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

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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。
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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, 1982
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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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。
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
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 )
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。
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, Journal of DSMC, Vol. 102, June 1981. pp.126-133
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. Master’s Thesis, MIT, Dept. of Mechanical Engineering, 1974
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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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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
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
正动力学计算 由关节力矩τ计算关节加速度 q..，即τ→ q..
通用机器人的动力学模型为
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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
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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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）
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）。
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。
应该指出的是目前通用工业机器人位置控制是基于运动学的控制而非动力学控制。 只适用于运动速度和加速度较小的应用场所。对于快速运动，负载变化大和要求 力控的机器人还必须考虑其动力学行为。
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10.3 通用机器人的动力学（ Dynamics of General Robots ）
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。
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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：