《机器人学》课件 第10章 力控与顺应控制

统。所以，工业机器人的控制，一般是一个计算机控 制系统，计算机软件担负着艰巨的任务。 仅仅是位置闭环是不够的，还要利用速度，甚至加速 度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比如使用 重力补偿、前馈、解耦、基于传感信息的控制和最优 PID控制等。
➢工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现 控制方式。
利用传感器检测出物体的位置和运动速度，并
且假设控制系统能利用这些信息，可按下述的控 制规律来计算驱动益器kp适和应当k该v，选施就择加可控于得制物到系体所统上希的望的增力：
的任意二阶系统的品质，实 现抑制干扰力，并使物体保
持在预定的位置上。
系统的运动方程为
不仅要求受控物体定位在某固定位置，而且要求
坐标系{c}，坐标系{c}为约束坐标系，它总是处于 与某项具体任务有关的位置。
执行一项作业任务就可以用一组在{c}坐标系中 定义的约束条件来表示。
约束坐标系的选择
特点
➢取决与所执行的任务；
(1) {C}➢为一直般角应坐建标立系在，机器以人方手便爪描述作业操作；
与作业对象相接触的界面上。
(2) 视任务的不同，{C}可能在环境中固定 不动，也可能随手爪一起运动；
力之一。
无体意根因作论到此适义据以达，当，给多目往的这定么的往坐种的高 位 要 标相任的 置 根 变互 务精 ， 据 换关 ，度 作 需 。系 经控 为 要 而是 常制 工 ， 且首 要手 业 选 还要 求臂 机 择 因的 解， 器 不 工。 运若 人 同 业动不 来 的 机学能说基器正夹，准人问持那坐各题并就标关和操失系节逆作去，之问物了并间题，
惯性力、哥氏力的耦合作用以及重力负载的影响使问
题复杂化，所以使工业机器人控制问题也变得复杂。
➢即使一个简单的工业机器人也至少有3～5个自由度 相关。

同样可得活塞位移X与配油器输入信号（位移误 差信号）U间的关系为：
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5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 2．电一液压伺服控制系统
据式（5.5）、（5.6）和图5.4可得系统的传递 函数:
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5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 2．电一液压伺服控制系统 当采用力矩电动机作为位移给定元件时
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5.2 机器人的位置控制
机器人为连杆式机械手，其动态特性具有高度的非线性。 要控制这种由马达驱动的操作机器人，用适当的数学方 程式来表示其运动是十分重要的。这种数学表达式就是 数学模型，或简称模型。控制机器人运动的计算机，运 用这种数学模型来预测和控制将要进行的运动过程。
式中，1很小而又可以忽略时
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5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例
3．滑阀控制液压传动系统 图5．5表示出一个简单的滑阀控制液压传动系统 的结构框图。其中所用的控制阀为四通滑阀。
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5.l机器人的基本控制原则
5.1.2伺服控制系统举例 3．滑阀控制液压传动系统
5.1.2伺服控制系统举例
3．滑阀控制液压传动系统
式中，c＝k1n为闭环系统的自然角振荡频率；
c k1 为闭环系统的阻尼系数：2 1 为k1闭环系统
的第二时间常数；另一时间常数为1。
式（5.25）即为所求闭环系统的传递函数。从此式 可见，此闭环系统为一等价三阶系统。我们往往把 它简化为一个一阶环节与一个二阶环节串联的系统。 这样，便于对系统进行分析与研究。
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PID控制器参数整定的一般规律

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典型的控制方法
• 工业机器人要求能满足一定速度下的轨迹跟踪控制 （如喷漆、弧焊等作业）或点到点（PTP）定位控制 （点焊、搬运、装配作业）的精度要求，为了得到每 个关节的期望位置运动，必须设计一控制算法，算出 合适的力矩，再将指令送至驱动器。
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控制系统硬件构成
• 以安川-MRC控制系统为例，介绍控制系统硬件结构
安川-MRC控制系统硬件结构框图如图1所示。 安川-MRC控制系统是一个分散型控制系统，系统共有8个相对独立的微处理器芯片 （即CPU）:SYS-CPU、M-CPU、ARITH-CPU、AXIS1-CPU、AXIS2-CPU、SL-CPU、I/O-CPU、PPCPU，下面分别加以介绍。 （1）SYS-CPU System-CPU即系统CPU，负责管理整个系统及协调工作。 （2）M-CPU Motioncutroc-CPU，负责完成运动控制工作，坐标变换轨迹规划等。 （3）ARITH-CPU Arithmetic-CPU即数学运算协处理器，负责浮点数运算，使系统运算 速度大大提高。 （4）AXIS1-CPU Axis-CPU即伺服控制CPU，负责第一、二、三轴的伺服控制功能，该 CPU级芯片运算速度高。 （5） AXIS2-CPU 功能同AXIS1-CPU控制对象为第三、四、五轴。 （6）I/O-CPU 负责处理并行I/O口信号，以及分散I/O串行口、I/O模拟量输入输出信 号等。 （7）SL-CPU 负责处理突发性外部I/O信号，可迅速允许查知信号有效，并快速做出相 应反应处理。 （8）PP-CPU 示教盒CPU (Program Pendant CPU）负责示教盒功能管理及操作。

