《工業(yè)機器人》?精品課件合集第八章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)

8.1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)概述8.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成及分類8.3工業(yè)機器人的控制方法與策略8.4工業(yè)機器人的位置控制8.5工業(yè)機器人的力控制8.6工業(yè)機器人的速度控制8.7工業(yè)機器人力-位置混合控制工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)類似于人的大腦，是工業(yè)機器人的指揮系統(tǒng)，它控制驅動系統(tǒng)使執(zhí)行機構按照要求工作，因此，控制系統(tǒng)的性能直接影響機器人的整體性能。8.1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)概述8.1.1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本原理為了使機器人能夠按照要求去完成特定的作業(yè)任務，需要以下四個過程：（1）示教過程。（2）計算與控制。（3）伺服驅動。（4）傳感與檢測。8.1.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點工業(yè)機器人控制系統(tǒng)有如下特點：（1）傳統(tǒng)的自動機械是以自身的動作為重點，而工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對象的相互關系。無論多么高的精度控制手臂，機器人必須能夾持并操作物體到達目的位置。8.1.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點工業(yè)機器人控制系統(tǒng)有如下特點：（1）傳統(tǒng)的自動機械是以自身的動作為重點，而工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對象的相互關系。無論多么高的精度控制手臂，機器人必須能夾持并操作物體到達目的位置。（2）工業(yè)機器人的控制與機構運動學及動力學密切相關。機器人手足的狀態(tài)可以在各種坐標下描述，且能根據(jù)需要選擇不同的基準坐標系，并做適當?shù)淖鴺俗儞Q。經(jīng)常需要求解運動學中的正、逆問題。除此之外，還要考慮慣性、外力（包括重力）及哥氏力、向心力的影響。8.1.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點工業(yè)機器人控制系統(tǒng)有如下特點：（1）傳統(tǒng)的自動機械是以自身的動作為重點，而工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對象的相互關系。無論多么高的精度控制手臂，機器人必須能夾持并操作物體到達目的位置。（2）工業(yè)機器人的控制與機構運動學及動力學密切相關。機器人手足的狀態(tài)可以在各種坐標下描述，且能根據(jù)需要選擇不同的基準坐標系，并做適當?shù)淖鴺俗儞Q。經(jīng)常需要求解運動學中的正、逆問題。除此之外，還要考慮慣性、外力（包括重力）及哥氏力、向心力的影響。（3）即便一個簡單的工業(yè)機器人，至少也有3～5個自由度。每個自由度一般包含一個伺服機構，它們必須協(xié)調起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。（4）描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學模型是一個非線性模型，隨著狀態(tài)的不同和外力的變化，其參數(shù)也在變化。各變量之間還存在耦合。因此，不僅要利用位置閉環(huán)，還要利用速度甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中經(jīng)常使用重力補償、解耦和基于傳感信息的控制盒最優(yōu)PID控制等方法。8.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成及分類8.2.1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)一般分為上、下兩個控制層次：上級為組織級，下級為實時控制級。一個完整的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)包括以下幾部分：（1）控制計算機。它是控制系統(tǒng)的調度指揮機構。（2）示教盒。它用來示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設定，以及一些人機相互操作，擁有獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間實現(xiàn)信息交互。（3）操作面板。它由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構成，只完成基本功能操作。（4）硬盤和存儲機器人工作程序的外部存儲器。（5）數(shù)字和模擬量的輸入和輸出，各種狀態(tài)和控制命令的輸入和輸出。（6）打印機接口。它記錄需要輸出的各種信息。（7）傳感器接口。它用于信息的自動檢測，實現(xiàn)機器人柔順控制。（8）軸控制器。它一般包括各關節(jié)的伺服控制器，完成機器人各關節(jié)位置、速度和加速度控制。（9）輔助設備控制。它主要用于和機器人配合的輔助設備控制。（10）通信接口。它主要實現(xiàn)機器人和其他設備的信息交換。不同類型的控制系統(tǒng)，其組成情況也不相同。圖

