少需求2 2個(gè)輪子，普通帶有個(gè)輪子，普通帶有3 3個(gè)輪子！個(gè)輪子！n假設(shè)超越三個(gè)輪子，會(huì)產(chǎn)生什么問題？假設(shè)超越三個(gè)輪子，會(huì)產(chǎn)生什么問題？n為堅(jiān)持與地面的接觸，需求懸掛系統(tǒng)為堅(jiān)持與地面的接觸，需求懸掛系統(tǒng)suspension is requ

7、iredsuspension is required！n設(shè)計(jì)時(shí)需求思索的主要問題：設(shè)計(jì)時(shí)需求思索的主要問題：n輪子的類型和大小輪子的類型和大小四種常見的輪子類型四種常見的輪子類型1n規(guī)范輪規(guī)范輪 (a): (a):n速度與速度與1 1個(gè)方向個(gè)方向n1 1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸個(gè)旋轉(zhuǎn)軸n小腳輪小腳輪 (b): (b):n速度與速度與2 2個(gè)方向個(gè)方向n2 2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸個(gè)旋轉(zhuǎn)軸n轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸n偏心軸偏心軸a)b)四種常見的輪子類型四種常見的輪子類型2n瑞典輪瑞典輪 (c): (c): n速度與速度與2 2個(gè)方向個(gè)方向n2 2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸個(gè)旋轉(zhuǎn)軸n轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸n滾軸滾軸n球形輪球形輪 (d) (d)n速度與速度與2 2

8、個(gè)方向個(gè)方向n真正的全向輪真正的全向輪swedish 45swedish 90c)d)輪子的陳列方式輪子的陳列方式1 1n兩輪陳列兩輪陳列輪子的陳列方式輪子的陳列方式2 2n三輪陳列三輪陳列萬向驅(qū)動(dòng)萬向驅(qū)動(dòng)同步驅(qū)動(dòng)同步驅(qū)動(dòng)同步驅(qū)動(dòng)方案同步驅(qū)動(dòng)方案Denning-MRV2萬向驅(qū)動(dòng)方案萬向驅(qū)動(dòng)方案TriboloOmnidirectional Drive with 3 Spheric Wheels輪子的陳列方式輪子的陳列方式3 3n四輪陳列四輪陳列輪子的陳列方式輪子的陳列方式4 4n六輪陳列六輪陳列六輪機(jī)器人六輪機(jī)器人SHRIMP機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制n知知n機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)

9、學(xué)模型/ /動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力學(xué)模型n機(jī)器人輪子與地面之間的接觸模型機(jī)器人輪子與地面之間的接觸模型n要求的運(yùn)動(dòng)控制目的要求的運(yùn)動(dòng)控制目的 n速度控制速度控制 n位姿控制位姿控制n滿足要求的控制律滿足要求的控制律挪動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型挪動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型n目的目的:n機(jī)器人速度機(jī)器人速度n輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度n導(dǎo)航角及角速度導(dǎo)航角及角速度n幾何參數(shù)，比如長(zhǎng)度、寬度等幾何參數(shù)，比如長(zhǎng)度、寬度等n前向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：前向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：n逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：n), (111mmnTfyxTyxii i),( 111yxfTmmn差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的兩輪機(jī)器人差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的兩輪機(jī)器人yIxIs(t)v(t)r

10、yxlrlrlrsin2cos2sincosvyvxrvlrlr2), (111mmnTfyx環(huán)境坐標(biāo)系環(huán)境坐標(biāo)系: :機(jī)器人坐標(biāo)系機(jī)器人坐標(biāo)系: :機(jī)器人位置坐標(biāo)機(jī)器人位置坐標(biāo): :兩個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換：兩個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換：機(jī)器人位置的表示機(jī)器人位置的表示TIyxIIYX ,RRYX , TIRyxRRPYRXRYIXI例如例如 TIRyxRR環(huán)境坐標(biāo)系環(huán)境坐標(biāo)系: :機(jī)器人坐標(biāo)系機(jī)器人坐標(biāo)系: :機(jī)器人位姿坐標(biāo)機(jī)器人位姿坐標(biāo): :兩個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換：兩個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換：機(jī)器人位置的表示機(jī)器人位置的表示TIyxIIYX ,RRYX , TIRyxRRPYRXRYIXI例

11、如例如 TIRyxRR運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型1dddeeeyyxxyx1000cossin0sincossincosvyvxddddddddvyvxsincos運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型2vvyvvvvyxededdddeecos)sinsin(sin)coscos(cosededdddeevxvvvvxysin)sinsin(cos)coscos(sindedeedeeedeevxyvvyxsincos軌跡跟蹤控制律設(shè)計(jì)軌跡跟蹤控制律設(shè)計(jì)deedeeedeevxyvvyxsincos)cos1 (121211),(22eyeeetKKyxetVEsin)(coseeeyddeexed

12、KKyKvKxKvv當(dāng)當(dāng)Kx, Ky, K , , , 均為正常數(shù)時(shí)均為正常數(shù)時(shí), 且且+=1 當(dāng)當(dāng)vd,d,dvd/dt, dd/dt vd,d,dvd/dt, dd/dt 有界有界根據(jù)根據(jù)000eeeyx仿真結(jié)果仿真結(jié)果對(duì)圓的跟蹤對(duì)圓的跟蹤時(shí)時(shí) 間間 （ s）024681 0 xe(m)-1-0 .500 .5時(shí)時(shí) 間間 （ s）024681 0ye(m)-1-0 .500 .5時(shí)間時(shí)間（s）0246810-1-0.500.5e(rad)時(shí)時(shí) 間間 （ s）024681 0 xe(m)-1-0 .500 .5時(shí)時(shí) 間間 （ s）024681 0ye(m)-1-0 .500 .5Kx =1, Ky =1, K=1, =0.5, =0