机械手控制1

机械手的控制ControlofRoboticManipulator3.1机械人系统的构成3.2传递函数和方框图3.3PID控制3.4机械手的位置控制3.5机械手的力控制3.6其他控制方式简介机器人控制系统的特点1.机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关2.多自由度，多变量，耦合的非线性系统3.必须依靠计算机完成控制任务4.由于非线性，强耦合的数学模型，控制指令复杂5.机器人的动作方式和路径多解，因此存在最优性Robotics控制引言机器人控制分类1.设定点控制(SetpointControl)2.路径控制(PathControl)3.轨迹控制（TrajectoryControl）4.力（力矩）控制(ForceControl)Robotics控制引言点焊，安插元件喷漆，移动机器人工业机械手装配，磨削机器人机器人控制的基本单元1.电机液压驱动，气压驱动，直流伺服电机，交流伺服电机，步进电机2.减速器增加驱动力矩，降低运动速度3.驱动电路脉冲宽度调制方式驱动4.运动检测装置位置，速度，姿态,加速度5.控制系统硬件工控机，控制板卡，6.控制系统软件运动特性计算，控制指令计算Robotics控制引言Robotics控制3.1机械人系统的组成3.1.1机械人系统示意机器人的功能：①动作和运动的控制②末端操作器/手爪的轨迹和力的再现③运动状态显示、参数设定功能Robotics控制3.1机器人系统的组成3.1.2机器人框图力反馈位置反馈控制逆向运动（动力学）位置，速度，力矩Robotics控制3.2传递函数和方框图3.2.1传递函数对于给定控制输入，如何求解机器人相应的动作？τθgθθcθθM)(),()(1.数值解2.解析解计算机实现，龙格-库塔方法数值迭代方法理论分析方法，建立系统传递函数传递函数：G(S)=Y(S)/X(S)Robotics控制3.2传递函数和方框图3.2.1传递函数0CeQ10eeRi100eeeRC)()()(100sesesRCse1)()()(10TsKsesesGA1,KRCT)0(1)0(01tte)1(/0TteKe求一阶系统传递函数和阶跃响应电容电荷基尔霍夫定律Robotics控制3.2传递函数和方框图3.2.1传递函数fkxxdxm)()()()(2sfskxsdsxsxms222221)()()(nnnBssKkdsmssfsxsGkK1mkdmkn2,)0(1)0(0ttf求系统传递函数和阶跃响应增益固有频率衰减系数Robotics控制3.2传递函数和方框图3.2.1传递函数)1()1()1(121)1()}1(1{)1()1tan1sin(1112122212222tttntntnnnnneeeKteKteKx物理意义？Robotics控制3.2传递函数和方框图3.2.1传递函数mmmqDqMiKtmmbvvRidtdiLmbbqKvL=0)(mbmtmqKvRK求直流伺服电机系统传递函数运动方程式电机生成转矩基尔霍夫定律反电势令Robotics控制3.2传递函数和方框图3.2.1传递函数mmbtmtvqKKRDqKRM)1()()()()(2TssKsKKRDRMKsvsqsGbtstmmbttKKRDKKbtKKRDRMT带有积分环节的二阶系统Robotics控制3.2传递函数和方框图3.2.2方框图在各方框内写出控制元件的传递函数，并用带有信号流向的箭头线段把各方框连接起来的框图Robotics控制3.2传递函数和方框图3.2.2方框图12GGuxxyuy2121GGuuGuGuzxuyGHGryGrGHyyHyrGGey1)(Robotics控制3.2传递函数和方框图3.2.2方框图适用局限性Robotics控制3.2传递函数和方框图3.2.2方框图)1()()()()(12TssKsKKRDRMKsvsqsGbstmmRobotics控制3.3PID控制3.3.1PID控制的基本形式tDIpeKdeKeKtu0)()(tDIpeTdeTeKtu0)(1)(sTsTKsCDIp11)(Robotics控制3.3PID控制3.3.1PID控制的基本形式PID控制器的三个参数有不同的控制作用（3）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输入信号的噪声很敏感。（1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡；（2）积分控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长，限制系统的快速性；Robotics控制Robotics控制3.3PID控制3.3.1PID控制的基本形式图中为同一对象在各种不同的控制规律的作用下的过渡过程曲线。可以看出，在比例作用的基础上，加入微分作用可以减少过渡过程的最大偏差及控制时间；加入积分作用虽然能消除余差，但使过渡过程的最大偏差及控制时间增大。实际工程中PID控制仍应用广泛，其三个系数是通过调整和观察实际性能来经验地确定。Robotics控制PIPIDPPDRobotics控制3.3PID控制3.3.2实用的PID控制1.用C1和C2构造出PD和PID控制2.可以有多种PID控制结构，此处用输出x和误差e产生控制命令uRobotics控制3.3PID控制3.3.2实用的PID控制（1）微分超前型PD控制xKeKtuDP)(如何确定反馈增益？