机器人控制.ppt

1于薇薇西北工业大学 机电学院机器人控制一、概述一、概述控控制制是是机机器器人人技技术术中中的的一一个个关关键键问问题题，而而控控制制系系统统的性能则是机器人发展水平一个重要标志。的性能则是机器人发展水平一个重要标志。机机器器人人控控制制是是控控制制领领域域的的一一个个子子集集,一一个个独独具具特特色色的的子集。子集。机机器器人人控控制制系系统统是是一一个个与与机机构构学学、运运动动学学和和动动力力学学原原理理密密切切相相关关的的、耦耦合合紧紧密密的的、非非线线性性和和时时变变的的多多变量控制系统。变量控制系统。机器人控制系统一般由计算机和伺服控制器组成。机器人控制系统一般由计算机和伺服控制器组成。2工业机器人控制系统工作过程工业机器人控制系统工作过程 3 机器人控制过程示意图机器人控制过程示意图 内内部部反反馈馈根据外界环境确定任务根据外界环境确定任务确定运动轨迹（点动或轨迹）确定运动轨迹（点动或轨迹）计算目标任务在笛卡尔空间的位姿计算目标任务在笛卡尔空间的位姿任务执行任务执行电机的伺服控制电机的伺服控制转换为电机的给定值转换为电机的给定值转换为关节空间角度转换为关节空间角度外外部部反反馈馈作作业业控控制制器器组组织织层层伺伺服服控控制制器器执执行行层层运运动动控控制制器器协协调调层层（1）人工智能级）人工智能级组织层组织层作业控制器作业控制器 （2）控制模式级）控制模式级协调层协调层运动控制器运动控制器 （3）伺服系统级）伺服系统级执行层执行层驱动控制器驱动控制器 几种不同的称谓几种不同的称谓 4 机器人控制系统在物理上分为两级：工控机与机器人控制系统在物理上分为两级：工控机与伺服控制器，但在逻辑上一般分为三级（层）：伺服控制器，但在逻辑上一般分为三级（层）：5作业控制器作业控制器驱动控制器驱动控制器3驱动控制器驱动控制器1驱动控制器驱动控制器2驱动控制器驱动控制器4运动控制器运动控制器机器人本体机器人本体 机器人控制系统的构成机器人控制系统的构成分析各层（级）的关系与区别分析各层（级）的关系与区别 知识粒度知识粒度 数据处理数据处理 功能类别功能类别作业控制级作业控制级 粗粗 模糊模糊 决策决策运动控制级运动控制级 中中 精确精确 任务分解任务分解驱动控制级驱动控制级 细细 精确精确 控制控制 通过分层递阶的组织形式才能完成复杂任务通过分层递阶的组织形式才能完成复杂任务 6工业机器人典型控制方式工业机器人典型控制方式 点位式（点位式（PTP，point to point）实现点的位置控制，而点与点之间的轨迹却无关紧要。如自动插实现点的位置控制，而点与点之间的轨迹却无关紧要。如自动插件机，在贴片机上安插元件，点焊、搬运、装配等。件机，在贴片机上安插元件，点焊、搬运、装配等。轨迹式轨迹式 (CP,continuous path)指定点与点之间的运动轨迹为所要求的曲线，如直线或圆弧。在指定点与点之间的运动轨迹为所要求的曲线，如直线或圆弧。在进行弧焊、喷漆、切割等作业时十分必要。进行弧焊、喷漆、切割等作业时十分必要。速度控制方式速度控制方式 对于机器人的行程要求遵循一定的速度变化曲线。对于机器人的行程要求遵循一定的速度变化曲线。力（力矩）控制方式力（力矩）控制方式 要求对末端施加在对象上的力进行控制，如抓放操作、去毛刺、要求对末端施加在对象上的力进行控制，如抓放操作、去毛刺、研磨和组装等作业。研磨和组装等作业。智能控制方式智能控制方式 在不确定或未知条件下作业，通过传感器，内部的知识库，自主在不确定或未知条件下作业，通过传感器，内部的知识库，自主完成给定任务。完成给定任务。7机器人控制的特点机器人控制的特点 与机构学、运动学及动力学密切相关。