機器人的控制系統(tǒng).ppt

第5章 機器人的控制系統(tǒng),5.1 機器人傳感器 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng) 5.3 控制理論與算法,工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)包含對機器人本體工作過程進行控制的控制機、機器人專用傳感器、運動伺服驅(qū)動系統(tǒng)等。控制系統(tǒng)主要對機器人工作過程中的動作順序、應到達的位置及姿態(tài)、路徑軌跡及規(guī)劃、動作時間間隔以及末端執(zhí)行器施加在被作用物上的力和力矩等進行控制?？刂葡到y(tǒng)中涉及傳感技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、控制理論和控制算法。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.1 機器人傳感器的特點和要求 一、機器人傳感器基礎知識 傳感器定義：一種以一定精度將被測量(如位移、力、加速度、溫度等)轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關系、易于精確處理和測量的某種物理量(如電量)的測量部件或裝置。 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：將某種不便測量的物理量轉(zhuǎn)換為易于測量的物理量，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)生的易測量小信號進行變換，使傳感器的信號輸出符合具體工業(yè)系統(tǒng)的要求(如420mA、55V)。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.1 機器人傳感器的特點和要求 二、常見的機器人傳感器 位置、速度、加速度傳感器 溫度、濕度、壓力、滑動量、化學性質(zhì)等感覺能力方面的傳感器 其它機器人傳感器 (1) 簡單觸覺確定工件對象是否存在。 (2) 復合觸覺確定工件對象是否存在以及它的尺寸和形狀等。 (3) 簡單力覺單維力的測量。 (4) 復合力覺多維力的測量。 (5) 接近覺工作對象的非接觸探測。 (6) 簡單視覺孔、邊、拐角等的檢測。 (7) 復合視覺識別工作對象的形狀等。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.1 機器人傳感器的特點和要求 三、機器人傳感器的性能指標 A、 一般包括以下三類參數(shù)： (1) 基本參數(shù)，包括量程(測量范圍、量程及過載能力)、靈敏度、靜態(tài)精度和動態(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、電信號接口及校準周期等。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.1 機器人傳感器的特點和要求 三、機器人傳感器的性能指標 B、比較重要或常用的參數(shù)指標 ： 1靈敏度 2線性度 3精度 4重復性 5分辨率 6響應時間 7抗干擾能力,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.2 機器人內(nèi)部傳感器 操作機器人根據(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，機器人系統(tǒng)所應具有的基本傳感單元是位置和速度傳感器； 無論是旋轉(zhuǎn)關節(jié)坐標型、直角坐標型還是混合型，通常需要將機器人末端執(zhí)行器在笛卡兒坐標空間中的位姿或軌跡轉(zhuǎn)化為關節(jié)空間位姿或軌跡，再通過控制各個關節(jié)聯(lián)動實現(xiàn)末端執(zhí)行器的操作； 用于檢測關節(jié)位置或速度的傳感器也成為機器人關節(jié)組件中的基本單元；,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.2 機器人內(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觸點組成，通過觸點的滑動改變電位器的阻值來測量信號的大小。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,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，滑動觸點是一個帶有回轉(zhuǎn)中心的電刷，電刷觸點與弧形電阻接觸，其回轉(zhuǎn)中心與被測角度的回轉(zhuǎn)中心及可變電阻的回轉(zhuǎn)中心重疊。當被測角度發(fā)生變化時，電刷轉(zhuǎn)過的角度隨之改變。,-被測角度 ； -弧形電阻所包含的圓心角 K-為比例系數(shù),第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,1.2 直線型電位器式位移傳感器 將可變電阻做成直線形，當電刷沿電阻的長度方向作直線運動時，可測量出與電刷固連的被測物的直線位移。,L-被測長度 s直線電阻長度 K-為比例系數(shù),第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.2 機器人內(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，其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，可以測直線位移也可以測轉(zhuǎn)角。編碼式位移傳感器測量范圍大，檢測精度高，在機器人的位置檢測及其他工業(yè)領域都得到了廣泛的應用； 編碼器按照測出的信號是絕對信號還是增量信號，可分為絕對式編碼器和增量式編碼器； 按照結(jié)構(gòu)及信號轉(zhuǎn)換方式，又可分為光電式、接觸式及電磁式等。