第10章 机器人控制技术力控与顺应控制 机器人原理及控制技术 教学课件

直角坐标位置采用开环控制的主要原因是目前尚无有效准确获取（ 检测 ）末端执 行器位置和姿态的手段。但由于目前采用计算机求解逆运动方程的方法比较成熟， 所以控制精度还是很高的。如美国Unimation PUMA系列机器人 CINCINNATI-T3 系列机器人和Stanford机器人，其直角坐标位置重复定位精度达到±0.1mm 。日本 三菱公司的RM－101和 Movemaster－EX机器人重复定位精度为±0.3mm，而坐标 型高精度机器人Delta和Adapt机器人重复定位精度甚至达到±0.01mm 。（注意： 重复定位精度不是轨迹控制精度，后者精度要低得多）。
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10.2 通用机器人控制器和控制结构 （The Structure of General Robot）
Xd
解逆运动程
Xd →θd
·· ·
θbi
θdi － θei ＋
关节位控制 PID
光电 码盘
机器人
X
操作手
图10-3 通用机器人控制结构
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顺应控制又叫依从控制或柔顺控制，它是在机器人 的操作手受到外部环境约束的情况下，对机器人末端执 行器的位置和力的双重控制。顺应控制对机器人在复杂 环境中完成任务是很重要的，例如装配，铸件打毛刺， 旋转曲柄，开关带铰链的门或盒盖，拧螺钉等。
顺应控制可分为两种方式: 被动式 ( Passive Compliance ) 主动式 ( Active Compliance )
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平移部件
旋转部件
· O
柔顺中心
(a) RCC
δx
·F
(b) 平移
图10-2 RCC工作原理
δθ
·M
(c) 旋转
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主动刚度控制 ( Active Stiffness Control )
刚度控制是阻抗控制的一个特例，它是对机器人操作手静态力和位置的 双重控制。控制的目的是调整机器人操作手与外部环境接触时的伺服刚度， 以满足机器人顺应外部环境的能力。其代表作是：
D Silver. The little Robot System. AIM-73, Cambridge, MIT, Artificial Intelligence Lab., 1973
1976年R. P. Paul 和 B. Shimano进一步完善上述方法，采用腕 力传感器实现对机器人力的闭环控制。见下文：
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顺应控制（ Compliance control ）
有关顺应控制的理论和方法，是由Mason在1981年提出的。 内容包括对外部环境的描述，自然约束和人为约束条件，力控 与位置控制等。其代表作是：
M T Mason. Compliance and Force control for Computer Controlled Manipulators. IEEE Trans. On SMC, Vol. SMC-11, No.6, June.1981. pp.418-432
R P Paul and B Shimano. Compliance and Control. American Automatic Control Council , proc. of the 1976 Joint Automatic Control Conference, 1976. pp.694-699
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（4）解运动力的控制RMFC ( Resolved Motion Force Control )
1982年由吴清华（Wu C. H.）和R. P. Paul提出。其代表作为：
C H Wu and R P Paul. Resolved Motion Force Control of Robot Manipulators. IEEE Trans. on Sys. Man and Cybernetics, Vol. SMC－12，No.3, May/June, 控制工程研究所
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被动柔顺 ( Passive Compliance )
被动式顺应控制是设计一种柔性机械装置，并把它安装在机械手的腕部，用来 提高机械手顺应外部环境的能力，通常称之为柔顺手腕（Compliance Wrist）。这种 装置的结构有很多种类型，比较成熟的典型结构是由美国麻省的The Charles Stark Draper Lab. 的D. E. Whitney领导的一个小组研制的一种称之为RCC（Remote Center Compliance）的无源机械装置，它是一种由铰链连杆和弹簧等弹性材料组成的具有 良好消振能力和一定柔顺的无源机械装置。该装置有一个特殊的运动学特性，即在 它的中心杆上有一个特殊的点，称为柔顺中心（Compliance Center），如图10-2所示。 若对柔顺中心施加力，则使中心杆产生平移运动，若把力矩施加到该点上，则产生 对该点的旋转运动，该点（柔顺中心）往往被选作为工作坐标的原点。
