【正文】 知多自由度機器人的動力學模型為： 且各項 均可精確計算。 )(),()()( qGqqHqqDt ??? ???? 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 基于前饋和反饋的計算力矩的控制方法 具有前饋補償的 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的性能 取決于本體和控制對 象的動力學模型的估 算準確性。當得不到 準確的動力學模型或 是環(huán)境變動超出系統(tǒng) 反饋補償范圍時，控 制性能就會改變。 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 基于前饋和反饋的計算力矩的控制方法 選取控制規(guī)律為： 式中， ——關節(jié)控制的輸入力（矩）向量； ——關節(jié)速度誤差反饋系數； ——關節(jié)位置誤差反饋系數； ——希望跟蹤的關節(jié)速度和位移； ——實際的關節(jié)速度和位移。 )(),()]()()[()( qGqqHqqkqqkqqDt uuepeveuu ??????? ??????)(tu?vkp ee qq ,? qq,? 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 基于前饋和反饋的計算力矩的控制方法 假定選取 ，則有： 由于慣性矩陣 可逆，所以可得誤差微分方程為： 式中， ——關節(jié)位移誤差； 分別為關節(jié)速度和加速度的誤差。只要選取合適的 和 值，就可使關節(jié)變量的各項誤差漸趨于零。 )(),( tete ??? )()()。,(),()。()( qGqGqqHqqHqDqD uuu ??? ?? )]()())[(()()( qqkqqkqqqDtt epeveu ??????? ???????? )(qD 0)()()( ??? tektekte pv ??? )()( qqte e ?? 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 基于前饋和反饋的計算力矩的控制方法 這種控制方法是基于關節(jié)變量加速度的前饋和速度、位移誤差的反饋以及對耦合力項和重力項的補償而實現的，其考慮的主要是位移和速度的誤差對慣性力項的影響，所以適合于低速、重載的機器人。 它的缺點是計算 的工作量大，且控制的精度主要依賴于機器人動力學模型的精確度。 )(),()( qGqqHqD 、 ? 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 線性多變量控制方法 線性多變量控制方法是利用機器人在工作點 p0 附近的線性模型工作的。 對任一多自由度機器人，其在工作點處的初始關節(jié)控制力（矩）向量與該點處對應的關節(jié)位移、速度和加速度之間的動力學模型為： )(),()()( 000000 qGqqHqqDt ??????? 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 線性多變量控制方法 當機器人在工作點處有一微小擾動時，上述動力學模型就變?yōu)椋? 式中， ——關節(jié)控制輸入力（矩）的微小變化； ——關節(jié)位移的微小變化； ——關節(jié)速度的微小變化； ——關節(jié)加速度的微小變化。 )(),())(()(000000qqGqqqqHqqqqDt??????????????? ??????????q?q?? 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 線性多變量控制方法 在工作點附近應用臺勞級數將 和 展開，并忽略展開式中 及 的二階及二階以上的各次高階項，且假定它們足夠小，則上式可改寫為： ),( 00 qqqqH ???? ?? )( 0 qqG ??q???qqGqGqqHqqHqqHqqqDtppp??????????????????????000)(),())(()(000000????????? 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 線性多變量控制方法 若令 則得： 該式即為機器人在工作點附近的增量線性定常模型。 000,),( 0 ppp qGqHCqHBqDA ?????????? ? qCqBqA ?????????? ???? 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 線性多變量控制方法 若再令 、 、 則得： 對耦合線性定常微分方程應用以下的反饋控制律： 式中， ——關節(jié)位移誤差； ——關節(jié)速度誤差； )(tqq ?? )(tqq ?? ?? )(tqq ???? ?? )()()()( tCqtqBtqAt ??? ???? )()()( tektekt pv ?? ?? )()( qqte e ?? )()( te ??? ee qq ,? q,——反饋的關節(jié)速度和位移； ——設定的關節(jié)速度和位移。 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 線性多變量控制方法 對控制律兩邊求拉普拉氏變換可得 則其傳遞函數為： 由此可以看出，線性多變量控制選用的是一個比例微分 （ PD） 控制器，其考慮的主要是位移和速度的誤差對耦合力項和重力項的影響，所以適合于高速、輕載機器人的控制。 )()()( seksesks pv ?????? pv ksksG ??)( 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 自適應控制 自適應控制就是指機器人根據傳感器對外界環(huán)境和對象物的感知，利用人工智能中的各種學習、推理和決策技術，對外界信息進行準確處理，然后對自己行為作出自主決策以自動地完成任務的控制方式。 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 自適應控制 理想自適應控制是 在基于模型控制的基礎 上，增添自適應控制規(guī) 律，不斷觀測機器人各 個關節(jié)的狀態(tài)和伺服誤 差，驅動自適應算法，重新調整或更新非線性模型參數，直至伺服誤差消失為止。由此可見，這種控制方法對機器人控制系統(tǒng)的動態(tài)性能具有自我調整功能，并且可以達到全局的穩(wěn)定。 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 自學習控制 自學習控制是近年來提出的一種智能控制方法，它可利用結構簡單的控制器實現高精度的控制。 目前人們提出的自學習控制方案主要有： ?迭代自學習控制 ?重復自學習控制。 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 自學習控制 迭代自學習控制： 迭代自學習控制是以數學模型模仿人類在每次操作均在規(guī)定的時間內結束，且在期望值給定的條件下重復進行一件同樣的工作為基本思路，若每次操作開始時系統(tǒng)的初始值已知，每次輸出值可測，則輸出與輸入的誤差信號就可作為下一次的控制輸入，用簡單的迭代律更新存入存儲裝置的控制輸入，從而改善系統(tǒng)在輸入作用下的輸出，直至獲得期望的控制結果。 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 關節(jié)運動的伺服控制 自學習控制 重復自學習控制： 重復自學習控制同樣適用于進行重復操作的機器人，但它與迭代自學習控制不同，它不是簡單的生成期望的前饋控制信號，而是利用 “內模原理 ”，在穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)內設置一個可以產生與參考輸入同周期的內部模型，從而使系統(tǒng)實現對外周期信號的跟蹤。 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 機器人語言 世界上最早開展機器人語言研究的是美國斯坦福 大學、麻省理工學院以及英國的一些大學，他們在 20 世紀 60年代初期就著手這方面的工作。 1973年斯坦福大學人工智能研究室研制出實用的 WAVE 語言，這是第一個機器人語言。 WAVE 語言具有動作的描述、力和接觸的控制， 配合視覺系統(tǒng)可以完成手眼協調編程。 運動控制 機器人及其控制原理 * 第 4章 機器人控制技術 機器人語言 之后斯坦福大學人工智能研究室在 WAVE語言的 基礎上，又開發(fā)出了 AL 語言。 AL語言不僅能用來描述機器人手爪的操作，而且 還能記憶作業(yè)環(huán)境以及環(huán)境內各個對象物之間的相對 位置，