《机器人学》课件 第10章 力控与顺应控制

2011年5月12日
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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。 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。
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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 )
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（2）解运动速度的控制 ）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 ）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
10.1 引言（Introduction） 引言（ ） 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） 位置控制（ ）
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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） 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
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（4）解运动力的控制RMFC ( Resolved Motion Force Control ) ）解运动力的控制 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 和 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
位置/力混和控制（ 位置 力混和控制（ Hybrid Position/Force Control ） 力混和控制
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
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平移部件 旋转部件 δx
O
·
柔顺中心
·
(b) 平移
F
·
δθ M
(a) RCC
(c) 旋转
图10-2 RCC工作原理
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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： 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.
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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 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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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 ） 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
Z
end effector
O X
Y Z Y
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。
第十章
机器人的力控和顺应控制
ChapterⅩ Force Control and Compliance for Ⅹ 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