工業(yè)機(jī)器人力控與順應(yīng)控制-資料下載頁(yè)
2025-05-14 08:52本頁(yè)面
【正文】 s， 用 Jacobian矩陣 JT變換為關(guān)節(jié)力矩 τs， 與指令力矩 τc比較后獲得關(guān)節(jié)力矩誤差 δτc＝ τc－ τs， 使校正網(wǎng)絡(luò) C獲得修正力矩信號(hào) ， 從而提高機(jī)器人對(duì)外力作用的響應(yīng)性能 ， 使末端執(zhí)行器輸出力更接近期望值 。 在機(jī)械手與環(huán)境接觸前 ， 末端執(zhí)行器 （ 手爪 ） 與工件的重力可作為偏移量 ， 在計(jì)算實(shí)際作用力時(shí)可將該偏移量減去 ， 從而消除手爪和工件重力的影響 。 ??2021年 6月 14日 智能與控制工程研究所 29 在力反饋回路中 ， 加入超前－滯后網(wǎng)絡(luò) ， 以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ，與超前－滯后網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)一積分環(huán)節(jié) Kf / s， 以減小力的穩(wěn)態(tài)誤差 ， 提高系統(tǒng)精度 , 積分環(huán)節(jié)前加入一帶死區(qū)的限幅器 ， 死區(qū)可減小極限環(huán) ， 限幅器則對(duì)大誤差信號(hào)減小積分器的有效增益 。 速度反饋回路 ， 提供阻尼力矩 KωD， 其中 Kω是阻尼系數(shù)矩陣 。 D為關(guān)節(jié)瞬時(shí)慣量 ， 加入關(guān)節(jié)瞬時(shí)慣量 D的目的是為了保持慣量變化時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 。 關(guān)節(jié)阻尼系數(shù)矩陣為 Kω＝ JT Kv J (見(jiàn) （ ） ) （ ） 考慮重力負(fù)載 G和摩擦力矩 Vo sign（ ） ， 這樣加到關(guān)節(jié) i的控制力矩為 τi =τci＋ Ciδτci + Kωi Diδ+ Vo sign（） + Gi （ ） 2021年 6月 14日 智能與控制工程研究所 30 位置和力的混合控制 （ Hybrid Position/Force Control for Robot Manipulators ） C曲面 （ Csurface ） 在環(huán)境約束情況下 ， 對(duì)機(jī)器人進(jìn)行位置和力的混合控制 ， 通常要先建立一個(gè)控制曲面 ， 即所謂 C曲面 *， 在 C曲面的切線方向進(jìn)行位置控制而沿 C曲面的法線方向進(jìn)行力控 。 M T Mason. Compliance and Force Control for Computer Controlled Manipulators. IEEE Trans. on SMC11, 1981(6): 418432 C曲面定義為 *: C = ( q | f2 ≤ F (q) ≤f1 ) () J P Merlet. Csurface Applied to the Design of Hybrid Position/Force Controller. IEEE Conf. of Robotics amp。 Automation,1987(2) 式 （ ） 中 ， 當(dāng) f1→ 0, f2→ 0時(shí) （ 即零力 作用 ） 的 C集叫做 C曲面 ， 它的一面為非接 觸面 ， 另一面為約束面 。 如圖 106所示 。 N q0 圖 106 C曲面 2021年 6月 14日 智能與控制工程研究所 31 在靜態(tài)情況下 ， C曲面可看作一幾何問(wèn)題 。 如果只有接觸力 ， 且機(jī)器人定位精度已知 ， 在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下 ， 我們就能確定機(jī)器人以什么樣的組合形態(tài)會(huì)導(dǎo)致它與環(huán)境相接觸 。 定義 N（ q0） 為 C曲面 q0點(diǎn)的法線方向 ， 則在接觸點(diǎn) q0處沿 N軸方向的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致作用力增大 ， 反之作用力減少 。 因此沿法線 N的運(yùn)動(dòng)可控制作用力的大小 。 以混合控制的觀點(diǎn) ， 找到了 C曲面的法線 N， 即給出了力控制的方向 。 而位置控制則不能越過(guò) C曲面 ， 它只能沿 C曲面接觸面的切線方向運(yùn)動(dòng) 。 因此沿 C曲面的法線方向進(jìn)行力控制 ， 沿切線方向進(jìn)行位置控制 ， 便形成了位置 /力混合控制的控制策略 。 