《机器人控制》课件

机器人控制探索机器人控制技术掌握先进的控制理论和算法助力机器人在各领域的高效应,,用通过本课程您将深入了解机器人的关键控制问题学习创新性的解决方案,,机器人控制的基本原理反馈控制多变量控制实时性要求非线性特性机器人控制系统采用闭环反馈机器人系统涉及位置、速度、机器人需要在高速运动中实时机器人的动力学模型和执行机控制通过检测实际输出与目力矩等多个变量的协调控制处理大量数据控制算法必须构存在非线性特性这给控制,,,,标指令之间的偏差来调整系统需要复杂的数学模型和先进的具备快速响应和高计算效率设计带来了挑战输入确保机器人能够准确执控制算法,行所需动作执行机构类型连续执行机构离散执行机构这类执行机构可以在连续的范围这类执行机构只能在几个预设的内调节输出量如电机、液压缸等离散位置之间切换如气缸、爪子,,可实现连续的位置、速度和力等输出量为开关或者几个固定/矩调节的位置混合执行机构结合了连续和离散两种执行机构特点既可实现连续控制又可进行开关或,,/位置切换如电机带减速箱,连续执行机构伺服电机液压缸伺服电机能精确定位和控制机械臂的液压缸利用液压驱动能实现更大力度连续运动，广泛应用于机器人、数控的连续运动，常用于大型工业机器人机床等领域和重型装备气动执行器步进电机气动执行器成本低、响应快、结构简步进电机能够精确定位并按步进方式单适合应用于需要高频、轻负载的连进行连续运动在定位和速度控制方面,,续动作有优势离散执行机构离散执行机构电磁开关执行机构气动缸执行机构离散执行机构通常由电磁开关、气动缸或液电磁开关是一种常见的离散执行器通过电气动缸使用压缩空气作为动力源能够提供,,压缸等执行器组成能够提供有限数量的离磁线圈产生磁场驱动开关动作实现种状态简单的直线运动气动执行机构结构简单、,,2散位置或状态它们反应迅速适用于工业的切换如开闭、启停等应用广泛响应快成本低廉、运行可靠在工业自动化领域应,,,,自动化、运动控制等场合速用广泛常见的执行机构电机驱动液压驱动12电机驱动执行机构广泛应用于液压驱动执行机构具有高功率工业自动化和机器人系统提供密度和快速响应特点适用于需,,精确的位置和力矩控制常见要产生大推力或扭矩的场合如,的电机类型包括直流电机、步工程机械和重型机械臂进电机和伺服电机气动驱动混合驱动34气动驱动执行机构结构简单成结合电机和液压或气动系统的,本较低适用于工作环境恶劣的优势混合驱动执行机构可以实,,场景如食品加工和化工行业现高速、高精度和大载荷的控,但控制精度相对较低制广泛应用于工业机器人电机驱动驱动电路伺服电机步进电机电机驱动电路负责将控制器的信号转换为能伺服电机是常见的电机执行机构能够精确步进电机通过分步驱动能够精确控制角度,,,够驱动电机的电流和电压它包括功率放大控制角度和转速它由电机、编码器和闭环常用于定位和速度控制它的驱动电路通过器、驱动器集成电路等部件控制器组成广泛应用于机器人关节驱动控制线圈的通断实现电机转动,液压驱动原理简介主要组成应用领域液压驱动系统利用液压泵产生液压驱动系统主要包括液压泵液压驱动被广泛应用在航天航高压液体通过管路和执行机、液压缸、伺服阀等能够提空、工程机械、机床等领域,,,构将能量传递到负载上实现供大推力和大转矩输出液压为重载机器人提供强大的驱动,机械运动它具有功率密度高系统可实现位置、速度和力矩力其高功率密度和快速响应、响应快、可实现精确控制等的精确控制特性使其成为重要的动力源优点气动驱动高效低噪简单结构灵活控制气动执行机构利用压缩空气作为动力源具气动系统的结构相对简单维护成本较低适通过调节输入的压缩空气可以实现气动执,,,,有效率高、噪音小等优点合工厂等大型场合应用行机构的灵活控制和编程传感器的基本类型位置传感器力力矩传感器12/用于检测物