机器人学基础 第5章 机器人控制 蔡自兴

5.1.1 Basic Control Principles
控制层次 Control Levels
1st Grade: Artificial Intelligence level 2nd Grade: Control model level 3rd Grade: Servo system-level
5.1 Basic Principles of Robot Control
10
5.1.1 Basic Control Principles
Industrial robot controller can be divided into singlejoint (link) controller and multi-joint (link) controller. Robot control depends on its "head", that the development of the processor. Various control methods can be used according to the actual working conditions.
Robot Hubo
Made in China Trained in USA
Fundamentals of Robotics
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HUBO Robot
Hero，I’m Hubo. I am a very unique robot. The more we play the more I can do! I can play games, dance and even sing to you! Let’s be good friends!
Manipulator consists of a series of links, whose dynamic characteristics are highly non-linear. We need to build up the mathematical model to control the motor-driven manipulator. Two assumptions in the designing of model:
The manipulator is an ideal rigid body without friction and gap. Only one degree of freedom for each link, either translation or rotation.
5.2 Position Control of Robot
电动机的开环传递函数见式516sm电枢控制直流电动机的传递函数1见式5232kfsjsslrksvffmfmemmmmmkkjsfslrsksvs21speedregulationofdcmotor52机器人的位置控制58图具有测速反馈的直流电动机控制原理图521modelingofdccontrolsystema控制原理图b等效电路图22basiccontrolstructures522structureofpositioncontrol位置控制的基本结构59图机器人位置控制基本结构52机器人的位置控制a关节空间控制结构b直角坐标空间控制结构23servocontrolstructureofpuma522structureofpositioncontrol52机器人的位置控制24servocontrolstructureforpumarobot9puma图3机器人的结构图522structureofpositioncontrol52positioncontrolofrobot25servocontrolstructureforpumarobot510puma图机器人的伺服控制结构522structureofpositioncontrol52positioncontrolofrobot26523positioncontrollerofsinglejoint单关节位置控制器?structureofpositioncontrolsystem511图斯坦福机械手的位置控制系统方框图52positioncontrolofrobot27transferfunctionofasinglejointcontroller512图一个关节的电动机齿轮负载联合装置示意图2iemmmmimmkkbrsbljrjslsksvs535523positioncontrollerofsinglejoint52positioncontrolofrobot28513图机械手位置控制器结构图523positioncontrollerofsinglejoint52positioncontrolofrobot29determinateparametersandthesteadystateerrorssesteadystateerrorsse1kkandtetieffmkkkkbjrk1??imeffkrjk42ilgfmsspkkcccre523pos
末端执行装置的状态是由任务轴的许多参数表示的， 它是机器人运动模型矢量X的分量。要控制矢量X 随时间 变化的情况，即 X (t ) ，它表示末端执行装置在空间的 实时位置。只有当关节移动时，X 才变化。用矢量(t ) 表示关节变量与受控量关系关节变量，即 1 至 6 。
各关节具有运动学模型C1至C6，这些模型构成关节矢 量 C (t ) ，并由各传动电动机的力矩矢量 T (t ) 经过变 速机送到各个关节。在电流或电压矢量 V (t ) 提供的动力 作用和微处理机的控制下，这些电动机产生力矩 T (t ) 。
Speed regulation of DC motor
(a) 控制原理图
(b) 等效电路图
图5.8 具有测速反馈的直流电动机控制原理图
5.2 机器人的位置控制 21
5.2.2 Structure of Position Control 位置控制的基本结构
Basic control structures
图5.2 机器手主要控制层次
5.1 Basic Principles of Robot Control
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5.1.2 Examples of Servo-control System 伺服控制系统举例
Servo driven system of hydraulic cylinder
图5.3 液压缸伺服传动系统结构图
A mobile robot Designed in USA Made in China Can play games, dance and sing
Watch vedio BigDog
Made by Boston Dynamics Co. US. A military robot which has amazing mobility and adaptability. It can climb up 35 ° slopes, carry more than 40 kg equipment.
5.1 Basic Principles of Robot Control 5.2 Position Control of Robots 5.3 Hybrid Control of Force/Position of Robots 5.4 Intelligent Control of Robots 5.5 Summary
(5.35)
图5.12 一个关节的电动机-齿轮-负载联合装置示意图
