1、7.9 7.9 機器人力控制機器人力控制一、機器人的力與力控制種類一、機器人的力與力控制種類1 1、外力、外力/ /力矩與廣義力的關(guān)系力矩與廣義力的關(guān)系典型的腕力傳感器及其在機械手中的位置典型的腕力傳感器及其在機械手中的位置機器人與環(huán)境間的機器人與環(huán)境間的交互作用將產(chǎn)生作交互作用將產(chǎn)生作用于機器人末端手用于機器人末端手爪或工具的力和力爪或工具的力和力矩?？梢圆捎猛罅?。可以采用腕力傳感器進行測量。傳感器進行測量。7.9 7.9 機器人力控制機器人力控制 用用 表示機器人末端受到的外力和外表示機器人末端受到的外力和外力矩向量。設(shè)驅(qū)動裝置對各關(guān)節(jié)施加的關(guān)節(jié)力矩是力矩向量。設(shè)驅(qū)動裝置對各關(guān)節(jié)施加的關(guān)

2、節(jié)力矩是 ，廣義力，廣義力可以通過計算這些力所做的虛功來得到。設(shè)可以通過計算這些力所做的虛功來得到。設(shè) 為末端虛位移為末端虛位移 ， 為關(guān)節(jié)虛位移，滿足：為關(guān)節(jié)虛位移，滿足：TzyxzyxnnnFFFF,X)(JX產(chǎn)生的虛功為：產(chǎn)生的虛功為：TTXFw在外力在外力 F 作用下，廣義坐標作用下，廣義坐標 對應(yīng)廣義力可表示為：對應(yīng)廣義力可表示為：FJT1 1、單自由度剛性控制、單自由度剛性控制假設(shè)機械手與環(huán)境在假設(shè)機械手與環(huán)境在xE 點接觸，點接觸，若機械手的末端位置若機械手的末端位置x xE ，則，則施加于環(huán)境的力為：施加于環(huán)境的力為：)(eeexxkf其中其中 為環(huán)境的剛度。為環(huán)境的剛度。ek

3、整個系統(tǒng)滿足以下方程：整個系統(tǒng)滿足以下方程：fxxkxmee)( 其中其中 為輸入力。若為輸入力。若 如圖所示，采用以下如圖所示，采用以下PD控制控制fdxxkxxkfvdp)(二、阻尼力控制二、阻尼力控制2 2、機械手的阻抗控制、機械手的阻抗控制若增益為正則系統(tǒng)穩(wěn)定，在穩(wěn)態(tài)作用于環(huán)境的力為若增益為正則系統(tǒng)穩(wěn)定，在穩(wěn)態(tài)作用于環(huán)境的力為)(edepepexxkkkkf若環(huán)境的剛性很大，則若環(huán)境的剛性很大，則fe 可近似為可近似為)(edpexxkf 對于對于n自由度的機械手，可用以下方法實現(xiàn)阻抗控制。定義柔順坐標自由度的機械手，可用以下方法實現(xiàn)阻抗控制。定義柔順坐標系系 ，給出沿每個自由度的理想

4、剛性，這可以用，給出沿每個自由度的理想剛性，這可以用66的對角矩陣的對角矩陣KX 表示，其對角元為表示線性和扭轉(zhuǎn)剛性的剛度常數(shù)。給定表示，其對角元為表示線性和扭轉(zhuǎn)剛性的剛度常數(shù)。給定KX ，則對應(yīng)，則對應(yīng)虛位移虛位移 的理想恢復(fù)力可表示為的理想恢復(fù)力可表示為cccczyxoXFFx若用若用 表示相應(yīng)的關(guān)節(jié)虛位移，則有表示相應(yīng)的關(guān)節(jié)虛位移，則有)(JXX所需關(guān)節(jié)力矩所需關(guān)節(jié)力矩FJT)(聯(lián)合以上方程得：聯(lián)合以上方程得：)()()(KJKJXT其中依賴于位形的矩陣其中依賴于位形的矩陣 稱為關(guān)節(jié)剛性矩陣，稱為關(guān)節(jié)剛性矩陣， 一般不是一般不是對角矩陣。當對角矩陣。當 為降秩矩陣時，說明機械手處于奇異狀

