機(jī)器人控制系統(tǒng)

ENTER6.機(jī)器人控制系統(tǒng)6.1機(jī)器人傳感器6.2驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)本章主要內(nèi)容6.3控制理論與算法6.1.1機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求6.1.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器6.1機(jī)器人傳感器章目錄6.1.3機(jī)器人外部傳感器6.1.1機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求位置傳感器速度傳感器簡(jiǎn)單觸覺(jué)傳感器復(fù)合觸覺(jué)傳感器簡(jiǎn)單力覺(jué)傳感器復(fù)合力覺(jué)傳感器接近覺(jué)傳感器簡(jiǎn)單視覺(jué)傳感器復(fù)合視覺(jué)傳感器感覺(jué)傳感器傳感器的種類節(jié)目錄章目錄傳感器的性能指標(biāo)基本參數(shù)環(huán)境參數(shù)使用條件傳感器常用參數(shù)指標(biāo)靈敏度線性度精度重復(fù)性分辨率響應(yīng)時(shí)間抗干擾能力節(jié)目錄章目錄6.1.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器位置傳感器編碼式絕對(duì)型光電編碼器增量型光電編碼器電位器式絕對(duì)型編碼器碼盤(pán)直線形電位式位移傳感器旋轉(zhuǎn)型電位式位移傳感器節(jié)目錄增量式編碼器的工作原理章目錄速度傳感器測(cè)速電動(dòng)機(jī)模擬方式數(shù)字方式增量式光電編碼器機(jī)器人速度伺服控制系統(tǒng)模擬式增量碼盤(pán)測(cè)速節(jié)目錄直流測(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—整流子章目錄感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

u=kn6.1.3機(jī)器人外部傳感器外部傳感器接近覺(jué)傳感器電渦流式傳感器光纖式傳感器超聲波傳感器力(力矩,力覺(jué))傳感器觸覺(jué)傳感器電渦流傳感器工作原理超聲波傳感器原理節(jié)目錄章目錄節(jié)目錄光纖傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)變片式機(jī)器人腕力和力矩傳感器本節(jié)完章目錄6.2.1概述6.2.2基于計(jì)算機(jī)和芯片的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)6.2驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)章目錄6.2.3基于PC技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制（卡）器6.2.4機(jī)器人的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)6.2.5MOTOMANUP6型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制6.2.1概述按照伺服控制方式開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)節(jié)目錄按驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)章目錄

從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析,伺服控制系統(tǒng)一般包括伺服運(yùn)動(dòng)控制器,伺服執(zhí)行元件（伺服電動(dòng)機(jī)）環(huán)節(jié),位置/速度檢測(cè)元件環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié),被控對(duì)象等五部分。

專用運(yùn)動(dòng)控制芯片與運(yùn)動(dòng)控制卡越來(lái)越多作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器，并借用功能強(qiáng)大的通用PC機(jī)作為平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。6.2.2基于計(jì)算機(jī)和芯片的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)1.LM628芯片概述節(jié)目錄LM628芯片構(gòu)成的伺服系統(tǒng)原理章目錄大規(guī)模集成芯片LM628是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的專用精密運(yùn)動(dòng)控制器，具有16位的可編程數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，可經(jīng)增量碼盤(pán)反饋構(gòu)成位置閉環(huán)，并能對(duì)位置誤差實(shí)行PID運(yùn)算。利用LM628和微處理器可實(shí)現(xiàn)低成本、高精度神經(jīng)元PID伺服系統(tǒng)。2.LM628芯片的特點(diǎn)32位的位置、速度、加速度寄存器，16位可編程數(shù)字PID濾波器與增量式編碼器的接口可編程微分采樣間隔8位或12位D/A轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)內(nèi)部梯形速度圖發(fā)生器速度、目標(biāo)位置和濾波器參數(shù)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以改變可選擇位置或速度控制方實(shí)時(shí)可編程的主計(jì)算機(jī)中斷節(jié)目錄章目錄3.LM628芯片的基本功能接受主機(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)；可作為速度曲線發(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。不論是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；利用增量編碼器進(jìn)行實(shí)際位置的反饋；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)。速度曲線圖節(jié)目錄章目錄

4.LM628芯片用戶指令集節(jié)目錄指

令類

型說(shuō)

明HEX數(shù)據(jù)

字節(jié)指

令類

型說(shuō)

明HEX數(shù)據(jù)

字節(jié)RESET初

始

化復(fù)位000LFIL濾

波裝入濾波器參數(shù)1E2~10選擇8位輸出050UDFPORT8修改濾波器參數(shù)040PORT12選擇12位輸出060LTRJ軌

跡裝入軌跡數(shù)據(jù)1F2~14DFH定義原點(diǎn)020STT啟動(dòng)010SIP中

斷設(shè)定INDEX位置030RDSTAT報(bào)