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.2 機器人內(nèi)部傳感器 一、位置傳感器 2.1 絕對式光電編碼器 絕對式編碼器是一種直接編碼式的測量元件，它可以直接把被測轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應的代碼，指示的是絕對位置而無絕對誤差，在電源切斷時不會失去位置信息。但其結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，且不易做到高精度和高分辨率。 編碼盤以一定的編碼形式(如二進制編碼等)將圓盤分成若干等分，利用 光電原理把代表被測位置的各等分上的數(shù)碼轉(zhuǎn)化成電信號輸出以用于檢測。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.2 機器人內(nèi)部傳感器,圖5.3 絕對式編碼器碼盤,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.2 機器人內(nèi)部傳感器,表5.1 循環(huán)碼(格雷碼)與二進制碼及真值表,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.2 機器人內(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)字形式測量出轉(zhuǎn)軸相對于某一基準位置的瞬間角位置，另外還能測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向； 在機器人的關節(jié)轉(zhuǎn)軸上裝有增量式光電編碼器，可測量出轉(zhuǎn)軸的相對位置，但不能確定機器人轉(zhuǎn)軸的絕對位置，所以這種光電編碼器一般用于定位精度要求不高的機器人，如噴涂、搬運及碼跺機器人等。 目前已出現(xiàn)包含絕對式和增量式兩種類型的混合式編碼器。使用這種編碼器時，使用絕對式確定機器人的絕對位置，確定由初始位置開始的變動角的精確位置則使用增量式。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,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有接觸磨損，允許高轉(zhuǎn)速，精度及可靠性好，但結(jié)構(gòu)復雜，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 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.2 機器人內(nèi)部傳感器 二、速度傳感器 速度傳感器是機器人中較重要的內(nèi)部傳感器之一。由于在機器人中主要測量機器人關節(jié)的運行速度，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速發(fā)電機和增量式光電編碼器兩種。測速發(fā)電機是應用最廣泛，能直接得到代表轉(zhuǎn)速的電壓且具有良好實時性的一種速度測量傳感器。增量式編碼器既可以用來測量增量角位移又可以測量瞬時角速度。速度的輸出有模擬式和數(shù)字式兩種。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.2 機器人內(nèi)部傳感器 二、速度傳感器 2.1 測速發(fā)電機 測速發(fā)電機是一種模擬式速度傳感器。測速發(fā)電機實際上是一臺小型永磁式直流發(fā)電機，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定律，當通過線圈的磁通量恒定時，位于磁場中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的電壓(感應電動勢)與線圈(轉(zhuǎn)子)的轉(zhuǎn)速成正比，即 (5.7) 式中： u為測速發(fā)電機的輸出電壓(V)； n為測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速(r/min)； k為比例系數(shù)。 為了減少測量誤差，應使負載盡可能小且保持負載性質(zhì)不變。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,圖5.5 直流測速發(fā)電機的結(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 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,圖5.6 機器人速度伺服控制系統(tǒng),測速發(fā)電機線性度好，靈敏度高，輸出信號強，目前檢測范圍一般為2040 r/min，精度為0.2 %0.5 %。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.2 機器人內(nèi)部傳感器 二、速度傳感器 2.2 測速發(fā)電機 增量式光電編碼器在機器人中既可以作為位置傳感器測量關節(jié)相對位置，又可以作為速度傳感器測量關節(jié)速度。作為速度傳感器時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，必須有一個頻率-電壓(F/V)變換器，用來把編碼器測得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,圖5.7 模擬方式的增量式編碼盤測速,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,圖5.8 時間增量測量電路,2) 數(shù)字方式 數(shù)字方式測速是利用數(shù)學方式用計算機軟件計算出速度。