第十一讲 机器人控制理论与技术2

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1、第六章机器人控制理论与技术6.1机器人控制问题6.2机器人的轨迹控制6.3机器人的力控制6.4机器人的高级智能控制简介6.5机器人控制系统6.6机器人示教、再现与编程6.7主从操作山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/026.3机器人的力控制简介6.3.1问题描述为什么要进行力控制？1、位置精度控制有限。当机器人末端执行器与周围环境发生接触时，再精确的位置控制也会显得不足，例如：考虑机器人用海绵擦拭窗户玻璃，可以通过控制机器人末端执行器相对玻璃的位置来间接调节作用于窗户上的力，如果海绵是非常柔软的，或者玻璃的位置能非常精确地定

2、义，这是可以实现的。但是，如果机器人末端执行器、工具或环境的刚性是非常高的话，完成上述任务将会变得非常困难，如果玻璃表面的位置存在不确定性，或者机器人的位置控制存在任何误差的话，任务将不可能完成，甚至发生打碎玻璃的后果。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/026.3机器人的力控制简介2、实际工作对作用力的大小有要求。机器人的力控制在工业中也得到了实际应用，如：磨具等的打磨、去毛边。特别是在机器人装配中，面临着工作环境的不确定或变化，实现机器人的零件装配对零件间的相互位置的定位精度要求非常高，能否进行精确的位置控制成为其应用的

3、前提。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/026.3机器人的力控制简介追求高精度的位置控制，无论是在技术上还是在成本上，都是件困难的事；无论如何，手部接触力的测量与控制提出了一种可能的替代，结合了接触力控制后，我们就可以放松对位置精度控制的要求。力只有在两个物体接触后才能产生，因此力控制是首先将环境考虑在内的控制问题。环境对机器人的位置或力施加了约束后，对被施加了约束的机器人进行控制。比对一般机器人实施控制要复杂的多。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/026.3机器人的力控制简介6.3.2约束描述为什么要进行

4、约束分析？明确那些方向能够进行力的控制，那些方向可以提供运动控制。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.3机器人的力控制简介约束描述机器人所受的约束可分为自然（本证）约束和人为（人工）约束两种。自然约束是指工具与外界环境接触时自然生成的约束条件。它与环境有关，由环境的几何特性及作业特性等引起的对机器人的约束。如：玻璃的法向。人为约束是一种人为施加的约束，用来确定作业中期望的运动轨迹或施加的力。如：在玻璃平面上的运动轨迹。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.3机器人的力控制简介由于刚性物体之间的接触

5、力是作用于系统的主要力，在建立力约束模型时，我们仅考虑由于接触引起的作用力，忽略像重力、某些摩擦力分量这样的静态力。根据机器人末端执行器与工作环境的接触情况，我们可以把机器人的任务与一组约束相关联。例如：当手与静止的刚性表面接触时，不允许通过表面，因此，一个固有的位置约束存在；如果表面是光滑的，就不可能对手施加与表面相切的力。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.3机器人的力控制简介在环境的接触模型中，用沿表面法向的位置约束和沿表面切向的力约束定义一个广义表面（Generalizedsurface）。广义表面是一种特殊

6、的多维曲面，它的维数可以分为两大类：位移和力。为了描述约束情况，我们在与任务相关的位置定义一个约束坐标系{C}，根据任务的不同，它可能固定在环境中，或与末端执行器一起运动。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02例：拧螺钉：约束坐标系附着在螺丝刀刀尖上，并且随任务的进展与它一起运动，定义约束坐标系{C}的Y轴与螺钉的槽一致，螺丝头面为广义表面。4.3机器人的力控制简介位置受限力自由山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.3机器人的力控制简介在自然约束中，某方向如果力约束为零，就能沿该方向进行运动控制；反之，

7、如果运动约束为零，必然受力的约束，能够实施力的控制，即力的约束与运动是对偶的。人工约束指出了能够实施运动和力控制的方向。自然约束和人为约束把机器人的运动分成两组正交的特征：力和运动；对每一组我们可以按不同的准则进行控制。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/026.3机器人的力控制简介6.3.3力的控制与轨迹控制相似，我们把工具与环境相接触的力控制问题，简化为一个质量-弹簧的力控制问题，如图所示。假设系统是刚性的，质量为m，用弹簧模型表示被控模型与环境之间的作用，设环境的刚度为ke。用fdis表示未知的干扰力，而fe表示力控制

8、变量，即作用在弹簧上的力，有：fe=kex描述设个物理系统的方程为：xmkefdisfef山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02接下来，我们就可以利用前面介绍的位置控制方法设计