機(jī)器人技術(shù)第九章機(jī)器人控制系統(tǒng)-425-7-資料下載頁(yè)
2025-01-16 20:56本頁(yè)面
【正文】 組成的具有良好消振能力和一定柔順的無(wú)源機(jī)械裝置。該裝置有一個(gè)特殊的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，即在它的中心桿上有一個(gè)特殊的點(diǎn)，稱(chēng)為柔順中心（ Compliance Center），如下圖所示。若對(duì)柔順中心施加力，則使中心桿產(chǎn)生平移運(yùn)動(dòng)，若把力矩施加到該點(diǎn)上，則產(chǎn)生對(duì)該點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該點(diǎn)（柔順中心）往往被選作為工作坐標(biāo)的原點(diǎn)。機(jī)器人的柔順控制被動(dòng)柔順控制p 像 RCC這樣的被動(dòng)式柔順手腕，由于 不需要信息處理，而只靠自身的機(jī)構(gòu)調(diào)整，所以具有快速響應(yīng)的能力，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉 。但它只能在諸如插軸入孔這樣一些專(zhuān)用場(chǎng)合使用，且柔順中心的調(diào)整也比較困難，不能適應(yīng)桿件長(zhǎng)度的變化，柔順度固定，無(wú)法適應(yīng)不同作業(yè)任務(wù)要求，這些都是由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)和彈性材料決定的，因此其通用性較差。后來(lái)也有人設(shè)計(jì)一種柔順中心和柔性度可變的 RCC裝置，稱(chēng)為 VRCC (Variable RCC)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，且可調(diào)范圍有限。機(jī)器人的柔順控制RCC柔順機(jī)械手p 通過(guò)改變控制器控制方式，增加力反饋等使機(jī)器人與工作對(duì)象間按需要的剛度運(yùn)動(dòng)的柔順?lè)绞剑ū仨毧刂破鲄⑴c）。主動(dòng)柔順控制分為 阻抗控制 ， 力和位置混合控制。機(jī)器人的柔順控制主動(dòng)柔順控制 ——阻抗控制p 阻抗控制的概念 是 N. Hogan在 1985年提出的。他利用 Norton等效網(wǎng)絡(luò)概念，把外部環(huán)境等效為導(dǎo)納，而將機(jī)器人操作手等效為阻抗，這樣機(jī)器人的力控制問(wèn)題便變?yōu)樽杩拐{(diào)節(jié)問(wèn)題。阻抗由慣量－彈簧－阻尼三項(xiàng)組成，期望力為：Fd = K △ X + B △ + M △ 式中： △ X＝ Xd－ X, Xd為名義位置， X為實(shí)際位置。它們的差 △ X為位置誤差， K、 B、 M為彈性、阻尼和慣量系數(shù)矩陣，一旦 K、 B和 M被確定，則可得到笛卡兒坐標(biāo)的期望動(dòng)態(tài)響應(yīng)。機(jī)器人的柔順控制一種阻抗控制結(jié)構(gòu)圖J1 KPARMXdX＋＋＋ －－－－J1 JTKvKf1KE力傳感器Fs F＋ －－Kf2XE＋．Xd．X主動(dòng)柔順控制 ——阻抗控制機(jī)器人的柔順控制上圖中，當(dāng)阻尼反饋矩陣 Kf2＝ 0時(shí)，稱(chēng)為剛度控制。剛度控制是用剛度矩陣 Kp來(lái)描述機(jī)器人末端作用力與位置誤差的關(guān)系，即F ( t ) = Kp △ X式中 Kp通常為對(duì)角陣，即 Kp＝ diag[Kp1 Kp2 … Kp6]。剛度控制的輸入為末端執(zhí)行器在直角坐標(biāo)中的名義位置，力約束則隱含在剛度矩陣 Kp中，調(diào)整 Kp中對(duì)角線元素值，就可改變機(jī)器人的順應(yīng)特性。阻尼控制則是用阻尼矩陣 Kv來(lái)描述機(jī)器人末端作用力與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，即F ( t ) = Kv △式中 Kv是六維的阻尼系數(shù)矩陣，阻尼控制由此得名。通過(guò)調(diào)整 Kv中元素值，可改變機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的阻尼作用。