由于角速度是轉(zhuǎn)角對時間的一階導數(shù)，如果能測得單位時間 內(nèi)編碼器轉(zhuǎn)過的角度 ，則編碼器在該時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速為,(5.8),第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.3 機器人外部傳感器 一、力或力矩（力覺）傳感器 工業(yè)機器人在進行裝配、搬運、研磨等作業(yè)時需要對工作力或力矩進行控制。例如裝配時需進行將軸類零件插入孔里，調(diào)準零件的位置，擰動螺釘?shù)纫幌盗胁襟E，在擰動螺釘過程中需要有確定的擰緊力；搬運時機器人手爪對工件需有合理的握力，握力太小不足以搬動工件，太大則會損壞工件；研磨時需要有合適的砂輪進給力以保證研磨質(zhì)量。另外，機器人在自我保護時也需要檢測關節(jié)和連桿之間的內(nèi)力，防止機器人手臂因承載過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器人中的應用較廣泛。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.3 機器人外部傳感器 一、力或力矩（力覺）傳感器 力和力矩傳感器種類很多，常用的有電阻應變片式、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彈性敏感元件將被測力或力矩轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏感介質(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變片式力和力矩傳感器。圖5.9所示為20世紀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變片，裝載鋁制筒體上，筒體有8個簡支梁(彈性梁)支持。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,圖5.9 應變片式機器人腕力和力矩傳感器,設8個彈性梁測出的應變?yōu)?(5.9),機器人桿件某點的力與用力和力矩傳感器測出的8個應變的關系為,(5.10),第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.3 機器人外部傳感器 二、接近覺傳感器 接近覺傳感器是機器人用來探測機器人自身與周圍物體之間相對位置或距離的一種傳感器，它探測的距離一般在幾毫米到十幾厘米之間。有時接近覺傳感器與視覺、觸覺等傳感器沒有明顯的區(qū)別。 接近覺傳感器結(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傳感器應用較廣。 目前按照轉(zhuǎn)換原理的不同接近覺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 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,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，價格低廉，可靠性高，抗干擾能力強，而且檢測精度也高，能夠檢測到0.02mm的微量位移。但是該傳感器檢測距離短，一般只能測到13 mm以內(nèi)，且只能對固態(tài)導體進行檢測，這是其不足之處。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,2光纖式傳感器 光纖是一種新型的光電材料，在遠距離通信和遙測方面應用廣泛。用光 纖制作接近覺傳感器可以用來檢測機器人與目標物間較遠的距離。這種傳感器具有抗電磁干擾能力強，靈敏度高，響應快的特點。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 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,3超聲波傳感器 超聲波接近覺傳感器利用超聲波測量距離。聲波傳輸需要一定的時間，其時間與超聲波的傳播速度和距離成正比，故只要測出超聲波到達物體的時間，就能得到距離值。,圖5.12 超聲波傳感器原理圖,設該時間為T，而聲波的傳輸速度為v，則被測距離L為：,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.3 機器人外部傳感器 三、觸覺傳感器 觸覺傳感器在機器人中有以下幾方面的作用： (1) 感知操作手指與對象物之間的作用力，使手指動作適當。 (2) 識別操作物的大小、形狀、質(zhì)量及硬度等。 (3) 躲避危險，以防碰撞障礙物引起事故。 常用的觸覺傳感器： 機器人中的觸覺傳感器一般包括壓覺、滑覺、接觸覺及力覺等。最早的觸覺傳感器為開關式傳感器，只有0和1兩個信號，相當于開關的接通與關閉兩個狀態(tài)，用于表示手指與對象物的接觸與不接觸。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.1 機器人傳感器,5.1.3 機器人外部傳感器 檢測對象物的形狀，需要在接觸面上安裝許多敏感元件。此時如果仍然使用開關型傳感器，由于傳感器具有一定的體積大小，布置的傳感器數(shù)目不會很多，對形狀的識別很粗糙。 一般用導電合成橡膠作為觸覺傳感器的敏感元件。這種橡膠壓變時其體 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個觸覺敏感元件，敏感范圍達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，檢測越精確。壓電材料是另一種有潛力的觸覺敏感材料，其原理是利用晶體的壓電效應，在晶體上施壓時，一定范圍內(nèi)施加的壓力與晶體的電阻成比例關系。但是一般晶體的脆性比較大，作為敏感材料時很難制作。 其他常用敏感材料有半導體應變計，其原理與應變片一樣，即應變變形原理。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),5.2.1 概述 早期的工業(yè)機器人都用液壓、氣動方式來進行伺服驅(qū)動。