机器人控制.ppt
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1、 1于薇薇西北工业大学 机电学院机器人控制一、概述一、概述控控制制是是机机器器人人技技术术中中的的一一个个关关键键问问题题,而而控控制制系系统统的性能则是机器人发展水平一个重要标志。的性能则是机器人发展水平一个重要标志。机机器器人人控控制制是是控控制制领领域域的的一一个个子子集集,一一个个独独具具特特色色的的子集。子集。机机器器人人控控制制系系统统是是一一个个与与机机构构学学、运运动动学学和和动动力力学学原原理理密密切切相相关关的的、耦耦合合紧紧密密的的、非非线线性性和和时时变变的的多多变量控制系统。变量控制系统。机器人控制系统一般由计算机和伺服控制器组成。机器人控制系统一般由计算机和伺服控制
2、器组成。2工业机器人控制系统工作过程工业机器人控制系统工作过程 3 机器人控制过程示意图机器人控制过程示意图 内内部部反反馈馈根据外界环境确定任务根据外界环境确定任务确定运动轨迹(点动或轨迹)确定运动轨迹(点动或轨迹)计算目标任务在笛卡尔空间的位姿计算目标任务在笛卡尔空间的位姿任务执行任务执行电机的伺服控制电机的伺服控制转换为电机的给定值转换为电机的给定值转换为关节空间角度转换为关节空间角度外外部部反反馈馈作作业业控控制制器器组组织织层层伺伺服服控控制制器器执执行行层层运运动动控控制制器器协协调调层层(1)人工智能级)人工智能级组织层组织层作业控制器作业控制器 (2)控制模式级)控制模式级协调
3、层协调层运动控制器运动控制器 (3)伺服系统级)伺服系统级执行层执行层驱动控制器驱动控制器 几种不同的称谓几种不同的称谓 4 机器人控制系统在物理上分为两级:工控机与机器人控制系统在物理上分为两级:工控机与伺服控制器,但在逻辑上一般分为三级(层):伺服控制器,但在逻辑上一般分为三级(层):5作业控制器作业控制器驱动控制器驱动控制器3驱动控制器驱动控制器1驱动控制器驱动控制器2驱动控制器驱动控制器4运动控制器运动控制器机器人本体机器人本体 机器人控制系统的构成机器人控制系统的构成分析各层(级)的关系与区别分析各层(级)的关系与区别 知识粒度知识粒度 数据处理数据处理 功能类别功能类别作业控制级作
4、业控制级 粗粗 模糊模糊 决策决策运动控制级运动控制级 中中 精确精确 任务分解任务分解驱动控制级驱动控制级 细细 精确精确 控制控制 通过分层递阶的组织形式才能完成复杂任务通过分层递阶的组织形式才能完成复杂任务 6工业机器人典型控制方式工业机器人典型控制方式 点位式(点位式(PTP,point to point)实现点的位置控制,而点与点之间的轨迹却无关紧要。如自动插实现点的位置控制,而点与点之间的轨迹却无关紧要。如自动插件机,在贴片机上安插元件,点焊、搬运、装配等。件机,在贴片机上安插元件,点焊、搬运、装配等。轨迹式轨迹式 (CP,continuous path)指定点与点之间的运动轨迹为
5、所要求的曲线,如直线或圆弧。在指定点与点之间的运动轨迹为所要求的曲线,如直线或圆弧。在进行弧焊、喷漆、切割等作业时十分必要。进行弧焊、喷漆、切割等作业时十分必要。速度控制方式速度控制方式 对于机器人的行程要求遵循一定的速度变化曲线。对于机器人的行程要求遵循一定的速度变化曲线。力(力矩)控制方式力(力矩)控制方式 要求对末端施加在对象上的力进行控制,如抓放操作、去毛刺、要求对末端施加在对象上的力进行控制,如抓放操作、去毛刺、研磨和组装等作业。研磨和组装等作业。智能控制方式智能控制方式 在不确定或未知条件下作业,通过传感器,内部的知识库,自主在不确定或未知条件下作业,通过传感器,内部的知识库,自主
6、完成给定任务。完成给定任务。7机器人控制的特点机器人控制的特点 与机构学、运动学及动力学密切相关。与机构学、运动学及动力学密切相关。描述机器人状态和运动的数学模型是一个具有时变结构和描述机器人状态和运动的数学模型是一个具有时变结构和参数的非线性模型,各关节变量之间存在紧密耦合。参数的非线性模型,各关节变量之间存在紧密耦合。一个简单的机器人至少也有一个简单的机器人至少也有3-53-5个自由度,于是机器人控个自由度,于是机器人控制系统必须是一个计算机控制的多级递阶控制系统。制系统必须是一个计算机控制的多级递阶控制系统。机器人的动作常常可以通过不同的方式和路径来完成,手机器人的动作常常可以通过不同的
7、方式和路径来完成,手臂解不唯一,这样便要处理在一定约束条件下的优化决策臂解不唯一,这样便要处理在一定约束条件下的优化决策与控制问题。与控制问题。伺服系统要求较高的位置精度,较大的调速范围,各关节伺服系统要求较高的位置精度,较大的调速范围,各关节的速度误差系数应尽量一致的速度误差系数应尽量一致。系统的静差率要小,位置无超调,动态响应尽量快。系统的静差率要小,位置无超调,动态响应尽量快。8常用伺服控制策略常用伺服控制策略 各种各种PID PID 控制方式控制方式 PID 控制是将偏差的比例控制是将偏差的比例(P)、)、积分积分(I)和微分)和微分(D)通通过线性组合构成控制量,算法简单,鲁棒性好,
