機(jī)器人的控制系統(tǒng).ppt

第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng),5.1 機(jī)器人傳感器 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 5.3 控制理論與算法,工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)包含對(duì)機(jī)器人本體工作過(guò)程進(jìn)行控制的控制機(jī)、機(jī)器人專用傳感器、運(yùn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)主要對(duì)機(jī)器人工作過(guò)程中的動(dòng)作順序、應(yīng)到達(dá)的位置及姿態(tài)、路徑軌跡及規(guī)劃、動(dòng)作時(shí)間間隔以及末端執(zhí)行器施加在被作用物上的力和力矩等進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)中涉及傳感技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、控制理論和控制算法。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.1 機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求 一、機(jī)器人傳感器基礎(chǔ)知識(shí) 傳感器定義：一種以一定精度將被測(cè)量(如位移、力、加速度、溫度等)轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系、易于精確處理和測(cè)量的某種物理量(如電量)的測(cè)量部件或裝置。 完整的傳感器組成：包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分。 A、敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能：將某種不便測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為易于測(cè)量的物理量，構(gòu)成傳感器的結(jié)構(gòu)部分 B、基本轉(zhuǎn)換電路：將敏感元件產(chǎn)生的易測(cè)量小信號(hào)進(jìn)行變換，使傳感器的信號(hào)輸出符合具體工業(yè)系統(tǒng)的要求(如420mA、55V)。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.1 機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求 二、常見(jiàn)的機(jī)器人傳感器 位置、速度、加速度傳感器 溫度、濕度、壓力、滑動(dòng)量、化學(xué)性質(zhì)等感覺(jué)能力方面的傳感器 其它機(jī)器人傳感器 (1) 簡(jiǎn)單觸覺(jué)確定工件對(duì)象是否存在。 (2) 復(fù)合觸覺(jué)確定工件對(duì)象是否存在以及它的尺寸和形狀等。 (3) 簡(jiǎn)單力覺(jué)單維力的測(cè)量。 (4) 復(fù)合力覺(jué)多維力的測(cè)量。 (5) 接近覺(jué)工作對(duì)象的非接觸探測(cè)。 (6) 簡(jiǎn)單視覺(jué)孔、邊、拐角等的檢測(cè)。 (7) 復(fù)合視覺(jué)識(shí)別工作對(duì)象的形狀等。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.1 機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求 三、機(jī)器人傳感器的性能指標(biāo) A、 一般包括以下三類參數(shù)： (1) 基本參數(shù)，包括量程(測(cè)量范圍、量程及過(guò)載能力)、靈敏度、靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能(頻率特性及階躍特性)。 (2) 環(huán)境參數(shù)，包括溫度、振動(dòng)沖擊及其他參數(shù)(潮濕、腐蝕及抗電磁干 擾等)。 (3) 使用條件，包括電源、尺寸、安裝方式、電信號(hào)接口及校準(zhǔn)周期等。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.1 機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求 三、機(jī)器人傳感器的性能指標(biāo) B、比較重要或常用的參數(shù)指標(biāo) ： 1靈敏度 2線性度 3精度 4重復(fù)性 5分辨率 6響應(yīng)時(shí)間 7抗干擾能力,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.2 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 操作機(jī)器人根據(jù)具體用途不同可以選擇不同的控制方式，如位置控制、速度控制及力控制等； 在這些控制方式中，機(jī)器人系統(tǒng)所應(yīng)具有的基本傳感單元是位置和速度傳感器； 無(wú)論是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型還是混合型，通常需要將機(jī)器人末端執(zhí)行器在笛卡兒坐標(biāo)空間中的位姿或軌跡轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)空間位姿或軌跡，再通過(guò)控制各個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的操作； 用于檢測(cè)關(guān)節(jié)位置或速度的傳感器也成為機(jī)器人關(guān)節(jié)組件中的基本單元；,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.2 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 一、位置傳感器 位置和位移傳感器根據(jù)其工作原理和組成的不同有各種不同的形式，常見(jiàn)的有電阻式、電容式、電感式位移傳感器及編碼式位移傳感器、霍爾元件位移傳感器、磁柵式位移傳感器等。 