機器人智能控制RobotIntelligentControl第八章1機器人控制系統(tǒng)的特點

運動描述復雜，機器人的控制與運動學及動力學密切相關(guān)。僅考慮位置閉環(huán)是不夠的，還要考慮速度閉環(huán)，甚至加速度閉環(huán)?？紤]各關(guān)節(jié)之間慣性力、哥氏力等耦合作用和重力負載等因素。需要求解正逆運動學問題。

機器人控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。簡單的工業(yè)機器人有3~5個自由度，每個自由度一般包含一個伺服電機，多個獨立的伺服系統(tǒng)必須有機協(xié)調(diào)起來。例子:機器人的手部運動是所有關(guān)節(jié)的合成運動，要使手部按照一定的軌跡運動，就必須控制各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動，包括運動軌跡、動作時序等多方面協(xié)調(diào)。1機器人控制系統(tǒng)的特點

機器人控制系統(tǒng)是非線性的控制系統(tǒng)。采用人工智能的方法，根據(jù)傳感器和模式識別的方法獲得對象及環(huán)境的工況，按照給定的指標要求，自動選擇最佳的控制規(guī)律。

機器人的動作可以通過不同的方式和路徑來完成，因此存在一個最優(yōu)的問題。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，隨狀態(tài)和外力的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合，經(jīng)常使用重力補償、前饋、解耦或自適應控制等方法。

需采用加（減）速控制。過大的加（減）速度會影響機器人運動的平穩(wěn)性，甚至使機器人發(fā)生抖動，因此應在機器人起動或停止時采取加（減）速控制策略。2機器人控制系統(tǒng)的功能（1）控制機械臂末端執(zhí)行器的運動位置；

（即控制末端執(zhí)行器經(jīng)過的點和移動路徑）（2）控制機械臂的運動姿態(tài)；

（即控制相鄰兩個活動構(gòu)件的相對位置）（3）控制運動速度；

（即控制末端執(zhí)行器運動位置隨時間變化的規(guī)律）（4）控制運動加速度；

（即控制末端執(zhí)行器在運動過程中的速度變化）（5）控制機械臂中各動力關(guān)節(jié)的輸出轉(zhuǎn)矩；

（即控制對操作對象施加的作用力）（6）具備操作方便的人機交互功能，機器人通過

記憶和再現(xiàn)來完成規(guī)定的任務(wù)。2機器人力控制控制目的：控制機器人各關(guān)節(jié)使其末端表現(xiàn)出一定的力或力矩特性分類直接力控制（Directforcecontrol）PID控制

間接力控制（Indirectforcecontrol）被動柔順（變剛度）主動柔順（阻抗控制）2機器人力控制單純的位置控制會由于位置誤差而引起過大的作用力，從而傷害零件或機器人。軸孔配合(ShaftHoleAssembly）

機器人在這類運動受限環(huán)境中運動時，往往需要配合力控制來使用。2機器人力控制機器人組裝對于切削、磨光和裝配等作業(yè)，需要阻抗控制或柔順控制。當機器人遭遇障礙物時，會智能地調(diào)整預設(shè)位置軌跡，從而消除內(nèi)力。2機器人力控制形狀適應性（Shapeadaptability）力控制可以用于控制施加在機器人末端執(zhí)行器上的各種類型的力，包括接觸力和扭矩力。2機器人力控制實現(xiàn)機器人與環(huán)境作用力的精確控制力的PI控制方法直接力控制的特點:

具有力控制回路，直接控制期望力，常用PID的控制方法。力控制分為直接力控制與間接力控制

2機器人力控制比例+積分控制器（P+I）比例+積分+微分控制器（PID）比例+微分控制器（PD）比例控制器（P）PID控制器設(shè)計2機器人力控制Directforcecontrol3機器人力與位置協(xié)同控制柔順：compliance3機器人力與位置協(xié)同控制順應用戶的運動意圖3機器人力與位置協(xié)同控制為什么位置控制不具備順應能力？Positioncontrol:suppresspeople'smovementintention

抑制人的運動意圖3機器人力與位置協(xié)同控制關(guān)節(jié)空間柔順控制Compliancecontrol:conformtohuman’smovementintention順從人的運動意圖3機器人力與位置協(xié)同控制主動柔順控制主動柔順

控制的本質(zhì)是通過機器人對接觸力的信號反饋，采取相應的主動控制策略，通過調(diào)整機器人末端位置、速度和加速度來控制力保持恒定，實現(xiàn)接觸操作過程的力順從。3機器人力與位置協(xié)同控制力/位混合控制方法力/位混合控制示意圖將機械臂的工作任務(wù)空間正交分解為力和位置子空間，并在兩個子空間中分別建立控制回路，從而實現(xiàn)期望力和位置的控制。機械臂的作業(yè)過程被分為位置控制和力交互兩個狀態(tài)，并且可以根據(jù)需要在這兩種狀態(tài)之間進行相互切換。3機器人力與位置協(xié)同控制阻抗控制通過控制，讓機器人的表現(xiàn)等價于一個Mass-spring-damper系統(tǒng)。機械臂阻抗控制是將機械臂力/位置控制系統(tǒng)等效為一個彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)描述機械臂與環(huán)境間接觸力和位置的關(guān)系，可以通過調(diào)節(jié)阻抗控制器的慣性參數(shù)、阻尼參數(shù)和剛度參數(shù)來調(diào)節(jié)機械臂末端與環(huán)境間接觸力和位置的關(guān)系。3機器人力與位置協(xié)同控制阻抗控制（impedancecontrol）：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(guān)系來實現(xiàn)柔順功能。通過適當?shù)目刂品椒ㄒ允箼C械手末端呈現(xiàn)需要的剛性和阻尼。阻抗控制基于力的阻抗控制（阻抗控制）基于位置的阻抗控制（導納控制）3機器人力與位置協(xié)同控制阻抗控制基于力的阻抗控制（阻抗控制）阻抗特性示意圖基于力的阻抗控制將機械臂末端位置偏差轉(zhuǎn)換為控制力矩，通過控制力矩直接調(diào)節(jié)末端交互力，進而實現(xiàn)柔順交互。X表示機械臂末端實際軌跡與期望軌跡之差（位置控制部分）；Z表示等效的阻抗模型（阻尼-彈簧-質(zhì)量模型）；F表示機械臂末端與環(huán)境的接觸力。3機器人力與位置協(xié)同控制阻抗控制框圖基于力的阻抗控制（阻抗控制）該框圖由內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩部分組成，內(nèi)環(huán)負責力跟蹤控制，外環(huán)負責位置跟蹤控制。力跟蹤內(nèi)環(huán)起到了控制機械臂施加在外部環(huán)境中的力的作用。在外環(huán)中，位置控制起到了指導機械臂運動以跟蹤給定位置的作用。3機器人力與位置協(xié)同控制導納控制:是阻抗控制的反過程，輸入力輸出位置。當機器人受到外力作用時，將在原有軌跡上發(fā)生偏移以順應外力?；谖恢玫淖杩箍刂疲▽Ъ{控制）FX導納特性示意圖X表示位置控制部分；1/Z表示等效的導納控制模型；F表示機械臂末端與環(huán)境的接觸力?；谖恢玫淖杩箍刂疲▽Ъ{控制）通過力傳感器獲取外界對末端的外力，將其帶入質(zhì)量-彈簧-阻尼模型中，通過調(diào)整末端的位置、速度等實現(xiàn)與外力的平衡。3機器人力與位置協(xié)同控制基于位置的阻抗控制（導納控制）

導納控制框圖內(nèi)環(huán)負責運動