東南大學遠程教育

1、機械手的控制Control of Robotic Manipulator,3.1 機械人系統(tǒng)的構成3.2 傳遞函數(shù)和方框圖3.3 PID控制3.4 機械手的位置控制3.5 機械手的力控制3.6 其他控制方式簡介,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.1 機械人系統(tǒng)的組成3.1.1 機械人系統(tǒng)示意機器人的功能：①動作和運動的控制②末端操作器/手爪的 軌跡和力的再現(xiàn)③運動狀態(tài)顯示、

2、 參數(shù)設定功能,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.1 機械人系統(tǒng)的組成3.1.2 機械人框圖,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖3.2.1 傳遞函數(shù),,,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖3.2.1 傳遞函數(shù),,,,,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,

3、3.2 傳遞函數(shù)和方框圖3.2.1 傳遞函數(shù),,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖3.2.1 傳遞函數(shù),L=0,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖3.2.1 傳遞函數(shù),http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖3.2.2 方框圖,http://www.cnc38.com,Rob

4、otics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖3.2.2 方框圖,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖3.2.2 方框圖,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.2 傳遞函數(shù)和方框圖3.2.2 方框圖,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.1 PID控制的基本形式,http://www.cnc38.com

5、,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.1 PID控制的基本形式,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.1 PID控制的基本形式,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.2 實用的PID控制,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.2 實用的PID控制（1）微分超前型

6、PD控制,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.2 實用的PID控制（1）微分超前型PD控制,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.2 實用的PID控制（1）微分超前型PD控制,,,,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.2 實用的PID控制（2）I-PD控制,,

7、http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.4 機械手的位置控制3.4.1 手爪位置控制（1）使用逆運動學和關節(jié)角控制的方法,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.4 機械手的位置控制3.4.1 手爪位置控制（2）注重靜力學關系的方法,,,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.4 機械手的位置控制3.4.2 動態(tài)控制,,,,http:/

8、/www.cnc38.com,Robotics控制,3.4 機械手的位置控制3.4.2 動態(tài)控制,,,,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.5 機械手的力控制3.5.1 單自由度機械系統(tǒng)的阻抗控制,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.5 機械手的力控制3.5.1 單自由度機械系統(tǒng)的阻抗控制,,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.

9、5 機械手的力控制3.5.1 單自由度機械系統(tǒng)的阻抗控制（1）外力矩可計測的場合,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.5 機械手的力控制3.5.1 單自由度機械系統(tǒng)的阻抗控制（2）關節(jié)角加速度可以檢出的場合,,,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.5 機械手的力控制3.5.2 機械手的阻抗控制,手爪位置：,手爪速度：,手爪加速度：,靜力學關系式：,控制對象

10、：,期望的動作：,（3.65）,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.5 機械手的力控制3.5.2 機械手的阻抗控制（1）外力可以計測的情況,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.5 機械手的力控制3.5.2 機械手的阻抗控制（2）關節(jié)角加速度可以檢出的情況,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.5 機械手的力控制3.5.2 機械

11、手的阻抗控制（3）既不需要檢出外力也不需要檢出關節(jié)角加速度 左乘,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.5 機械手的力控制3.5.2 機械手的阻抗控制,,,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.5 機械手的力控制3.5.2 機械手的阻抗控制（4）若手臂慢慢動作,,,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.5 機械

12、手的力控制3.5.3 機械手的混合控制,,,,,手爪偏差提取：,,力偏差提取：,,位置控制規(guī)律：,,力控制規(guī)律：,,,http://www.cnc38.com,Robotics控制,3.5 機械手的力控制3.5.3 機械手的混合控制,,,,,,,,,,,http://www.cnc38.com,東南大學遠程教育,機器人原理及應用,第 三十一 講,主講教師：王興松,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.

13、6 機械手的其他控制方式3.6.1 機械手的模糊控制 如果機器人的關節(jié)位置誤差為： 則其PID控制為,http://www.cnc38.com,東南大學遠程教育,機器人原理及應用,第 二十二 講,主講教師：王興松,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.2 模糊集合與模糊邏輯的基本概念一、模糊集合與集合計算符 定義1 模糊集合：設U為若干事件的總

14、和，如U=Rn，我們稱U為論域，一個定義在U上的模糊集合F，由隸屬度函數(shù) 來表征，這里的 表示 在模糊集合F上的隸屬程度。 經典的集合（確定集合）的隸屬度函數(shù)只取兩個值{0,1}。要么屬于，要么不屬于。因此模糊集合是經典集合的推廣。,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.2 模糊集合與模糊邏輯的基本概念定義2 交

15、集、并集和補集：設A和B是U上的兩個模糊集合。對所有的 ，A和 B的交集是定義在U上的一個模糊集合，其隸屬度函數(shù)定義為：對所有的 ，A和B的并集是定義在U上的一個模糊集合，其隸屬度函數(shù)定義為：對所有的 ，A的補集是定義在U上的一個模糊集合，其隸屬度函數(shù)為：,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.2 模糊集合與模糊邏輯的基本概念定義3

