机器人技术及其应用第2版 张宪民第5章 机器人的控制基础
191页1、,主编 张宪民,机器人技术及其应用,Theory and Application of Robotics,机器人的控制基础,第五章,概述,第一节,伺服电机的原理与特性,第二节,伺服电机调速的基本原理,第三节,电动机驱动及其传递函数,第四节,单关节机器人的伺服系统建模与控制,第五节,交流伺服电动机的调速,第六节,机器人控制系统的硬件结构及接口,第七节,机器人控制系统举例,第八节,小结,第九节,1,概述,概述,机器人控制系统通常是多轴运动协调控制系统, 包括高性能的主控制器及相应的硬件和控制算法及相应的软件。,如图 所示, 机器人控制系统分为四部分: 机器人及其感知器、环境、任务、控制器。机器人是由各种机构组成的装置, 它通过感知器实现本体和环境状态的检测及信息交互, 也是控制的最终目标;环境是指机器人所处的周围环境,包括几何条件、相对位置等, 如工件的形状、位置、障碍物、焊缝的几何偏差等;,图 机器人控制系统结构,概述,任务是指机器人要完成的操作, 它需要适当的程序语言来描述, 并把它们存入主控制器中,随着系统的不同, 任务的输入可能是程序方式, 或文字、图形或声音方式; 控制器包括软件
2、(控制策略和算法以及实现算法的软件程序)和硬件两大部分, 相当于人的大脑, 它是以计算机或专用控制器运行程序的方式来完成给定任务的。,图 机器人控制系统结构,概述,机器人主控制器是控制系统的核心部分, 直接影响机器人性能的优劣。在控制器中,控制策略和算法主要是指机器人控制系统结构、控制信息产生模型和计算方法、控制信息传递方式等。根据对象和要求不同, 可采用多种不同的控制策略和算法, 如控制系统结构可以采用分布式或集中式; 控制信息传递方式可以采用开环控制或 伺服关节运动控制; 控制信息产生模型可以是基于模型或自适应等。目前,机器人控制技术与系统的研究已经由专用控制系统发展到采用通用开放式计算机控制体系结构, 并逐渐向智能控制技术及其实际应用发展, 技术特点归纳起来主要在两个方面: 智能控制、多算法融合和性能分析的功能结构; 实时多任务操作系统、多控制器和网络化的实现结构。,概述,控制系统硬件一般包括三个部分:,() 传感部分 用来收集机器人的内部和外部信息, 如位置、速度、加速度传感器可检测机器人本体运动的状态, 而视觉、触觉、力觉传感器可感受机器人和外部工作环境的状态信息。 () 控
3、制装置 用来处理各种信息, 完成控制算法, 产生必要的控制指令, 它包括计算机及相应的接口, 通常为多 层次控制模块化结构。 () 伺服驱动部分 为了使机器人完成操作及移动功能, 机器人各关节的驱动器视作业要求不同可为气动、液压、交流伺服和直流伺服等。,概述,与一般的伺服系统或过程控制系统相比, 机器人控制系统有如下特点: ) 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。机器人手足的状态可以在各种坐标下进行描述, 应当根据需要, 选择不同的参考坐标系, 并做适当的坐标变换。经常要求解运动学正问题和逆问题, 除此之外还要考虑惯性力、外力(包括重力)、哥氏力、向心力的影响。 ) 一个简单的机器人也至少有 个自由度, 比较复杂的机器人有十几个、甚至几十个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构, 它们必须协调起来, 组成一个多变量控制系统。,概述,) 把多个独立的伺服系统有机地协调起来, 使其按照人的意志行动, 甚至赋予机器人一定的“智能”, 这个任务只能由计算机来完成。因此, 机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。同时, 计算机软件担负着艰巨的任务。 ) 描述机器人状态和运动的数学模型是一个
4、非线性模型, 随着状态的不同和外力的变化, 其参数也在变化, 各变量之间还存在耦合。因此, 仅仅利用位置闭环是不够的,还要利用速度闭环, 甚至加速度闭环。系统中经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。,概述,) 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成, 因此存在一个“最优” 的问题。较高级的机器人可以用人工智能的方法, 用计算机建立起庞大的信息库, 借助信息库进行控制、决策、管理和操作。根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况, 按照给定的指标要求, 自动地选择最佳的控制规律。 总而言之, 机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。由于它的特殊性, 经典控制理论和现代控制理论都不能照搬使用。然而到目前为止, 机器人控制理论还是不完整的、不系统的。相信随着机器人事业的发展, 机器人控制理论必将日趋成熟。,概述,机器人的运动主要是位置的移动, 移动位置的控制可以分为以定位为目标的定位控制和以路径跟踪为目标的路径控制两种方式。,定位控制中最简单的是靠开关控制的两端点定位控制, 而这些端点可以是完全被固定而不能由控制装置的指令来
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