机器人技术第九章2014 机器人控制简介
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（任务规划，轨迹规划）
控制器
驱动器 外部传感器
执行器
环境
机器人系统
哈尔滨工业大学机电工程学院
机器人技术
5
机器人控制时，要求其各关节按所规划的轨迹运动。而 控制系统中的驱动器驱动电机产生力矩，关节的驱动力矩 以根据动力学模型计算获得。 而实际上，动力学模型不可能绝对准确，而且系统中还 存在干扰和噪声。因此，开环控制策略是不适用的。通常采 用关节传感器构成闭环反馈控制。
机器人技术
第九章 机器人控制简介
授课对象： 课程类型： 主 讲 人： 日 期： 硕士生 学位课 丁 亮 讲师 2014年6月9日
本章内容概要
¾§9.1 机器人控制概述 ¾§9.2 机器人控制分类 ¾§9.3 机器人控制系统硬件配置及结构 ¾§9.4 单关节机器人位置控制 ¾§9.5 多关节机器人位置控制 ¾§9.6 机器人操作空间控制 ¾§9.7 机器人的力控制 ¾§9.8 移动机器人控制 ¾§9.9 总结及思考题
9.4.1
直流传动系统建模
在设计模型时，提出下列两个假设： (1) 机器人的各杆件是理想刚体，因而所有关节都是理想的， 不存在摩擦和间隙； (2) 相邻两连杆间只有一个自由度，或为完全旋转的，或是完 全平移的。
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 17
直流电动机原理
哈尔滨工业大学机电工程学院
机器人技术
qd
轨迹 生成
d q d q
控制/ 驱动
τ
= q d − q e
Leabharlann Baidu执行 系统
q
q
e = qd − q
哈尔滨工业大学机电工程学院
机器人技术
6
机器人技术与控制学科的关系
机器 人技 术
机器 人控 制
控制 理论
机器人设计； 运动学； 动力学； 运动规划； 感觉技术； …
单关节位置控制； 多关节位置控制； 操作空间控制； 力控制； 移动机器人控制; …
重载六足机器人控制系统
哈尔滨工业大学机电工程学院
机器人技术
14
机器人运动控制器(卡)
LC/DSP 低成本多轴控制卡 ¾1,2,3,4轴; ¾脉冲输出频率0至375KHZ; ¾模拟输出±10V; ¾16位D/A; ¾20位数字I/O ; ¾单端和差动式编码器输入. PCX/DSP 带A/D控制卡 ¾1,2,3,4,5,6,7,8轴; ¾脉冲和模拟输出; ¾带有8通道A/D输入; ¾44位数字I/O.
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 4
§9.1 概述
一般地说，机器人控制问题分为下面两部分： (1)求得 机器人的动态模型； (2) 利用这些模型确定控制规律或策 以达到所需的系统响应和性能。控制问题的第一部分已在动 力学中详细论述，这里将讨论控制问题的第二部分。 控制系统
人机接口 操作者 内部传感器 计算机硬件及软件
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 2
参考书目
1) Bruno Siciliano, Lorenzo Sciavicco, et al. Robotics: Modeling, Planning and Control. Springer Press, 2009 2) 蔡自兴. 机器人学(第二版). 北京：清华大学出版 2009 3) 谭民，徐德，侯增广等. 先进机器人控制. 北京：高等 教育出版社，2007
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 8
§9.2 机器人控制分类
(1) 单关节位置控制
位置反馈控制，位置和速度反馈控制，位置、速度和加速度 反馈控制。
(2) 多关节位置控制
分解运动控制(Decentralized Control) (前馈): 速度、加速度 前馈，计算力矩法等; 集中控制(Centralized Control) (反馈): 逆动力学控制、鲁棒 控制、自适应控制等 。
0
t
¾当机器人关节进行高速、高加速度的路径跟踪时， 位置、速度反馈控制的跟踪精度大大降低。可以通过 速度和加速度前馈补偿来提高跟踪精度。
哈尔滨工业大学机电工程学院
− 负载返回系数。
机器人技术 20
电枢控制直流电动机传递函数
dim + keωm vm = Rmim + Lm dt Tm = kmim
d 2θ m dθ m Tm = J +F + Kθ m ( K ≈ 0) 2 dt dt
J = Jm +
Jc
η
2
F = fm +
fc
η
Θm ( s) km = = G( s) Vm (s) s [ ( Rm + Lm s)( F + Js) + ke km ]
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 22
电枢控制直流电动机传递函数
Vm
1 Rm R +mLm s
Im
′ km
Tm
1 Js + F
Ωm
1 s
Θm
G(s)
ke
M ′( s)
古典控制； (非)线性控制； 鲁棒控制； H2/Hinf控制； 自适应控制； 智能控制; …
机器人技术 7
哈尔滨工业大学机电工程学院
机器人控制：国际视野
¾ 学术团体 IEEE Robotics and Automation Society (RAS) ¾ 国际会议 IEEE International Conference on Robotics and Automation ¾ 国际杂志 IEEE Robotics and Automation Magazine (SCI IF 3.00) IEEE Transactions on Robotics and Automation ( -2004) IEEE Transactions on Robotics (SCI IF 2.68) IEEE Tran. Automation Science and Engineering ¾ 控制理论与工程研究人员分布在： Electrical and Computer Eng. (ECE) , Mechanical Eng. (ME), etc.
