机器人的力控制解读.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * 四、 力和位置混合控制 力位混合柔顺控制，是指分别组成位置控制回路和力控制回路，通过控制律的综合实现的柔顺控制。 改进的R-C力和位置混合控制 R-C力和位置混合控制 力和位置混合控制可以划分为： * 1、 R-C力和位置混合控制 图5所示的控制方案是由Raibert和Craig于1981年提出的，称为R-C力和位置混合控制。该控制方案由两大部分组成，分别为位置/速度控制部分和力控制部分。 图5. R-C力位混合控制 * 位置/速度控制部分 由位置和速度两个通道构成。 位置通道以末端期望的笛卡尔空间位置 作为给定，位置反馈由关节位置利用运动学方程计算获得。利用雅可比矩阵，将笛卡尔空间的位姿偏差转换为关节空间的位置偏差，经过PI运算后作为关节控制力或力矩的一部分。 速度通道以末端期望的笛卡尔空间速度 作为给定，速度反馈由关节速度利用雅可比矩阵计算获得。同样地，速度通道利用雅可比矩阵，将笛卡尔空间的速度偏差转换为关节空间的速度偏差。然后，经过比例运算，其结果作为关节控制力或力矩的一部分。 为位置/速度控制部分各个分量的选择矩阵，用于对各个分量的作用大小进行选择，表现在机器人末端为各个分量的柔顺性不同。 * 位置/速度控制部分产生的关节空间力或力矩，见式（44） 其中： 为期望位置； （44） 为机器人的运动学方程，即基坐标系到末端坐标系的变换矩阵； 是位置/速度控制部分产生的关节空间力或力矩； 是雅可比矩阵； 是位置通道的积分系数； 是位置和速度通道的选择矩阵。 是关节位置矢量； 是位置通道的比例系数； 是速度通道的比例系数； 是关节位置矢量； 为期望速度； * 力控制部分 由PI和力前馈两个通道构成。 PI通道以机器人末端期望的笛卡尔空间广义力 作为给定，力反馈由力传感器测量获得。利用雅可比矩阵，将笛卡尔空间的力偏差转换为关节空间的力偏差，经过PI运算后作为关节控制力或力矩的一部分。 力前馈通道直接利用雅可比矩阵将 转换到关节空间，作为关节控制力或力矩的一部分。力前馈通道的作用是加快系统对期望力 的响应速度。 为力控制部分各个分量的选择矩阵，用于对各个分量的作用大小进行选择。 * 力控制部分产生的关节空间力或力矩，见式（45） 其中： 机器人关节空间的力或力矩是位置/速度控制部分和力控制部分产生的力或力矩之和。 （45） 为期望的机器人末端在笛卡尔空间的广义力； 为机器人末端当前的广义力； 是力控制部分产生的关节空间力或力矩； 是力通道的积分系数； 是力控制部分的选择矩阵。 是力通道的比例系数； 为测量得到的广义力； （46） * 2、改进的R-C力和位置混合控制 图5所示的力和位置混合控制方案，未考虑机械手动态耦合影响，在工作空间的某些奇异位置上出现不稳定。图6为改进的R-C力和位置混合控制方案。 图6. 改进的R-C力位混合控制 * 其改进主要体现在以下几个方面： （1）考虑机械手的动态影响，并对机械手所受的重力、哥氏力和向心力进行补偿。如图6中的 ，以及位置/速度/加速度控制部分增加的惯量矩阵 。 （2）考虑力控制系统的欠阻尼特性，在力控制回路中加入阻尼反馈，以消弱振荡因素。如图6中的 通道，其信号取自机器人的当前速度 。 （3）引入加速度前馈，以满足作业任务对加速度的要求，也可使速度平滑过渡。考虑 的时变性，对式（2-205）求一阶导数，并根据式（2-205）利用 表示 ，得到式（47）。 （47） 将式（47）中的 用 替换，经整理得到 的表达式。 * （48） 因此，加速度前馈在图6中由两个通道组成，即 和 通道。 （4）引入环境力的作用，以适应弹性目标对机器人刚度的要求。如图6中所示的 通道。 改进后的R-C力位混合控制方案由三大部分组成，分别为位置/速度/加速度控制部分、力控制部分和动态补偿部分。 * （49） 位置/速度/加速度控制部分产生的关节空间力或力矩，见式（49）。 位置/速度/加速度控制部分 由4个通道构成，分别为位置通道、速度通道、加速度前馈通道和阻尼通道。位置通道、速度通道和加速度前馈通道采用