手动操作
可以调整手操拨盘或者手操扳键来改变调节器的输出
无扰动切换
手自动切换时都希望不给控制系统带来扰动，即调节器的 输出信号不发生突变（即必须要求无扰动切换）
二、DDZ-Ⅲ型电动调节器
1、电动Ⅲ型仪表的特点
（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准 信号。
优点 ➢ 电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合， 这不但利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、 断线等故障。
4-A/M/H切换 5－阀位表 6－软手动操作扳键 7－双针全刻度指示表
结构尺寸
电源 防爆 输出信号 输入信号
DDZ－II型仪表 （包括调节器）
220VAC 隔离防爆
0~10mA
0~10mA
DDZ一III型仪表 （包括调节器）
24VDC集中供电
本安型防爆 （安全火花型）
4~20mA
4~20mA 1~5V
手自动切换 其它
预平衡
无平衡、无扰动
·正反作用切换（操作点：调节器内部） ·PID参数设置（操作点：调节器内部）
·…………
“自 动”“软手动”切换是双向无平衡无扰动 “硬手动”“软手动”切换是无平衡无扰动 “硬手动”“自 动”切换是无平衡无扰动 “软手动”“硬手动”切换是预平衡无扰动 “自 动”“硬手动”切换是预平衡无扰动
2.积分控制
控制规律
特点 控制器参数
控制过程缓 慢
可消除 余差
积分时间
积分时间 越短，控 制作用越 强，积分 作用太强 引起振荡。
3.微分控制
控制规律
特点 控制器参数
有超前控 制的作用
对滞后 大的对 象有很 好的效 果，使 控制过 微程分的时动 间偏越差长减， 控小制作 用越强， 微分作 用太强 引起振 荡。

•
医疗方面发挥作用。
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微型飞行器：被认为是未来战场上的重要侦察和攻击武器，能以可接受的成本执行某一有价值的任务。这种飞行器必须能够传输实时图像或执行其它功能，有足够小的尺寸（小于20厘米）、足够的巡航范围（如不小于5公里）和飞行时间（不小于15分钟）。
微型战术无人机：可用于战争危险估计、目标搜索、通信中继，监测化学、核或 生物武器，侦察建筑物内部情况。可适 用于城市、丛林等多种战争环境。因为 其便于携带，操作简单，安全性好的优
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•
应用领域的进一步扩大
机器人在制造业中的发展是成功的，正逐步涉足非制造业。随着人类改造大自然要求的提高，以及机器人适应特殊环境能力的增强，农业、林 业、军事、海洋勘探、太空探索、生物医学工程 等行业将是机器人崭露头角的新领域。深入日常生活在人们的日常生活中，各种服务机器人也将向我们走来，娱乐机器人将给我们的生活增添无限乐趣。清洁机器人将减轻我们繁重的家务。保健机器人可为老人和残疾人提供保健帮助，是人
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即分为示教－存储－再现-操作四
•
示教－再现步进行。
示教：方式有两种：(1) 直接示教－手把手；(2) 间接示教－示教盒控制。存储：保存示教信息。再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令。
7.12.13 控制
顺序信息：各种动作单元（包括机械手和外围设备）按动作先后顺序的设定、检测等。位置信息：作业之间各点的坐标值，包括手爪在该点上的姿态，通常总称为位姿（ POSE）。时间信息：各顺序动作所需时间，即机器人完成各个动作的速度。
•
执4 行机构：机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。
5 控制器：是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作控制及对环境的识别。现代工业机器人的控制器都是由计算机控制系统组成，控制方式主要有示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。