Tm , k m − 电 动 机 转 矩 及 转 矩 常 数 ； J m , fm −电 动 机 转 子 转 动 惯 量 及粘滞摩擦系数；
θ m ,ω m − 电 枢 角 位 移 与 转 速 ； θc ,ωc − 负 载 角 位 移 和 转 速 ； η = θ m /θ c − 减 速 比 ；
J c , fc − 负 载 转 动 惯 量 和 负 载 粘滞摩擦系数； kc
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 27
速度、加速度前馈补偿
Θm Km = M (s) = Vm s (1 + Tm s )
e(t ) = (θ d (t ) − θ m (t ))
1 Tm vm = θ m + θ m km km
+ a0 e + a−1 ∫ e(ξ )dξ vm = a1e
2
K=
kc
η
2
J、F、K分别表示传动系统对传动轴的总转动惯 量，总粘滞摩擦系数、总反馈系数。通常假设：K=0。
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 21
电枢控制直流电动机传递函数
Vm
1 Rm + Lm s
Im
′ km
Tm
1 Js + F
Ωm
1 s
Θm
ke
Θm ( S ) km = Vm (S) JLm s 3 + ( JRm + FLm ) s 2 + ( Lm K + Rm F + km ke ) s
km G(s) = Rm ( Js + F ) G( s) M ′( s) = 1 + G( s) H ( s)
哈尔滨工业大学机电工程学院
H ( s ) = ke
M ′( s) M (s) = s
机器人技术 23
电枢控制直流电动机传递函数
km Rm ( Js + F ) G ( s) M ′( s ) = = k m ke 1 + G ( s) H ( s) 1 + Rm ( Js + F ) km = Rm Js + ( Rm F + km ke )
(5) 移动机器人控制
点镇定(Point stabilization)、 路径跟踪 (Path following)、轨迹 跟随(Trajectory tracking)等。
哈尔滨工业大学机电工程学院
机器人技术
10
9.3 机器人控制系统硬件配置及结构
PUMA机器人
主控 q , q d , q d 控制 d 计算 器 机
哈尔滨工业大学机电工程学院
机器人技术
3
本章学习目标
¾ 形成机器人运动控制的基本概念 ¾ 掌握机器人控制的分类及其特点 ¾ 掌握单关节机器人位置控制方法 ¾ 深入理解多关节机器人控制方法，包括 分解运动控制、基于逆动力学反馈线性化的集 中控制、操作空间控制等控制方法 ¾ 深入理解机器人力控制方法，包括阻抗控 制、直接力控制、力位混合控制等
18
直流电动机工作原理
磁极 电刷 电枢导体 换 向 片 磁极
直流伺服电机原理图
F = IL × B
在电枢绕组中通过施加直流电压，并在磁场的作用 下使电枢绕组的导体产生电磁力形成带动负载旋转的电 磁转矩。
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 19
具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图
R m , Lm − 电 枢 回 路 电 阻 与 电 感 ； im , v m ke −电枢回路电流与电压； −电动机电势常数；
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 25
PID控制参数的作用
比例(P)控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在 控制系统中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡； 积分(I)控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使 系统到达稳态的时间变长，限制系统的快速性； 微分(D)控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例 控制规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于 减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪 速度，但对输入信号的噪声很敏感。
Rm F km ke
(忽略阻尼项)
1/ ke Km M ′( s ) ≈ = Rm J 1+ s 1 + Tm s k m ke
哈尔滨工业大学机电工程学院
Km M (s) = s (1 + Tm s )
机器人技术 24
9.4.2
单关节位置控制器
