机器人技术－Ch8 机器人控制技术

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1、机器人技术张秀丽北京交通大学机电学院12/30/2014运动学动力学控制技术•方法•方法•方法基于齐次变换，基于运动学模型和基于运动学和描述手部、关节刚体动力学理论，建立驱动力/力矩与动力学模型，以及操作环境/对位移、速度、加速通过技术途径象的位姿几何关度之间的关系，描系、坐标变换方设计控制器和述关节驱动器件力法；学特性与机器人系控制系统；•目的统力学特性之间的•目的提供机器人设计关系（耦合、重力、惯性、哥氏力、向满足控制性能的运动特性分析方法，提供动力心力）；要求，使机器学建模与位姿轨•目的人能按要求正提供机器人设计的迹控制的基础。常工作。力学特性分析方法

2、，提供精确高速的力控制模型。2第八章机器人控制技术•本章内容1.控制的概念2.位置控制技术3.力控制技术•重点–单关节位置控制技术–力/位混合控制基本原理•学习方法–结合相关学科知识理解机器人控制问题–自动控制原理、计算机技术等31.控制的概念控制思想、控制理论、什么是控制？控制方法、控制技术•广义控制的概念•狭义控制的概念底层控制技术、伺服控制41.控制的概念什么是控制？•一个被控对象•一个操作任务•一个控制目标（多快、多精确、多稳定？）•设计一个控制器满足这个目标。控制系统51.控制的概念控制系统设计步骤：1.给定实际的被控对象和控制目标；2.建立被控对

3、象数学模型；3.以数学模型为基础分析被控对象的特性，并设控制目标计相应控制规则；4.将控制规则变成物理实体（控制器）；5.将控制器安装在被控对象上，构成控制系统。61.控制的概念什么是机器人控制技术？——被控对象是机器人，依据机器人的运动学和动力学特性，采用合适控制目标的控制理论和方法，设计控制器使机器人在完成操作任务时达到要求的控制目标。7机器人的控制性能基本要求：•可控性（工作空间的奇异点、插值1.控制的概念点运动连续）•稳定性（收敛性‐衰减震荡）•动态性能（快速、无超调）•稳态性能：稳态误差（定位精度、重复定位精度、轨迹跟踪精度）机器人系统的控制问题表

4、达：被控对象V(t)←→T(t)←→C(t)←→(t)←→X(t)V：电机电压T：电机转矩C：关节转矩θ：关节变量8X：笛卡尔变量1.控制的概念•机器人的动力学特点–多变量–参数时变，且变化范围大–关节间非线性耦合–复杂、难以精确建模（摩擦、弹性变形等）QMqqVqqGq()(,)()91.机器人控制技术•位置伺服控制（PID控制）•力控制（柔顺控制）•笛卡尔运动控制（协调控制）•高级动态控制（自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、学习控制、智能控制等）•多机器人控制102位置控制控制的物理量是位置，即几何轨迹。2.1单关节控制技术2.2多关节

5、控制技术112位置控制控制的物理量是位置，即几何轨迹。•单关节控制技术•多关节控制技术122.1单关节控制•单关节控制：将操作臂的每个关节作为一个独立的伺服系统，不考虑其他关节的影响，一般采用反馈控制方法。•应用对象线性位控系统、低速低载荷、可忽略耦合。132.1单关节控制电压：diutRiL()=+vdtvke力矩：TJbTkim142.1单关节控制电压：diutRiL()=+vdtvke电压：力矩：Us()RIsLsIskss()()()eTJb力矩：Tki2mKIs

6、()Jssbss()()m152.1单关节控制传递函数：()1sK=mUs()sRLsbJsKk()()me162.1单关节控制•技术原理–机器人各关节单独闭环，采用经典反馈控制方法，设计线性反馈控制器。–考虑误差补偿，设计前馈负载力补偿（负载+重力）。•设计准则稳定性、稳态误差•设计步骤1）建立机器人静力学模型，求出关节静负载；2）建立关节驱动/传动装置+位置伺服反馈环节的闭环传递函数；3）根据经典反馈理论，分析关节伺服系统稳定性和稳态误差；4）设计PID调节器和前馈负载补偿器，校正系统性能。172.1单关节控制182.1单关节控制s

7、snKKI2dIsRJsRBKKbKKvtsnKKIRJJeffBKbKv——≥1，稳定判据KKKIttRFsTsnmgTsKKTsTsLIRadelimssps0KKtRCfgCnCL——稳态误差KKITsRKKFsnTsdI/,RmLTsaIRKKTs/Rg19——稳态误差前馈补偿2.2多关节控制QMqqVqqGq()(,)()关节i所需的力矩：nnnn2QJqiaiiDqi

8、jjDqijjjDqqDijkjki