這樣就把力 /位置混合控制問(wèn)題變成了如何確定 C曲面的問(wèn)題 。 確定 C曲面 ， 必須依據(jù)具體的作業(yè)任務(wù) ， 把末端執(zhí)行器受到的外部環(huán)境的幾何約束 （ 稱為自然約束 Natural Constraints） 與完成作業(yè)要求的某些約束條件 （ 稱為人為約束 Artificial Constraints） 結(jié)合起來(lái)考慮 *。 確定沿法線方向的力控制和沿切線方向的位置控制兩個(gè)正交子集 ， 這些正交子集便構(gòu)成了 C曲面 。 由此可確定機(jī)器人的控制策略和構(gòu)造控制器 。 M H Raibert and J J Craig. Hybrid Position/Force Control for Robot Manipulators. Trans. of the , Journal of Energy Resources Technology, June, 1981, 在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下 ， 自然約束較易確定 ， 對(duì)于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境 ， 則還須對(duì)環(huán)境進(jìn)行識(shí)別的基礎(chǔ)上 ， 才能確定自然約束條件 。 2021年 6月 14日 智能與控制工程研究所 32 R－ C控制器 （ R－ C Controller） 圖 107是由 Raibert和 Craig提出的一種力 /位置控制方案 *， 即著名的 R－ C控制器 。 該控制器不同于剛度控制和阻抗控制 ， 阻抗控制和剛度控制的輸入是位置和速度 ， 其力控隱含在剛度反饋矩陣中 ， 其本質(zhì)還是屬于位置控制 。 而 R－C控制器的輸入變量既有位置 、 速度 ， 也有力 。 R－ C控制器是位置 /力混合控制的經(jīng)典之作 ， 以后許多控制方案都是在這一方案基礎(chǔ)上演變或改進(jìn)的結(jié)果 。 圖 107中 ， 機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的力矩分別由位置環(huán) （ 上部 ） 和力控制環(huán) （ 下部 ） 這兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制環(huán)共同提供 。 位置環(huán)由 PI調(diào)節(jié)器整定 ， 而力控制環(huán)由帶限幅器的 PI調(diào)節(jié)器整定 ， 給定力通過(guò) Jacobian矩陣轉(zhuǎn)換直接加到關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器 。 關(guān)節(jié)位置 q和速度由光電碼盤(pán)或測(cè)速發(fā)電機(jī)提供 。 用 Jacobian矩陣轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)變量 和 ， 力反饋信號(hào)由腕力傳感器測(cè)取 Hf， 通過(guò)坐標(biāo)變換為C坐標(biāo)系力向量 cf。 圖 107中的 s為 6 6的對(duì)角陣 ， 即 s = diag[ s1 s2 … s6 ]， 稱為順應(yīng)選擇矩陣 （ Compliance Selection Matrix） ， 其對(duì)角線元素為 1或 0， 由它來(lái)確定 （ 選擇 ） 那些自由度施加力控 ， 那些自由度施加位置控制 。 I 是 6 6的單位矩陣 。 所以 I－ s是選擇矩陣 s的逆 。 xc?xc2021年 6月 14日 智能與控制工程研究所 33 － Kfp + τ J J Kpp+ Kpi∫dt Kpd IS IS S S JT JT J1 J1 Kfi∫dt cTH cfd cf cfe cfd + + + + + + + － － 圖 107 R－ C 力 /位置混合控制器 ARM ecxecx? eq?dcx eqqfHqq?q?xc?xcdcx?2021年 6月 14日 智能與控制工程研究所 34 本節(jié)內(nèi)容可參考下列文章 黃心漢 ， 機(jī)器人的主動(dòng)順應(yīng)控制 ， 華中工學(xué)院學(xué)報(bào) ， 1987（ 4） ： 147－ 154 黃心漢 、 胡建元 、 陳錦江 ， 環(huán)境約束下的機(jī)器人控制問(wèn)題 ，高技術(shù)通訊 ， 1991（ 8） ： 30－ 33 胡建元 、 黃心漢 、 陳錦江 ， 機(jī)器人的力控和順應(yīng)控制進(jìn)展 ，機(jī)器人 ， 1992（ 2） ： 52－ 57
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