1電位器式位移傳感器 電位器式位移傳感器主要有電位器和滑動(dòng)觸點(diǎn)組成，通過(guò)觸點(diǎn)的滑動(dòng)改變電位器的阻值來(lái)測(cè)量信號(hào)的大小。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,圖5.1 旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器,1.1 旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器 可變電阻做成圓弧形，滑動(dòng)觸點(diǎn)是一個(gè)帶有回轉(zhuǎn)中心的電刷，電刷觸點(diǎn)與弧形電阻接觸，其回轉(zhuǎn)中心與被測(cè)角度的回轉(zhuǎn)中心及可變電阻的回轉(zhuǎn)中心重疊。當(dāng)被測(cè)角度發(fā)生變化時(shí)，電刷轉(zhuǎn)過(guò)的角度隨之改變。,-被測(cè)角度 ； -弧形電阻所包含的圓心角 K-為比例系數(shù),第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,1.2 直線型電位器式位移傳感器 將可變電阻做成直線形，當(dāng)電刷沿電阻的長(zhǎng)度方向作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可測(cè)量出與電刷固連的被測(cè)物的直線位移。,L-被測(cè)長(zhǎng)度 s直線電阻長(zhǎng)度 K-為比例系數(shù),第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.2 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 一、位置傳感器 2編碼式位移傳感器 編碼式位移傳感器是一種數(shù)字式位移傳感器，其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，可以測(cè)直線位移也可以測(cè)轉(zhuǎn)角。編碼式位移傳感器測(cè)量范圍大，檢測(cè)精度高，在機(jī)器人的位置檢測(cè)及其他工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用； 編碼器按照測(cè)出的信號(hào)是絕對(duì)信號(hào)還是增量信號(hào)，可分為絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器； 按照結(jié)構(gòu)及信號(hào)轉(zhuǎn)換方式，又可分為光電式、接觸式及電磁式等。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.2 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 一、位置傳感器 2.1 絕對(duì)式光電編碼器 絕對(duì)式編碼器是一種直接編碼式的測(cè)量元件，它可以直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼，指示的是絕對(duì)位置而無(wú)絕對(duì)誤差，在電源切斷時(shí)不會(huì)失去位置信息。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且不易做到高精度和高分辨率。 編碼盤以一定的編碼形式(如二進(jìn)制編碼等)將圓盤分成若干等分，利用 光電原理把代表被測(cè)位置的各等分上的數(shù)碼轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出以用于檢測(cè)。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.2 機(jī)器人內(nèi)部傳感器,圖5.3 絕對(duì)式編碼器碼盤,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.2 機(jī)器人內(nèi)部傳感器,表5.1 循環(huán)碼(格雷碼)與二進(jìn)制碼及真值表,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.2 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 一、位置傳感器 2.2 增量式光電編碼器 增量式光電編碼器能夠以數(shù)字形式測(cè)量出轉(zhuǎn)軸相對(duì)于某一基準(zhǔn)位置的瞬間角位置，另外還能測(cè)出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向； 在機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸上裝有增量式光電編碼器，可測(cè)量出轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置，但不能確定機(jī)器人轉(zhuǎn)軸的絕對(duì)位置，所以這種光電編碼器一般用于定位精度要求不高的機(jī)器人，如噴涂、搬運(yùn)及碼跺機(jī)器人等。 目前已出現(xiàn)包含絕對(duì)式和增量式兩種類型的混合式編碼器。使用這種編碼器時(shí)，使用絕對(duì)式確定機(jī)器人的絕對(duì)位置，確定由初始位置開(kāi)始的變動(dòng)角的精確位置則使用增量式。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,圖5.4 增量式編碼器的工作原理,2.2 增量式光電編碼器 增量式光電編碼器沒(méi)有接觸磨損，允許高轉(zhuǎn)速，精度及可靠性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難。常用的增量式編碼器的分辨率一般為2000 P/r、2500 P/r、 3000 P/r、20000 P/r、25000 P/r及30000 P/r等。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.2 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 二、速度傳感器 速度傳感器是機(jī)器人中較重要的內(nèi)部傳感器之一。由于在機(jī)器人中主要測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度，故這里僅介紹角速度傳感器。