机器人控制理论与技术8PPT课件.pptx

1、1常用的机器人控制结构常用的机器人控制结构2运动的实现运动的实现 轮式轮式 履带式履带式 腿式腿式3Effectors与与ActuatorsnEffectors：操纵装置：操纵装置device on a robot that has an effect (impact or influence) on the environment比如腿，轮子，手臂等比如腿，轮子，手臂等nActuators：执行机构：执行机构Mechanism that enables the effector to work比如电机、液压缸、气压缸等比如电机、液压缸、气压缸等4运动的机理运动的机理nInteraction

2、forcese.g. frictionContact pointsInteraction forces5n机器人本体运动机器人本体运动 locomotionn移动环境物体移动环境物体 manipulation运动装置的作用运动装置的作用6直流电机直流电机n优点：优点：简单、价廉、性能可靠、易简单、价廉、性能可靠、易于使用、易于购买于使用、易于购买n输入：输入：电流或者电压电流或者电压n速度：速度：3k9krpm(50150rps) n问题：问题：速度较高速度较高/力矩较小力矩较小7传动装置传动装置n目的目的: :改变直流电机的输出力矩改变直流电机的输出力矩！ntorqueout torquei

3、n/radiusn问题问题: :如何增加输出力矩呢如何增加输出力矩呢? ?n解决方法：解决方法：设计传动装置设计传动装置！8传动装置传动装置齿轮减速比齿轮减速比3:1驱动轮驱动轮(1)从动轮从动轮(2)n电机输出功率电机输出功率 torque * vrotnvrot,2 = vrot,1/3 torque2 = torque1 * 39传动装置传动装置n如何获取更大的齿轮比，比如如何获取更大的齿轮比，比如9:1?使用更大的齿轮使用更大的齿轮使用更多的齿轮使用更多的齿轮n产生的问题：产生的问题：齿隙齿隙增大摩擦增大摩擦浪费能量浪费能量n解决方法解决方法: : “变速箱变速箱” GearBox9:

4、1 gear reductionwith ganged gearsinputoutput10电机伺服电机伺服n目的目的: :以转动到给定位置以转动到给定位置 代替电机的连续运转代替电机的连续运转n组成结构组成结构电机本体电机本体减速箱减速箱位置或速度传感器位置或速度传感器控制器或驱动器控制器或驱动器n输入信号输入信号:经过脉冲调制的电压信号经过脉冲调制的电压信号11NXT Motor（LEGO）电机电机齿轮编码器齿轮编码器齿轮组齿轮组主传动轴主传动轴12NXT Motor转速转速vs功率曲线功率曲线No load, no servo, 9VNo load, no servo, 7.2V11.5

5、 Ncm load, no servo, 9V NXT11.5 Ncm load, servo, 9V11.5 Ncm, load, servo, 7.2VSource: 13141516自由度自由度 Degrees of Freedomn位姿自由度：系统在空间中的位姿描述所位姿自由度：系统在空间中的位姿描述所需变量的个数。需变量的个数。17可控自由度可控自由度n可控自由度可控自由度vs不可控自由度不可控自由度18根据自由度系统的分类根据自由度系统的分类nTDOF = CDOF Holonomic( (完整完整) )比如直升机比如直升机nTDOF CDOF Nonholonomic( (非完整

6、非完整) )比如汽车比如汽车nCDOF TDOF Redundant( (冗余冗余) )比如机械手臂比如机械手臂n3 shouldern1 elbown3 wrist 19轮式移动机器人轮式移动机器人n主要移动方式：主要移动方式：轮子轮子n静态稳定条件：静态稳定条件：至少需要至少需要2 2个轮子，一般带有个轮子，一般带有3 3个轮子！个轮子！n如果超过三个轮子，会产生什么问题？如果超过三个轮子，会产生什么问题？为保持与地面的接触，需要为保持与地面的接触，需要悬挂系统悬挂系统（suspensionsuspension is required is required）！）！n设计时需要考虑的主要问

