background image

Seminarium dyplomowe, Pytanie nr 25 

___________________________________________________________________________ 

 

Algorytmy sterowania manipulatorów 

 

Przygotował: Marcin Gajos 

 

Definicja ogólna manipulatora sztywnego: 

Manipulator sztywny – układ robotyczny o nieruchomej podstawie (bazie) zbudowany 

z łańcucha ramion, będących ciałami sztywnymi, połączonych sztywnymi przegubami. 

 

Dawniej dynamika manipulatora była traktowana w algorytmach stosowana jako zbiór 

nie sprzężonych ze sobą liniowych obiektów sterowania (drugiego rzędu), opisujących 

pojedyncze stopnie swobody. Do każdego z tych obiektów stosowano regulator typu PD 

lub PID. Wadą była nieodpowiednia jakość sterowania wymagana we współczesnych 

zastosowaniach robotów. 

Jak wiadomo podczas realizacji ruchów o dużym zakresie zmian położenia i 

prędkości, istotną rolę odgrywają nieliniowości dynamiki oraz sprzężenia dynamiczne 

między ogniwami. Wysokie wymagania dotyczące stabilności i dokładności stawiane 

obecnie układom sterowania manipulatorów mogą być spełnione, gdy algorytmy 

sterowania opierają się na kompletnych nieliniowych równaniach dynamiki manipulatora. 

Gdy jednak model dynamiki manipulatora nie jest w pełni znany, używane są algorytmy 

sterowania adaptacyjnego odpornego.  

 

Definicja zadania sterowania :  

1. przejście efektora od określonego punktu początkowego do punktu końcowego 

przestrzeni zadaniowej, 

2. przejście efektora wzdłuż zadanej, zależnej od czasu trajektorii (spawanie, malowanie, 

skrawanie). 

 

Dynamika układu robotycznego: 

Dla układu robotycznego o n-stopniach swobody definiuje się funkcję Lagrange’a 

zwaną lagranżianem, rozumianą jako różnica energii kinetycznej i potencjalnej układu : 

)

(

)

,

(

)

,

(

q

V

q

q

K

q

q

L

=

 

 

background image

Seminarium dyplomowe, Pytanie nr 25 

___________________________________________________________________________ 

Na mocy Zasady Najmniejszego Działania Hamiltona, równania dynamiki 

ukł. robotycznego przyjmują postać równań Eulera-Lagrange’a 

F

q

q

q

L

q

q

q

L

t

d

d

=

)

,

(

)

,

(

gdzie: F – siły niepotencjalne działające na układ (tarcie, siły więzów itp.). 

Ogólna postać równań dynamiki : 

F

q

D

q

q

q

C

q

q

Q

=

+

+

)

(

)

,

(

)

(

gdzie – macierz inercji (bezwładności) układu, – wektor opisujący wpływ sił 

(momentów sił) Coriolisa i odśrodkowych, D – wektor sił grawitacji.  

 

Własności modelu dynamiki : 

1.  odwracalność Q: macierz inercji Q -  symetryczna (kwadratowa) i dodatnio określona 

(nieosobliwa), 

2.  skośna symetria:  pochodna macierzy inercji wzdłuż trajektorii przegubowej jest 

wyznaczana przez macierz sił Coriolisa i odśrodkowych  

)

,

(

)

,

(

)

(

+

=

q

q

C

q

q

C

q

Q

T

  

Podział algorytmów sterowania manipulatorów. 

1.  Algorytmy sterowania manipulatorów elastycznych. 

W manipulatorze mogą wystąpić dwa rodzaje sił elastyczności powodujących 

powstanie niedokładności  śledzenia trajektorii elastyczność ramion i przegubów. 

Istotną poprawą jakości sterowania jest odpowiednie rozpoznanie typu elastyczności i 

uwzględnienie w modelu dynamiki.  

Elastyczność ramion – ramiona z lekkich materiałów; ramiona manipulatora są 

znacznej długości (uginanie ramion podczas pracy i powstanie niedokładności 

pozycjonowania). 

Modelowanie : ramię modeluje się przy pomocy dwóch elementów. 

Elastyczność przegubów – manipulator z napędem niebezpośrednim - 

pojawienie się różnicy miedzy położeniem układu napędowego (wału silnika) a 

położeniem napędzanego przegubu. Za błędy powstające przy przekazywaniu napędu 

odpowiadają takie zjawiska fizyczne jak: tarcie , poślizg i luzy w przekładach, siły 

sprężystości itp. 

 

background image

Seminarium dyplomowe, Pytanie nr 25 

___________________________________________________________________________ 

Model manipulatora o elastycznych przegubach jest znacznie bardziej złożony od 

modelu manipulatora sztywnego. Algorytmy przedstawione w grafie dotyczą sytuacji, 

gdy przyczyną elastyczności  w przegubach są wyłącznie siły sprężystości.  