目前廣泛使用的角速度傳感器有測(cè)速發(fā)電機(jī)和增量式光電編碼器兩種。測(cè)速發(fā)電機(jī)是應(yīng)用最廣泛，能直接得到代表轉(zhuǎn)速的電壓且具有良好實(shí)時(shí)性的一種速度測(cè)量傳感器。增量式編碼器既可以用來(lái)測(cè)量增量角位移又可以測(cè)量瞬時(shí)角速度。速度的輸出有模擬式和數(shù)字式兩種。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.2 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 二、速度傳感器 2.1 測(cè)速發(fā)電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種模擬式速度傳感器。測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)小型永磁式直流發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理如圖5.5所示。其工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)通過(guò)線圈的磁通量恒定時(shí)，位于磁場(chǎng)中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的電壓(感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))與線圈(轉(zhuǎn)子)的轉(zhuǎn)速成正比，即 (5.7) 式中： u為測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓(V)； n為測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)； k為比例系數(shù)。 為了減少測(cè)量誤差，應(yīng)使負(fù)載盡可能小且保持負(fù)載性質(zhì)不變。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,圖5.5 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 1永久磁鐵；2轉(zhuǎn)子線圈；3電刷；4整流子,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,圖5.6 機(jī)器人速度伺服控制系統(tǒng),測(cè)速發(fā)電機(jī)線性度好，靈敏度高，輸出信號(hào)強(qiáng)，目前檢測(cè)范圍一般為2040 r/min，精度為0.2 %0.5 %。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.2 機(jī)器人內(nèi)部傳感器 二、速度傳感器 2.2 測(cè)速發(fā)電機(jī) 增量式光電編碼器在機(jī)器人中既可以作為位置傳感器測(cè)量關(guān)節(jié)相對(duì)位置，又可以作為速度傳感器測(cè)量關(guān)節(jié)速度。作為速度傳感器時(shí)既可以在模擬方式下使用又可以在數(shù)字方式下使用。 1) 模擬方式 在這種方式下，必須有一個(gè)頻率-電壓(F/V)變換器，用來(lái)把編碼器測(cè)得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,圖5.7 模擬方式的增量式編碼盤測(cè)速,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,圖5.8 時(shí)間增量測(cè)量電路,2) 數(shù)字方式 數(shù)字方式測(cè)速是利用數(shù)學(xué)方式用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出速度。由于角速度是轉(zhuǎn)角對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，如果能測(cè)得單位時(shí)間 內(nèi)編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的角度 ，則編碼器在該時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速為,(5.8),第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.3 機(jī)器人外部傳感器 一、力或力矩（力覺(jué)）傳感器 工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行裝配、搬運(yùn)、研磨等作業(yè)時(shí)需要對(duì)工作力或力矩進(jìn)行控制。例如裝配時(shí)需進(jìn)行將軸類零件插入孔里，調(diào)準(zhǔn)零件的位置，擰動(dòng)螺釘?shù)纫幌盗胁襟E，在擰動(dòng)螺釘過(guò)程中需要有確定的擰緊力；搬運(yùn)時(shí)機(jī)器人手爪對(duì)工件需有合理的握力，握力太小不足以搬動(dòng)工件，太大則會(huì)損壞工件；研磨時(shí)需要有合適的砂輪進(jìn)給力以保證研磨質(zhì)量。另外，機(jī)器人在自我保護(hù)時(shí)也需要檢測(cè)關(guān)節(jié)和連桿之間的內(nèi)力，防止機(jī)器人手臂因承載過(guò)大或與周圍障礙物碰撞而引起的損壞。所以力和力矩傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用較廣泛。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.3 機(jī)器人外部傳感器 一、力或力矩（力覺(jué)）傳感器 力和力矩傳感器種類很多，常用的有電阻應(yīng)變片式、壓電式、電容式、電感式以及各種外力傳感器。力或力矩傳感器都是通過(guò)彈性敏感元件將被測(cè)力或力矩轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過(guò)各自的敏感介質(zhì)把位移量或變形量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。 目前使用最廣泛的是電阻應(yīng)變片式力和力矩傳感器。