从稳定性和精度观点看，要获得满意的位置控制性 能，必须在伺服电路内引入补偿网络。 即必须引入与误差信号 e(t ) = (θ d (t ) − θ m (t )) 有关的补偿。主要有下列几种补偿： 比例(Proportional)补偿：与e(t)成比例(kp) 积分(Integral)补偿：与e(t)的积分成比例(ki) 微分(Derivative )补偿：与e(t)的微分de(t)/d(t)成比例(kd) 实际系统中，几种补偿一般组合使用，如PD补偿， PI补偿，PID补偿等
Vd
驱动 器
Vm
电机
Θm
机器 人
, q q, q
q, q
哈尔滨工业大学机电工程学院
传感器
机器人技术 11
PUMA-562机器人控制系统原理图
上位机 控制器
驱动器 执行器 传感器
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 12
PUMA-562机器人下位机(控制器)系统框图
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 13
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 9
§9.2 机器人控制分类
(3) 操作空间(Operational Space)(笛卡尔空间) 运动控制 (4) 力控制 (Force Control)
柔顺控制 (Compliance Control)、阻抗控制(Impedance Control)、力位混合控制(Hybrid Force/ Motion Control)等；
哈尔滨工业大学机电工程学院
机器人技术
15
高性能机器人运动控制器
美国 PMAC (Programmable Multi-Axis Controller )
美国Galil
哈尔滨工业大学机电工程学院
中国固高(GT)
英国
机器人技术 16
§9.4 单关节机器人位置控制
最简单的控制策略是将具有n个关节的机器人作为n个独 立的系统分别进行控制，此时，每一个关节都是单输入单输 出系统。耦合效应、重力影响等可以作为干扰输入，或者通 过前馈补偿进行消除。
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 26
位置、速度反馈控制
位置环 速度环
Θd
k pp + k pi s + k pd s
Ωd
kvp +
kvi s
Θm
M (s)
Θ m
Θ m
¾速度环：其作用是使关节电机表现出期望的速度特性， 通常由电机驱动器完成，通过调整驱动器的PI参数，能 够保证速度环的稳定性。驱动器通常还集成电流环。 ¾位置环：其作用是使关节电机运动到期望的位置，通 常由控制器或控制计算机实现。
控制器
驱动器 外部传感器
执行器
环境
机器人系统
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5
机器人控制时，要求其各关节按所规划的轨迹运动。而 控制系统中的驱动器驱动电机产生力矩，关节的驱动力矩 以根据动力学模型计算获得。 而实际上，动力学模型不可能绝对准确，而且系统中还 存在干扰和噪声。因此，开环控制策略是不适用的。通常采 用关节传感器构成闭环反馈控制。
机器人技术
第九章 机器人控制简介
授课对象： 课程类型： 主 讲 人： 日 期： 硕士生 学位课 丁 亮 讲师 2014年6月9日
本章内容概要
¾§9.1 机器人控制概述 ¾§9.2 机器人控制分类 ¾§9.3 机器人控制系统硬件配置及结构 ¾§9.4 单关节机器人位置控制 ¾§9.5 多关节机器人位置控制 ¾§9.6 机器人操作空间控制 ¾§9.7 机器人的力控制 ¾§9.8 移动机器人控制 ¾§9.9 总结及思考题
9.4.1
直流传动系统建模
在设计模型时，提出下列两个假设： (1) 机器人的各杆件是理想刚体，因而所有关节都是理想的， 不存在摩擦和间隙； (2) 相邻两连杆间只有一个自由度，或为完全旋转的，或是完 全平移的。
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直流电动机原理
哈尔滨工业大学机电工程学院
机器人技术
qd
轨迹 生成
d q d q
控制/ 驱动
τ
= q d − q e
Leabharlann Baidu执行 系统
q
q
e = qd − q
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机器人技术
6
机器人技术与控制学科的关系
机器 人技 术
机器 人控 制
控制 理论
机器人设计； 运动学； 动力学； 运动规划； 感觉技术； …
单关节位置控制； 多关节位置控制； 操作空间控制； 力控制； 移动机器人控制; …
重载六足机器人控制系统
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14
机器人运动控制器(卡)
LC/DSP 低成本多轴控制卡 ¾1,2,3,4轴; ¾脉冲输出频率0至375KHZ; ¾模拟输出±10V; ¾16位D/A; ¾20位数字I/O ; ¾单端和差动式编码器输入. PCX/DSP 带A/D控制卡 ¾1,2,3,4,5,6,7,8轴; ¾脉冲和模拟输出; ¾带有8通道A/D输入; ¾44位数字I/O.
