機(jī)器人控制理論與技術(shù)8課件

1常用的機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)1常用的機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)2運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

輪式履帶式腿式2運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)輪式履3Effectors與ActuatorsEffectors：操縱裝置deviceonarobotthathasaneffect(impactorinfluence)ontheenvironment比如腿，輪子，手臂等Actuators：執(zhí)行機(jī)構(gòu)Mechanismthatenablestheeffectortowork比如電機(jī)、液壓缸、氣壓缸等3Effectors與ActuatorsEffectors：4運(yùn)動(dòng)的機(jī)理Interactionforcese.g.frictionContactpointsInteractionforces4運(yùn)動(dòng)的機(jī)理InteractionforcesContac5機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)

locomotion移動(dòng)環(huán)境物體

manipulation運(yùn)動(dòng)裝置的作用5機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)locomotion運(yùn)動(dòng)裝置的作用6直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：簡單、價(jià)廉、性能可靠、易于使用、易于購買輸入：電流或者電壓速度：3k~9krpm(50~150rps)問題：速度較高/力矩較小6直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：7傳動(dòng)裝置目的:改變直流電機(jī)的輸出力矩！torqueout~torquein/radius問題:如何增加輸出力矩呢?解決方法：設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置！7傳動(dòng)裝置目的:改變直流電機(jī)的輸出力矩！8傳動(dòng)裝置齒輪減速比—3:1驅(qū)動(dòng)輪(1)從動(dòng)輪(2)電機(jī)輸出功率~torque*vrotvrot,2=vrot,1/3

torque2=torque1*38傳動(dòng)裝置齒輪減速比—3:1驅(qū)動(dòng)輪(1)從動(dòng)輪(2)9傳動(dòng)裝置如何獲取更大的齒輪比，比如9:1?使用更大的齒輪使用更多的齒輪產(chǎn)生的問題：齒隙增大摩擦浪費(fèi)能量解決方法:

“變速箱”

GearBox9:1gearreductionwithgangedgearsinputoutput9傳動(dòng)裝置如何獲取更大的齒輪比，比如9:1?9:1gear10電機(jī)伺服目的:以轉(zhuǎn)動(dòng)到給定位置代替電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)組成結(jié)構(gòu)電機(jī)本體減速箱位置或速度傳感器控制器或驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào):經(jīng)過脈沖調(diào)制的電壓信號(hào)10電機(jī)伺服目的:以轉(zhuǎn)動(dòng)到給定位置11NXTMotor（LEGO）電機(jī)齒輪編碼器齒輪組主傳動(dòng)軸11NXTMotor（LEGO）電機(jī)齒輪編碼器齒輪組主傳動(dòng)12NXTMotor轉(zhuǎn)速vs功率曲線Noload,noservo,9VNoload,noservo,7.2V11.5Ncmload,noservo,9VNXT11.5Ncmload,servo,9V11.5Ncm,load,servo,7.2VSource:12NXTMotor轉(zhuǎn)速vs功率曲線Noload,no13131414151516自由度

DegreesofFreedom位姿自由度：系統(tǒng)在空間中的位姿描述所需變量的個(gè)數(shù)。16自由度DegreesofFreedom位姿自由度17可控自由度可控自由度vs不可控自由度17可控自由度可控自由度vs不可控自由度18根據(jù)自由度系統(tǒng)的分類TDOF=CDOF

Holonomic(完整)比如直升機(jī)TDOF>CDOFNonholonomic(非完整)比如汽車CDOF>TDOFRedundant(冗余)比如機(jī)械手臂3shoulder1elbow3wrist18根據(jù)自由度系統(tǒng)的分類TDOF=CDOFHolo19輪式移動(dòng)機(jī)器人主要移動(dòng)方式：輪子靜態(tài)穩(wěn)定條件：至少需要2個(gè)輪子，一般帶有3個(gè)輪子！如果超過三個(gè)輪子，會(huì)產(chǎn)生什么問題？為保持與地面的接觸，需要懸掛系統(tǒng)（suspensionisrequired）！設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要問題：輪子的類型和大小19輪式移動(dòng)機(jī)器人主要移動(dòng)方式：20四種常見的輪子類型（1）標(biāo)準(zhǔn)輪(a):速度與1個(gè)方向1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸小腳輪

(b):速度與2個(gè)方向2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸偏心軸a)b)20四種常見的輪子類型（1）標(biāo)準(zhǔn)輪(a):a)b)21四種常見的輪子類型（2）瑞典輪(c):速度與2個(gè)方向2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸滾軸球形輪(d)速度與2個(gè)方向真正的全向輪c)d)21四種常見的輪子類型（2）瑞典輪(c):c)d)22輪子的排列方式（1）兩輪排列22輪子的排列方式（1）兩輪排列23輪子的排列方式（2）三輪排列萬向驅(qū)動(dòng)同步驅(qū)動(dòng)23輪子的排列方式（2）三輪排列萬向驅(qū)動(dòng)同步驅(qū)動(dòng)24同步驅(qū)動(dòng)方案Denning-MRV224同步驅(qū)動(dòng)方案Denning-MRV225萬向驅(qū)動(dòng)方案TriboloOmnidirectionalDrivewith3SphericWheels25萬向驅(qū)動(dòng)方案Tribolo26輪子的排列方式（3）四輪排列26輪子的排列方式（3）四輪排列27輪子的排列方式（4）六輪排列27輪子的排列方式（4）六輪排列28六輪機(jī)器人SHRIMP28六輪機(jī)器人SHRIMP29機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制已知機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型/動(dòng)力學(xué)模型機(jī)器人輪子與地面之間的接觸模型要求的運(yùn)動(dòng)控制目標(biāo)

速度控制位姿控制滿足要求的控制律29機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制已知30移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型目標(biāo):機(jī)器人速度輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度導(dǎo)航角及角速度幾何參數(shù)，比如長度、寬度等前向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：

30移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型目標(biāo):31差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的兩輪機(jī)器人31差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的兩輪機(jī)器人32環(huán)境坐標(biāo)系:機(jī)器人坐標(biāo)系:機(jī)器人位置坐標(biāo):兩個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換：機(jī)器人位置的表示32環(huán)境坐標(biāo)系:機(jī)器人位置的表示33示例33示例34環(huán)境坐標(biāo)系:機(jī)器人坐標(biāo)系:機(jī)器人位姿坐標(biāo):兩個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換：機(jī)器人位置的表示34環(huán)境坐標(biāo)系:機(jī)器人位置的表示35示例35示例36運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型（1）36運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型（1）37運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型（2）37運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型（2）38軌跡跟蹤控制律設(shè)計(jì)當(dāng)Kx,Ky,Kθ

,α,

β,

均為正常數(shù)時(shí),且α+β=1

當(dāng)vd,ωd,dvd/dt,dωd/dt

有界根據(jù)38軌跡跟蹤控制律設(shè)計(jì)當(dāng)Kx,Ky,Kθ,α,β,39仿真結(jié)果—對(duì)圓的跟蹤Kx=1,Ky=1,Kθ=1,α=0.5,β=0.5

39仿真結(jié)果—對(duì)圓的跟蹤Kx=1,Ky=1,Kθ=1結(jié)束語當(dāng)你盡了自己的最大努力時(shí)，失敗也是偉大的，所以不要放棄，堅(jiān)持就是正確的。WhenYouDoYourBest,FailureIsGreat,SoDon'TGi