圖5.9所示為20世紀(jì)70年代就研制成功的一種6維力和力矩傳感器。這種傳感器的力和力矩敏感元件是應(yīng)變片，裝載鋁制筒體上，筒體有8個(gè)簡(jiǎn)支梁(彈性梁)支持。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,圖5.9 應(yīng)變片式機(jī)器人腕力和力矩傳感器,設(shè)8個(gè)彈性梁測(cè)出的應(yīng)變?yōu)?(5.9),機(jī)器人桿件某點(diǎn)的力與用力和力矩傳感器測(cè)出的8個(gè)應(yīng)變的關(guān)系為,(5.10),第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.3 機(jī)器人外部傳感器 二、接近覺(jué)傳感器 接近覺(jué)傳感器是機(jī)器人用來(lái)探測(cè)機(jī)器人自身與周圍物體之間相對(duì)位置或距離的一種傳感器，它探測(cè)的距離一般在幾毫米到十幾厘米之間。有時(shí)接近覺(jué)傳感器與視覺(jué)、觸覺(jué)等傳感器沒(méi)有明顯的區(qū)別。 接近覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)上分為接觸型和非接觸型兩種，其中非接觸型接近覺(jué)傳感器應(yīng)用較廣。 目前按照轉(zhuǎn)換原理的不同接近覺(jué)傳感器分為電渦流式、光纖式、超聲波式及激光掃描式等。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,圖5.10 電渦流傳感器的工作原理,1電渦流式傳感器 電渦流傳感器外形尺寸小，價(jià)格低廉，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，而且檢測(cè)精度也高，能夠檢測(cè)到0.02mm的微量位移。但是該傳感器檢測(cè)距離短，一般只能測(cè)到13 mm以內(nèi)，且只能對(duì)固態(tài)導(dǎo)體進(jìn)行檢測(cè)，這是其不足之處。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,2光纖式傳感器 光纖是一種新型的光電材料，在遠(yuǎn)距離通信和遙測(cè)方面應(yīng)用廣泛。用光 纖制作接近覺(jué)傳感器可以用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人與目標(biāo)物間較遠(yuǎn)的距離。這種傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，響應(yīng)快的特點(diǎn)。光纖式傳感器有三種不同的形式。,圖5.11 光纖傳感器結(jié)構(gòu),第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,3超聲波傳感器 超聲波接近覺(jué)傳感器利用超聲波測(cè)量距離。聲波傳輸需要一定的時(shí)間，其時(shí)間與超聲波的傳播速度和距離成正比，故只要測(cè)出超聲波到達(dá)物體的時(shí)間，就能得到距離值。,圖5.12 超聲波傳感器原理圖,設(shè)該時(shí)間為T，而聲波的傳輸速度為v，則被測(cè)距離L為：,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.3 機(jī)器人外部傳感器 三、觸覺(jué)傳感器 觸覺(jué)傳感器在機(jī)器人中有以下幾方面的作用： (1) 感知操作手指與對(duì)象物之間的作用力，使手指動(dòng)作適當(dāng)。 (2) 識(shí)別操作物的大小、形狀、質(zhì)量及硬度等。 (3) 躲避危險(xiǎn)，以防碰撞障礙物引起事故。 常用的觸覺(jué)傳感器： 機(jī)器人中的觸覺(jué)傳感器一般包括壓覺(jué)、滑覺(jué)、接觸覺(jué)及力覺(jué)等。最早的觸覺(jué)傳感器為開(kāi)關(guān)式傳感器，只有0和1兩個(gè)信號(hào)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的接通與關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài)，用于表示手指與對(duì)象物的接觸與不接觸。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.1 機(jī)器人傳感器,5.1.3 機(jī)器人外部傳感器 檢測(cè)對(duì)象物的形狀，需要在接觸面上安裝許多敏感元件。此時(shí)如果仍然使用開(kāi)關(guān)型傳感器，由于傳感器具有一定的體積大小，布置的傳感器數(shù)目不會(huì)很多，對(duì)形狀的識(shí)別很粗糙。 一般用導(dǎo)電合成橡膠作為觸覺(jué)傳感器的敏感元件。這種橡膠壓變時(shí)其體 電阻的變化很小，但接觸面積和反向接觸電阻隨外部壓力的變化很大。這種敏感元件可以做得很小，一般1 cm3面積內(nèi)可有256個(gè)觸覺(jué)敏感元件，敏感范圍達(dá)1100g。敏感元件在接觸表面以一定形式排列成陣列傳感器，排列的傳感器越多，檢測(cè)越精確。壓電材料是另一種有潛力的觸覺(jué)敏感材料，其原理是利用晶體的壓電效應(yīng)，在晶體上施壓時(shí)，一定范圍內(nèi)施加的壓力與晶體的電阻成比例關(guān)系。但是一般晶體的脆性比較大，作為敏感材料時(shí)很難制作。 其他常用敏感材料有半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，其原理與應(yīng)變片一樣，即應(yīng)變變形原理。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),5.2.1 概述 早期的工業(yè)機(jī)器人都用液壓、氣動(dòng)方式來(lái)進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)。隨著大功率交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，目前大部分被電氣驅(qū)動(dòng)方式所代替，只有在少數(shù)要求超大的輸出功率、防爆、低運(yùn)動(dòng)精度的場(chǎng)合才考慮使用液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)無(wú)環(huán)境污染，響應(yīng)快，精度高，成本低，控制方便 。 