機(jī)器人技術(shù)第九章機(jī)器人控制系統(tǒng)-425-7(參考版)
2025-01-18 20:56本頁面
【正文】 主動柔順控制 ——力和位置混合控制Class Over演講完畢，謝謝觀看！。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。而 R－ C控制器的輸入變量既有位置、速度，也有力。主動剛度控制框圖 Kp —— 機(jī)器人剛度矩陣J —— 機(jī)器人速度雅克比矩陣 T —— 驅(qū)動力矩主動柔順控制 ——力和位置混合控制機(jī)器人的柔順控制主動柔順控制 ——力和位置混合控制J. K. Salisbury 提出的主動剛度控制框圖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。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。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到接觸的發(fā)生。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。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題。這里力－位置和力－速度變換是通過剛度反饋矩陣 Kf1和阻尼反饋矩陣 Kf2來實(shí)現(xiàn)的。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（對剛度控制而言）和速度的期望值 （對阻抗控制而言）。阻尼控制則是用阻尼矩陣 Kv來描述機(jī)器人末端作用力與運(yùn)動速度的關(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。剛度控制是用剛度矩陣 Kp來描述機(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通常為對角陣，即 Kp＝ diag[Kp1 Kp2 … Kp6]。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)的期望動態(tài)響應(yīng)。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)器人的力控制問題便變?yōu)樽杩拐{(diào)節(jié)問題。主動柔順控制分為 阻抗控制 ， 力和位置混合控制。后來也有人設(shè)計(jì)一種柔順中心和柔性度可變的 RCC裝置，稱為 VRCC (Variable RCC)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，且可調(diào)范圍有限。機(jī)器人的柔順控制被動柔順控制p 像 RCC這樣的被動式柔順手腕，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)簡單，價(jià)格低廉 。該裝置有一個(gè)特殊的運(yùn)動學(xué)特性，即在它的中心桿上有一個(gè)特殊的點(diǎn)，稱為柔順中心（ Compliance Center），如下圖所示。機(jī)器人的柔順控制作業(yè)約束 ——自然、人工p 被動式順應(yīng)控制是設(shè)計(jì)一種柔性機(jī)械裝置，并把它安裝在機(jī)械手的腕部，用來提高機(jī)械手順應(yīng)外部環(huán)境的能力，通常稱之為 柔順手腕 （Compliance Wrist）。p 例如，當(dāng)手部與固定剛性表面接觸時(shí)，不能自由穿過這個(gè)表面，稱為自然位置約束；若這個(gè)表面是光滑的，則不能對手施加沿表面切線方向的力，稱為自然力約束。其代表作是：p M T Mason. Compliance and Force control for Computer Controlled Manipulators. IEEE Trans. On SMC, Vol. SMC11, , . p R P Paul and B Shimano. Compliance and Control. American Automatic Control Council , proc. of the 1976 Joint Automatic Control Conference, 1976. 機(jī)器人的柔順控制p 機(jī)器人手端 (常為機(jī)器人手臂端部安裝的工具 )與環(huán)境 (作業(yè)對象 )接觸時(shí)，環(huán)境的幾何特性構(gòu)成對 作業(yè)的約束 ，這種約束稱為 自然約束（ Natural constraints） 。p 有關(guān)柔順控制的理論和方法，是由 Mason在 1981年提出的。機(jī)器人憑借一些輔助的柔順機(jī)構(gòu)，使其在與環(huán)境接觸時(shí)能夠?qū)ν獠孔饔昧Ξa(chǎn)生自然順從，稱為 被動柔順控制 （ Passive Compliant Control）。p 機(jī)器人的柔順性被分為 主動柔順性和被動柔順性 兩類。機(jī)器人的位置控制斯坦福機(jī)械手的位置控制系統(tǒng)框圖p 斯坦福機(jī)械手的反饋是通過光學(xué)編碼器和測速發(fā)電機(jī)一起組成位置和速度反饋，每個(gè)關(guān)節(jié)都有一個(gè)位置控制系統(tǒng)。機(jī)器人的位置控制機(jī)器人的位置控制PUMA機(jī)械人的位置控制系統(tǒng)框圖p PUMA機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)是典型的獨(dú)立關(guān)節(jié) PID控制。只適用于運(yùn)動速度和加速度較小的應(yīng)用場所。但由于目前采用計(jì)算機(jī)求解逆運(yùn)動方程的方法比較成熟，所以控制精度還是很高的。直角坐標(biāo)采用開環(huán)控制方式，由直角坐標(biāo)期望值 Xd解逆運(yùn)動方程，獲得各關(guān)節(jié)位移的期望值 θdi，作為各關(guān)節(jié)控制器的參考輸入，它與光電碼盤檢測的關(guān)節(jié)角位移 θbi比較后獲得關(guān)節(jié)角位移的偏差 θei，由偏差控制機(jī)器人操作手各關(guān)節(jié)伺服機(jī)構(gòu)（通常采用 PID方式），使機(jī)械手末端執(zhí)行器到達(dá)預(yù)定的位置和姿態(tài)。 p 現(xiàn)有的通用工業(yè)機(jī)器人一般只具有位置（姿態(tài)，速度）控制能力。分解運(yùn)動速度控制框圖p 分解運(yùn)動加速度控制 ：首先計(jì)算出工具的笛卡兒坐標(biāo)加速度，然后將其分解為相應(yīng)的各關(guān)節(jié)加速度，再按照動力學(xué)方程計(jì)算出控制力矩。p 將機(jī)械手末端運(yùn)動分解為沿笛卡兒坐標(biāo)的運(yùn)動的形式，分別用各關(guān)節(jié)的綜合運(yùn)動合成為沿笛卡兒坐標(biāo)的運(yùn)動。是 建立在分解力矢量和關(guān)節(jié)力矩之間關(guān)系 的
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