将闭环系统写成标准形式，与期望的理想模型的评价指标对比，得到反馈增益Robotics控制3.3PID控制3.3.2实用的PID控制mDPmqKeKtV)()1()(TssKsG)()1()(sVTssKsqmm)())()(()(ssqKsqsqKsVmDmmdpm)())()(()1()(ssqKsqsqKTssKsqmDmmdPm求传递函数，并写成标准形式，确定KP和KDPD控制控制对象系统输出Robotics控制3.3PID控制3.3.2实用的PID控制TKKPn2TKKDn12KTKnP2KTKnD12TKKsTKKsTKKsqsqsGPDPmdmC/}/)1{(/)()()(2传递函数2222)(nnnsssH标准传递函数只要给定了期望的角频率和阻尼，就可以确定控制器增益Robotics控制3.3PID控制3.3.2实用的PID控制（2）I-PD控制xKxKedtKtuDp1)(目的：比例环节效果有限，处理残余稳态误差问题得到三阶闭环系统)()1()(sVTssKsqmm)()())()(()(ssqKsqKsqsqsKsVmDmPmmdImRobotics控制3.3PID控制3.3.2实用的PID控制)()())()(()1()(ssqKsqKsqsqsKTssKsqmDmPmmdImTKKsTKKsTKKsTKKsqsqsGIPDImdmC//}/)1{(/)()()(233212233)(nnnnssssHTKKTKKTKKDnPnIn/)1(,/,/2213Robotics控制3.3PID控制3.3.2实用的PID控制KTKKTKKTKnDnPnI1,,2213惯性矩变化引起的驱动力变化物体重时手臂的姿势不同时Robotics控制有障碍物时路径（运动轨迹）控制Robotics控制力控制Robotics控制机械手爪与外界接触有两种极端状态：手爪位置的PID控制一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题；另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位置，可在任意方向施加力和力矩，属于力控制问题。大多数是位置/力的混合控制问题。Robotics控制Robotics控制3.4机械手的位置控制3.4.1手爪位置控制（1）使用逆运动学和关节角控制的方法机械手关节变量末端执行器正向运动学逆向运动学控制目标：给定机械手末端执行器所期望能达到的目标状态，基于测量信号，设计控制规律，按照控制规律驱动关节变量，保证末端执行器能够尽可能准确地完成任务。Robotics控制3.4机械手的位置控制3.4.1手爪位置控制（1）使用逆运动学和关节角控制的方法qDdPKqqKτ)()(1ddfrqPD控制逆运动学被控量控制量操作量反馈关节变量，可以理解为在关节空间上完成的控制任务需要实时求解机器人逆向运动学提供关节空间的目标值Robotics控制3.4机械手的位置控制3.4.1手爪位置控制（2）注重静力学关系的方法FJτTrKrrKFdDp)(rrdtd)(qfr反馈末端执行器变量，可以理解为在空间坐标上完成的控制任务需要实时计算机器人正向运动学和雅克比矩阵PD控制正运动学静力学关系静力学实现力向关节空间的折算得到实际的空间坐标Robotics控制3.4机械手的位置控制3.4.2动态控制问题：什么时候采用基于机器人运动学模型的控制？什么时候需要考虑动力学模型设计控制器？质量轻，惯性小，速度低，考虑运动学足够质量重，惯性大，速度高，负载变化剧烈，必须考虑动力学Robotics控制3.4机械手的位置控制3.4.2动态控制f),()(qqhqqMfτqqhuqMτˆ),(ˆ)(ˆ)()(qqKqqKqudPdDd考虑动力学模型的控制τθgθθcθθM)(),()(线性化补偿器伺服补偿器动力学模型Robotics控制3.4机械手的位置控制3.4.2动态控制uqnnuuqq11qqeeKeKedPD,0),,(),2,,2(21211diagdiagPnDKKTnee,,1e按照上图fτqqhuqMτ),()(ffu),()(),()(qqhqMqqhqqM代入动力学得到线性化模型代入伺服补偿器，得到闭环误差方程Robotics控制3.4机械手的位置控制3.4.2动态控制说明;1.在理想条件下，可以得到标准的二阶线性闭环系统，可以保证闭环系统误差收敛到0。2.实际参数难于精确获得，摩擦力不可能精确补偿，因此存在控制误差3.如何对误差进行补偿？在伺服补偿器中加入积分环节采用高级控制方法，如自适应控制，鲁棒控制，智能控制等Robotics控制3.5机械手的力控制引言：焊接，喷涂，清洁工作：位置控制切削，磨削，装配工作：阻抗（柔顺）控制（ImpedanceControl）把力偏差信号加入位置反馈控制环节，实现力的控制对一个被约束的机械手进行控制，要比一般机械手的控制更为复杂与困难，这是因为:Robotics控制3.5机械手的力控制1.约束使自由度减少，以至再不能规定末端的任意运动（路径有约束）2.约束给手臂施加一个反作用力，必须对这个力进行有效的控制，以免它任意增大，甚至损坏机械手或与其接触的表面（对相互作用力进行约束）3.需要同时对机械手的位置和所受约束反力进行控制（双重任务）Robotics控制3.5机械手的力控制3.5.1单自由度机械系统的阻抗控制控制目标：在有外力施加的情况下，控制机械手让其表现出期望的阻尼（阻