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第九讲 机器人控制理论与技术 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第一页，共四十页，2022年，8月28日 4.1 机器人控制问题 4.1.1 前 言 何为是机器人控制问题？ 根据具体的性能指标和要求，基于机器人运动学和动力学模型，设计其控制系统及控制算法，使机器人能按要求正常工作的理论与技术方法。 机器人控制技术的内容： 机器人轨迹控制。 机器人力控制（柔顺控制）。 机器人分解、协调控制。 机器人高级智能动态控制。 多机器人协调控制。 等。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第二页，共四十页，2022年，8月28日 称 为惯量矩阵， 是离心力、科氏力向量， 为黏性摩擦系数矩阵， 为重力项的向量。 4.1 机器人控制问题 机器人的动力学方程通式： 其中： 为广义关节向量， 为驱动力矩向量。 3 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第三页，共四十页，2022年，8月28日 4.1 机器人控制问题 机器人动力学的特点： 1）、非线性：引起非线性的因数很多，如：机构构型、传动机构、驱动机构等。 2）、强耦合：某一关节的运动，会对其他关节产生动力效应，使得每个关节都要承受其他关节运动所产生的扰动。 3）、时变：动力学参数随关节运动位置的改变而变化。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第四页，共四十页，2022年，8月28日 4.1 机器人控制问题 基本控制原则： 1）、尽可能使问题简化。 2）、将复杂的总体系统控制问题尽可能简化为多个低阶子系统的控制问题。 3）、一般情况下，机器人的基本控制技术可归结为单关节控制技术和多关节控制技术，前者需要考虑误差补偿问题，后者可考虑耦合作用的补偿。 5 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第五页，共四十页，2022年，8月28日 4.1 机器人控制问题 控制任务：机器人以指定的速度、精度、运动轨迹抓取物体。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第六页，共四十页，2022年，8月28日 4.1 机器人控制问题 规划末端执行器的运动轨迹X(t)。 计算机器人关节向量θ(t)。 计算控制关节力矩C(t)。 控制电流或电压V(t)。 电动机输出力矩T(t)。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第七页，共四十页，2022年，8月28日 4.1 机器人控制问题 4.1.2 控制系统组成结构 机器人控制系统可分为四部分： 1）机器人工作任务，即给定值。 2）机器人本体，即被控对象。 3）机器人控制器，它是控制系统的核心部分。 4）机器人感知器，即传感器。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第八页，共四十页，2022年，8月28日 4.1 机器人控制问题 机器人控制系统硬件：一般包括三部分： 1）感知部分， 2）控制装置：基于高性能微处理器，多处理器技术。 3）伺服驱动部分。 机器人控制系统软件： 实时多任务操作系统。 机器人控制算法。 机器人的控制需基于计算机控制理论与技术。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第九页，共四十页，2022年，8月28日 4.1 机器人控制问题 一种控制方案：单轴开环控制 Inv Kin Xd control joint1 q1 δq1 control joint1 q2 δq2 control joint1 qn δqn q 1）动力学模型的不完全。 2）噪声、干扰的存在。 10 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第十页，共四十页，2022年，8月28日 4.1 机器人控制问题 另一种方案（半闭环）： J-1 Xd control joint1 q1 δq1 control joint1 q2 δq2 control joint1 qn δqn q Forward Kinematics x - δx δq 从关节传感器引回反馈，构成反馈控制系统。 山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02 第十一页，共四十页，2022年，8月28日 4.1 机器人控制问题 4.1.3 控制性能要求 考虑到机器人的多变量、时变、非线性、强耦合以及建模困难、干扰因数多等特点，必须根据实际工作的要求提出合理可行的控制性能指标。除一般的控制性能指标外，机器人通常注重如下控制