電氣驅(qū)動(dòng)按照驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的不同又分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流伺服電 動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)三種不同形式；按照伺服控制方式分可分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),5.2.1 概述 一般的伺服控制系統(tǒng)包括伺服執(zhí)行元件(伺服電動(dòng)機(jī))、伺服運(yùn)動(dòng)控制器、功率放大器(又稱伺服驅(qū)動(dòng)器)、位置檢測(cè)元件等。伺服運(yùn)動(dòng)控制器的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，包括力、位置、速度等的控制。某些機(jī)器人系統(tǒng)把各個(gè)軸的伺服運(yùn)動(dòng)控制器和功率放大器集成組裝在控制柜內(nèi)，如MOTOMAN機(jī)器人，這樣實(shí)際上相當(dāng)于由一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)控制。 然而，隨著芯片集成技術(shù)和計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展，專用運(yùn)動(dòng)控制芯片和運(yùn)動(dòng)控制卡越來(lái)越多地作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器。這兩種形式的伺服運(yùn)動(dòng)控制器控制方便靈活，成本低，都以通用PC機(jī)為平臺(tái)，借助PC機(jī)的強(qiáng)大功能來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。前者利用專用運(yùn)動(dòng)控制芯片與PC機(jī)總線組成簡(jiǎn)單的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)；后者直接做成專用的運(yùn)動(dòng)控制卡。這兩種形式的運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部都集成了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制所需的許多功能，有專用的開(kāi)發(fā)指令，所有的控制參數(shù)都可由程序設(shè)定，使機(jī)器人的控制變得簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),5.2.1 概述 一般的伺服控制系統(tǒng)包括伺服執(zhí)行元件(伺服電動(dòng)機(jī))、伺服運(yùn)動(dòng)控制器、功率放大器(又稱伺服驅(qū)動(dòng)器)、位置檢測(cè)元件等。伺服運(yùn)動(dòng)控制器的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，包括力、位置、速度等的控制。某些機(jī)器人系統(tǒng)把各個(gè)軸的伺服運(yùn)動(dòng)控制器和功率放大器集成組裝在控制柜內(nèi)，如MOTOMAN機(jī)器人，這樣實(shí)際上相當(dāng)于由一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)控制。 然而，隨著芯片集成技術(shù)和計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展，專用運(yùn)動(dòng)控制芯片和運(yùn)動(dòng)控制卡越來(lái)越多地作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器。這兩種形式的伺服運(yùn)動(dòng)控制器控制方便靈活，成本低，都以通用PC機(jī)為平臺(tái)，借助PC機(jī)的強(qiáng)大功能來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。前者利用專用運(yùn)動(dòng)控制芯片與PC機(jī)總線組成簡(jiǎn)單的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)；后者直接做成專用的運(yùn)動(dòng)控制卡。這兩種形式的運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部都集成了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制所需的許多功能，有專用的開(kāi)發(fā)指令，所有的控制參數(shù)都可由程序設(shè)定，使機(jī)器人的控制變得簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),5.2.2 基于計(jì)算機(jī)(微處理器)和芯片的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì) 介紹一種有代表性的專用運(yùn)動(dòng)控制芯片LM628 一、LM628概述 LM628專用運(yùn)動(dòng)控制芯片實(shí)際上是一個(gè)具有專門用途的單片機(jī)，用來(lái)控制以增量式編碼器為位置反饋元件的各種直流或無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)或其他伺服系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力。該芯片具有豐富的指令集，可以通過(guò)上級(jí)計(jì)算機(jī)編程控制。只要用一片LM628和其他一些功能器件就可構(gòu)成一個(gè)伺服系統(tǒng)。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),圖5.13 LM628引腳,引腳功能如下： IN接受從增量式編碼器來(lái)的零位標(biāo)記信號(hào)。 A、B接受從增量式編碼器來(lái)的兩個(gè)正交信號(hào)。 D0D7連接主計(jì)算機(jī)或主處理器的I/O端口。