p 阻抗控制本質(zhì)上還是位置控制 ，因?yàn)槠漭斎肓繛槟┒藞?zhí)行器的位置期望值 Xd（對(duì)剛度控制而言）和速度的期望值 （對(duì)阻抗控制而言）。但由于增加了力反饋控制環(huán)，使其位置偏差 △X 和速度偏差 △ 與末端執(zhí)行器與外部環(huán)境的接觸力的大小有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)力的閉環(huán)控制。這里力－位置和力－速度變換是通過(guò)剛度反饋矩陣 Kf1和阻尼反饋矩陣 Kf2來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人的柔順控制主動(dòng)柔順控制 ——阻抗控制p 機(jī)器人的力控制一般與位置控制融合在一起形成位置和力的混合控制 。p 例如：步行機(jī)器人在行走時(shí)，足與地面的接觸力在不斷變化，對(duì)腿的各關(guān)節(jié)控制是一個(gè)典型且嚴(yán)格的位置和力混合控制問(wèn)題。腿在支撐狀態(tài)時(shí)，由于機(jī)體的運(yùn)動(dòng)，支撐點(diǎn)與步行機(jī)器人重心間的相對(duì)位置在不斷變化，導(dǎo)致足與地面接觸力的不斷變化，同時(shí)要對(duì)各關(guān)節(jié)的位置進(jìn)行控制。在這種情況下，位置控制與力控制組成一個(gè)有機(jī)整體，力 控制是在正確的位置控制基礎(chǔ)上進(jìn)一步的控制內(nèi)容。機(jī)器人的柔順控制主動(dòng)柔順控制 ——力和位置混合控制機(jī)器人的柔順控制主動(dòng)柔順控制 ——力和位置混合控制p 其工作過(guò)程為：機(jī)器人開(kāi)始工作時(shí)，機(jī)器人手端 (或安裝在手臂端部的工具 )按指令要求沿目標(biāo)軌跡和給定速度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)手端與環(huán)境接觸時(shí)，安裝在機(jī)器人上的接觸傳感器或力傳感器感覺(jué)到接觸的發(fā)生。機(jī)器人控制程序按新的自然約束和人工約束來(lái)執(zhí)行新的控制策略，即位置與力的混合控制。p 具有力反饋的控制系統(tǒng)如下圖：機(jī)器人的柔順控制p 如果希望在某個(gè)方向上遇到實(shí)際約束，那么這個(gè)方向的剛性應(yīng)當(dāng)降低，以保證有較低的結(jié)構(gòu)應(yīng)力；反之，在某些不希望碰到實(shí)際約束的方向上，則應(yīng)加大剛性，這樣可使機(jī)械手緊緊跟隨期望軌跡。于是，就能夠通過(guò)改變剛性來(lái)適應(yīng)變化的作業(yè)要求，與此對(duì)應(yīng)的控制即為 主動(dòng)剛度控制 。主動(dòng)剛度控制框圖 Kp —— 機(jī)器人剛度矩陣J —— 機(jī)器人速度雅克比矩陣 T —— 驅(qū)動(dòng)力矩主動(dòng)柔順控制 ——力和位置混合控制機(jī)器人的柔順控制主動(dòng)柔順控制 ——力和位置混合控制J. K. Salisbury 提出的主動(dòng)剛度控制框圖CKθ J T+++－K(s+a)/(s+b) Kf / s+－ARMG++++ Kω D+－++V0sign ( )+機(jī)器人的柔順控制主動(dòng)柔順控制 ——力和位置混合控制－Kfp+τJJKpp+ Kpi∫dtKpdIS ISSSJTJTJ1J1Kfi∫dt cTHcfdcfcfe cfd +++++ ++－－R－ C 力 /位置混合控制器ARM機(jī)器人的柔順控制p 上圖是由 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。圖中， S為適從選擇矩陣； xd和 Fd為直角坐標(biāo)下的期望位置和力的軌跡； P(q)為機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程； cTH為力變換矩陣。p 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。但 RC控制器沒(méi)有考慮機(jī)械手動(dòng)態(tài)耦合的影響，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手在工作空間某些非奇異位置上出現(xiàn)不穩(wěn)定 。主動(dòng)柔順控制 ——力和位置混合控制Class Over演講完畢，謝謝觀
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