工業(yè)機(jī)器人的常用控制方法.ppt

,7.9 機(jī)器人力控制,一、機(jī)器人的力與力控制種類(lèi),1、外力/力矩與廣義力的關(guān)系,典型的腕力傳感器及其在機(jī)械手中的位置,機(jī)器人與環(huán)境間的交互作用將產(chǎn)生作用于機(jī)器人末端手爪或工具的力和力矩?？梢圆捎猛罅鞲衅鬟M(jìn)行測(cè)量。,7.9 機(jī)器人力控制,用 表示機(jī)器人末端受到的外力和外力矩向量。設(shè)驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)各關(guān)節(jié)施加的關(guān)節(jié)力矩是 ，廣義力可以通過(guò)計(jì)算這些力所做的虛功來(lái)得到。設(shè) 為末端虛位移 ， 為關(guān)節(jié)虛位移，滿足：,產(chǎn)生的虛功為：,在外力 F 作用下，廣義坐標(biāo) 對(duì)應(yīng)廣義力可表示為：,1、單自由度剛性控制,假設(shè)機(jī)械手與環(huán)境在xE 點(diǎn)接觸，若機(jī)械手的末端位置x xE ，則施加于環(huán)境的力為：,其中 為環(huán)境的剛度。,整個(gè)系統(tǒng)滿足以下方程：,其中 為輸入力。若 如圖所示，采用以下PD控制,二、阻尼力控制,2、機(jī)械手的阻抗控制,若增益為正則系統(tǒng)穩(wěn)定，在穩(wěn)態(tài)作用于環(huán)境的力為,若環(huán)境的剛性很大，則fe 可近似為,對(duì)于n自由度的機(jī)械手，可用以下方法實(shí)現(xiàn)阻抗控制。定義柔順坐標(biāo)系 ，給出沿每個(gè)自由度的理想剛性，這可以用66的對(duì)角矩陣KX 表示，其對(duì)角元為表示線性和扭轉(zhuǎn)剛性的剛度常數(shù)。給定KX ，則對(duì)應(yīng)虛位移 的理想恢復(fù)力可表示為,若用 表示相應(yīng)的關(guān)節(jié)虛位移，則有,所需關(guān)節(jié)力矩,聯(lián)合以上方程得：,其中依賴(lài)于位形的矩陣 稱(chēng)為關(guān)節(jié)剛性矩陣， 一般不是對(duì)角矩陣。當(dāng) 為降秩矩陣時(shí)，說(shuō)明機(jī)械手處于奇異狀態(tài)，這時(shí)在某些方向機(jī)械手不能運(yùn)動(dòng)，因而在這些方向的剛性不能控制。,為了使系統(tǒng)具有理想的動(dòng)態(tài)相應(yīng)性能，還應(yīng)提供一定的阻尼。同時(shí)考慮對(duì)重力矩的補(bǔ)償，實(shí)際的關(guān)節(jié)控制力矩可取為：,其中 ； ； 為在工作空間表示的阻尼矩陣。,這里所有的量均表示在任務(wù)空間，控制律也可以表示為：,其中,阻尼力控制其特點(diǎn)是不直接控制機(jī)器人與環(huán)境的作用力, 而是根據(jù)機(jī)器人端部的位置(或速度) 和端部作用力之間的關(guān)系, 通過(guò)調(diào)整反饋位置誤差、速度誤差或剛度來(lái)達(dá)到控制力的目的, 此時(shí)接觸過(guò)程的彈性變形尤為重要。 這類(lèi)力控制不外乎基于位置和速度的兩種基本形式。當(dāng)把力反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為位置調(diào)整量時(shí)，這種力控制稱(chēng)為剛度控制；當(dāng)把力反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度修正量時(shí)，這種力控制稱(chēng)為阻尼控制；當(dāng)把力反饋信號(hào)同時(shí)轉(zhuǎn)換為位置和速度的修正量時(shí)，即為阻抗控制。,左圖為阻抗控制結(jié)構(gòu)，其核心為力矩運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換矩陣K設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)修正矩陣 ；從力控制角度，希望K陣中元素越大越好，則系統(tǒng)柔一些；從位置控制角度，希望K中元素越小越好，則系統(tǒng)剛一些。,7.9 機(jī)器人力控制,被動(dòng)柔順 被動(dòng)柔順裝置具有響應(yīng)快、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但它的應(yīng)用受到一定的限制，缺乏靈活性。 主動(dòng)柔順 主動(dòng)柔順是通過(guò)控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)于不同的任務(wù)，可以通過(guò)改變控制算法來(lái)獲得所需要的柔順功能。