移动机器人自主控制理论与技术(沈林成[等]主编)思维导图
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一、绪论(一)引言移动机器人技术是一门多科学交叉及综合的高新技术,是机器人研究领域的一个重要分支,它涉及诸多的学科,包括材料力学、机械传动、机械制造、动力学、运动学、控制论、电气工程、自动控制理论、计算机技术、生物、伦理学等诸多方面。
第一台工业机器人于20世纪60年代初在美国新泽西州的通用汽车制造厂安装使用。
该产品在20世纪60年代出口到日本,从20世纪80年代中期起,对工业机器人的研究与应用在日本迅速发展并步入了黄金时代。
与此同时,移动机器人的研究工作也进入了快速发展阶段。
移动机器人按其控制方式的不同可以分为遥控式、半自动式和自主式三种;按其工作环境的不同可以分为户外移动机器人和室内机器人两种。
自主式移动机器人可以在没有人共干预或极少人共干预的条件下,在一定的环境中有目的的移动和完成指定的任务。
自主式移动机器人是一个组成及结构非常复杂的系统,具有加速、减速、前进、后退以及转弯灯功能,并具有任务分析,路径规划,导航检测和信息融合,自主决策等类似人类活动的人工智能。
(二)移动机器人的主要研究方向1.体系结构技术1)分布式体系结构分布式体系结构【1。
2.3】是多智能体技术在移动机器人研究领域的应用。
智能体是指具有各自的输入、输出端口,独立的局部问题求解能力,同时可以彼此通过协商协作求解单个或多个全局问题的系统。
移动机器人系统,特别是具有高度自组织和自适应能力的系统,它们的内部功能模块与智能体相仿,因此可以应用多智能体技术来分析和设计移动机器人系统的结构,实现系统整体的灵活性和高智能性。
在分布式体系结构中,各个功能模块具有不同的输入输出对象和自身的不同功能,并行各工作,整个系统通过一个调度器实现整体的协调,包括制定总体目标、任务分配、运动协调和冲突消解等。
2)进化控制体系结构面对任务的复杂性和环境的不确定性以及动态特性,移动机器人系统应该具有主动学习和自适应的能力。
将进化控制的思想融入到移动机器人体系结构的设计中,使得系统哎具备较高反应速度大的同时,也具备高性能的学习和适应能力。
深度剖析机器人的大脑——控制架构如果说驱动子系统是机器人的肌肉,能源子系统是机器人的心脏,那么控制和决策子系统就是机器人的大脑。
这是机器人最重要、最复杂的一个子系统。
机器人是一种高度复杂的自动化装置。
其控制子系统也是直接来源于自动化领域的其他应用,例如工厂自动化领域中所用到的处理器、电路以及标准。
本章仅仅列举并对比了几种常见的、典型的控制系统拓扑结构,然后分析了几个典型的机器人控制子系统的构成,特别是详细说明了“创意之星”机器人的控制架构。
几种典型的机器人控制架构(ARCHITECHURE)这里我们不讨论传统的工业机器人,主要关注的是自主移动机器人、仿生机器人等新形态的机器人。
通常,机器人的架构是指如何把感知、建模、规划、决策、行动等多种模块有机地结合起来,从而在动态环境中,完成目标任务的一个或多个机器人的结构框架。
总的说来,当前自主机器人的控制架构可分为下述几类:1. 程控架构,又称规划式架构,即根据给定初始状态和目标状态规划器给出一个行为动作的序列,按部就班地执行。
较复杂的程控模型也会根据传感器的反馈对控制策略进行调整,例如在程序的序列中采用“条件判断+跳转”这样的方法。
2. 包容式架构和基于行为的控制模型,又称为反应式模型,复杂任务被分解成为一系列相对简单的具体特定行为,这些行为均基于传感器信息并针对综合目标的一个方面进行控制。
基于行为的机器人系统对周围环境的变化能作出快速的响应,实时性好,但它没有对任务做出全局规划,因而不能保证目标的实现是最优的。
3. 混合式架构,是规划和基于行为的集成体系,不仅对环境的变化敏感,而且能确保目标的实现效率。
通常混合式架构有两种模式:一种模式是,决策系统的大框架是基于规划的,在遇到动态情况时再由行为模型主导;另一种模式是,决策系统的大框架基于行为,在具体某些行为中采用规划模型。
总之,混合式架构的设计目的是尽可能综合程控架构和包容式架构的优点,避免其缺点。
下面几小节对以上三种架构进行初步的讨论。
第十章机器人的力控和顺应控制ChapterⅩForce Control and Compliance forRobot Manipulators10.1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10.1 引言(Introduction)10.1.1 位置控制(Position Control)endeffectorYYZ O直角坐标关节坐标直角坐标位置控制:关节坐标位置控制:(1)解运动位置的控制RMPC(Resolved Motion Position Control)(2)解运动速度的控制RMRC(Resolved Motion Rate Control)(3)解运动加速度的控制RMAC(Resolved Motion Acceleration Control)(4)解运动力的控制RMFC(Resolved Motion Force Control)RMPC RMRCRMAC RMFC经典之作10.1.2 力控(Force control )RMRC10.1.3 顺应控制( Compliance Control )被动式(Passive Compliance)主动式(Active Compliance)被动柔顺(Passive Compliance)柔顺手腕(Compliance Wrist)RCC(Remote Center Compliance)VRCC(Variable RCC)旋转平移OδxFδθM ···柔顺中心主动刚度控制(Active Stiffness Control )顺应控制(Compliance control)10.2 通用机器人控制器和控制结构(The Structure of General Robot)解逆运动程X d→θd 关节位控制PID光电码盘机器人操作手X dθdiθbiθei X +-···10.3 通用机器人的动力学(Dynamics of General Robots )正动力学计算解析法数值法参考文献10.4 阻抗控制( Impedance Control )*Norton等效网络概念惯量-弹簧-阻尼J -1K P ARM X d X +++----J -1J T K v K f 1K E力传感器F sF+--K f 2X E +.X d .X刚度控制刚度控制阻尼控制*10.5 主动刚度控制(Active Stiffness Control )10.5.1 广义直角坐标刚度与关节坐标刚度Generalized Cartesian Coordinate Stiffness and Joint France Stiffness10.5.2 主动刚度控制结构( The Structure of Active Stiffness Control )*C10.6 位置和力的混合控制(Hybrid Position/Force Control for Robot Manipulators )10.6.1C曲面(C-surface)*N*q0因此沿C曲面的法线方向进行力控制,沿切线方向进行位置控制,便形成了位置/力混合控制的控制策略*10.6.2 R-C控制器(R-C Controller)*-K fp +τJ J K pp + K pi ∫dt K pd I -S I -S S S J T J TJ -1J -1K fi ∫dtc T H c f dc fc f e c fd +++++++--ARM ec x e c x &e q &d c xe q qf H q q &q &xc &xc d c x&。