8、可靠性高;过线性组合构成控制量,算法简单,鲁棒性好,可靠性高;但反馈增益是常量但反馈增益是常量 ,它不能在有效载荷变化的情况下改变它不能在有效载荷变化的情况下改变反馈增益。反馈增益。最优控制(最优控制(Optimal ControlOptimal Control)基于某种性能指标的极大(小)控制,称之为最优控制。在基于某种性能指标的极大(小)控制,称之为最优控制。在高速机器人中,除了选择最佳路径外,还普遍采用最短时间高速机器人中,除了选择最佳路径外,还普遍采用最短时间控制,即所谓控制,即所谓“砰砰砰砰”控制。控制。9常用伺服控制策略常用伺服控制策略(续续)自适应控制自适应控制 自适应控制则是根
9、据系统运行的状态,自动补偿模自适应控制则是根据系统运行的状态,自动补偿模型中各不确定因素,从而显著改善机器人的性能。型中各不确定因素,从而显著改善机器人的性能。分为模型参考自适应控制器、自校正自适应控制器分为模型参考自适应控制器、自校正自适应控制器和线性摄动自适应控制等和线性摄动自适应控制等 。解耦控制解耦控制 机器人各自由度之间存在着耦合,即某处的运动对机器人各自由度之间存在着耦合,即某处的运动对另一处的运动有影响。在耦合严重的情况下,必须另一处的运动有影响。在耦合严重的情况下,必须考虑一些解耦措施。考虑一些解耦措施。10各种先进控制策略各种先进控制策略 模糊控制模糊控制 通常的模糊控制是借
10、助熟练操作者经验,通过通常的模糊控制是借助熟练操作者经验,通过“语言语言变量变量”表述和模糊推理来实现的无模型控制。表述和模糊推理来实现的无模型控制。神经控制神经控制人工神经网络控制人工神经网络控制 神经控制便是由神经网络组成的控制系统结构。神经控制便是由神经网络组成的控制系统结构。鲁棒控制鲁棒控制 鲁鲁棒棒控控制制的的基基本本特特征征,是是用用一一个个结结构构和和参参数数都都是是固固定定不不变变的的控控制制器器,来来保保证证即即使使不不确确定定性性对对系系统统的的性性能能品品质影响最恶劣的时候也能满足设计要求。质影响最恶劣的时候也能满足设计要求。11各种先进控制策略各种先进控制策略(续续)滑
11、模控制滑模控制 滑滑模模变变结结构构控控制制系系统统的的特特点点是是:在在动动态态控控制制过过程程中中,系系统统的的结结构构根根据据系系统统当当时时的的状状态态偏偏差差及及其其各各阶阶导导数数值值,以以跃跃变变的的方方式式按按设设定定的的规规律律作作相相应应改改变变,该该类类控控制制系系统统预预先先在在状状态态空空间间设设定定一一个个特特殊殊的的超超越越曲曲面面,由由不不连连续续的的控控制制规规律律,不不断断变变换换控控制制系系统统结结构构,使使其其沿沿着着这这个个特特定定的的超超越越曲曲面面向向平平衡衡点点滑滑动动,最最后后渐渐近近稳稳定定至至平平衡点。衡点。学习控制学习控制 产产生生自自主
12、主运运动动的的认认知知控控制制系系统统,包包括括感感知知层层、数数据据处处理理层层、概概念念产产生生层层、目目标标感感知知层层、控控制制知知识识数数据据库库、结论产生层等。结论产生层等。12 13 机器人学习控制系统结构图机器人学习控制系统结构图传感器层传感器层数据处理层数据处理层存储层存储层控制层控制层执行层执行层感知部分感知部分认知部分认知部分外部世界外部世界机器人控制问题 机器人的动力学方程通式: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。其中:为广义关节向量,为驱动力矩向量。142024/6/17 周一机器人控制问题 机器人动力学的特点:1)、非线性:引起
13、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。152024/6/17 周一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。5162024/6/17 周一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。172024/6/
14、17 周一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(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)。18山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02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。192024/6/17 周一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
15、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。202024/6/17 周一机器人控制问题一种控制方案:单轴开环控制InvKinXdcontroljoint1q1q1controljoint1q2q2controljoint1qnqnq1)动力学模型的不完全。2)噪声、干扰的存在。212024/6/17 周一机器人控制问题另一种方案(半闭环):J-1Xdcontroljoint1q1q1controljoint1q2q2controljoint1qnqnqForwardKinematicsx-xq从关节传感器引回反馈,构成反馈控制系统。222024/6/17 周一机器人控
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