第18讲(机器人学)分解运动控制20100810.pptVIP

Chapt.16 机器人的分解运动控制 内容提要 §16.1 分解运动控制原理 分解运动控制原理 §16.2 分解运动速度控制 分解运动速度控制 §16.3 分解运动加速度控制 分解运动加速度控制 §16.4 分解运动力控制 分解运动力控制 分解运动力控制 小 结 * * 张建瓴 在实际运行中，机器人和机械手的各个关节不是独立运动的，而是协调运动的，即对各关节以协调的位置和速度进行控制。 这就有必要研究机器人的分解运动控制问题，包括分解运动速度控制、分解运动加速度控制和分解运动力（或力矩）控制。 分解运动意味着各关节马达联合运动，并分解为沿各笛卡儿坐标轴的独立可控运动。这就要求几个关节的驱动马达必须以不同的时变速度同时运行，以便实现沿各坐标轴方向的所要求的协调运动。 分解运动控制能够很大地简化为完成某个任务而对运动顺序提出的技术要求。 一般机械手的期望运动是按照抓手（夹手）以笛卡儿坐标表示的轨迹来规定的，而伺服控制系统却要求参考输入按关节坐标指定。 需要分析和求得关节坐标系与笛卡儿坐标系之间的运动学关系，并用来研究本节后续部分，即为各种分解运动提供控制方法，并求出机械手夹手在笛卡儿坐标系中运动时的分解运动方程。 分解运动速度控制（RMRC，resolved motion rate control）意味着各关节马达的运动联合进行，并以不同的速度同时运行，以保证夹手沿笛卡儿坐标轴稳定运动。 分解运动速度控制先把期望的夹手（或其他末端工具）运动分解为各关节的期望速度，然后对各关节实行速度伺服控制。 如图表示一个分解运动速度控制的方框图。 分解运动加速度控制（RMAC，resolved motion acceleration control）把分解运动速度控制的概念扩展以包括加速度控制。 对于直接涉及机械手位置和方向的位置控制问题，这是一个可供选择的替代方案。 分解运动加速度控制首先计算出工具的控制加速度，然后把它分解为相应的各关节加速度，再按照动力学方程计算出控制力矩。 如图为一种分解运动加速度控制的方案框图。 分解运动力控制（RMFC，resolved motion force control）的概念是要确定加于机械手各关节驱动器的控制力矩，使机械手的夹手或工具执行期望的笛卡儿位置控制。 优点在于：它不是以机械手复杂的动力学运动方程为基础的，而仍然具有补偿手臂结构变化、连杆重力和内摩擦的能力。 分解运动力控制是建立在分解力矢量F（由腕力传感器获得）和关节驱动器的关节力矩τ之间关系的基础上的。该控制技术由笛卡儿位置控制和力收敛控制构成。 位置控制计算出加于末端执行器（工具）的期望力和力矩，以便跟踪某个期望的笛卡儿轨迹。力收敛控制确定每个驱动器需要的关节力矩，使末端执行器（工具）能够维持由位置控制得到的期望力和力矩。 如图表示出一个RMFC的控制系统框图。 在阐明分解运动控制原理的基础上，探讨了机器人的分解运动速度控制、分解运动加速度控制和分解运动力控制。 分解运动把机器人的运动分解为沿各笛卡儿坐标轴的独立运动，各运动间以不同速度协调运行。它们之间的位姿关系，由4×4齐次矩阵表示，并进一步推导机械手夹手和关节的线速度矢量、角速度矢量以及加速度矢量的运动方程。 对分解运动速度控制、加速度控制和力控制，逐一研究了系统控制框图和动力学关系。 * *