7、题：设计时需要考虑的主要问题：轮子的类型和大小轮子的类型和大小20四种常见的轮子类型（四种常见的轮子类型（1）n标准轮标准轮 (a):(a):速度与速度与1 1个方向个方向1 1个旋转轴个旋转轴n小脚轮小脚轮 (b):(b):速度与速度与2 2个方向个方向2 2个旋转轴个旋转轴n转动轴转动轴n偏心轴偏心轴a)b)21四种常见的轮子类型（四种常见的轮子类型（2）n瑞典轮瑞典轮 (c): (c): 速度与速度与2 2个方向个方向2 2个旋转轴个旋转轴n转动轴转动轴n滚轴滚轴n球形轮球形轮 (d)(d)速度与速度与2 2个方向个方向真正的全向轮真正的全向轮swedish 45swedish 90c)

8、d)22轮子的排列方式（轮子的排列方式（1 1）n两轮排列两轮排列23轮子的排列方式（轮子的排列方式（2 2）n三轮排列三轮排列万向驱动万向驱动同步驱动同步驱动24同步驱动方案同步驱动方案Denning-MRV225万向驱动方案万向驱动方案TriboloOmnidirectional Drive with 3 Spheric Wheels26轮子的排列方式（轮子的排列方式（3 3）n四轮排列四轮排列27轮子的排列方式（轮子的排列方式（4 4）n六轮排列六轮排列28六轮机器人六轮机器人SHRIMP29机器人的运动控制机器人的运动控制n已知已知机器人的运动学模型机器人的运动学模型/ /动力学模型动

9、力学模型机器人轮子与地面之间的接触模型机器人轮子与地面之间的接触模型n要求的运动控制目标要求的运动控制目标 n速度控制速度控制 n位姿控制位姿控制满足要求的控制律满足要求的控制律30移动机器人的运动学模型移动机器人的运动学模型n目标目标:机器人速度机器人速度n轮子转动速度轮子转动速度n导航角及角速度导航角及角速度n几何参数，比如长度、宽度等几何参数，比如长度、宽度等n前向运动学模型：前向运动学模型：n逆向运动学模型：逆向运动学模型：), (111mmnTfyxTyxii i),( 111yxfTmmn31差动驱动的两轮机器人差动驱动的两轮机器人yIxIs(t)v(t)ryxlrlrlrsin2

10、cos2sincosvyvxrvlrlr2), (111mmnTfyx32环境坐标系环境坐标系: :机器人坐标系机器人坐标系: :机器人位置坐标机器人位置坐标: :两个坐标系之间的坐标变换：两个坐标系之间的坐标变换：机器人位置的表示机器人位置的表示TIyxIIYX ,RRYX , TIRyxRRPYRXRYIXI33示例示例 TIRyxRR34环境坐标系环境坐标系: :机器人坐标系机器人坐标系: :机器人位姿坐标机器人位姿坐标: :两个坐标系之间的坐标变换：两个坐标系之间的坐标变换：机器人位置的表示机器人位置的表示TIyxIIYX ,RRYX , TIRyxRRPYRXRYIXI35示例示例

11、TIRyxRR36运动学误差模型（运动学误差模型（1）dddeeeyyxxyx1000cossin0sincossincosvyvxddddddddvyvxsincos37运动学误差模型（运动学误差模型（2）vvyvvvvyxededdddeecos)sinsin(sin)coscos(cosededdddeevxvvvvxysin)sinsin(cos)coscos(sindedeedeeedeevxyvvyxsincos38轨迹跟踪控制律设计轨迹跟踪控制律设计deedeeedeevxyvvyxsincos)cos1 (121211),(22eyeeetKKyxetVEsin)(coseee

12、yddeexedKKyKvKxKvv当当Kx, Ky, K , , , 均为正常数时均为正常数时, 且且+=1 当当v vd d,d d,dv,dvd d/dt, d/dt, dd d/dt/dt 有界有界根据根据000eeeyx39仿真结果仿真结果对圆的跟踪对圆的跟踪时间时间（s）0246810 xe(m)-1-0.500.5时间时间（s）0246810ye(m)-1-0.500.5时间时间（s）0246810-1-0.500.5e(rad)时间时间（s）0246810 xe(m)-1-0.500.5时间时间（s）0246810ye(m)-1-0.500.5Kx =1, Ky =1, K=1, =0.5, =0.5 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best, Failure Is Great, So DonT Give Up, Stick To The End感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日