与机构学、运动学及动力学密切相关。描述机器人状态和运动的数学模型是一个具有时变结构和描述机器人状态和运动的数学模型是一个具有时变结构和参数的非线性模型，各关节变量之间存在紧密耦合。参数的非线性模型，各关节变量之间存在紧密耦合。一个简单的机器人至少也有一个简单的机器人至少也有3-53-5个自由度，于是机器人控个自由度，于是机器人控制系统必须是一个计算机控制的多级递阶控制系统。制系统必须是一个计算机控制的多级递阶控制系统。机器人的动作常常可以通过不同的方式和路径来完成，手机器人的动作常常可以通过不同的方式和路径来完成，手臂解不唯一，这样便要处理在一定约束条件下的优化决策臂解不唯一，这样便要处理在一定约束条件下的优化决策与控制问题。与控制问题。伺服系统要求较高的位置精度，较大的调速范围，各关节伺服系统要求较高的位置精度，较大的调速范围，各关节的速度误差系数应尽量一致的速度误差系数应尽量一致。系统的静差率要小，位置无超调，动态响应尽量快。系统的静差率要小，位置无超调，动态响应尽量快。8常用伺服控制策略常用伺服控制策略 各种各种PID PID 控制方式控制方式 PID 控制是将偏差的比例控制是将偏差的比例（P）、）、积分积分（I）和微分）和微分（D）通通过线性组合构成控制量，算法简单，鲁棒性好，可靠性高；过线性组合构成控制量，算法简单，鲁棒性好，可靠性高；但反馈增益是常量但反馈增益是常量 ，它不能在有效载荷变化的情况下改变它不能在有效载荷变化的情况下改变反馈增益。反馈增益。最优控制（最优控制（Optimal ControlOptimal Control）基于某种性能指标的极大（小）控制，称之为最优控制。在基于某种性能指标的极大（小）控制，称之为最优控制。在高速机器人中，除了选择最佳路径外，还普遍采用最短时间高速机器人中，除了选择最佳路径外，还普遍采用最短时间控制，即所谓控制，即所谓“砰砰砰砰”控制。控制。9常用伺服控制策略常用伺服控制策略(续续)自适应控制自适应控制 自适应控制则是根据系统运行的状态，自动补偿模自适应控制则是根据系统运行的状态，自动补偿模型中各不确定因素，从而显著改善机器人的性能。型中各不确定因素，从而显著改善机器人的性能。分为模型参考自适应控制器、自校正自适应控制器分为模型参考自适应控制器、自校正自适应控制器和线性摄动自适应控制等和线性摄动自适应控制等 。解耦控制解耦控制 机器人各自由度之间存在着耦合，即某处的运动对机器人各自由度之间存在着耦合，即某处的运动对另一处的运动有影响。在耦合严重的情况下，必须另一处的运动有影响。在耦合严重的情况下，必须考虑一些解耦措施。考虑一些解耦措施。10各种先进控制策略各种先进控制策略 模糊控制模糊控制 通常的模糊控制是借助熟练操作者经验，通过通常的模糊控制是借助熟练操作者经验，通过“语言语言变量变量”表述和模糊推理来实现的无模型控制。表述和模糊推理来实现的无模型控制。神经控制神经控制人工神经网络控制人工神经网络控制 神经控制便是由神经网络组成的控制系统结构。神经控制便是由神经网络组成的控制系统结构。鲁棒控制鲁棒控制 鲁鲁棒棒控控制制的的基基本本特特征征，是是用用一一个个结结构构和和参参数数都都是是固固定定不不变变的的控控制制器器，来来保保证证即即使使不不确确定定性性对对系系统统的的性性能能品品质影响最恶劣的时候也能满足设计要求。质影响最恶劣的时候也能满足设计要求。