8.1

所示為非伺服控制系統(tǒng)。圖

8.2

所示為伺服控制系統(tǒng)。（a）開環(huán)非伺服型（b）帶開關反饋的非伺服型圖8.1非伺服控制系統(tǒng)（a）閉環(huán)伺服型（b）智能機器人控制系統(tǒng)圖8.2伺服控制系統(tǒng)8.2.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的分類工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的分類，沒有統(tǒng)一的標準。按照運動坐標控制的方式，可以分為關節(jié)空間運動控制和直角坐標空間運動控制；按照控制系統(tǒng)對工作環(huán)境變化的適應度，可以分為程序控制系統(tǒng)、適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)；按照同時控制機器人的數(shù)目，可以分為單控制系統(tǒng)和群控制系統(tǒng)。除此之外，通常按照運動控制方式，可以分為位置控制、速度控制和力控制三類。8.3工業(yè)機器人的控制方法和策略常用的控制策略，如變結構控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自適應控制和魯棒控制。各種控制策略的應用范圍不同，如變結構控制使控制帶寬和控制精度達到最優(yōu)折中，自適應控制補償參數(shù)不確定性，魯棒控制補償非參數(shù)不確定性，神經(jīng)網(wǎng)絡技術成功應用于各種機器人的運動規(guī)劃、模糊控制、簡化控制算法等。8.3.1變結構控制20世紀60年代，蘇聯(lián)學者Emelyanov提出變結構控制。變結構控制的基本思想是先在誤差系統(tǒng)的狀態(tài)空間中找到一個超平面，使得超平面內(nèi)的所有狀態(tài)軌跡都收斂于零。然后，通過不斷切換控制器的結構，使得誤差系統(tǒng)的狀態(tài)能夠到達該平面，進而沿該平面滑向原點。8.3.2模糊控制方法模糊控制系統(tǒng)的控制對象可以是實際的閉環(huán)控制、專家系統(tǒng)或任何類型的人機系統(tǒng)，其中決策部分由近似推理完成。圖