16、 模糊關系 設U和V是兩個論域。模糊關系R是積空間UxV上的一個模糊集合，即當 時，R的隸屬函數(shù)為 . 定義4 模糊蘊涵 設A和 B分別為定義在U和V上的模糊集合,則由 所表示的模糊蘊涵是定義在UxV上的一個特殊模糊關系,其隸屬度函數(shù)定義為:模糊與:模糊或:實質蘊涵:命題演算:,http://www.cnc38.com,東南大學遠程教育,機器人原理及應用,第 二十三 講,主講教師：王

17、興松,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.2 模糊集合與模糊邏輯的基本概念定義5 廣義取式推理: 前提1 x為A’ 前提2 如果x為A,則y為B 結論 y為B’ 其中A‘、A、B’、B為模糊集合，x、y為語言變量定義6 廣義取式推理: 前提1 y為B’

18、 前提2 如果x為A,則y為B 結論 x為A’其中A‘、A、B’、B為模糊集合，x、y為語言變量,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.3 模糊規(guī)則與模糊推理模糊規(guī)則是由如下形式的“如果---則”規(guī)則的總和組成R（l）：如果x1為F1l ，且…，且xn為Fnl，則y為Gl； Fil 、Gl為

19、模糊集合， xi為模糊變量。將變量模糊化后，經過按照模糊規(guī)則的運算，獲得模糊結果，這個過程稱為一個模糊推理。模糊推理得到的模糊輸出，再經過反模糊化，即可得到模糊推理的精確解。,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.4 模糊控制工作原理一個典型的模糊控制系統(tǒng),http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6

20、.4 模糊控制工作原理例：一熱處理用的電熱爐，按工藝要求須保持爐溫600O不變。由于爐溫受零件數(shù)量、體積、環(huán)境溫度變化、電網電壓波動等影響，會出現(xiàn)波動所以要設計控制器?？刂品绞剑和ㄟ^改變可控硅的導通角實現(xiàn)；也可以通過PWM方式 調節(jié)。人工調節(jié)時，通過面板上的電位器實現(xiàn)，計 算機調節(jié)通過驅動線路實現(xiàn)。,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊

21、算法3.6.4 模糊控制工作原理典型的溫度控制電路如圖 INT1，INT2過零檢測，PB7觸發(fā)控制，AN0傳感器輸入A/D。,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.4 模糊控制工作原理 人工操作時，根據經驗，控制規(guī)則可以用語言描述如下： 如果爐穩(wěn)低于600OC則升壓，低得越多升壓越高； 如果爐穩(wěn)高于600OC則降壓，高得越多降壓

22、越低； 如果爐穩(wěn)等于600OC則保持電壓不變；采用模糊控制時，其工作原理如下：1、模糊控制器的輸入變量與輸出變量 設定爐溫t0=600，測量爐穩(wěn)t（K），則將誤差e(K)=t0-t(K)作為模糊控制的輸入變量。 輸出變量為：控制電壓u，可通過改變可控硅的導通角或PWM比例實現(xiàn)。,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.4 模糊控制工作原理

23、2、輸入變量及輸出變量的模糊語言描述（模糊化）設描述輸入及輸出變量的語言值的模糊子集為： {負大，負小，0，正小，正大} 或記為 {NB，NS，0，PS，PB} 設誤差e的論域為X，并將誤差大小分為七個等級，為：-3，-2，-1，0，1，2，3，則有：X={-3，-2，-1，0，1，2，3}選控制變量u的論域為Y，并將其也分為七個等級，為：-3，-2，-1，0，1，2，3，則有：Y={-3，-2，-1，0，1，2，3}定

24、義其隸屬度函數(shù)如圖：,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.4 模糊控制工作原理 由此得模糊變量賦值表：,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.4 模糊控制工作原理3、模糊控制規(guī)則的語言描述 根據手動控制策略，規(guī)則為：（1）若e負大，則u正大；（2）若e負小，則u正小；（

25、3）若e為零，則u為零；（4）若e正小，則u負??；（5）若e正大，則u負大；由此可得控制規(guī)則表：,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.4 模糊控制工作原理4、模糊控制規(guī)則的矩陣形式 模糊控制規(guī)則實際上是從誤差論域X到控制量論域Y的模糊關系R，可記為：從模糊賦制值表可得：,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器

26、人關節(jié)控制的模糊算法3.6.4 模糊控制工作原理 通理，可以得到將這些代入求和式，有,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.4 模糊控制工作原理5、模糊決策 當模糊輸入為e（K）時，其對應的輸出為 u（K）=e（K）。R例如，當e（K）=PS時，6、模糊輸出變?yōu)榫_值（1）隸屬度最大原則，則u=-1；（2）平均法：,http://www

27、.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.4 模糊控制工作原理7、模糊控制表 上述的結果即可用于實際控制，但是，為了提高控制速度，一般將各種情況預先計算出，存入表中，形成模糊控制表。輸入量和輸出量的值，可以自行定義，如定義-3=550OC,http://www.cnc38.com,Robotics 控制,3.6 機器人關節(jié)控制的模糊算法3.6.5 機器人關節(jié)位置的模糊控制