11各种先进控制策略各种先进控制策略(续续)滑模控制滑模控制 滑滑模模变变结结构构控控制制系系统统的的特特点点是是：在在动动态态控控制制过过程程中中，系系统统的的结结构构根根据据系系统统当当时时的的状状态态偏偏差差及及其其各各阶阶导导数数值值，以以跃跃变变的的方方式式按按设设定定的的规规律律作作相相应应改改变变，该该类类控控制制系系统统预预先先在在状状态态空空间间设设定定一一个个特特殊殊的的超超越越曲曲面面，由由不不连连续续的的控控制制规规律律，不不断断变变换换控控制制系系统统结结构构，使使其其沿沿着着这这个个特特定定的的超超越越曲曲面面向向平平衡衡点点滑滑动动，最最后后渐渐近近稳稳定定至至平平衡点。衡点。学习控制学习控制 产产生生自自主主运运动动的的认认知知控控制制系系统统，包包括括感感知知层层、数数据据处处理理层层、概概念念产产生生层层、目目标标感感知知层层、控控制制知知识识数数据据库库、结论产生层等。结论产生层等。12 13 机器人学习控制系统结构图机器人学习控制系统结构图传感器层传感器层数据处理层数据处理层存储层存储层控制层控制层执行层执行层感知部分感知部分认知部分认知部分外部世界外部世界机器人控制问题 机器人的动力学方程通式：称 为惯量矩阵，是离心力、科氏力向量，为黏性摩擦系数矩阵，为重力项的向量。其中：为广义关节向量，为驱动力矩向量。142024/6/17 周一机器人控制问题 机器人动力学的特点：1）、非线性：引起非线性的因数很多，如：机构构型、传动机构、驱动机构等。2）、强耦合：某一关节的运动，会对其他关节产生动力效应，使得每个关节都要承受其他关节运动所产生的扰动。3）、时变：动力学参数随关节运动位置的改变而变化。152024/6/17 周一机器人控制问题基本控制原则：1）、尽可能使问题简化。2）、将复杂的总体系统控制问题尽可能简化为多个低阶子系统的控制问题。3）、一般情况下，机器人的基本控制技术可归结为单关节控制技术和多关节控制技术，前者需要考虑误差补偿问题，后者可考虑耦合作用的补偿。5162024/6/17 周一机器人控制问题控制任务：机器人以指定的速度、精度、运动轨迹抓取物体。172024/6/17 周一机器人控制问题规划末端执行器的运动轨迹X(t)。计算机器人关节向量(t)。计算控制关节力矩C(t)。控制电流或电压V(t)。电动机输出力矩T(t)。18山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02机器人控制问题4.1.2 控制系统组成结构 机器人控制系统可分为四部分：1）机器人工作任务，即给定值。2）机器人本体，即被控对象。3）机器人控制器，它是控制系统的核心部分。4）机器人感知器，即传感器。192024/6/17 周一机器人控制问题机器人控制系统硬件：一般包括三部分：1）感知部分，2）控制装置：基于高性能微处理器，多处理器技术。3）伺服驱动部分。机器人控制系统软件：实时多任务操作系统。机器人控制算法。机器人的控制需基于计算机控制理论与技术。202024/6/17 周一机器人控制问题一种控制方案：单轴开环控制InvKinXdcontroljoint1q1q1controljoint1q2q2controljoint1qnqnq1）动力学模型的不完全。2）噪声、干扰的存在。212024/6/17 周一机器人控制问题另一种方案（半闭环）：J-1Xdcontroljoint1q1q1controljoint1q2q2controljoint1qnqnqForwardKinematicsx-xq从关节传感器引回反馈，构成反馈控制系统。222024/6/17 周一机器人控制问题控制性能要求 考虑到机器人的多变量、时变、非线性、强耦合以及建模困难、干扰因数多等特点，必须根据实际工作的要求提出合理可行的控制性能指标。除一般的控制性能指标外，机器人通常注重如下控制性能要求：1）在工作空间的可空性。2）稳定性或相对稳定性。3）动态响应性能。4）定位精度、轨迹跟踪精度。