告

讀狀態(tài)字節(jié)—1LPEI誤差中斷1B2RDSIGS讀信號(hào)寄存器0C2LPES誤差停1A2RDIP讀INDEX位置094SBPA設(shè)定斷點(diǎn)，絕對(duì)204RDDP讀預(yù)定位置084SBPR設(shè)定斷點(diǎn)，相對(duì)214RDRP讀實(shí)際位置0A4MSKI屏蔽中斷1C2RDDV讀預(yù)定速度074RSTI復(fù)位中斷1D2RDRV讀實(shí)際速度0B2RDSUM讀積分和0D2章目錄5.

LM628芯片的運(yùn)動(dòng)控制器電路設(shè)計(jì)節(jié)目錄章目錄6.2.3基于PC技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制（卡）器1.GM-400四軸運(yùn)動(dòng)控制器主要功能提供四路模擬電壓控制信號(hào)提供四路PWM控制信號(hào)提供四路增量式光電編碼器反饋信號(hào)接口增量碼盤(pán)計(jì)數(shù)頻率可達(dá)1MHz四軸位置、速度、加速度控制可編程數(shù)字PI+Vff濾波可編程數(shù)字PID濾波，點(diǎn)到點(diǎn)位置控制單軸最小伺服采樣周期為100ms32位長(zhǎng)度的位置寄存器硬件檢測(cè)INDEX信號(hào)硬件檢測(cè)HOME信號(hào)可編程S曲線、梯形曲線、速度跟蹤和電子齒輪式運(yùn)動(dòng)控制方式節(jié)目錄章目錄采用四軸運(yùn)動(dòng)控制器組成的控制系統(tǒng)框圖節(jié)目錄章目錄2.運(yùn)動(dòng)控制器的輸入/輸出接口八路光電隔離限位開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入接口；四路光電隔離原點(diǎn)信號(hào)輸入接口；十六路光電隔離輸入可作為伺服驅(qū)動(dòng)器故障輸入接口，也可作為由用戶定義的其他輸入信號(hào)接口；十六路光電隔離輸出信號(hào)可用于伺服驅(qū)動(dòng)器的使能和故障復(fù)位控制，也可以由用戶定義成其他輸出信號(hào)接口。節(jié)目錄章目錄3.運(yùn)動(dòng)控制器總線接口

運(yùn)動(dòng)控制器采用標(biāo)準(zhǔn)的ISA和PC/104總線接口。4.運(yùn)動(dòng)控制器電源信號(hào)

GM-400四軸運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)字電路、編碼器與伺服電動(dòng)機(jī)控制采用PC機(jī)ISA總線插槽提供的+5V電源，電流不大于2A；+12V和-12V電源電流不大于60mA。

計(jì)算機(jī)的電源地（GND）作為+5V，+12V和-12V的公共地。四路原點(diǎn)信號(hào)輸入、八路限位開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入、十六路光電隔離輸出和十六路光電隔離輸入信號(hào)的接口電源OVCC和接口電源地AGND必須由外部電源提供。節(jié)目錄章目錄5.運(yùn)動(dòng)控制器工作原理節(jié)目錄章目錄（1）閉環(huán)控制下的四種運(yùn)動(dòng)控制模式:S、梯形、1）S曲線模式節(jié)目錄S曲線模式控制曲線變形后的S曲線模式控制曲線

章目錄

一旦設(shè)定當(dāng)前軸為S曲線，該控制軸將保持這種控制模式直至調(diào)用其它運(yùn)控模式。2）梯形曲線模式節(jié)目錄梯形曲線控制變形后的梯形控制曲線章目錄

梯形曲線控制模式下，任意時(shí)刻都可改變速度和位置。3）速度跟蹤模式

在電子齒輪模式下，主機(jī)只需設(shè)置一個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即電子齒輪減速比，這是一個(gè)帶符號(hào)的32位二進(jìn)制數(shù)，范圍：-16384至16383（65535/65536）。運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)軸作為被驅(qū)動(dòng)軸，其目標(biāo)運(yùn)動(dòng)由主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)乘以電子齒輪減速比來(lái)確定。

在該模式下,由主機(jī)設(shè)定額定加速度和最大速度兩個(gè)參數(shù)。開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)以給定的加速度連續(xù)加速直到達(dá)到設(shè)定的最大速度。速度設(shè)定值必須為正值,運(yùn)動(dòng)方向由加速度的符號(hào)確定,即正加速度產(chǎn)生正向運(yùn)動(dòng),而負(fù)加速度則產(chǎn)生負(fù)向運(yùn)動(dòng)。4）電子齒輪模式節(jié)目錄章目錄補(bǔ)充：電子齒輪比電子齒輪：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用電氣控制技術(shù)來(lái)代替機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)?？梢杂靡粋€(gè)MCU加上一個(gè)可編程邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