混合式控制方法
结合传统控制方法和机器学习方法，发展混合式控制方法以提高 机器人的运动控制精度和自适应性。
多模态感知与决策
研究多模态传感器融合和决策算法，以提高机器人在复杂环境中的 感知和决策能力。
人机共融技术
研究人机交互和协作技术，以实现机器人与人类之间的自然、安全 、高效的交互和协作。
感谢观看
THANKS
VS
详细描述
运动控制的目标是确保机器人能够按照预 定的轨迹和路径进行精确的运动，包括速 度和位置的控制。它需要考虑到机器人的 动力学特性和外部干扰，以实现稳定、准 确的运动控制。
感知与决策控制
总结词
感知与决策控制是机器人控制中的高级环节，它涉及到利用传感器数据和决策算法来指导机器人的行 为。
详细描述
详细描述
常见的机器学习算法包括强化学习、深度学习和监督学习等，基于机器学习的方 法能够提高机器人的智能水平和自适应性，但需要大量的数据和计算资源。
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机器人控制策略
轨迹规划
总结词
轨迹规划是机器人控制中的重要环节，它涉及到机器人在运动过程中路径和速度的优化 。
详细描述
轨迹规划的主要目标是确保机器人在移动过程中能够以最优的方式完成指定的任务，同 时避免碰撞和障碍物。它需要考虑机器人的动力学特性和运动约束，以实现平滑、高效
基于行为的方法将机器人的运动控制分解为一系列简单行为，通过行为之间的 协调与切换实现机器人的复杂运动。
详细描述
行为可以是简单的移动、旋转等，基于行为的方法具有较好的鲁棒性和适应性 ，但可能存在行为之间的冲突和冗余。
基于机器学习的方法
总结词
基于机器学习的方法利用机器学习算法对机器人进行训练，使其能够自主地学习 和优化运动控制策略。

机器人学基础
Fundamentals of Robotics
智能科学基础系列课0
Fundamentals of Robotics
1
Ch. 1 Introduction 第1章 绪 论
Ch. 1 Introduction
2
Contents
Course Schedule Top 10 Robotics News of 2008 Development of Robotics Structure, Feature, and Classification of
讲授
2 讲授
2 课堂 报告
2 实验
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教学进度安排（3）
月 日 周次 4 20 8
教学内容 机器人编程
教学 时数
2
教学 课外 备 方式 时数 注
讲授 2
4 23 8
机器人编程训练
2 训练
4 27 9 综合实验:智能机器人的路 2 综合
径规划与行为决策实验
实验
4 30 9
机器人应用
2 讲授
5 4 10
Ch. 1 Introduction
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2 Robot ride on a wheelbarrow
➢ In September 2008 Japanese Murata Manufacturing Institute launched a new type of robot riding on a wheelbarrow, named "seiko". This new type of robot can maintain its balance through a series of sensors and gyroscopes, and easy to complete riding of a wheelbarrow.

一、机器人控制系统的特点
(3)具有较高的重复定位精度，系统刚性好。除直角坐标机器 人外，机器人关节上的位置检测元件不能安装在末端执行器上，而 应安装在各自的驱动轴上，构成位置半闭环系统。但机器人的重复 定位精度较高，一般为±0.1 mm。此外，由于机器人运行时要求 运动平稳，不受外力干扰，为此系统应具有较好的刚性。
(5-20)
随此着外实 ，际还工要作考情虑的况各作的关不节业同之，间信可惯息以性采力存用、各哥储种氏在不力同等内的的控耦存制合中方作式用，。和重在力执负载行的影任响务，因时此，，系依统中靠还经工常业采用机一些器控人制策的略，动如重力补偿、
前馈、解耦或自适应控制等。
与在自由空间运作动再的控现制相功比能，机，器人可在重受限复空间进运行动的该控制作主业要是。增加此了外对其，作用从端操与外作界接的触角作用度力（来包看括力，矩）要的控制要求，
图5-1 机器人控制系统的分类
二、机器人控制系统的组成
图5-2 机器人控制系统组成框图
二、机器人控制系统的组成
(1)控制计算机。控制计算机是控制系统的调度指挥机 构，一般为微型机，微处理器分为32位、64位等，如奔腾 系列CPU等。
(2)示教编程器。示教机器人的工作轨迹、参数设定和 所有人机交互操作拥有自己独立的CPU及存储单元，与主 计算机之间以串行通信方式实现信息交互。
因而受限运动的控制一般称为力控制。
四现、场机 总器线人应智用能于求力生控控产制现制方场法，系在统微机具化测有量良控制好设备的之人间实机现双界向面多结，点数尽字量通信降，从低而对形成操了新作型者的网的络集要成求式全。分布因控制系统—— 现位场置总 控线制控部制分系的此统输，出(fieΔl多dqb1u和数s速co度情nt控ro况制l s部y要s分tem的求，输F控出CΔS制q)。2相器加，的其设和作计为机人器员人的不关节仅控要制增完量Δ成q，底用于层控伺制机服器人控的制运动器。