232024/6/17 周一机器人控制问题 针对一些特殊用途的机器人，还可以进一步提出一些性能要求。如仿人机器人，他的关节多达32个以上，并双足行走：多轴运动协调控制。高稳定性。位置无超调、动态响应速度快。处理器具有很高的处理速度。具有较高的智能。结构紧凑。242024/6/17 周一机器人的轨迹控制轨迹控制问题：在给定期望运动轨迹情况下，选择一种控制策略，在关节驱动力矩的作用下，使机器人再现该运动轨迹。该控制策略应对初始条件误差、传感器噪声、模型误差等应具有较好的鲁棒性。这里，一般不考虑驱动器的动力学问题，并假定可以对关节施加任意的力矩。252024/6/17 周一机器人的轨迹控制问题的提出 总体思路：从已知的末端执行器轨迹Xd(t)，根据逆运动学问题，求出个关节的位移 、速度 和加速度；进而根据动力学关系求出所需要的关节力矩 。定义伺服误差：问题：为使伺服误差趋于零，如何计算驱动力矩或如何设计控制器？262024/6/17 周一机器人的轨迹控制单关节轨迹控制 机器人的动力学方程是高度耦合的。当机器人在低速小负载运动时，各关节动力学特性中的重力和关节间耦合可以忽略，当惯量参数变化不大时，机器人可以采用单关节位置伺服反馈控制来实现有效的控制，使机器人的控制问题大大简化。并在实际中得到大量的应用。单关节伺服控制技术原理是在机器人各关节单独控制时，采用经典反馈控制方法，根据稳定性和误差设计准则，设计线性反馈控制器。27二、伺服控制器二、伺服控制器 28位置输入信号位置输入信号方向判别方向判别误差调节误差调节D/A速度控速度控制器制器功放功放负载负载直流伺直流伺服电机服电机测速电机测速电机计数码盘计数码盘位置反馈位置反馈速度反馈速度反馈直流电动机伺服传动系统原理图直流电动机伺服传动系统原理图+_ 29电枢控制直流电机的等效电路图电枢控制直流电机的等效电路图NSJeff,mLaUaRaia 机械传动等效惯量机械传动等效惯量 齿数比齿数比 30单关节驱动系统传递函数单关节驱动系统传递函数Jeff =Jm+n2 JL feff =fm+n2 fL 折合到电机轴上的总的等效惯性折合到电机轴上的总的等效惯性矩矩 Jeff 和等效摩擦系数和等效摩擦系数 feff齿数比齿数比为齿数为齿数 齿数比齿数比说明：齿数比与传动比互为倒数 31电气部分的模型由电机电枢绕组内的电压平衡方程来描述电气部分的模型由电机电枢绕组内的电压平衡方程来描述 电机力矩平衡方程电机力矩平衡方程 机械部分与电气部分的耦合关系机械部分与电气部分的耦合关系对以上各式进行拉普拉斯变换得对以上各式进行拉普拉斯变换得Ka电机电流电机电流力矩比例常数力矩比例常数Kb感应电势常数感应电势常数 32重新组合上式，得驱动系统传递函数重新组合上式，得驱动系统传递函数 忽略电枢的电感忽略电枢的电感La，可简化为，可简化为 其中，电机增益常数为其中，电机增益常数为 电机时间常数为电机时间常数为 单关节控制系统所加电压与关节角位移之间的传递函数单关节控制系统所加电压与关节角位移之间的传递函数 33单关节的建模与角度反馈比例控制单关节的建模与角度反馈比例控制于是得到于是得到为为系统误差系统误差 进而可得进而可得式中式中kp位置反馈增益，位置反馈增益，n 为齿数比为齿数比位置控制器位置控制器（比例）（比例）直流驱动直流驱动单关节系统单关节系统+34系统传递函数推导系统传递函数推导误差驱动信号误差驱动信号E(s)与实际位移之间的开环传递函数与实际位移之间的开环传递函数 由此得系统闭环传递函数由此得系统闭环传递函数 上式表明关节机器人的比例控制器是一个二阶系上式表明关节机器人的比例控制器是一个二阶系统。当系统参数均为正时，系统总是稳定的。统。当系统参数均为正时，系统总是稳定的。