主動(dòng)柔順具有更大的靈活性，但由于柔順性是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的，因而響應(yīng)不如被動(dòng)柔順迅速。,三、相互力控制,7.9 機(jī)器人力控制,對(duì)于需要進(jìn)行柔順控制的作業(yè)任務(wù)，在完成任務(wù)的整個(gè)過(guò)程中，往往需要根據(jù)任務(wù)的不同階段采用不同的控制策略。以銷(xiāo)釘插孔（插軸入孔）的任務(wù)為例，下圖表示了該任務(wù)操作過(guò)程的四個(gè)階段。每個(gè)階段包含了不同的約束情況，因而需采用不同的控制策略。,7.9 機(jī)器人力控制,實(shí)現(xiàn)柔順控制的方法主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是阻抗控制，一類(lèi)是力和位置的混合控制(動(dòng)態(tài)混合控制)。 阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而是通過(guò)控制力和位置之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系實(shí)現(xiàn)柔順控制。這樣的動(dòng)態(tài)關(guān)系類(lèi)似于電路中的阻抗概念，因而稱(chēng)為阻抗控制。在機(jī)械手末端施加一個(gè)作用力，相應(yīng)地便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)動(dòng)(如速度)。如果只考慮靜態(tài)，力和位置之間的關(guān)系可以用剛性矩陣描述。如果考慮力和速度之間的關(guān)系，可以用粘滯阻尼矩陣來(lái)描述。因此阻抗控制，就是通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ箼C(jī)械手末端呈現(xiàn)需要的剛性和阻尼。 動(dòng)態(tài)混合控制的基本思想是在柔順坐標(biāo)空間將任務(wù)分解為沿某些自由度的位置控制和沿另一些自由度的力控制，并在該空間分別進(jìn)行位置控制和力控制的計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間合并為統(tǒng)一的關(guān)節(jié)控制力矩，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以實(shí)現(xiàn)所需要的柔順功能。,7.10 機(jī)器人行為控制,一、機(jī)器人行為種類(lèi)： 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航 自主移動(dòng)機(jī)器人 機(jī)器人視覺(jué)行為 基于主動(dòng)視覺(jué)機(jī)器人行為控制實(shí)現(xiàn),7.10 機(jī)器人行為控制,二、機(jī)器人行為控制方式 1、移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航 移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分為：基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航、基于各種導(dǎo)航信號(hào)的陸標(biāo)導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航和味覺(jué)導(dǎo)航等。 2、自主移動(dòng)機(jī)器人的控制方法 傳統(tǒng)的基于認(rèn)識(shí)模型的功能規(guī)劃法 自頂向下的研究方法 將系統(tǒng)按照功能劃分成不同的模塊，即感知一建模一規(guī)劃一行動(dòng)，分別進(jìn)行研究，是一條從感知到動(dòng)作的串行功能分解控制路線。,感知一規(guī)劃一行動(dòng)的模型,7.10 機(jī)器人行為控制,三、基于行為的控制方法 包容式結(jié)構(gòu) 自底向上 將系統(tǒng)按照行為劃分成不同的層次，即感知一行動(dòng)，相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行研究。即將復(fù)雜的任務(wù)分解成很多簡(jiǎn)單的可以并發(fā)執(zhí)行的單元，每個(gè)單元有其自己的感知器和執(zhí)行器，構(gòu)成感知?jiǎng)幼餍袨椤６鄠€(gè)行為相互耦合構(gòu)成層次模型，它們通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)與仲裁產(chǎn)生抑制、禁止和激活信息協(xié)調(diào)彼此的動(dòng)作。