5.2 Position Control of Robot
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5.2.3 Position Controller of Single Joint
图5.13 机械手位置控制器结构图
5.2 Position Control of Robot
(a) 关节空间控制结构
(b) 直角坐标空间控制结构
图5.9 机器人位置控制基本结构
5.2 机器人的位置控制
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5.2.2 Structure of Position Control
Servo control structure of PUMA
5.2 机器人的位置控制
23
5.2.2 Structure of Position Control
5.1 机器人的基本控制原则
16
5.1.2 Examples of Servo-control System Electro-hydraulic servo control system
图5.4 电-液压伺服控制系统
5.1 机器人的基本控制原则
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5.2 Position Control of Robot 机器人的位置控制
m (S ) km V f ( S ) (r f l f S )( JS 2 FS K )
电枢控制直流电动机的传递函数(1)，见式5.23
m (S ) km Vm ( S ) S[( Rm Lm S )( F JS ) k e k m ]
5.2.1 Modeling of DC Control System
Servo control structure for PUMA robot
图3.9 PUMA机器人的结构图
5.2 Position Control of Robot
24
5.2.2 Structure of Position Control
Servo control structure for PUMA robot
表5.1 机器人控制的分类及其分析方法
5.1 Basic Principles of Robot Control
11
5.1.1 Basic Control Principles
主要控制变量（Control Variables） Control variables of joints of a manipulator
机器人学基础 9
5.1 Basic Principles of Robot Control
5.1.1 Basic Control Principles
Classification of Controllers
non-servo control servo control position/speed feedback control force (torque) control Hybrid F-P control sensor-based control nonlinear control adaptive control hierarchical control optimal control fuzzy control neurocontrol other intelligent controls …
图5.2 机器手主要控制层次
5.1 机器人的基本控制原则 13
5.1.1 Basic Control Principles
Robot control is the control of bidirectional equation:
V (t ) T (t ) C (t ) (t ) X (t )
机器人学基础
第五章 机器人控制
Fundamentals of Robotics
Ch.5 Robot Control
中南大学 蔡自兴，谢 斌 zxcai, xiebin@ 2010
Fundamentals of Robotics
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Chapter 5 Robot Control 第五章 机器人控制
Impression: Kinem. + Dynam. + ?
Chapter 5 Robot Control
5.1 Basic Principles of Robot Control 机器人的基本控制原则
The issue of robot control is closely related to robotic kinematics and dynamics. (how learn?). From the point view of control, The robotic system is a representative redundant, multi-variable and nonlinear control system in nature, and a complex coupling dynamic system. Every control task it self is a dynamical task.
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5.2.1 Modeling of D.C Control System 直流传动系统的建模

Transfer function and equivalent diagram
图5.5 直流电动机伺服传动原理
5.2 机器人的位置控制 19
根据电力传动原理可求得下列传递函数： 电动机的开环传递函数，见式5.16
图5.10 PUMA机器人的伺服控制结构
5.2 Position Control of Robot
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5.2.3 Position Controller of Single Joint 单关节位置控制器

Structure of Position control system
图5.11 斯坦福机械手的位置控制系统方框图
5.2 Position Control of Robot
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5.2.3 Position Controller of Single Joint
Transfer function of a single-joint controller
m (S ) KI Vm ( S ) S[ Lm JS 2 ( Rm J Lm B) S ( Rm B k e K I )]
图5.1 机器手各关节控制变量
5.1 机器人的基本控制原则 12
5.1.1 Basic Control Principles
控制层次 Control Levels
Level 1： Level of AI Level 2 ： Level of control model Level 3 ： Level of servo system
Fundamentals of Robotics
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Examples
Robot HuBo PUMA 560 Watch a video of BigDog
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