隨著大功率交流伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，目前大部分被電氣驅(qū)動方式所代替，只有在少數(shù)要求超大的輸出功率、防爆、低運動精度的場合才考慮使用液壓和氣壓驅(qū)動。電氣驅(qū)動無環(huán)境污染，響應快，精度高，成本低，控制方便 。 電氣驅(qū)動按照驅(qū)動執(zhí)行元件的不同又分為步進電動機驅(qū)動、直流伺服電 動機驅(qū)動和交流伺服電動機驅(qū)動三種不同形式；按照伺服控制方式分可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(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(伺服電動機)、伺服運動控制器、功率放大器(又稱伺服驅(qū)動器)、位置檢測元件等。伺服運動控制器的功能是實現(xiàn)對伺服電動機的運動控制，包括力、位置、速度等的控制。某些機器人系統(tǒng)把各個軸的伺服運動控制器和功率放大器集成組裝在控制柜內(nèi)，如MOTOMAN機器人，這樣實際上相當于由一臺專用計算機控制。 然而，隨著芯片集成技術(shù)和計算機總線技術(shù)的發(fā)展，專用運動控制芯片和運動控制卡越來越多地作為機器人的運動控制器。這兩種形式的伺服運動控制器控制方便靈活，成本低，都以通用PC機為平臺，借助PC機的強大功能來實現(xiàn)機器人的運動控制。前者利用專用運動控制芯片與PC機總線組成簡單的電路來實現(xiàn)；后者直接做成專用的運動控制卡。這兩種形式的運動控制器內(nèi)部都集成了機器人運動控制所需的許多功能，有專用的開發(fā)指令，所有的控制參數(shù)都可由程序設定，使機器人的控制變得簡單，易實現(xiàn)。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(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(伺服電動機)、伺服運動控制器、功率放大器(又稱伺服驅(qū)動器)、位置檢測元件等。伺服運動控制器的功能是實現(xiàn)對伺服電動機的運動控制，包括力、位置、速度等的控制。某些機器人系統(tǒng)把各個軸的伺服運動控制器和功率放大器集成組裝在控制柜內(nèi)，如MOTOMAN機器人，這樣實際上相當于由一臺專用計算機控制。 然而，隨著芯片集成技術(shù)和計算機總線技術(shù)的發(fā)展，專用運動控制芯片和運動控制卡越來越多地作為機器人的運動控制器。這兩種形式的伺服運動控制器控制方便靈活，成本低，都以通用PC機為平臺，借助PC機的強大功能來實現(xiàn)機器人的運動控制。前者利用專用運動控制芯片與PC機總線組成簡單的電路來實現(xiàn)；后者直接做成專用的運動控制卡。這兩種形式的運動控制器內(nèi)部都集成了機器人運動控制所需的許多功能，有專用的開發(fā)指令，所有的控制參數(shù)都可由程序設定，使機器人的控制變得簡單，易實現(xiàn)。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),5.2.2 基于計算機(微處理器)和芯片的運動控制器設計 介紹一種有代表性的專用運動控制芯片LM628 一、LM628概述 LM628專用運動控制芯片實際上是一個具有專門用途的單片機，用來控制以增量式編碼器為位置反饋元件的各種直流或無刷直流電動機伺服系統(tǒng)或其他伺服系統(tǒng)，具有很強的實時運算能力。該芯片具有豐富的指令集，可以通過上級計算機編程控制。只要用一片LM628和其他一些功能器件就可構(gòu)成一個伺服系統(tǒng)。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),圖5.13 LM628引腳,引腳功能如下： IN接受從增量式編碼器來的零位標記信號。 A、B接受從增量式編碼器來的兩個正交信號。 D0D7連接主計算機或主處理器的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，從主機發(fā)出，用于選中LM628進行讀寫操作。 RD由主機發(fā)出，使主機讀出LM628的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。 GND電源地信號。 WR由主機發(fā)出使主機向LM628寫入指令和數(shù)據(jù)。 PS由主機發(fā)出，用來選擇LM628的指令口或數(shù)據(jù)口。當為低電平時，向指令口寫入指令，或從指令口讀出狀態(tài)；當為高電平時，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，通知主計算機中斷條件已具備。 DAC0DAC7DAC輸出口。 CLK系統(tǒng)時鐘輸入端。 RST復位輸入端。 VDD電源，電壓為4.55.5 V，電流小于100 mA。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),二、LM628的特點及基本功能 1LM628的特點 (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、目標位置和濾波器參數(shù)在運動過程中可以改變。 (7) 可選擇位置或速度控制方式。 (8) 實時可編程的主計算機中斷。 (9) 有與增量式編碼器的接口。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),二、LM628的特點及基本功能 2LM628的主要功能 (1) 接受主機發(fā)送來的運動控制指令，并把運動控制器當前的狀態(tài)及數(shù)據(jù)送給主機。 (2) 作為速度曲線發(fā)生器，執(zhí)行速度梯形圖的計算和數(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行實際位置的反饋。 (4) 在運行中計算實際位置和理論位置(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)動電動機運動。