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 4
§9.1 概述
一般地说，机器人控制问题分为下面两部分： (1)求得 机器人的动态模型； (2) 利用这些模型确定控制规律或策 以达到所需的系统响应和性能。控制问题的第一部分已在动 力学中详细论述，这里将讨论控制问题的第二部分。 控制系统
人机接口 操作者 内部传感器 计算机硬件及软件
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 2
参考书目
1) Bruno Siciliano, Lorenzo Sciavicco, et al. Robotics: Modeling, Planning and Control. Springer Press, 2009 2) 蔡自兴. 机器人学(第二版). 北京：清华大学出版 2009 3) 谭民，徐德，侯增广等. 先进机器人控制. 北京：高等 教育出版社，2007
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 8
§9.2 机器人控制分类
(1) 单关节位置控制
位置反馈控制，位置和速度反馈控制，位置、速度和加速度 反馈控制。
(2) 多关节位置控制
分解运动控制(Decentralized Control) (前馈): 速度、加速度 前馈，计算力矩法等; 集中控制(Centralized Control) (反馈): 逆动力学控制、鲁棒 控制、自适应控制等 。
0
t
¾当机器人关节进行高速、高加速度的路径跟踪时， 位置、速度反馈控制的跟踪精度大大降低。可以通过 速度和加速度前馈补偿来提高跟踪精度。
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− 负载返回系数。
机器人技术 20
电枢控制直流电动机传递函数
dim + keωm vm = Rmim + Lm dt Tm = kmim
d 2θ m dθ m Tm = J +F + Kθ m ( K ≈ 0) 2 dt dt
J = Jm +
Jc
η
2
F = fm +
fc
η
Θm ( s) km = = G( s) Vm (s) s [ ( Rm + Lm s)( F + Js) + ke km ]
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电枢控制直流电动机传递函数
Vm
1 Rm R +mLm s
Im
′ km
Tm
1 Js + F
Ωm
1 s
Θm
G(s)
ke
M ′( s)
古典控制； (非)线性控制； 鲁棒控制； H2/Hinf控制； 自适应控制； 智能控制; …
机器人技术 7
哈尔滨工业大学机电工程学院
机器人控制：国际视野
¾ 学术团体 IEEE Robotics and Automation Society (RAS) ¾ 国际会议 IEEE International Conference on Robotics and Automation ¾ 国际杂志 IEEE Robotics and Automation Magazine (SCI IF 3.00) IEEE Transactions on Robotics and Automation ( -2004) IEEE Transactions on Robotics (SCI IF 2.68) IEEE Tran. Automation Science and Engineering ¾ 控制理论与工程研究人员分布在： Electrical and Computer Eng. (ECE) , Mechanical Eng. (ME), etc.