体的位置、角度或用于测量物体的力或力矩如移动情况例如编码器、光电应变式传感器、压力传感器、开关、接近传感器等扭矩传感器等视觉传感器其他传感器34使用视觉成像技术检测物体的温度传感器、湿度传感器、加形状、尺寸、颜色等特征如速度传感器等用于检测环境参摄像头、激光扫描仪等数位置传感器角度传感器直线位移传感器接近传感器可测量旋转角度的传感器如电位器、编可测量直线位移的传感器如电阻尺、光可感知接近物体的传感器如电容式、感,,,码器等广泛应用于机器人关节角度检测学尺等用于检测机器人末端执行器的位应式等用于检测机器人与周围环境的距,,,置离力力矩传感器/力传感器力矩传感器力传感器可以测量施加在机器人上的外力力矩传感器可以测量机器人末端执行器上大小和方向它们通常基于应变计或压电的扭矩大小和方向它们可用于检测碰撞效应原理可用于检测关节扭矩、抓持力等、监测关节负载等为控制系统提供重要反,,馈传感器应用力力矩传感器广泛应用于工业机器人、服/务机器人等用于安全监控、精密控制和自,适应操作等视觉传感器相机感知激光测距雷达成像光学扫描视觉传感器利用或基于激光的三角法或飞行时间利用电磁波反射原理雷达可以激光雷达通过精密的扫CCD CMOS,,LIDAR图像传感器捕获环境信息并转能够精确测量物体的距离和位感知物体的尺寸、形状、位置描和测距实现三维空间信息的,,换为数字图像信号置信息和运动状态采集常见的传感器介绍编码器力转矩传感器/用于检测机器人关节角度和位移检测机器人末端施加的力和力矩,的重要传感器可提供精确的位用于力控制和力反馈置反馈视觉传感器接近传感器利用摄像头获取机器人工作环境检测机器人周围物体的接近程度,的视觉信息支持目标识别和定位用于安全防撞和动作规划,编码器位置反馈多种类型12编码器能够精确地测量电机或常见的编码器包括增量式编码关节的角度或位置为控制系统器和绝对式编码器适用于不同,,提供重要的反馈信号的应用场景高分辨率可靠性34现代编码器可提供高达数百或编码器一般具有高度的可靠性数千个脉冲转的分辨率满足和抗干扰性在恶劣环境下也能/,,精密控制的需求保持稳定工作力转矩传感器/力传感器扭矩传感器六维力扭矩传感器/力传感器可以感知机器人末端执行器产生的扭矩传感器用于检测机器人关节处的力矩六维力扭矩传感器可同时测量三个正交方/力或扭矩它们通过测量机械应变来实现它们通过测量轴上的扭转角度来计算力矩向的力和三个正交方向的扭矩广泛应用于机器人末端执行器视觉传感器摄像头传感器激光雷达传感器结构光传感器深度相机摄像头是最常见的视觉传感器激光雷达使用激光脉冲测量环结构光传感器利用预设的光线深度相机利用双目立体视觉或可以捕捉图像信息它们广境的距离信息可以构建三维模式照射物体通过观察扭曲者时间飞行原理测量物体的距,,,泛应用于机器人的导航、识别环境模型提供丰富的空间信的光线来获取物体的三维信息离可以提供更精确的三维信,,和追踪等功能中息息控制系统结构输入执行器12控制系统通常包含输入信号如执行器根据控制器的输出驱动,目标值或设定值系统如电机或液压缸等,传感器控制器34传感器测量系统的输出状态如控制器根据输入和反馈信号计,位置、速度或力矩等算输出实现系统的预期控制目,标开环控制输入驱动简单易实现无纠错能力开环控制系统仅根据预先设定的输入信号来由于不需要反馈环路开环控制系统的结构开环控制系统无法对外部干扰和系统内部参,执行控制操作不需要获取反馈信号和算法相对简单容易实现和调试数变化进行自动校正容易产生误差,,,闭环控制实时反馈自动调节闭环控制系统可以实时检测实际通过反馈信号调整控制输出闭环,输出与预期输出之间的偏差并及控制可以自动进行校正和调节提,,时调整控制量以缩小偏差高系统稳定性降低误差与开环控制相比闭环控制可以更好地抑制干扰因