,包容式結(jié)構(gòu),層次模型,7.10 機(jī)器人行為控制,四、基于行為機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 視覺(jué)系統(tǒng)的初始化，包括硬件設(shè)備(CCD攝像頭和圖像采集卡)的初始化及各種初始信息的輸入調(diào)整； 圖像采集模塊，采集數(shù)字圖像到計(jì)算機(jī)顯存和內(nèi)存； 圖像處理模塊主要是對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行分割，優(yōu)化圖像質(zhì)量，獲得視野中物體數(shù)目并對(duì)每個(gè)物體作標(biāo)記； 圖像匹配模塊是根據(jù)己知目標(biāo)物體的信息與當(dāng)前圖像中的物體逐個(gè)匹配，找出目標(biāo)并計(jì)算它在機(jī)器人視野中的位置； 攝像頭控制模塊把上一步得到的目標(biāo)位置信息轉(zhuǎn)化成攝像頭的控制命令送到攝像頭。,7.10 機(jī)器人行為控制,RIRA-ROBOT 基于行為機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成,7.10 機(jī)器人行為控制,五、基于主動(dòng)視覺(jué)機(jī)器人行為控制實(shí)現(xiàn),RIRA-ROBOT基于行為機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,7.11 機(jī)器人智能控制,一、智能控制的特點(diǎn) 以控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，擴(kuò)展了相關(guān)的理論和技術(shù)，其中應(yīng)用較多的有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家系統(tǒng)、遺傳算法等理論和自適應(yīng)控制、自組織控制、(自)學(xué)習(xí)控制等技術(shù)。 研究?jī)?nèi)容之一就是把智能控制的相關(guān)技術(shù)與控制方式結(jié)合或綜合交叉結(jié)合，構(gòu)成風(fēng)格和功能各異的智能控制系統(tǒng)和智能控制器。,7.11 機(jī)器人智能控制,二、特點(diǎn)分析 適用于不確定的或難定義的過(guò)程控制、復(fù)雜的非線性被控對(duì)象控制、隨時(shí)間變化的過(guò)程控制等。 利用自適應(yīng)、自組織、(自)學(xué)習(xí)等方式來(lái)提高系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化控制。 能綜合交叉各種技術(shù)，使智能控制系統(tǒng)和智能控制器設(shè)計(jì)形式日益多樣化和智能控制技術(shù)應(yīng)用范圍日益廣泛化。,7.11 機(jī)器人智能控制,智能控制可以像傳統(tǒng)控制理論分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性一樣，描述系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的能控和能觀性、系統(tǒng)的最優(yōu)控制(即嫡函數(shù)和能量函數(shù)的描述)、系統(tǒng)的復(fù)雜性等。與傳統(tǒng)控制理論不同的是智能控制對(duì)復(fù)雜知識(shí)系統(tǒng)的有關(guān)理論分析的描述目前還缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。,7.11 機(jī)器人智能控制,三、智能控制的主要方式,智能控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),7.11 機(jī)器人智能控制,分層遞階智能控制結(jié)構(gòu),對(duì)不同用途的智能控制系統(tǒng)，以上各部分的形式和功能可能存在較大的差異。薩里迪斯提出了智能控制系統(tǒng)的分層遞階的組成結(jié)構(gòu)形式 對(duì)控制來(lái)講，自上而下控制精度愈來(lái)愈高； 對(duì)識(shí)別來(lái)講，自下而上信息回饋愈來(lái)愈粗略。,7.11 機(jī)器人智能控制,智能控制的多學(xué)科交叉,7.11 機(jī)器人智能控制,智能控制系統(tǒng)所包含的理論內(nèi)容： 1、 自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)控制； 2、 知識(shí)工程； 3、 信息熵； 4、 Petri 網(wǎng)；