 

 

 

Do kompletnego opisu stanu manipulatora wymagana jest dwukrotnie większa 

liczba współrzędnych uogólnionych. Ponadto, liczba wejść sterujących jest mniejsza 

niż liczba mechanicznych stopni swobody. Na tej podstawie, zadanie sterowania jest 

trudne i wymaga, w szczególności dla algorytmu sterowania opartego na statycznym 

sprzężeniu zwrotnym, instalacji sensorów mierzących zarówno położenie wałów 

silników jak i położenie przegubów. 

Algorytmy te pozwalają uzyskać  asymptotyczną stabilność (algorytm 

linearyzacji statycznej  - eksponencjalną  stabilność). 

 

2.  Algorytmy sterowania manipulatorów sztywnych. 

Dynamika 

u

t

q

q

q

D

q

q

q

C

q

q

Q

=

+

+

+

)

,

,

(

)

(

)

,

(

)

(

ζ

gdzie ζ – składnik niepotencjalny, wymaga specjalnych badań. 

Uproszczenie: 

u

q

D

q

q

q

C

q

q

Q

=

+

+

)

(

)

,

(

)

(

 

background image

Seminarium dyplomowe, Pytanie nr 25 

___________________________________________________________________________ 

gdzie: Q, C – zdefiniowane przez formę energii kinetycznej, D – wyznaczony przez 

gradient energii potencjalnej. 

Algorytmy obliczanego momentu – bazują na własności odwracalności 

macierzy bezwładności manipulatora; przykład linearyzacji dynamiki układu przez 

statyczne  sprzężenie zwrotne  - pozwala usunąć z dynamiki manipulatora  (wszystkie) 

składniki nieliniowe; 

Algorytmy dysypatywne – wykorzystują  własność skośnej symetrii; nie 

wymagają sprzężenia  linearyzującego; rozproszenie energii układu w taki sposób, aby 

dla układu sterowania z zamknięta pętlą, błąd  śledzenia położenia i prędkości 

przegubów manipulatora zmierzał asymptotycznie do zera. 

 

Postać ogólna dynamiki: 

u

t

q

q

q

D

q

q

q

C

q

q

Q

=

+

+

+

)

,

,

(

)

(

)

,

(

)

(

ζ

(*)  , 

gdzie ζ – reprezentuje różnego rodzaju siły niepotencjalne oraz efekty niedokładności 

modelowania. 

W praktyce model dynamiki manipulatora jest zawsze obarczony 

niepewnością. Dwa rodzaje nieznajomości modelu: 

1.  parametryczna – znane są wszystkie składniki równań modelu (znana jest postać 

funkcjonalna) natomiast nieznane są pewne parametry tych równań – parametry 

zależne od własności fizycznych manipulatora: długości ramion, masy, momenty 

bezwładności ramion, własności przenoszonego ładunku itp. Zmienna masa i moment 

bezwładności  przenoszonego ładunku mają wpływ na  zmianę parametrów modelu 

dynamiki w trakcie pracy manipulatora. 

2.  strukturalna – nie jest znana zależność funkcjonalna między pewnymi zmiennymi 

modelu – ta nieznajomość jest wynikiem niedokładności modelowania dynamiki 

manipulatora; w modelu (*) wszystkie nieznane  oddziaływania, którym podlega 

manipulator – ζ. 

 

Algorytmy sterowania adaptacyjnego – zaprojektowanie układu sterowania 

dostosowującego swoje działanie do zmian obiektu sterowania  w taki sposób, aby cel 

sterowania był osiągnięty. Typowy układ sterowania  adaptacyjnego wykorzystuje 

układ 

 

estymujący nieznane parametry modelu i generuje sterowanie w oparciu o 

estymaty. W algorytmach tych wykorzystuje się nieznajomość parametryczną modelu. 

 

background image

Seminarium dyplomowe, Pytanie nr 25 

___________________________________________________________________________ 

Są one skomplikowane ze względu na obecność układu estymacji. Ponadto, są 

kosztowne, trudne w realizacji, ale skuteczne. 

 

Algorytmy sterowania odpornego – wykorzystują pewne aprioryczne 

 

oszacowania parametrów i w oparciu o taką informację zapewniają poprawne 

sterowanie dla wszystkich zaburzeń modelu. Cechuje je brak układu estymacji – są 

prostsze od adaptacyjnych; cechują się jednak strukturalną nadczynnością (np. 

nadmierne wzmocnienia). 

Uniwersalne (adaptacyjne) układy sterowania -  wykorzystują ograniczoną 

informację o obiekcie (jedyne informacje to np. informacje strukturalne, na temat 

liniowości obiektu); nie zawierają jednak układu estymacji parametrów. Zasadę ich  

działania można porównać do człowieka balansującego tyczką ustawioną na dłoni 

(i tak jak człowiek zachowują się przy zmianie tyczki). Charakteryzują się prostą 

budową - brak układu estymacji oraz skutecznością działania.   

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

background image

Seminarium dyplomowe, Pytanie nr 25 

___________________________________________________________________________