9-机器人控制的实际应用第九章机器人协调控制

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引言：
第九章 协调控制
机器人控制的实际应用
任课教师：
吴伟国
机电工程学院机械设计系 仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室
H&G Robot and Its Intelligent Motion Control Lab.,HIT
/H&GRobotLab/index.htm /H&GRobotLab/index.htm
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●多机器人协调控制问题：机器人被广泛地应用于各个领域。根 ●多机器人协调控制问题：机器人被广泛地应用于各个领域。根 据作业不同，有需要多台机器人同时作业，但是，通常情况下， 各机器人在力学角度上作为独立体，各机器人按在力学上独立地 被控制着。但是，因应用领域的不同，也有需要协调使用多台机 器人、相互之间在力学上互相作用的作业。处理该作业问题的多 台机器人的协调控制问题成为机器人应用领域中重要课题之一。 ●用多台机器人协调完成作业可能是单台机器人能力所不具备的： 实如图11.1所示，用多台机器人可以完成单台机器人所不能搬运得 动的重物，此时，机器人与对象物构成闭链的多杆件机构，系统 的刚度得到提高。人双手完成的作业可由2台机器人协作完成等。 ●多台机器人操作单一对象物的机器人协调控制问题过去已有过 研究，特别地有中野和黑泽等(1974年、1975年日本机器人学会志) 的研究：机器人的协调控制与其它的控制问题不同的是：需要研 的研究：机器人的协调控制与其它的控制问题不同的是：需要研 究关于操作对象物体的力学问题。而该问题本质上又不但但是控 制理论所能解决的。
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本章主要 内容：
●介于对象物 之间存在机械 干涉的多台机 器人协调控制 问题及其代表 性的控制算 法； ●多数机器人 操作单一物体： 用 SICESICE-DD 机 器人操作臂末 端加1个自由 度 成 为平 面 3D.O.F 的 协 调 控制实验等。
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9.1 物体的运动和内力
■考察如图 9.2 所示多台机器人操作对 象物的运动。把持一个对象物体的 n 台 机器人， 各机器人如图9.3所示对物体 施加作用力和力矩。坐标系定义如下：
Object trajectory
图9.2 单个物体的操作
zhi i-th Arm xhi i-th Arm Coordinate System zu Task Coordinate System yhi Object Coordinate System z0 o0 x0 y0
图9.1 协调控制作业的应用实例
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图9.3 坐标系的定义
xu 4
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■被机器人操作的对象物物体的运动方程可以表示为：
■为分析各机器人操作臂对物体的力和力矩，将作用在物体重 心上的合力F0和N0 表示成下式：
■被操作的对象物的运动是由合力、合力矩即F0、N0确定的。则整 理(11.1),(11.2)式有：
■对应于各机器人施加在被操作对象物上的力和力矩，由 (11.5),(11.7’)式可唯一地确定该物体的运动。
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■【问题】：为实现给与物体的运动要从(11.5)式求出所需要的 合力及合力矩，但是K不是方阵，各机器人操作臂施加在物体上 的力也不能唯一地由式(11.7)确定。 ■“内力”：(11.7)式中K的零空间各力、力矩元素被称为内力。 ■实际上，(11.7)式的解依存于如何把操作对象物体所需的力和 力矩分派给各机器人操作臂。而且也依存于机器人施加给物体 的内力。 ■由内山等人给出的、双臂 (n=2)的解如下，用一般化的逆矩阵 求解(11.7)式有：
■负载均等地分配给各机器人操作臂的情况下，(11.7)式的解为：
■一般情况下(n≥2), 采用K的伪逆阵K+，则：
【说明】式(11.10)式及(11.13)式的右侧第2项对于物体所受的合 力和合力矩没有影响，即为不影响物体运动的成分，相当于施 加给物体的内力。
由式 (11.10)右侧第一项可知：操作物体所需的负载L以 R: (I6-R) 被分配给两台机器人操作臂。R为确定分配的系数阵。
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9.2 对象物的协调控制问题
■需要多机器人操作臂操作物体的情况下，需要考虑以下问题： (1)怎样把持物体？ ？ (2)怎样控制物体的运动？ (3)怎样控制多台机器人操作臂施加给物体的力(内力)？ (4)负载怎样分派给各机器人操作臂？ ■本节主要内容： 考虑问题(2)~(4)：牢固地把持住物体，给物体施加任意的力 和力矩；当机器人操作臂与物体呈点接触，不能给物体施加任 意的力矩的情况等。
9.2.1 物体的运动与内力的控制
■机器人操作臂协调控制问题：在以操作单个物体的约束条件 下，存在如何使各机器人操作臂的运动不发生矛盾的控制问题。 其控制算法大致分为3种类型： 1) 主从型：由E.Nakano等最先提出的方法，如图9.4所示，是一台
机器人操作臂 ( 主臂 ) 进行物体的位置控制，控制另外一台 ( 从臂 ) 给物 体施加的力的方法。方法简单，但确实能够控制位置和施加给物体的 力。但是，理论上，进行位置控制的机器人操作臂承受着除内力以外 的所有负载，在各臂间存在不能分散载荷的问题。
Slave
F
Force Control
Master
Position Control Object Trajectory
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机械设计系 图 9.4 双机器人操作臂操作单个物体的主从控制
3) 柔顺控制型： 2) 混合控制型： 自由空间内，控制物体的三维空间运动需要6个自由度，因 此，多台(n台)机器人操作臂拥有6n个自由度可供使用，混合控 制恰好是位置和力混合控制构成的系统来控制物体运动6自由度 和内力6自由度的控制方法，因而可以将该主从型控制作为一般 该主从型控制作为一般 化的方法通用化。 但是，实际上，采用多台机器人操作臂的情况下，各机器 人操作臂坐标系间的相对误差很难消除，而且，机器人操作臂 机器人操作臂 自身的几何参数误差、操作物体的形状误差等因素使得难于进 行严密控制，往往因情况不同，有过大的内力作用在物体上。 例如：高濑等人从约束物体运动的观点推导出的方法基本上就 是这种类型和方法的控制系统。
如 图 9.5 所示，是通过由硬件和软件的方法实现的柔顺或阻抗控 制把持物体的方法，是对于系统存在的几何误差具有很强适应性的控 制方法。 系统存在几何误差的情况下，虽然内力和物体的位置/姿态不能准 确地控制，但是，几何误差对协调操作产生的影响可用系统的柔顺 (柔性)来吸收，可以防止在物体上作用过大的内力。 【 关于混合控制型方法的实际应用问题】 关于混合控制型方法的实际应用问题】 通常情况下，第2)种的 混合控制型方法中，由于系统存在几何误差，为了不导致在物体有过 混合控制型方法中，由 大的作用力，实际的位置控制不能具有高的伺服刚度。实际上是在无 实际上是在无 意识地进行柔顺控制——即靠降低伺服系统的刚度减小由于系统几何 误差造成的物体上过大作用力。
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Compliance/Impedance Compliance/Impedance 12 哈工大 图9.5 双机器人操作臂操作单个物体的柔顺控制 机械设计系
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