位置控制器位置控制器（比例）（比例）直流驱动直流驱动单关节系统单关节系统+伺服系统分块示意图伺服系统分块示意图 35三、基于非线性模型的机器人解耦控制三、基于非线性模型的机器人解耦控制 36n关节机械手的封闭形式动力学方程的一般结构关节机械手的封闭形式动力学方程的一般结构当考虑关节的摩擦效应时，还应加入摩擦项，动力学方程应写为当考虑关节的摩擦效应时，还应加入摩擦项，动力学方程应写为为表示旋转关节或平移关节位移的为表示旋转关节或平移关节位移的n1向量向量;式中式中 为为nn的惯性矩阵的惯性矩阵为为n1的哥氏项或向心项向量；的哥氏项或向心项向量；为为n1的重力项向量；的重力项向量；为为n1的摩擦力项向量；的摩擦力项向量；为表示旋转关节力矩或平移关节力的为表示旋转关节力矩或平移关节力的n1向量向量 基于非线性模型的线性化控制法则基于非线性模型的线性化控制法则 基于数学分析的计算力矩法的基本思想是：基于数学分析的计算力矩法的基本思想是：设设计计一一个个非非线线性性的的基基于于模模型型的的控控制制法法则则，用用它它来来抵抵消消被控制系统的非线性；被控制系统的非线性；把把系系统统简简化化为为线线性性系系统统，它它可可以以用用单单位位质质量量系系统统中中导导出的简单的线性伺服法则来进行控制。出的简单的线性伺服法则来进行控制。从从某某种种意意义义上上说说，线线性性化化控控制制法法则则是是提提供供了了一一个个受受控控系系统统的的“反反模模型型”。系系统统中中的的非非线线性性与与反反模模型型中中的的非非线线性性相相抵抵消消，这这一一点点与与伺伺服服法法则则一一起起构构成成了了一一个个线线性性闭环系统。闭环系统。37 38机械手系统方程机械手系统方程基于模型的控制法则为令基于模型的控制法则为令 并且并且于是得到完全解耦系统单位质量系统于是得到完全解耦系统单位质量系统对解耦系统实行比例微分控制，即伺服法则为对解耦系统实行比例微分控制，即伺服法则为其中为设定值其中为设定值机械手机械手机械手机械手 39伺服控制系统设计与分析伺服控制系统设计与分析机械手机械手非线性补偿解耦系统分析非线性补偿解耦系统分析 40理想情况理想情况（完全补偿，充分解耦，没有时滞）（完全补偿，充分解耦，没有时滞）显然无法做到。因为：显然无法做到。因为：1.无法精确建模，必然存在未建模动态和随机干扰；无法精确建模，必然存在未建模动态和随机干扰；2.补偿器中无法实现纯微分环节，无法完全补偿控制补偿器中无法实现纯微分环节，无法完全补偿控制对象中的时间滞后；对象中的时间滞后；3.控制对象是连续时间过程，补偿器只能是离散时间控制对象是连续时间过程，补偿器只能是离散时间过程，无法完全匹配。过程，无法完全匹配。需要线性反馈闭环控制需要线性反馈闭环控制 41 各种误差集中表现为扰动力矩各种误差集中表现为扰动力矩 。考虑到未知的。考虑到未知的扰动力矩扰动力矩,系统的误差方程为系统的误差方程为式中式中 。由此不难分析系统的稳定性。由此不难分析系统的稳定性。系统实现中的几个问题：系统实现中的几个问题：1.需要认真推导、辨识控制对象的动力学模型，这是需要认真推导、辨识控制对象的动力学模型，这是实行补偿控制的基础，而摩擦项等难于建模；实行补偿控制的基础，而摩擦项等难于建模；2.非线性补偿计算量较大，常常需要另一台计算机在非线性补偿计算量较大，常常需要另一台计算机在线计算动力学部分；线计算动力学部分；3.鉴于机械系统的惯性较大，动力学计算速率可以适鉴于机械系统的惯性较大，动力学计算速率可以适当低于伺服计算的速率（当低于伺服计算的速率（60Hz/200Hz)。