8.3

是模糊控制系統(tǒng)結構圖。由圖可見，模糊控制器由模糊產(chǎn)生器、知識庫、模糊邏輯決策及模糊消除器組成。圖8.3模糊控制系統(tǒng)結構圖8.3.3神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡對生物神經(jīng)網(wǎng)絡的模擬包括兩個方面，一是在結構和實現(xiàn)機理上進行模擬，二是從功能上進行模擬，即盡可能使人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有生物神經(jīng)網(wǎng)絡的某些功能特性，如學習、識別和控制等。在控制領域主要利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的第二類模擬功能。神經(jīng)網(wǎng)絡具有以下特性：（1）神經(jīng)網(wǎng)絡具有非線性逼近能力。由于神經(jīng)網(wǎng)絡具有任意逼近非線性映射的能力，因此，神經(jīng)網(wǎng)絡在用于非線性系統(tǒng)的過程控制時，具有更大的發(fā)展前途。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡具有并行分布處理能力。神經(jīng)網(wǎng)絡具有高效并行結構，可以對信息進行高速并行處理。（3）神經(jīng)網(wǎng)絡具有學習和自適應功能，能夠根據(jù)系統(tǒng)過去的記錄，找出輸入、輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而求得問題的答案。這一處理過程不依靠對問題的先驗知識和規(guī)則，因此，神經(jīng)網(wǎng)絡具有較好的自適應性。（4）神經(jīng)網(wǎng)絡具有數(shù)據(jù)融合能力，可以同時對定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)進行操作。（5）神經(jīng)網(wǎng)絡具有多輸入和多輸出網(wǎng)絡結構，可以處理多變量問題。（6）神經(jīng)網(wǎng)絡的并行結構便于硬件的實現(xiàn)。在上述諸多特性中，對于控制系統(tǒng)，其中最有意義的是神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性逼近能力。8.3.4自適應控制策略自適應控制的方法就是在運行過程中不斷測量受控對象的特性，根據(jù)測得的特征信息使控制系統(tǒng)按最新的特性實現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制。自適應控制主要分模型參考自適應控制（ModelReferenceAdaptiveControl，MRAC）和自校正自適應控制（Self-tuningAdaptiveControl，SAC）。1.模型參考自適應控制模型參考自適應控制器的作用是使系統(tǒng)的輸出響應趨近于某種指定的參考模型。8.3.4自適應控制策略自適應控制的方法就是在運行過程中不斷測量受控對象的特性，根據(jù)測得的特征信息使控制系統(tǒng)按最新的特性實現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制。自適應控制主要分模型參考自適應控制（ModelReferenceAdaptiveControl，MRAC）和自校正自適應控制（Self-tuningAdaptiveControl，SAC）。1.模型參考自適應控制模型參考自適應控制器的作用是使系統(tǒng)的輸出響應趨近于某種指定的參考模型。2.自校正自適應控制機器人自校正自適應控制是把機器人狀態(tài)方程在目標軌跡附近線性化，形成離散攝動方程，用遞推最小二乘法辨識攝動方程中的系統(tǒng)參數(shù)，并在每個采樣周期更新和調整線性化系統(tǒng)的參數(shù)和反饋增益，以確定所需的控制力。自校正控制器的設計通常有兩種方法，即最優(yōu)設計方法（包括最小方差法和廣義最小方差法）和極點配置設計方法。8.3.5魯棒控制策略魯棒控制的基本特征是用一個結構和參數(shù)都固定不變的控制器，來保證即使不確定性對系統(tǒng)的性能品質影響最惡劣時也能夠滿足設計要求。8.4工業(yè)機器人的位置控制8.4.1位置控制問題工業(yè)機器人位置控制的目的，是要使機器人各關節(jié)實現(xiàn)預先規(guī)劃的運動，最終保證工業(yè)機器人終端（手爪）沿預定的軌跡運行。圖8.4所示的機器人控制系統(tǒng)方框圖表示了機器人本身、控制系統(tǒng)和軌跡規(guī)劃器之間的關系。圖8.4機器人控制系統(tǒng)方框圖機器人的位置控制結構主要有兩種形式：關節(jié)空間控制結構和直角坐標空間控制結構，分別如圖8.5（a）和（b）所示。（a）關節(jié)空間控制結構（b）直角坐標空間控制結構（c）復合控制結構圖8.5機器人位置控制基本結構8.4.2位置控制模型1.定點位置控制2.軌跡跟蹤位置控制8.5工業(yè)機器人的力控制8.5.1力控制的柔順性以產(chǎn)生任意需要的作用力。將機器人能夠對環(huán)境順從的能力稱為柔順（compliance）機器人柔順性可分為被動柔順性和主動柔順性兩類。（1）被動柔順性：機器人憑借一些輔助的柔性機構，使其操作機在與環(huán)境接觸時能夠對外部作用力產(chǎn)生自然的順從。采用被動柔順裝置進行作業(yè)，存在以下問題：①無法根除智能機器高剛度與高柔順性之間的矛盾。②被動柔順裝置的專用性強，適應能力差，使用范圍受到限制；智能機器加上被動柔順裝置，本身并不具備控制能力，給智能機器控制帶來了極大的困難，尤其在既需要控制作用力又需要嚴格控制定位的場合中更為突出。③無法使智能機器本身產(chǎn)生對力的反應動作，成功率較低等，這都是被動柔順方法的不足之處。（2）主動柔順控制：機器人利用力的反饋信息采用一定的控制策略去主動控制作用力，稱為主動柔順。主動柔順控制也就是力控制。實現(xiàn)主動柔順控制的方法主要有兩類，一類為阻抗控制，另一類為力和位置混合控制。阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而是通過控制力和位置之間的動態(tài)關系來實現(xiàn)柔順功能。8.5.2力控制系統(tǒng)的組成（1）以位移控制為基礎。圖8.6表示了以位移控制為基礎的力控制系統(tǒng)框圖。圖8.6以位移控制為基礎的力控制系統(tǒng)框圖（2）以廣義力控制為基礎。這一方案的特點是，在力閉環(huán)的基礎上再加上位置環(huán)，如圖8.7所示。圖8.7以廣義力控制為基礎的力控制系統(tǒng)框圖（3）位置和力的混合控制。8.6工業(yè)機器人的速度控制圖8.8機器人行程的速度-時間曲線8.7工