机器人控制理论与技术

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1、第四章机器人控制理论与技术4.1机器人控制问题4.2机器人的轨迹控制4.3机器人的力控制4.4机器人的高级智能控制简介4.5机器人控制系统4.6机器人编程山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.1机器人控制问题4.1.1前言何为是机器人控制问题？根据具体的性能指标和要求，基于机器人运动学和动力学模型，设计其控制系统及控制算法，使机器人能按要求正常工作的理论与技术方法。机器人控制技术的内容：机器人轨迹控制。机器人力控制（柔顺控制）。机器人分解、协调控制。机器人高级智能动态控制。多机器人协调控制。等。山东大学机械工程学院机电工程研究所

2、2010/09/02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。4.1机器人控制问题机器人的动力学方程通式：其中：为广义关节向量，为驱动力矩向量。3山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.1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。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.1

3、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。5山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.1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。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.1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θ(t)。计算控制关节力矩C(t)。控制电流或电

4、压V(t)。电动机输出力矩T(t)。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.1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。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.1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

5、于计算机控制理论与技术。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.1机器人控制问题一种控制方案：单轴开环控制InvKinXdcontroljoint1q1δq1controljoint1q2δq2controljoint1qnδqnq1）动力学模型的不完全。2）噪声、干扰的存在。10山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.1机器人控制问题另一种方案（半闭环）：J-1Xdcontroljoint1q1δq1controljoint1q2δq2controljoint1qnδqnqForwardKinematicsx-

6、δxδq从关节传感器引回反馈，构成反馈控制系统。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.1机器人控制问题4.1.3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。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.1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

7、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。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.2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。山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/024.2机器人的轨迹控制4.2

8、.1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