10.1 引言（Introduction）
工业机器人的控制可大致分为三种形式 位置控制（Position Control） 力控（Force Control） 顺应控制（Compliance）
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10.1.1 位置控制（ Position Control） Z
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真正将力控用于多关节机器人上的是Whitney，他在1977年 将力传感器用在多关节机器人上，并用解运动速度的方法 （RMRC）推导出力反馈控制的向量表达式。而R.P.Paul（1972） 和Silver（1973）则分别用选择自由关节（free joints）的方法实现 对机器人力的开环控制。见下文： 见RMPC列举的文（1）
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由图10-3可知，通用机器人是一个半闭环控制机构，即关节坐标采用闭环控制方 式，由光电码盘提供各关节角位移实际值的反馈信号θbi。直角坐标采用开环控制 方式，由直角坐标期望值Xd解逆运动方程，获得各关节位移的期望值θdi，作为各 关节控制器的参考输入，它与光电码盘检测的关节角位移θbi比较后获得关节角位 移的偏差θei，由偏差控制机器人操作手各关节伺服机构（通常采用PID方式），使 机械手末端执行器到达预定的位置和姿态。
位置控制是在预先指定的坐标系上,对 机器人末端执行器（end effector）的位置和 姿态（方向）的控制。如图10-1所示，末端 执行器的位置和姿态是在三维空间描述的，
end effector
O
X
Y
包括三个平移分量和三个旋转分量，它们分 别表示末端执行器坐标在参考坐标中的空间 位置和方向（姿态）。因此，必须给它指定
第十章 机器人的力控和顺应控制
ChapterⅩ Force Control and Compliance for Robot Manipulators
10.1 引言 10.2 通用机器人控制器和控制结构 10.3 通用机器人的动力学 10.4 阻抗控制 10.5 主动刚度控制 10.6 位置和力的混合控制
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10.1.2 力控 ( Force control )
力控是对机器人末端执行器输出力或关节力矩的控制。较早 提出机器人力控的是Groome，他在1972年将力反馈控制用在方向 舵的驾驶系统中。参见下文：
R C T Groome. Force Feedback Steering of teleoperator System. Master’s Thesis, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Aug. 1972
R P Paul and B Shimano. Compliance and Control. Proc. Joint Automatic control, Conf. Sam Francisco, IEEE, pp694-699, 1976
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10.1.3 顺应控制 ( Compliance Control )
J K Salisbury. Active Stiffness Control of a Manipulator in Cartesian Coordinates. IEEE Conf. of Decision and Control. Nov. 1980. pp.95-106. Dept. of Computer Science, Stanford University.
Z Y
一个参考坐标，原则上这个参考坐标可以任 意设置，但为了规范化和简化计算，通常以
X
图10-1 机器人操作手
机器人的基坐标作为参考坐标。机器人的基坐标的设置也不尽相同，如日
本的Movemaster－Ex系列机器人，它们的基坐标都设置在腰关节上，而美 国的Stanford机器人和Unimation公司出产的PUM系列机器人则是以肩关节坐 标作为机器人的基坐标的。
解运动位置的控制RMPC，解运动速度的控制RMRC，解运动加速度的控 制RMAC和解运动力的控制RMFC这四种控制方法是机器人运动控制的经典 之作。
现有的通用工业机器人一般只具有位置（姿态，速度）控制能力。如美 国的Unimation PUMA系列机器人，CINCINNAT1－T3系列机器人，Stanford 机 器 人 等 ， 它 们 的 重 复 定 位 精 度 均 达 到 或 接 近 ±0.1mm 。 日 本 三 菱 公 司 的 Movemaster－EX机器人为±0.3mm，高精度的Adapt机器人和Delta机器人的重 复定位精度达到或接近±0.01mm。所有这些都具有关节位置和直角坐标位置 的控制，且具有专用的机器人语言（如VAL－Ⅱ）或通用的高级语言（如 BASIC）编程和示教再现能力。