机器人控制第六章-2011

机器人控制

工业机器人系统组成手部臂部

执行系统

腕部机身

工业机器人

行走机构

驱动系统

各种电、液、气装置运动控制装置

控制系统

位置检测装置示教再现装置触觉、听觉、嗅觉、视觉装置语音识别装置

人工智能系统逻辑判断装置学习装置

0

机器人控制

6.1机器人的轨迹规划与生成 6.2机器人控制综述 6.3机器人的位置控制 6.4机器人的力控制 6.5机器人的位置/力混合控制1

机器人控制

6.1机器人的轨迹规划与生成6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6机器人规划的基本概念机器人轨迹规划的一般性问题关节空间的轨迹规划直角坐标空间的轨迹规划轨迹的实时生成路径的描述

2

机器人控制

6.1.1机器人规划的基本概念机器人学中的一个基本问题是为解决某个预定的任务而规划机器人的动作，然后在机器人执行完成那些动作所需的命令时控制它。所谓机器人的规划(P1anning),指的是——机器人根据自身的任

务，求得完成这一任务的解决方案的过程。这里所说的任务，具有广义的概念，既可以指机器人要完成的某一具体任务，也可以是机器人的某个动作，比如手部或关节的某个规定的运动等。机器人规划分为高层规划和低层规划。自动规划在机器人规划中称为高层规划。在无特别说明时，机器人规划都是指自动规划。机器人规划是机器人学的一个重要研究领域，也是人工智能与机器人学一个令人感兴趣的结合点。机器人轨迹规划属于机器人低层规划，基本上不涉及人工智能问题，而是在机械手运动学和动力学的基础上，讨论机器人运动的规划及其方法。3

机器人控制

路径与轨迹所谓路径即机器人位形的一个特定序列，它不考虑机器人位形的时间因素。而轨迹，就是指机器人在运动过程中的位移、速度和加速度，它与何时到达路径中的每个位置有关，强调了时间性。轨迹规划的目的是——将操作人员输入的简单的任务描述变为详细的运动轨迹描述。例如，对一般的工业机器人来说，操作员可能只输入机械手末端的目标位置和方位，而规划的任务便是要确定出达到目标的关节轨迹的形状、运动的时间和速度等。

4

机器人控制

为说明机器人规划的概念，我们举下面的例子：在一些老龄化比较严重的国家，开发了各种各样的机器人专门用于伺候老人，这些机器人有不少是采用声控的方式。比如主人用声音命令机器人“给我倒一杯开水”,我们先不考虑机器人是如何识别人的自然语言，而是着重分析一下机器人在得到这样一个命令后，如何来完成主人交给的任务。首先，机器人应该把任务进行分解，把主人交代的任务分解成为“取一个杯子”、“找到水壶”、“打开瓶塞

”、“把水倒入杯中”、“把水送给主人”等一系列子任务。这一层次的规划称为任务规划(Task planning),它完成总体任任务规划务的分解。5

机器人控制

给主人倒一杯水

取一个杯子

找到水壶

打开水壶

把水倒入杯中

把水送给主人

提起水壶到杯口上方

把水壶倾斜

把水壶竖直

把水壶放回原处

手部从A点移到B点

关节从A点移到B点

图6-1智能机器人的规划层次6

机器人控制

然后再针对每一个子任务进行进一步的规划。以“把水倒入杯中”这一子任务为例，可以进一步分解成为“把水壶提到杯口上方”、“把水壶倾斜倒水入杯”、“把水壶竖直“、“把水壶放回原处”等一系列动作，这一层次的规划称为动作规划(Motion动作规划 P1anning),它把实现每一个子任务的过程分解为一系列具体的动作。为了实现每一个动作，需要对手部的运动轨迹进行必要的规定，这是手部轨迹规划(Hand trajectory planning )。为了使手部实现预定的运动，就要知道各关节的运动规律，这是关节轨迹规划(Joint trajectory planning)。最后才是关节的运动控制(Motion control)。

7

机器人控制

上述例子可以看出，机器人的规划是分层次的，从高层的任务规划，动作规划到手部轨迹规划和关节轨迹规划，最后才是底层的控制(见图)。在上述例子中，我们没有讨论力的问题，实际上，对有些机器人来说，力的大小也是要控制的，这时，除了手部或关节的轨迹规划，还要进行手部和关节输出力的规划。智能化程度越高，规划的层次越多，操作就越简单。对工业机器人来说，高层的任务规划和动作规划一般是依赖人来完成的。而且一般工业机器人也不具备力反馈，所以，工业机器人通常只具有轨迹规划和底层的控制功能。8

机器人控制

简言之，机器人的工作过程，就是通过规划，将要求的任务变为期望的运动和力，由控制环节根据期望的运动和力的信号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的运动和力，从而完成期望的任务。这一过程表述如下图所示。这里，机器人实际运动的情况通常还要反馈给规划级和控制级，以便对规划和控制的结果做出适当的修正。期望的运动和力

要求的任务

人机接口

轨迹规划

控

控制作用

制

机器人本体

实际的运动和力

图6-2机器人的工作原理示意图

9< …… 此处隐藏：1417字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……