二、作业约束与力控制（续1）
对一个被约束的机械手进行控制， 对一个被约束的机械手进行控制 ， 要比一般机械手的控制更 为复杂与困难，这是因为： 为复杂与困难，这是因为： （1）约束使自由度减少，以致再不能规定末端的任意运动； 约束使自由度减少，以致再不能规定末端的任意运动； 约束给手臂施加一个反作用力， （2）约束给手臂施加一个反作用力，必须对该力进行有效的 控制，以免它任意增大，甚至损坏机械手或与其接触的表面； 控制 ， 以免它任意增大 ，甚至损坏机械手或与其接触的表面 ； （3）需要同时对机械手的位置和所受的约束反力进行控制。 需要同时对机械手的位置和所受的约束反力进行控制。
一、位置控制型阻力控制
1、 机械手为非冗余的 ， 而且 、 机械手为非冗余的， 而且J(q)在当前机械手结构 下 在当前机械手结构q下 在当前机械手结构 具有全秩（ 具有全秩（rank）。 ）
2、对于当前的q，雅可比矩阵 、对于当前的 ，雅可比矩阵J(q)是退化的，即当前 是退化的， 是退化的 的机械手结构是奇异的。 的机械手结构是奇异的。
二、柔顺型阻抗控制（续1）
柔顺型阻抗控制的控制律仍为： 柔顺型阻抗控制的控制律仍为：
只是上式中的刚度矩阵K 只是上式中的刚度矩阵 p 是根据需要完成的柔顺任务 来选择的。 来选择的。
§15.3 力和位置混合控制方案
一、主动刚性控制 如图为一个主动刚性控制框图。图中 为机械手末端执行装置 如图为一个主动刚性控制框图。图中J为机械手末端执行装置 的雅可比矩阵； 的雅可比矩阵；Kp为定义于末端笛卡儿坐标系的刚性对角矩 其元素由人为确定。 阵，其元素由人为确定。
柔顺运动控制
还有一类柔顺控制方法为：动态混合控制， 还有一类柔顺控制方法为：动态混合控制，其基本思想是在 柔顺坐标空间将任务分解为某些自由度的位置控制和另一些 自由度的力控制， 自由度的力控制，并在任务空间分别进行位置控制和力控制 的计算， 的计算，然后将计算结果转换到关节空间合并为统一的关节 控制力矩，驱动机械手以实现所需要的柔顺功能。 控制力矩，驱动机械手以实现所需要的柔顺功能。 由此可见 ， 柔顺运动控制包括 阻抗控制 、 力和位置混合控制 和动态混合控制等 和动态混合控制等。

3、超声波接近觉传感器
不适合探测橡胶和泡沫材料的物体
4、其他接近觉传感器
二、接触觉传感器
接触觉传感器可以使机器人在运动中接 触到障碍物时向控制器发出信号。
接触觉传感器开关 压阻式阵列接触觉传感器 光学式接触觉传感器
1、接触觉传感器开关
2、压阻式阵列接触觉传感器
3、光学式接触觉传感器
智能机器人的控制机多为计算机，处理的信息量大，控制算法复杂。 同时配备了多种内部、外部传感器，不但能感知内部关节运行速度及 力的大小，还能对外部的环境信息进行感知、反馈和处理。
5.1 机器人传感器
机器人传感器的特点和要求 机器人内部传感器 机器人外部传感器
机器人传感器的选择要求
传感器类型的选择 机器人应具备什么感觉?
三、力觉传感器
压电晶体、力敏电阻（ FSR ）、应变片 关节力传感器
装在关节驱动器上，测量驱动器本身的输出力和 力矩，用于控制中的力反馈。 腕力传感器 装在末端执行器和机器人最后一个关节之间，直 接测出作用在末端执行器上的各向力和力矩。 指力传感器 装在手爪指关节上，用来测量夹持物体时的受力 情况。
传感器类型的选择
机器人的控制需要传感器
内部传感器： 位置传感器：位置反馈 速度传感器：速度控制，动力学计算需要 加速度传感器：动力学计算需要
传感器类型的选择
有些辅助工作需要传感器的帮助
产品检验：需要视觉 零件分类：需要视觉，对零件进行识别
需要触觉，判断是否接触到零件 需要力觉，判断零件是否放置到位
ba
信号处理装置
m+τ/4
节距τ
光源
Z ZBBAA 通过计算脉冲个数来得到输入轴所转过 的相对角度，分辨率为360°/n