7.3.3 基于直角坐标的控制系统基于直角坐标的控制系统在在上上面面讨讨论论的的机机械械手手的的控控制制方方式式中中,都都假假定定那那些些期期望望的的轨轨迹迹是是由由关节的位置、速度和加速度的时间顺序表示的。关节的位置、速度和加速度的时间顺序表示的。我我们们常常常常期期望望机机器器人人的的手手爪爪沿沿着着迪迪卡卡尔尔空空间间的的直直线线(或或者者其其他他曲曲线线)轨轨迹迹运运动动。为为此此，可可以以计计算算出出对对应应于于直直角角坐坐标标空空间间轨轨迹迹的关节空间轨迹。的关节空间轨迹。轨迹变换的计算量比较大，目前所有的系统都进行这种计算轨迹变换的计算量比较大，目前所有的系统都进行这种计算。42式中式中 表示对表示对 求解逆运动学求解逆运动学;为在笛卡尔坐标系下的手爪的位姿期望。为在笛卡尔坐标系下的手爪的位姿期望。43基于直角坐标的控制系统方框图基于直角坐标的控制系统方框图机械手机械手这里的动力学方程为这里的动力学方程为式中式中 为直角坐标下的力向量。为直角坐标下的力向量。机械手通用控制方案机械手通用控制方案输入为直角坐标轨迹的基于关节的分布式控制方案：输入为直角坐标轨迹的基于关节的分布式控制方案：1.期望轨迹在笛卡尔坐标系中给出；期望轨迹在笛卡尔坐标系中给出；2.通过求解运动学逆问题变换为各关节的期望轨迹；通过求解运动学逆问题变换为各关节的期望轨迹；3.各关节单独闭环，分别实现各关节的位置、速度（和加各关节单独闭环，分别实现各关节的位置、速度（和加速度）控制；速度）控制；4.系统结构为分层递阶的分布式计算机控制系统。系统结构为分层递阶的分布式计算机控制系统。44轨迹轨迹变换变换伺服控制器伺服控制器机械手关节机械手关节+-四、示教再现与轨迹控制四、示教再现与轨迹控制 45轨迹记录与再现轨迹记录与再现 路径与轨迹路径与轨迹所谓所谓路径路径是指操作机所跟踪的空间曲线，它与时间无关，是指操作机所跟踪的空间曲线，它与时间无关，后图中后图中P0，P1，P2，Pd一系列点构成的路径；一系列点构成的路径；所谓所谓轨迹轨迹则要求操作机在其路线上中间位姿的时间顺序，则要求操作机在其路线上中间位姿的时间顺序，它与时间有关，后图中由它与时间有关，后图中由P0(t0)，Pl(t1)，P2(t2)，Pd(td)所所组成的轨迹。组成的轨迹。46P1P2P2（t2）P1（t1）P0(t0)P0(起点起点)Pd（td）Pd(目标目标)xzy操作机的路线与轨迹操作机的路线与轨迹P0，P1，P2，Pd一系列点构成路径一系列点构成路径P0(t0)，Pl(t1)，P2(t2)，Pd(td)一系列点一系列点组成轨迹组成轨迹示教示教再现法再现法 给定方式给定方式 直接示教方式，即操作人员直接带动机器人的手臂依次通直接示教方式，即操作人员直接带动机器人的手臂依次通过预定的轨迹；过预定的轨迹；间接示教方式，即操作人员通过手动控制盒上的按键，编间接示教方式，即操作人员通过手动控制盒上的按键，编制机器人的动作顺序，确定位置、设定速度或限时。制机器人的动作顺序，确定位置、设定速度或限时。示教储存示教储存 示教过程就是编制程序的过程。操作人员利用操纵手柄上示教过程就是编制程序的过程。操作人员利用操纵手柄上的记录开关，使编码器输出端与存储器相联，信息就存储的记录开关，使编码器输出端与存储器相联，信息就存储到存储器中去。（多通道记录仪）到存储器中去。（多通道记录仪）再现执行再现执行 机器人工作时，将存储器中所记录的各关节角信息传输给机器人工作时，将存储器中所记录的各关节角信息传输给相应关节上的执行元件，以实现相应的关节角，由此按时相应关节上的执行元件，以实现相应的关节角，由此按时间顺序完成在示教过程中所记录下的运动。间顺序完成在示教过程中所记录下的运动。47 新松机器人控制器与示教编程盒新松机器人控制器与示教编程盒 48