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机器人控制 2第五章 机器人控制5、1 机器人的基本控制原则 从控制观点看,机器人系统代表冗余的、多变量和本质上非线性的控制系统,同时又是复杂的耦合动态系统。每个控制任务本身就是一个动力学任务。机器人学基础 35、1 机器人的基本控制原则控制器分类 机器人控制器是具有多种结构形式,包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反馈控制、力(力矩)控制、基于传感器的控制、非线性控制、分解加速度控制、滑模控制、最优控制、自习惯控制、递阶控制以及各种智能控制等 。 第五章 机器人控制5、1、1 基本控制原则 45、1、1 基本控制原则5、1 机器人的基本控制原则 5、1、1 基本控制原则5主控变量 图5、1表示一台机器人的各关节控制变量。5、1 机器人的基本控制原则 6主要控制层次 图5、2表示机器人的主要控制层次。第一级:人工智能级第二级:控制模式级 第三级:伺服系统级5、1、1 基本控制原则5、1 机器人的基本控制原则 5、1、2 伺服控制系统举例液压缸伺服传动系统75、1 机器人的基本控制原则 电-液压伺服控制系统 85、1、2 伺服控制系统举例5、1 机器人的基本控制原则 9 机器人为串续连杆式机械手,其动态特性具有高度的非线性。要控制这种由马达驱动的操作机器人,用适当的数学方程式来表示其运动是十分重要的。这种数学表达式就是数学模型,或简称模型。 在设计模型时,提出下列二个假设: (1)机器人的各段是理想刚体,因而所有关节都是理想的,不存在摩擦和间隙。 (2)相邻两连杆间只有一个自由度,要么为完全旋转的,要么是完全平移的。第五章 机器人控制5、2 机器人的位置控制 105、2、1 直流传动系统的建模传递函数与等效方框图 5、2 机器人的位置控制 11直流电动机的转速调整5、2 机器人的位置控制5、2、1 直流传动系统的建模 12基本控制结构5、2、2 位置控制的基本结构5、2 机器人的位置控制 13PUMA机器人的伺服控制结构 5、2、2 位置控制的基本结构5、2 机器人的位置控制 145、2、3 单关节位置控制器位置控制系统结构5、2 机器人的位置控制 15单关节控制器的传递函数 5、2、3 单关节位置控制器5、2 机器人的位置控制 165、2 、3 单关节位置控制器5、2 机器人的位置控制 17参数确定及稳态误差 的确定关节控制器的稳态误差5、2 、3 单关节位置控制器5、2 机器人的位置控制 5、2 、4 多关节位置控制器18动态方程的拉格朗日公式各关节间的耦合与补偿耦合惯量补偿的计算5、2 机器人的位置控制 195、3 机器人的力和位置混合控制5、3、1 力和位置混合控制方案主动刚性控制 假如希望在某个方向上遇到实际约束,那么这个方向的刚性应当降低,以保证有较低的结构应力;反之,在某些不希望碰到实际约束的方向上,则应加大刚性,如此可使机械手紧紧跟随期望轨迹。因此,就能够通过改变刚性来习惯变化的作业要求。第五章 机器人控制 205、3、1 力和位置混合控制方案雷伯特-克雷格位置/力混合控制器5、3 机器人的力和位置混合控制 21雷伯特-克雷格位置/力混合控制器对R-C控制器进行如下改进:在混合控制器中考虑机械手的动态影响,并对机械手所受重力及哥氏力和向心力进行补偿; 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。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。改进后的R-C力/位置混合控制系统结构图如图5、17所示。5、3、1 力和位置混合控制方案 22雷伯特-克雷格位置/力混合控制器5、3、1 力和位置混合控制方案 235、3、1 力和位置混合控制方案操作空间力和位置混合控制系统5、3 机器人的力和位置混合控制 5、3、2 力和位置混合控制系统控制规律的综合位置控制规律系统的控制器方程为:闭环系统的动态方程:取245、3 机器人的力和位置混合控制 25力控制规律令图5、17中的位置适从选择矩阵 S=0,控制末端在基坐标系z0方向上受到反作用力。设约束表面为刚体,末端受力如图5、19所示,那么对三连杆机械手进行力控制时有力控制选择矩阵: 5、3、2 力和位置混合控制系统控制规律的综合5、3 机器人的力和位置混合控制 力控制规律闭环系统的动态方程:上式表明,关节1对力控制不起作用,关节2和3对力控制有作用。265、3、2 力和位置混合控制系统控制规律的综合 27力和位置混合控制规律设约束坐标系与基坐标系重合。假如要求作业在基坐标系的z0方向进行力控制,在某个与x