5、態(tài)，這時在為降秩矩陣時，說明機械手處于奇異狀態(tài)，這時在某些方向機械手不能運動，因而在這些方向的剛性不能控制。某些方向機械手不能運動，因而在這些方向的剛性不能控制。)(K)(K)(J 為了使系統(tǒng)具有理想的動態(tài)相應(yīng)性能，還應(yīng)提供一定的阻尼。同為了使系統(tǒng)具有理想的動態(tài)相應(yīng)性能，還應(yīng)提供一定的阻尼。同時考慮對重力矩的補償，實際的關(guān)節(jié)控制力矩可取為：時考慮對重力矩的補償，實際的關(guān)節(jié)控制力矩可取為：)( )(gXKXKJBXT其中其中 ； ； 為在工作空間表示的阻尼矩陣。為在工作空間表示的阻尼矩陣。XXXdXXXdBK這里所有的量均表示在任務(wù)空間，控制律也可以表示為：這里所有的量均表示在任務(wù)空間，控制律也

6、可以表示為： )( )()(gKK其中其中)()()(JKJKBT阻尼力控制其特點是不直接控制機器人與環(huán)境的作用力, 而是根據(jù)機器人端部的位置(或速度) 和端部作用力之間的關(guān)系, 通過調(diào)整反饋位置誤差、速度誤差或剛度來達到控制力的目的, 此時接觸過程的彈性變形尤為重要。這類力控制不外乎基于位置和速度的兩種基本形式。當把力反饋信號轉(zhuǎn)換為位置調(diào)整量時，這種力控制稱為剛度控制；當把力反饋信號轉(zhuǎn)換為速度修正量時，這種力控制稱為阻尼控制；當把力反饋信號同時轉(zhuǎn)換為位置和速度的修正量時，即為阻抗控制。左圖為阻抗控制結(jié)構(gòu)，左圖為阻抗控制結(jié)構(gòu)，其核心為力矩運動轉(zhuǎn)換其核心為力矩運動轉(zhuǎn)換矩陣矩陣K設(shè)計，運動修正設(shè)計

7、，運動修正矩陣矩陣 ；從力；從力控制角度，希望控制角度，希望K陣中陣中元素越大越好，則系統(tǒng)元素越大越好，則系統(tǒng)柔一些；從位置控制角柔一些；從位置控制角度，希望度，希望K中元素越小中元素越小越好，則系統(tǒng)剛一些。越好，則系統(tǒng)剛一些。FKX7.9 7.9 機器人力控制機器人力控制o 被動柔順n被動柔順裝置具有響應(yīng)快、成本低廉等優(yōu)點，但它的應(yīng)用受到一定的限制，缺乏靈活性。o 主動柔順n主動柔順是通過控制方法來實現(xiàn)的，因此對于不同的任務(wù)，可以通過改變控制算法來獲得所需要的柔順功能。主動柔順具有更大的靈活性，但由于柔順性是通過軟件實現(xiàn)的，因而響應(yīng)不如被動柔順迅速。三、相互力控制三、相互力控制7.9 7.9

8、 機器人力控制機器人力控制o對于需要進行柔順控制的作業(yè)任務(wù)，在完成任務(wù)的整個過程中，往往需要根據(jù)任務(wù)的不同階段采用不同的控制策略。以銷釘插孔（插軸入孔）的任務(wù)為例，下圖表示了該任務(wù)操作過程的四個階段。每個階段包含了不同的約束情況，因而需采用不同的控制策略。7.9 7.9 機器人力控制機器人力控制實現(xiàn)柔順控制的方法主要有兩類，一類是阻抗控制，一類是力和位置的混合控制(動態(tài)混合控制)。阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而是通過控制力和位置之間的動態(tài)關(guān)系實現(xiàn)柔順控制。這樣的動態(tài)關(guān)系類似于電路中的阻抗概念，因而稱為阻抗控制。在機械手末端施加一個作用力，相應(yīng)地便會產(chǎn)生一個運動(如速度)。如果只考慮靜態(tài)

9、，力和位置之間的關(guān)系可以用剛性矩陣描述。如果考慮力和速度之間的關(guān)系，可以用粘滯阻尼矩陣來描述。因此阻抗控制，就是通過適當?shù)目刂品椒ㄊ箼C械手末端呈現(xiàn)需要的剛性和阻尼。動態(tài)混合控制的基本思想是在柔順坐標空間將任務(wù)分解為沿某些自由度的位置控制和沿另一些自由度的力控制，并在該空間分別進行位置控制和力控制的計算，然后將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間合并為統(tǒng)一的關(guān)節(jié)控制力矩，驅(qū)動機械手以實現(xiàn)所需要的柔順功能。7.10 7.10 機器人行為控制機器人行為控制一、機器人行為種類：一、機器人行為種類： 移動機器人導(dǎo)航移動機器人導(dǎo)航 自主移動機器人自主移動機器人 機器人視覺行為機器人視覺行為 基于主動視覺機器人行為控制實