Tm , k m − 电 动 机 转 矩 及 转 矩 常 数 ； J m , fm −电 动 机 转 子 转 动 惯 量 及粘滞摩擦系数；
θ m ,ω m − 电 枢 角 位 移 与 转 速 ； θc ,ωc − 负 载 角 位 移 和 转 速 ； η = θ m /θ c − 减 速 比 ；
J c , fc − 负 载 转 动 惯 量 和 负 载 粘滞摩擦系数； kc
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速度、加速度前馈补偿
Θm Km = M (s) = Vm s (1 + Tm s )
e(t ) = (θ d (t ) − θ m (t ))
1 Tm vm = θ m + θ m km km
+ a0 e + a−1 ∫ e(ξ )dξ vm = a1e
2
K=
kc
η
2
J、F、K分别表示传动系统对传动轴的总转动惯 量，总粘滞摩擦系数、总反馈系数。通常假设：K=0。
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 21
电枢控制直流电动机传递函数
Vm
1 Rm + Lm s
Im
′ km
Tm
1 Js + F
Ωm
1 s
Θm
ke
Θm ( S ) km = Vm (S) JLm s 3 + ( JRm + FLm ) s 2 + ( Lm K + Rm F + km ke ) s
km G(s) = Rm ( Js + F ) G( s) M ′( s) = 1 + G( s) H ( s)
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H ( s ) = ke
M ′( s) M (s) = s
机器人技术 23
电枢控制直流电动机传递函数
km Rm ( Js + F ) G ( s) M ′( s ) = = k m ke 1 + G ( s) H ( s) 1 + Rm ( Js + F ) km = Rm Js + ( Rm F + km ke )
(5) 移动机器人控制
点镇定(Point stabilization)、 路径跟踪 (Path following)、轨迹 跟随(Trajectory tracking)等。
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机器人技术
10
9.3 机器人控制系统硬件配置及结构
PUMA机器人
主控 q , q d , q d 控制 d 计算 器 机
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3
本章学习目标
¾ 形成机器人运动控制的基本概念 ¾ 掌握机器人控制的分类及其特点 ¾ 掌握单关节机器人位置控制方法 ¾ 深入理解多关节机器人控制方法，包括 分解运动控制、基于逆动力学反馈线性化的集 中控制、操作空间控制等控制方法 ¾ 深入理解机器人力控制方法，包括阻抗控 制、直接力控制、力位混合控制等
18
直流电动机工作原理
磁极 电刷 电枢导体 换 向 片 磁极
直流伺服电机原理图
F = IL × B
在电枢绕组中通过施加直流电压，并在磁场的作用 下使电枢绕组的导体产生电磁力形成带动负载旋转的电 磁转矩。
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具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图
R m , Lm − 电 枢 回 路 电 阻 与 电 感 ； im , v m ke −电枢回路电流与电压； −电动机电势常数；
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 25
PID控制参数的作用
比例(P)控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在 控制系统中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡； 积分(I)控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使 系统到达稳态的时间变长，限制系统的快速性； 微分(D)控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例 控制规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于 减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪 速度，但对输入信号的噪声很敏感。
Rm F km ke
(忽略阻尼项)
1/ ke Km M ′( s ) ≈ = Rm J 1+ s 1 + Tm s k m ke
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Km M (s) = s (1 + Tm s )
机器人技术 24
9.4.2
单关节位置控制器
从稳定性和精度观点看，要获得满意的位置控制性 能，必须在伺服电路内引入补偿网络。 即必须引入与误差信号 e(t ) = (θ d (t ) − θ m (t )) 有关的补偿。主要有下列几种补偿： 比例(Proportional)补偿：与e(t)成比例(kp) 积分(Integral)补偿：与e(t)的积分成比例(ki) 微分(Derivative )补偿：与e(t)的微分de(t)/d(t)成比例(kd) 实际系统中，几种补偿一般组合使用，如PD补偿， PI补偿，PID补偿等
Vd
驱动 器
Vm
电机
Θm
机器 人
, q q, q
q, q
哈尔滨工业大学机电工程学院
传感器
机器人技术 11
PUMA-562机器人控制系统原理图
上位机 控制器
驱动器 执行器 传感器
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PUMA-562机器人下位机(控制器)系统框图
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 13
哈尔滨工业大学机电工程学院 机器人技术 9
§9.2 机器人控制分类
(3) 操作空间(Operational Space)(笛卡尔空间) 运动控制 (4) 力控制 (Force Control)
柔顺控制 (Compliance Control)、阻抗控制(Impedance Control)、力位混合控制(Hybrid Force/ Motion Control)等；
哈尔滨工业大学机电工程学院
机器人技术
15
高性能机器人运动控制器
美国 PMAC (Programmable Multi-Axis Controller )
美国Galil
哈尔滨工业大学机电工程学院
中国固高(GT)
英国
机器人技术 16
§9.4 单关节机器人位置控制
最简单的控制策略是将具有n个关节的机器人作为n个独 立的系统分别进行控制，此时，每一个关节都是单输入单输 出系统。耦合效应、重力影响等可以作为干扰输入，或者通 过前馈补偿进行消除。
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位置、速度反馈控制
位置环 速度环
Θd
k pp + k pi s + k pd s
Ωd
kvp +
kvi s
Θm
M (s)
Θ m
Θ m
¾速度环：其作用是使关节电机表现出期望的速度特性， 通常由电机驱动器完成，通过调整驱动器的PI参数，能 够保证速度环的稳定性。驱动器通常还集成电流环。 ¾位置环：其作用是使关节电机运动到期望的位置，通 常由控制器或控制计算机实现。