利用、和可向LM628寫入指令和數(shù)據(jù)或從LM628讀出狀態(tài)字節(jié)和數(shù)據(jù)。 CS位片選信號(hào)，從主機(jī)發(fā)出，用于選中LM628進(jìn)行讀寫操作。 RD由主機(jī)發(fā)出，使主機(jī)讀出LM628的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。 GND電源地信號(hào)。 WR由主機(jī)發(fā)出使主機(jī)向LM628寫入指令和數(shù)據(jù)。 PS由主機(jī)發(fā)出，用來(lái)選擇LM628的指令口或數(shù)據(jù)口。當(dāng)為低電平時(shí)，向指令口寫入指令，或從指令口讀出狀態(tài)；當(dāng)為高電平時(shí)，向數(shù)據(jù)口寫數(shù)據(jù)或從數(shù)據(jù)口讀出數(shù)據(jù)。 HI高電平有效，通知主計(jì)算機(jī)中斷條件已具備。 DAC0DAC7DAC輸出口。 CLK系統(tǒng)時(shí)鐘輸入端。 RST復(fù)位輸入端。 VDD電源，電壓為4.55.5 V，電流小于100 mA。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),二、LM628的特點(diǎn)及基本功能 1LM628的特點(diǎn) (1) 32位的位置、速度、加速度寄存器。 (2) 16位可編程數(shù)字PID濾波器。 (3) 可編程微分采樣間隔。 (4) 8位或12位D/A轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)。 (5) 內(nèi)部梯形速度圖發(fā)生器。 (6) 速度、目標(biāo)位置和濾波器參數(shù)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以改變。 (7) 可選擇位置或速度控制方式。 (8) 實(shí)時(shí)可編程的主計(jì)算機(jī)中斷。 (9) 有與增量式編碼器的接口。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),二、LM628的特點(diǎn)及基本功能 2LM628的主要功能 (1) 接受主機(jī)發(fā)送來(lái)的運(yùn)動(dòng)控制指令，并把運(yùn)動(dòng)控制器當(dāng)前的狀態(tài)及數(shù)據(jù)送給主機(jī)。 (2) 作為速度曲線發(fā)生器，執(zhí)行速度梯形圖的計(jì)算和數(shù)字濾波，產(chǎn)生速 度曲線。不論位置控制還是速度控制都需要有速度曲線發(fā)生器產(chǎn)生梯形速度分布圖。 (3) 利用增量式編碼器進(jìn)行實(shí)際位置的反饋。 (4) 在運(yùn)行中計(jì)算實(shí)際位置和理論位置(由速度發(fā)生器產(chǎn)生的位置)的差值，并把該差值經(jīng)PID數(shù)字濾波器處理后輸出，經(jīng)外接D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換和功率放大，最后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),圖5.16 基于LM628的最小系統(tǒng),第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),5.2.3 基于PC(總線)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制(卡)器 一、GM-400四軸運(yùn)動(dòng)控制器簡(jiǎn)介 GM-400四軸運(yùn)動(dòng)控制器的核心由兩片專用運(yùn)動(dòng)控制芯片組成。該運(yùn)動(dòng)控制器是一塊帶有ISA標(biāo)準(zhǔn)總線，以IBM-PC或者兼容機(jī)作為主機(jī)的應(yīng)用插板。它具有功能強(qiáng)，價(jià)格低，使用方便的特點(diǎn)，適用于四軸伺服電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制。采用GM-400運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行伺服閉環(huán)控制時(shí)，用戶需要一臺(tái)IBM-PC計(jì)算機(jī)或兼容機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、扁平電纜、一塊接口端子板、伺服電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和外部接口電源等硬件。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),圖5.17 采用四軸運(yùn)動(dòng)控制器組成的控制系統(tǒng)框圖,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),5.2.3 基于PC(總線)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制(卡)器 二、運(yùn)動(dòng)控制器工作原理 圖5.18所示為GM-400運(yùn)動(dòng)控制器的原理框圖。圖中所示的增量式編碼器的A、B相信號(hào)作為位置反饋輸入信號(hào)。運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)四倍頻及加、減計(jì)數(shù)器得到實(shí)際位置。實(shí)際位置的信息保存在位置寄存器中，上級(jí)計(jì)算機(jī)可通過(guò)控制寄存器讀取。運(yùn)動(dòng)控制器的目標(biāo)位置由上級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)定，通過(guò)內(nèi)部計(jì)算得到位置誤差值，經(jīng)過(guò)數(shù)字伺服濾波器后，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)或脈寬調(diào)制器(PWM)硬件處理電路，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，最后輸出伺服電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)，即10 V模擬信號(hào)或PWM信號(hào)。