素降低系统输出与目标之,,间的误差伺服控制系统伺服电机控制系统伺服控制器伺服放大器伺服电机伺服控制系统由伺服电机、伺伺服控制器是整个系统的核心伺服放大器对来自控制器的微伺服电机是执行部件能够根据,,服放大器和伺服控制器三个主负责根据反馈信号进行闭环控弱控制信号进行功率放大为伺控制信号精确地调整转速、转,要部分组成能精确控制电机的制确保电机能精准地执行各种服电机提供足够的驱动电流矩和位置是伺服控制系统的关,,,位置、速度和转矩运动指令键部件伺服电机高性能电机集成控制器广泛应用伺服电机采用高性能永磁材料和精密定子设伺服电机内置驱动控制器能快速响应位置伺服电机广泛应用于工业自动化、机器人、,计能输出大扭矩并维持高效运行、速度、力矩的闭环反馈调整实现精确控机床等领域以其优异的控制性能而备,,CNC,制受青睐伺服放大器作用类型性能指标控制技术伺服放大器是伺服控制系统的常见的伺服放大器有电压型和伺服放大器的关键性能包括响现代伺服放大器通常采用先进核心组成部分负责将来自伺电流型两种分别适用于不同应速度、增益、精度和稳定性的控制技术,如PWM调制、反馈,,服控制器的微弱信号放大到执类型的伺服电机需要根据具体应用进行选型控制等,以提高性能和可靠性,行机构如电机所需的电流或电压水平伺服控制器位置控制速度控制12伺服控制器负责根据设定的目伺服控制器还能调节执行机构标位置精准控制执行机构的运的移动速度，确保运动过程平动稳可控力矩控制闭环反馈34伺服控制器可以监测和调节执伺服控制器通过位置、速度、行机构的输出力矩，以保护机力矩等反馈信号维持系统的稳械负荷定性控制器PID比例项P根据当前误差信号的大小进行控制，实现快速响应积分项I消除稳态误差，提高控制精度积分作用可以减小或消除系统的静态误差微分项D根据误差变化的速率作用于控制量，可以提高系统的响应速度和稳定性比例项增大比例误差抑制比例项会根据误差的大小进行比比例项可以降低稳态误差让控制,例放大从而加快系统响应速度系统更加精准,简单调节比例项是最基本的控制项调整起来相对简单易懂,积分项作用原理调参应用积分项可以帮助消除稳态误差积分项对误差进行连续积分增大积分时间常数可以提高稳积分项广泛应用于各类伺服控,并使系统稳定性和鲁棒性更将积分结果加入控制量这样定性但会降低系统响应速度制系统如位置伺服、力矩伺,,,强它通过积累误差来校正控可以增加低频增益消除稳态需要在性能和稳定性之间进服等用于消除稳态误差,,制输出缓解瞬态响应的超调误差行平衡,微分项动态响应微分项可以提高系统的动态响应能力增强对突发变化的跟踪能力,稳定性改善合理设计微分项可以提高系统的稳定性减小超调量和振荡,精度提升微分项可以提高系统的静态精度减小稳态误差,位置伺服控制系统位置式控制速度式控制1PID2PID通过在位置反馈回路中引入比例、积分和微分项来实现精准以速度作为反馈量来控制伺服电机的速度从而实现精准的,的位置控制位置控制电机反馈负反馈控制34利用位置传感器如编码器等获取电机的实际位置信息与设通过比较实际位置和目标位置形成负反馈信号来纠正偏差,,,定目标位置进行比较和调整从而实现高精度定位位置式控制PID位置式控制结构参数调整系统性能评价PID PID位置式控制通过测量系统输出并与目标合理设置控制器的三个参数值对系统响位置式控制可以实现良好的稳定性、快PID PID