第16讲（机器人学）机器人的位置控制2010ppt课件.ppt

《第16讲（机器人学）机器人的位置控制2010ppt课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、Chapt.14机器人的位置控制张建瓴概述机器人的动态特性具有高度的非线性，控制这种由马达驱动的机器人，用适当的数学方程式来表示其运动是十分重要的。这种数学表达式就是数学模型，或简称模型。由于机械部件可能因承受负载而弯曲，关节可能具有弹性以及机械摩擦等等，所以在实际上不可能建立起准确的模型。概述（续1）在设计模型时，提出下列两个假设：（1）机器人的各段是理想刚体，因而所有关节都是理想的，不存在摩擦和间隙。（2）相邻两连杆间只有一个自由度，要么为完全旋转的，要么是完全平移的。§14.1直流传动系统的建模一、传递函数与等效方框图如图表示具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图。一、

2、传递函数与等效方框图电枢控制直流电动机的传递函数：如图是它的方框图。二、直流电动机的转速调整如图表示一个励磁控制直流电动机的闭环位置控制结构图。要求图中所需输出位置Θ0等于系统的输入Θi。二、直流电动机的转速调整（续1）从稳定性和精度观点看，要获得满意的伺服传动性能，必须在伺服电路内引入补偿。更确切地说，必须引入与误差信号e(t)=θi(t)–θ0(t)有关的补偿。主要有下列四种补偿：（1）比例补偿：与e(t)成比例。（2）微分补偿：与e(t)的微分de(t)/dt成比例。（3）积分补偿：与e(t)的积分成比例。（4）测速补偿：与输出位置的微分成比例。二、直流电动机的转速调整（续2）

3、在实际系统中，至少要组合采用二种补偿，如比例-微分补偿（PD）、比例-积分补偿（PI）和比例-积分-微分补偿（PID）等。当采用比例-微分补偿时，补偿环节的输出信号为：当采用比例-积分补偿时，补偿环节的输出信号为：二、直流电动机的转速调整（续3）当采用比例-微分-积分补偿时，补偿环节的输出信号为：二、直流电动机的转速调整（续4）当采用测速发电机实现速度反馈时，补偿信号为：如图表示具有测速反馈的直流电动机控制原理结构图。图中(a)和(b)是等效的。§14.2位置控制的基本结构许多机器人的作业是控制机械手末端工具的位置和姿态，以实现点到点的控制（PTP控制，如搬运、点焊机器人）或连续路径

4、的控制（CP控制，如弧焊、喷漆机器人）。因此实现机器人的位置控制是机器人的最基本的控制任务。机器人位置控制有时也称位姿控制或轨迹控制。对于有些作业，如装配、研磨等，只有位置控制是不够的，还需要力控制。一、基本控制结构机器人的位置控制结构主要有两种形式：关节空间控制结构和直角坐标空间控制结构，分别如图(a)和(b)所示。关节空间控制结构如图，qd是期望的关节位置矢量，和是期望的关节速度矢量和加速度矢量；q和是实际的关节位置矢量和速度矢量。τ=[τ1,τ2,…,τn]T是关节驱动力矩矢量，U1和U2是相应的控制矢量。直角坐标空间控制结构如图，是期望的工具位姿，其中pd=[xd,yd,zd

5、]T表示期望的工具位置，ψd表示期望的工具姿态。，其中vd=[vdx,vdy,vdz]T是期望的工具线速度，ωd=[ωdx,ωdy,ωdz]T是期望的工具角速度，是期望的工具加速度，ω和表示实际的工具位姿和工具速度。一、基本控制结构（续3）工业机器人一般采用右图所示控制结构。控制结构的期望轨迹是关节的位置、速度和加速度，因而易于实现关节的伺服控制。主要问题是：由于要求的是在直角坐标空间的机械手末端运动轨迹，因而为了实现轨迹跟踪，需将机械手末端的期望轨迹经逆运动学计算变换为在关节空间表示的期望轨迹。二、PUMA机器人的伺服控制结构机器人控制器的控制结构形式，常见的有：集中控制、分散控制

6、和递阶控制等。如图表示PUMA机器人两级递阶控制的结构图。机器人控制系统以机器人作为控制对象，它的设计方法及参数选择，仍可参照一般计算机/嵌入式控制系统。二、PUMA机器人的伺服控制结构（续1）现有的工业机器人大多采用独立关节的PID控制。如图所示PUMA机器人的控制结构即为一典型。由于独立关节PID控制未考虑被控对象（机器人）的非线性及关节间的耦合作用，因而控制精度和速度的提高受到限制。§14.3单关节位置控制器市场上供应的工业机器人，关节数多为3~7个。最典型的工业机器人具有六个关节，存在六个自由度，带有夹手（通常称为手或末端执行装置）。辛辛那提-米拉克龙T3、尤尼梅逊的PUMA

7、650和斯坦福机械手都是具有六个关节的工业机器人，并分别由液压、气压或电气传动装置驱动。一、位置控制系统结构斯坦福机械手具有反馈控制，其一个关节控制方框图如图所示。从图可见，它有个光学编码器，与测速发电机一起组成位置和速度反馈。这种工业机器人是一种定位装置，它的每个关节都有一个位置控制系统。一、位置控制系统结构（续1）如果不存在路径约束，那么控制器只要知道夹手要经过路径上所有指定的转弯点就够了。控制系统的输入是路径上需要转弯点的笛卡儿坐标，这些坐标点可能通