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),圖5.16 基于LM628的最小系統(tǒng),第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),5.2.3 基于PC(總線)技術(shù)的運動控制(卡)器 一、GM-400四軸運動控制器簡介 GM-400四軸運動控制器的核心由兩片專用運動控制芯片組成。該運動控制器是一塊帶有ISA標準總線，以IBM-PC或者兼容機作為主機的應用插板。它具有功能強，價格低，使用方便的特點，適用于四軸伺服電動機的閉環(huán)控制。采用GM-400運動控制器進行伺服閉環(huán)控制時，用戶需要一臺IBM-PC計算機或兼容機、運動控制器、扁平電纜、一塊接口端子板、伺服電動機、伺服電動機驅(qū)動器和外部接口電源等硬件。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),圖5.17 采用四軸運動控制器組成的控制系統(tǒng)框圖,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),5.2.3 基于PC(總線)技術(shù)的運動控制(卡)器 二、運動控制器工作原理 圖5.18所示為GM-400運動控制器的原理框圖。圖中所示的增量式編碼器的A、B相信號作為位置反饋輸入信號。運動控制器通過四倍頻及加、減計數(shù)器得到實際位置。實際位置的信息保存在位置寄存器中，上級計算機可通過控制寄存器讀取。運動控制器的目標位置由上級計算機設定，通過內(nèi)部計算得到位置誤差值，經(jīng)過數(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)過轉(zhuǎn)換，最后輸出伺服電動機的控制信號，即10 V模擬信號或PWM信號。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),圖5.18 GM-400運動控制器的原理框圖,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),閉環(huán)控制下的四種運動控制模式 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 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),5.2.4 機器人的伺服執(zhí)行機構(gòu) 一、步進電動機 步進電動機一般作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，有時也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它是一種將脈沖電信號轉(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，步進電動機可分為回轉(zhuǎn)式步進電動機和直線式步進電動機。機器人中一般采用回轉(zhuǎn)式步進電動機。如果把步進電動機裝在機器人回轉(zhuǎn)關節(jié)軸上，則接收一個電脈沖，步進電動機就帶動機器人的關節(jié)軸轉(zhuǎn)過一個相應的角度。步進電動機連續(xù)不斷地接收脈沖，則關節(jié)軸連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。步進電動機轉(zhuǎn)過的角度與接收的脈沖數(shù)成正比。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),5.2.4 機器人的伺服執(zhí)行機構(gòu) 步進電動機具有下列優(yōu)點： (1) 輸出角度精度高，無積累誤差，慣性小。步進電動機的輸出精度主要由步距角來反映。所謂步距角是指步進電動機接收一個脈沖電信號其輸出軸轉(zhuǎn)過的角度。目前步距角一般可以做到0.0020.005甚至更小。步進電動機的實際步距角與理論步距角總存在一定的誤差，這誤差在電動機旋轉(zhuǎn)一周的時間內(nèi)會逐步積累，但當電動機旋轉(zhuǎn)一周后其轉(zhuǎn)軸又回到初始位置，使誤差回到零。 (2) 輸入和輸出呈嚴格線性關系。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) 容易實現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正、反轉(zhuǎn)控制方便。 步進電動機的位置(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算機輸出控制。 (4) 輸出信號為數(shù)字信號，可以與計算機直接接口。 (5) 結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可靠性好，壽命長。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),5.2.4 機器人的伺服執(zhí)行機構(gòu) 二、直流伺服電動機 20世紀80年代以前，機器人廣泛采用直流伺服電動機作為執(zhí)行機構(gòu)。直流伺服電動機具有啟動轉(zhuǎn)矩大，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)速易控制，效率高等優(yōu)點。但是，直流伺服電動機結(jié)構(gòu)上具有電刷和換向器，需要定期更換電刷和進行維修，電動機使用壽命短，噪聲大。尤其是直流電動機的容量小，電樞電壓低，很多特性參數(shù)隨速度而變化，限制了直流電動機向高速、大容量方向發(fā)展。,第5章 機器人的控制系統(tǒng) 5.2 驅(qū)動與運動控制系統(tǒng),5.2.4 機器人的伺服執(zhí)行機構(gòu) 三、交流伺服電動機 交流伺服電動機正得到越來越廣泛的應用，大有取代直流電動機之勢。交流伺服電動機除了不具有直流伺服電動機的缺點外，還具有轉(zhuǎn)子慣量較直流電動機小，動態(tài)響應好，能在較寬的速