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),圖5.18 GM-400運(yùn)動(dòng)控制器的原理框圖,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制下的四種運(yùn)動(dòng)控制模式 1) S曲線模式 2) 梯形曲線模式 3) 速度跟蹤模式 4) 電子齒輪模式,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),5.2.4 機(jī)器人的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般作為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有時(shí)也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它是一種將脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的一種D/A轉(zhuǎn)換裝置。按照輸出位移的不同，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。機(jī)器人中一般采用回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。如果把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)裝在機(jī)器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上，則接收一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就帶動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)不斷地接收脈沖，則關(guān)節(jié)軸連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度與接收的脈沖數(shù)成正比。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),5.2.4 機(jī)器人的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有下列優(yōu)點(diǎn)： (1) 輸出角度精度高，無(wú)積累誤差，慣性小。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出精度主要由步距角來(lái)反映。所謂步距角是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接收一個(gè)脈沖電信號(hào)其輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度。目前步距角一般可以做到0.0020.005甚至更小。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際步距角與理論步距角總存在一定的誤差，這誤差在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)會(huì)逐步積累，但當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周后其轉(zhuǎn)軸又回到初始位置，使誤差回到零。 (2) 輸入和輸出呈嚴(yán)格線性關(guān)系。輸出角度不受電壓、電流及波形等因素的影響，僅取決于輸入脈沖數(shù)的多少。 (3) 容易實(shí)現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正、反轉(zhuǎn)控制方便。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置(輸出角度)由輸入脈沖數(shù)確定，其轉(zhuǎn)速由輸入脈沖的頻率決定，正、反轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)向)由脈沖輸入的順序決定，而脈沖數(shù)、脈沖頻率、脈沖順序都可方便地由計(jì)算機(jī)輸出控制。 (4) 輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可以與計(jì)算機(jī)直接接口。 (5) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可靠性好，壽命長(zhǎng)。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),5.2.4 機(jī)器人的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu) 二、直流伺服電動(dòng)機(jī) 20世紀(jì)80年代以前，機(jī)器人廣泛采用直流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)速易控制，效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上具有電刷和換向器，需要定期更換電刷和進(jìn)行維修，電動(dòng)機(jī)使用壽命短，噪聲大。尤其是直流電動(dòng)機(jī)的容量小，電樞電壓低，很多特性參數(shù)隨速度而變化，限制了直流電動(dòng)機(jī)向高速、大容量方向發(fā)展。,第5章 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),5.2.4 機(jī)器人的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu) 三、交流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，大有取代直流電動(dòng)機(jī)之勢(shì)。交流伺服電動(dòng)機(jī)除了不具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)外，還具有轉(zhuǎn)子慣量較直流電動(dòng)機(jī)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，能在較寬的速