10、現(xiàn)基于主動視覺機器人行為控制實現(xiàn)7.10 7.10 機器人行為控制機器人行為控制二、機器人行為控制方式二、機器人行為控制方式1 1、移動機器人導(dǎo)航、移動機器人導(dǎo)航o移動機器人的導(dǎo)航方式可分為：基于環(huán)境信息的移動機器人的導(dǎo)航方式可分為：基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航、基于各種導(dǎo)航信號的陸標導(dǎo)地圖模型匹配導(dǎo)航、基于各種導(dǎo)航信號的陸標導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和味覺導(dǎo)航等。航、視覺導(dǎo)航和味覺導(dǎo)航等。2 2、自主移動機器人的控制方法、自主移動機器人的控制方法o傳統(tǒng)的基于認識模型的功能規(guī)劃法傳統(tǒng)的基于認識模型的功能規(guī)劃法n自頂向下的研究方法自頂向下的研究方法n將系統(tǒng)按照功能劃分成不同的模塊，即感知將系統(tǒng)按照功能劃分

11、成不同的模塊，即感知一建模一規(guī)劃一行動，分別進行研究，是一一建模一規(guī)劃一行動，分別進行研究，是一條從感知到動作的串行功能分解控制路線。條從感知到動作的串行功能分解控制路線。感知一規(guī)劃一行動的模型感知一規(guī)劃一行動的模型 7.10 7.10 機器人行為控制機器人行為控制三、基于行為的控制方法三、基于行為的控制方法n包容式結(jié)構(gòu)包容式結(jié)構(gòu)n自底向上自底向上n將系統(tǒng)按照行為劃分成不同的層次將系統(tǒng)按照行為劃分成不同的層次，即感知一行動，相對獨立地進行，即感知一行動，相對獨立地進行研究。即將復(fù)雜的任務(wù)分解成很多研究。即將復(fù)雜的任務(wù)分解成很多簡單的可以并發(fā)執(zhí)行的單元，每個簡單的可以并發(fā)執(zhí)行的單元，每個單元有其

12、自己的感知器和執(zhí)行器，單元有其自己的感知器和執(zhí)行器，構(gòu)成感知動作行為。多個行為相互構(gòu)成感知動作行為。多個行為相互耦合構(gòu)成層次模型，它們通過競爭耦合構(gòu)成層次模型，它們通過競爭與仲裁產(chǎn)生抑制、禁止和激活信息與仲裁產(chǎn)生抑制、禁止和激活信息協(xié)調(diào)彼此的動作。協(xié)調(diào)彼此的動作。包容式結(jié)構(gòu)包容式結(jié)構(gòu)層次模型層次模型7.10 7.10 機器人行為控制機器人行為控制四、基于行為機器人視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、基于行為機器人視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)o視覺系統(tǒng)的初始化，包括硬件設(shè)備視覺系統(tǒng)的初始化，包括硬件設(shè)備(CCD(CCD攝像頭和圖像采集卡攝像頭和圖像采集卡) )的初的初始化及各種初始信息的輸入調(diào)整；始化及各種初始信息的輸入調(diào)整；o圖

13、像采集模塊，采集數(shù)字圖像到計算機顯存和內(nèi)存；圖像采集模塊，采集數(shù)字圖像到計算機顯存和內(nèi)存；o圖像處理模塊主要是對所獲取的圖像進行分割，優(yōu)化圖像質(zhì)量，圖像處理模塊主要是對所獲取的圖像進行分割，優(yōu)化圖像質(zhì)量，獲得視野中物體數(shù)目并對每個物體作標記；獲得視野中物體數(shù)目并對每個物體作標記；o圖像匹配模塊是根據(jù)己知目標物體的信息與當前圖像中的物體逐圖像匹配模塊是根據(jù)己知目標物體的信息與當前圖像中的物體逐個匹配，找出目標并計算它在機器人視野中的位置；個匹配，找出目標并計算它在機器人視野中的位置；o攝像頭控制模塊把上一步得到的目標位置信息轉(zhuǎn)化成攝像頭的控攝像頭控制模塊把上一步得到的目標位置信息轉(zhuǎn)化成攝像頭的控

14、制命令送到攝像頭。制命令送到攝像頭。7.10 7.10 機器人行為控制機器人行為控制RIRA-ROBOT 基于行為機器人視覺系統(tǒng)構(gòu)成基于行為機器人視覺系統(tǒng)構(gòu)成7.10 7.10 機器人行為控制機器人行為控制五、基于主動視覺機器人行為控制實現(xiàn)五、基于主動視覺機器人行為控制實現(xiàn)RIRA-ROBOT基于行為機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖基于行為機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.11 7.11 機器人智能控制機器人智能控制一、智能控制的特點一、智能控制的特點 以控制理論、計算機科學(xué)、人工智能、運籌學(xué)等學(xué)科為基以控制理論、計算機科學(xué)、人工智能、運籌學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，擴展了相關(guān)的理論和技術(shù)，其中應(yīng)用較多的有模糊邏礎(chǔ)，擴展了相關(guān)的理論和

