工业机器人力控与顺应控制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,智能与控制工程研究所,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,智能与控制工程研究所,*,第十章 机器人的力控和顺应控制,工业机器人,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,2024年10月21日,智能与控制工程研究所,2,10.1,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,）,2024年10月21日,智能与控制工程研究所,3,10.1.1,位置控制（,Position Control,）,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，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,end effector,X,X,Y,Y,Z,Z,图,10-1,机器人操作手,O,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。,2024年10月21日,智能与控制工程研究所,4,机器人的位置控制主要有,直角坐标,和,关节坐标,两种控制方式。,直角坐标位置控制：,是对机器人末端执行器坐标在参考坐标中的位置和姿态的控制。通常其空间位置主要由腰关节、肩关节和肘关节确定，而姿态（方向）由腕关节的两个或三个自由度确定。通过解逆运动方程，求出对应直角坐标位姿的各关节位移量，然后驱动伺服结构使末端执行器到达指定的目标位置和姿态。,关节坐标位置控制：,直接输入关节位移给定值，控制伺服机构。,从,70,年代初开始，专家们提出了各种各样的位置控制方法和相应的控制算法，其中比较有代表性的有：,（,1,）解运动位置的控制,RMPC,（,Resolved Motion Position Control,）,1972,年由,Richard P.Paul,提出机器人关节坐标路径和直角坐标路径两种轨迹控制方法，其代表作为：,R P Paul.Modeling,Trajectory Calculation and Serving of a Computer Controlled Arm.Stanford Artificial Intelligence Lab.,Stanford University,Stanford,CA.A.I.Memo 177,Sept.1972,R P Paul.Manipulator Cartesian Path Control.IEEE Trans.On Sys.Man,Cybernetics,Vol.SMC-9,Nov.1979,PP.702-711,2024年10月21日,智能与控制工程研究所,5,（,2,）解运动速度的控制,RMRC,（,Resolved Motion Rate Control,）,1969,年由,D.E.Whitney,提出。代表作是：,D E Whitney.Resolved Motion Rate Control of Manipulators and Human,Prostheses IEEE Trans.on Man-Mach.system.Vol.MMS-10,No.2,June 1969,pp.47-53,（,3,）解运动加速度的控制,RMAC,(,Resolved Motion Acceleration Control,),1980,年由美籍华人科学家陆养生（,J.Y.S.Luh,）提出。其代表作为：,J Y S Luh,M W Walker,and R P Paul.Resolved Acceleration control of Mechanical Manipulators.IEEE Trans.on Auto.Control,Vol.AC25,No.3,June 1980,pp468-474,2024年10月21日,智能与控制工程研究所,6,（,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,1982,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,）或通用的高级语言（如,BASIC,）编程和示教再现能力。,2024年10月21日,智能与控制工程研究所,7,10.1.2,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.Masters Thesis,Massachusetts Institute of Technology(MIT),Aug.1972,1974,年，,Jilani,将力传感器安装在一台单轴液压机械手上进行力反馈控制实验。参见下文：,M A Jilani.Force Feedback Hydraulic Servo for Advanced Automation Machine.Masters Thesis,MIT,Dept.of Mechanical Engineering,1974,2024年10月21日,智能与控制工程研究所,8,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（,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,）,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：,R P Paul and B Shimano.Compliance and Control.Proc.Joint Automatic control,Conf.Sam Francisco,IEEE,pp694-699,1976,2024年10月21日,智能与控制工程研究所,9,10.1.3,顺应控制,(,Compliance Control,),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),2024年10月21日,智能与控制工程研究所,10,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。,像,RCC,这样的被动式柔顺手腕，由于不需要信息处理，而只靠自身的机构调整，所以具有快速响应的能力，而且结构简单，价格低廉。但它只能在诸如插轴入孔这样一些专用场合使用，且柔顺中心的调整也比较困难，不能适应杆件长度的变化，柔顺度固定，无法适应不同作业任务要求，这些都是由于其机械结构和弹性材料决定的，因此其通用性较差。后来也有人设计一种柔顺中心和柔性度可变的,RCC,装置，称为,VRCC(Variable RCC),，但结构复杂，重量大，且可调范围有限。,2024年10月21日,智能与控制工程研究所,11,柔顺中心,旋转部件,平移部件,O,(a)RCC,x,F,(b),平移,M,(c),旋转,图,10-2 RCC,工作原理,2024年10月21日,智能与控制工程研究所,12,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：,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.,位置,/,力混和控制（,Hybrid Position/Force Control,）,位置,/,力混和控制是由,Raibert and Craig,在,1981,年提出的 它的思想是分别将机器人的力控和位置控制在控制器的两个不同通道上实现，这就是著名的,R,C,控制器。其代表作是：,M H Raibert and J J Craig.Hybrid Position/Force control of Manipulators.Trans,of ASME,Jou