PID值进行比较生成误差信号然后根据比例、应特性有重要影响需要通过实验调试或智速响应和抗干扰能力是工业界广泛应用的,,,,积分和微分三个部分对误差进行相应的修正能算法优化获得最佳参数设置一种经典位置控制策略最终实现精确的位置控制,速度式控制PID基于速度三项独立速度式控制直接使用速度作为速度式有三个独立调节项比PIDPID:反馈信号进行控制不需要进行位例项、积分项和微分项可以根,置积分这种方法简单高效适合据系统特性分别调节，灵活性高,对响应速度要求较高的场合无积分饱和由于不需要进行位置积分速度式可以有效避免积分饱和的问题这提,PID高了控制系统的稳定性力矩伺服控制系统力矩控制应用力矩控制实现力矩伺服控制系统通常应用于需通过对电机电流的精确控制能够,要精确力矩控制的场景如机器人实现关节或末端执行器的力矩精,关节驱动、工业机械手等准控制扭矩传感器力矩伺服控制系统需要配备扭矩传感器用于实时监控关节或末端的输出扭,矩力矩控制应用关节空间控制人机交互工业应用力矩控制广泛应用于机器人关节空间的位置力矩控制在人机协作机器人中起重要作用，在装配、搬运等工业自动化任务中，力矩控力控制中，通过精确控制关节力矩实现灵可感知人类施加的力矩，从而提供安全自然制可提供更精准的力控制，提高工艺质量和/活自然的运动的交互体验生产效率力矩控制的实现伺服驱动器电机扭矩控关节扭矩反馈控制12制利用关节处安装的力转矩传感/通过伺服驱动器控制电机的输器构建闭环的力矩反馈控制系,出扭矩实现对机器人关节的力统,矩控制基于末端力力矩反馈基于关节动力学模型3/4在机器人末端安装六维力力矩建立机器人动力学模型根据关/,传感器实现对末端施加力矩的节角度和速度反向计算所需的,精确控制关节力矩关节空间控制关节角度控制关节空间路径规划关节运动学分析通过控制每个关节的角度实现机器人在关基于关节角度的路径规划方法通过设计每关节空间控制需要深入理解机器人的关节运,,节空间中的位置和姿态控制这种方式简单个关节的角度变化轨迹实现机器人末端执动学包括正运动学和逆运动学以准确预测,,,直观适用于大多数机器人行器的位置和姿态控制和控制关节角度,正运动学定义表达方式应用场景计算方法正运动学是指根据机器人关节正运动学可以采用矩阵变换、正运动学广泛应用于机器人轨常见的正运动学计算方法包括的角度或位置，计算出末端执四元数或其他方式进行数学表迹规划、末端位姿控制、机器坐标系法、虚拟关节法等D-H行器的位置和姿态的过程这达通过这些数学方法，可以人仿真等场景它是后续运动通过这些方法可以建立关节是机器人控制中的基础步骤，建立关节角度与末端位姿之间规划和控制的基础变量和末端位姿之间的映射决定了机器人在笛卡尔空间中的映射关系的运动逆运动学定义方法应用逆运动学是确定关节角度的过常见的逆运动学方法包括数学逆运动学在机器人操作、路径程使末端执行器达到所需的建模、迭代法、神经网络等规划等方面广泛应用是机器,,位置和姿态它是通过设定末选择合适的方法需要考虑机器人实现精确控制的基础它在端执行器的目标状态来反向推人的结构复杂度和实时性要求工业自动化、医疗机器人等领算各关节角度的过程域都发挥重要作用笛卡尔空间控制坐标系定义位置姿态控制/使用三个正交坐标轴（、、可以独立控制机器人在三维空间X YZ）来描述机器人在三维空间中的中的位置和姿态（平移和旋转）位置和姿态这种控制方式简单，实现更灵活的操控这种控制直观，易于理解和实现方式广泛应用于工业机器人和服务机器人轨迹规划需要根据任务要求规划机器人在三维空间中的运动轨迹，确保运动平稳、避免碰撞轨迹规划是笛卡尔空间控制的关键技术坐标系定义全局坐标系定义机器人在整个工作环境中的位置和姿态通常以工作环境的某个参考点为原点机器人本体坐标系描述机器人自身各关节和末端执行器的位置和姿态通常以机器人基座为原点工件坐标系定义工件在全局坐标系和机器人本体坐标系中的位置关系有助于进行精确的操作和控制位置姿态控制/坐标系定义位置控制12确定机器人的运动空间建立合控制机器人的位置包括平移和,,适的关节和笛卡尔坐标系旋转实现精确定位,姿态控制柔性控制34控制机器人的姿态如旋转角度根据环境变化实时调整位置和,保持稳定并