15、技術(shù)，其中應(yīng)用較多的有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論和自適應(yīng)控制輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論和自適應(yīng)控制、自組織控制、自組織控制、( (自自) )學(xué)習(xí)控制等技術(shù)。學(xué)習(xí)控制等技術(shù)。 研究內(nèi)容之一就是把智能控制的相關(guān)技術(shù)與控制方式結(jié)合研究內(nèi)容之一就是把智能控制的相關(guān)技術(shù)與控制方式結(jié)合或綜合交叉結(jié)合，構(gòu)成風(fēng)格和功能各異的智能控制系統(tǒng)和或綜合交叉結(jié)合，構(gòu)成風(fēng)格和功能各異的智能控制系統(tǒng)和智能控制器。智能控制器。7.11 7.11 機器人智能控制機器人智能控制二、特點分析二、特點分析 適用于不確定的或難定義的過程控制、復(fù)雜的非線性被控對適用于不確定的或難定義的過程控制、復(fù)雜的非線性

16、被控對象控制、隨時間變化的過程控制等。象控制、隨時間變化的過程控制等。 利用自適應(yīng)、自組織、利用自適應(yīng)、自組織、( (自自) )學(xué)習(xí)等方式來提高系統(tǒng)的自動化學(xué)習(xí)等方式來提高系統(tǒng)的自動化和智能化控制。和智能化控制。 能綜合交叉各種技術(shù)，使智能控制系統(tǒng)和智能控制器設(shè)計形能綜合交叉各種技術(shù)，使智能控制系統(tǒng)和智能控制器設(shè)計形式日益多樣化和智能控制技術(shù)應(yīng)用范圍日益廣泛化。式日益多樣化和智能控制技術(shù)應(yīng)用范圍日益廣泛化。7.11 7.11 機器人智能控制機器人智能控制 智能控制可以像傳統(tǒng)控制理論分析系統(tǒng)的動態(tài)性一樣，描述智能控制可以像傳統(tǒng)控制理論分析系統(tǒng)的動態(tài)性一樣，描述系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的能控和能觀性、系

17、統(tǒng)的最優(yōu)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的能控和能觀性、系統(tǒng)的最優(yōu)控制( (即嫡即嫡函數(shù)和能量函數(shù)的描述函數(shù)和能量函數(shù)的描述) )、系統(tǒng)的復(fù)雜性等。與傳統(tǒng)控制理論、系統(tǒng)的復(fù)雜性等。與傳統(tǒng)控制理論不同的是智能控制對復(fù)雜知識系統(tǒng)的有關(guān)理論分析的描述目不同的是智能控制對復(fù)雜知識系統(tǒng)的有關(guān)理論分析的描述目前還缺少統(tǒng)一的標準。前還缺少統(tǒng)一的標準。7.11 7.11 機器人智能控制機器人智能控制三、智能控制的主要方式三、智能控制的主要方式智能控制系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)7.11 7.11 機器人智能控制機器人智能控制分層遞階智能控制結(jié)構(gòu)分層遞階智能控制結(jié)構(gòu)o 對不同用途的智能控制系統(tǒng)，對不同用途的智能控

18、制系統(tǒng)，以上各部分的形式和功能可能以上各部分的形式和功能可能存在較大的差異。薩里迪斯提存在較大的差異。薩里迪斯提出了智能控制系統(tǒng)的分層遞階出了智能控制系統(tǒng)的分層遞階的組成結(jié)構(gòu)形式的組成結(jié)構(gòu)形式o 對控制來講，自上而下控制精對控制來講，自上而下控制精度愈來愈高；度愈來愈高；o 對識別來講，自下而上信息回對識別來講，自下而上信息回饋愈來愈粗略。饋愈來愈粗略。7.11 7.11 機器人智能控制機器人智能控制智能控制的多學(xué)科交叉智能控制的多學(xué)科交叉7.11 7.11 機器人智能控制機器人智能控制 智能控制系統(tǒng)所包含的理論內(nèi)容：智能控制系統(tǒng)所包含的理論內(nèi)容：1、 自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)控制；自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)控制；2、 知識工程；知識工程；3、 信息熵；信息熵；4、 Petri 網(wǎng)；網(wǎng)；5、