它有以下功能：1.脈沖補(bǔ)償，減少上位機(jī)負(fù)擔(dān)（因?yàn)镻LC等發(fā)送脈沖的器件，都有發(fā)送脈沖頻率的限制）。2.匹配電機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)與機(jī)械最小移動(dòng)量，可將輸入指令1個(gè)脈沖的工件（或電機(jī)）移動(dòng)量設(shè)定為任意值；可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極變速，在電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)，可防止失步和過(guò)沖現(xiàn)象，這樣就能充分發(fā)揮電機(jī)的潛能。3.傳遞同步運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形式之間的變換（旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)-直線，直線-直線），簡(jiǎn)化控制等。補(bǔ)充：電子齒輪比（續(xù)1）一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是直連的，機(jī)械結(jié)構(gòu)固定后，傳動(dòng)比也就固定了；利用電子齒輪可以增加傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，減少傳動(dòng)元件數(shù)量和傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度，還可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)傳動(dòng)比，這樣就提高了傳動(dòng)精度。

例：如絲杠導(dǎo)程為5mm，電機(jī)與絲杠直連，那么，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈負(fù)載移動(dòng)5mm。若要求精度為0.001mm，則電機(jī)要5000個(gè)脈沖才轉(zhuǎn)一圈，0.001mm的移動(dòng)量就需要1/5000轉(zhuǎn)

；若要求精度為0.002mm，則電機(jī)要2500個(gè)脈沖才轉(zhuǎn)一圈；等

電子齒輪就是電機(jī)編碼器反饋脈沖與指令脈沖的一個(gè)比值電子齒輪比的分子是電機(jī)編碼器分辨率，分母為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈所需要的脈沖數(shù)。

電子齒輪比是通過(guò)更改電子齒輪比的分倍頻，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的脈沖當(dāng)量。補(bǔ)充：電子齒輪比（續(xù)2）電子齒輪功能是指可將相當(dāng)于指令控制器輸入指令1脈沖的工件移動(dòng)量設(shè)定為任意值的功能，分為電子齒輪（分子）Pn

202、電子齒輪（分母）Pn

203兩部分參數(shù)。舉例：伺服電機(jī)編碼器脈沖數(shù)是2的n次方,比如216=65536,即電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈就會(huì)產(chǎn)生65536個(gè)脈沖設(shè)定一個(gè)合適的齒輪比（通常也是2的整數(shù)次方，如512）,使PLC發(fā)送的脈沖數(shù)不會(huì)很大,又能滿足精度要求。則PLC發(fā)送一個(gè)脈沖,就相當(dāng)于給伺服器發(fā)送了512個(gè)脈沖要使電機(jī)轉(zhuǎn)一圈,只需發(fā)65536/512=128個(gè)脈沖即可要使電機(jī)轉(zhuǎn)X圈,只需要發(fā)送128*X個(gè)脈沖.（2）運(yùn)動(dòng)控制器的速度控制（3）控制器運(yùn)動(dòng)軸的控制（4）工作參數(shù)的設(shè)置和刷新（5）軸運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)和狀態(tài)恢復(fù)（6）軸位置高速捕獲（7）控制器中斷（8）電動(dòng)機(jī)輸出（9）邏輯I/O控制（10）GM-400運(yùn)動(dòng)控制器軟件編程節(jié)目錄章目錄6.2.4機(jī)器人的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)輸出角度精度高，無(wú)積累誤差，慣性小輸入和輸出呈嚴(yán)格線性關(guān)系容易實(shí)現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正反轉(zhuǎn)控制方便輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可以與計(jì)算機(jī)直接對(duì)接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可靠性高，壽命長(zhǎng)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理1—繞組；2—定子鐵心；3—轉(zhuǎn)子；4—A相磁通節(jié)目錄章目錄2.直流伺服電動(dòng)機(jī)節(jié)目錄章目錄6.2.5MOTOMANUP6型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)目錄1.概述章目錄UP6

MotionControlSystemusesspecifiedcomputercontrolsystem。再現(xiàn)操作盒的面板節(jié)目錄章目錄節(jié)目錄章目錄ABB示教盒RobotStudiodownloadpage/products/robotics/robotstudio/downloads2.XRC的功能操作功能安全保護(hù)功能維護(hù)功能編程功能3.XRC的外部軸控制節(jié)目錄章目錄本節(jié)完

除可控制本體6個(gè)關(guān)節(jié)軸外，還可以有另外15個(gè)含