完成所需动作姿态实现灵活机动的运动控制,,轨迹规划轨迹规划轨迹优化插补算法3D机器人轨迹规划需要考虑机器人在三维空间通过采用各种优化算法如最小加速度、最机器人控制系统需要根据目标轨迹通过插,,中的位置和姿态确保机器人在执行任务时小能量消耗等可以进一步优化机器人的运补算法生成平滑连续的关节角度序列以实,,,沿着安全、连续的路径移动动轨迹提高效率和性能现更流畅的运动,插补算法线性插补曲线插补样条插补根据起点和终点计算中间点位置，生成直线使用数学函数拟合曲线，如圆弧、抛物线等使用多项式拟合离散数据点，生成平滑的轨轨迹简单高效，适用于直线运动能生成平滑连续的轨迹，适用于复杂运动迹能够满足更高的光滑性要求轨迹优化平滑化时间优化通过调整轨迹参数如加速度、速度等，实现更加平稳连续的运动轨根据任务需求和机器人性能参数，优化轨迹执行时间，提高效率迹，减少突变和振荡能量优化轨迹插补优化轨迹，降低机器人各关节的能量消耗，提高能源利用率通过数学插值算法生成连续、光滑的轨迹，确保机器人平稳运动控制系统建模模拟建模参数标识构建仿真验证优化通过数学方程建立控制系统的通过试验和测试获取系统的利用建立的数学模型在仿真通过仿真结果分析验证模型,,,模拟模型描述系统的动态特关键参数如传感器、驱动器软件中构建控制系统的全局模的准确性并优化模型参数提,,,,性为设计控制器奠定基础的增益、时间常数等型实现控制系统的仿真分析高控制系统的性能,,传感器建模传感器特性描述误差分析与建模12建立传感器的数学模型描述传分析和建模传感器的各种误差,感器的输入输出关系和工作特来源如量化误差、非线性误差,性如灵敏度、量程、线性度、、温度漂移等以提高测量精度,,响应时间等动态特性建模虚拟传感器建模34针对传感器的动态响应特性建利用软件算法构建虚拟传感器,立时间域或频域的传递函数模弥补实际传感器的不足提高测,型用于分析和设计闭环控制系量性能和可靠性,统执行机构建模动力学建模几何学建模电气建模通过分析执行机构的质量、惯性、摩擦等特确定执行机构的几何尺寸、关节结构、运动对执行机构驱动电机进行电气建模包括电,性建立精确的动力学模型为控制系统设计约束等构建准确的几何学模型为运动规划压、电流、转矩等特性为电机驱动电路设,,,,,提供基础和控制提供参考计提供依据控制器建模物理建模数学建模根据控制器的硬件结构和原理建通过数学方程表示控制器的动态,立物理模型描述其输入输出特性行为如传递函数、状态空间模型,,和参数关系等仿真模型建立控制器的数字仿真模型用于分析和优化控制算法及参数,控制系统仿真模型建立控制算法设计12通过数学建模和分析建立控制系统的数学模型为仿真奠定针对不同的控制目标设计合适的控制算法如、模糊控制,,,,PID基础等仿真软件应用仿真结果分析34利用等仿真软件对设计的控制系统进行分析仿真结果评估控制系统的性能并进一步优化设计MATLAB/Simulink,,,全面模拟和优化仿真软件介绍仿真软件概述集成CAD用于模拟和分析机器人控制系统的软可以与软件无缝集成利用现有的CAD,件工具包括各种模型库和算法实现模型进行仿真分析提高建模效率,3D,能够对系统性能进行预测和评估编程接口可视化分析提供强大的编程接口允许用户自定义提供直观的可视化工具帮助用户分析,,控制算法并在仿真环境中进行测试和仿真结果评估系统性能和优化设计,,优化仿真建模步骤定义系统和控制目标明确系统边界和仿真目标,确定仿真所需的关键参数和约束条件建立数学模型基于系统物理特性和控制原理,建立控制系统的数学模型选择仿真工具根据仿真需求和模型复杂度,选择合适的仿真软件平台编写仿真程序将数学模型转换为仿真软件中的模块和算法,编写仿真代码调试和优化运行仿真模型,对结果进行分析和优化,确保仿真精度和稳定性。