机器人的控制系统

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1、第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统5.1 机器人传感器机器人传感器 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统 5.3 控制理论与算法控制理论与算法 工业机器人的控制系统包含对机器人本体工作过程进行控制的控制机控制机、机器人专用传感器传感器、运动伺服驱动系统伺服驱动系统等。控制系统主要对机器人工作过程中的动作顺序、应到达的位置及姿主要对机器人工作过程中的动作顺序、应到达的位置及姿态、路径轨迹及规划、动作时间间隔以及末端执行器施加在被态、路径轨迹及规划、动作时间间隔以及末端执行器施加在被作用物上的力和力矩等进行控制作用物上的力和力矩等进行控制。控制系统中涉及传感技术、驱动技术、控制理

2、论和控制算法。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器o5.1.1 机器人传感器的特点和要求机器人传感器的特点和要求o一、机器人传感器基础知识一、机器人传感器基础知识 o传感器定义：一种以一定精度将被测量传感器定义：一种以一定精度将被测量(如位移、力、如位移、力、加速度、温度等加速度、温度等)转换为与之有确定对应关系、易于精转换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量的某种物理量确处理和测量的某种物理量(如电量如电量)的测量部件或装置。的测量部件或装置。o完整的传感器组成：包括敏感元件、转换元件、基本转完整的传感器组成：包括敏感元件、转换元件、基本转换电

3、路三部分。换电路三部分。 A、敏感元件和转换元件的功能：将某种不便测量的物理量转换为易于测量的物理量，构成传感器的结构部分oB、基本转换电路：将敏感元件产生的易测量小信号进行变换，使传感器的信号输出符合具体工业系统的要求(如420mA、55V)。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.1 机器人传感器的特点和要求机器人传感器的特点和要求n二、常见的机器人传感器二、常见的机器人传感器o位置、速度、加速度传感器位置、速度、加速度传感器o温度、湿度、压力、滑动量、化学性质等感觉能力方面的传感器温度、湿度、压力、滑动量、化学性质等感觉能力方面的传感器

4、 o其它机器人传感器其它机器人传感器 (1) 简单触觉简单触觉确定工件对象是否存在。确定工件对象是否存在。(2) 复合触觉复合触觉确定工件对象是否存在以及它的尺寸和形状等。确定工件对象是否存在以及它的尺寸和形状等。(3) 简单力觉简单力觉单维力的测量。单维力的测量。(4) 复合力觉复合力觉多维力的测量。多维力的测量。(5) 接近觉接近觉工作对象的非接触探测。工作对象的非接触探测。(6) 简单视觉简单视觉孔、边、拐角等的检测。孔、边、拐角等的检测。(7) 复合视觉复合视觉识别工作对象的形状等。识别工作对象的形状等。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器

5、o5.1.1 机器人传感器的特点和要求机器人传感器的特点和要求n三、机器人传感器的性能指标三、机器人传感器的性能指标 A、 一般包括以下三类参数：一般包括以下三类参数：(1) 基本参数，包括量程基本参数，包括量程(测量范围、量程及过载能测量范围、量程及过载能力力)、灵敏度、静态精度和动态性能、灵敏度、静态精度和动态性能(频率特性及阶频率特性及阶跃特性跃特性)。(2) 环境参数，包括温度、振动冲击及其他参数环境参数，包括温度、振动冲击及其他参数(潮潮湿、腐蚀及抗电磁干湿、腐蚀及抗电磁干 扰等扰等)。(3) 使用条件，包括电源、尺寸、安装方式、电信号使用条件，包括电源、尺寸、安装方式、电信号接口及

6、校准周期等。接口及校准周期等。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.1 机器人传感器的特点和要求机器人传感器的特点和要求n三、机器人传感器的性能指标三、机器人传感器的性能指标 B、比较重要或常用的参数指标、比较重要或常用的参数指标 ： 1灵敏度灵敏度 2线性度线性度 3精度精度 4重复性重复性 5分辨率分辨率 6响应时间响应时间 7抗干扰能力抗干扰能力 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.2 机器人内部传感器机器人内部传感器 n操作机器人根据具体用途不同可以选择不同的控制方式，如位置控制、

7、速度控制及力控制等；n在这些控制方式中，机器人系统所应具有的基本传感单元是位置和速度传感器；n无论是旋转关节坐标型、直角坐标型还是混合型，通常需要将机器人末端执行器在笛卡儿坐标空间中的位姿或轨迹转化为关节空间位姿或轨迹，再通过控制各个关节联动实现末端执行器的操作；n用于检测关节位置或速度的传感器也成为机器人关节组件中的基本单元； 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.2 机器人内部传感器机器人内部传感器 1.一、位置传感器一、位置传感器2. 位置和位移传感器根据其工作原理和组成的不同有各种不同的形式，常见的有电阻式、电容式、电感式位移传感器及

8、编码式位移传感器、霍尔元件位移传感器、磁栅式位移传感器等。3. 1电位器式位移传感器电位器式位移传感器 4. 电位器式位移传感器主要有电位器和滑动触点组成，通过触点的滑动改变电位器的阻值来测量信号的大小。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 图5.1 旋转型电位器式位移传感器1.1 旋转型电位器式位移传感器旋转型电位器式位移传感器 可变电阻做成圆弧形，滑动触点是一个带有回转中心的电刷，电刷触点与弧形电阻接触，其回转中心与被测角度的回转中心及可变电阻的回转中心重叠。当被测角度发生变化时，电刷转过的角度随之改变。 -被测角度；-弧形电阻所包含的圆心角K-

9、为比例系数 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 1.2 直线型电位器式位移传感器直线型电位器式位移传感器 将可变电阻做成直线形，当电刷沿电阻的长度方向作直线运动时，可测量出与电刷固连的被测物的直线位移。 L-被测长度s直线电阻长度K-为比例系数 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.2 机器人内部传感器机器人内部传感器 一、位置传感器一、位置传感器 2编码式位移传感器编码式位移传感器 p 编码式位移传感器是一种数字式位移传感器，其测量输出的信号为数字脉冲，可以测直线位移也可以测转角。编码式位移传感器

10、测量范围大，检测精度高，在机器人的位置检测及其他工业领域都得到了广泛的应用；p 编码器按照测出的信号是绝对信号还是增量信号，可分为绝对式编码器和增量式编码器；p 按照结构及信号转换方式，又可分为光电式、接触式及电磁式等。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.2 机器人内部传感器机器人内部传感器 一、位置传感器一、位置传感器 2.1 绝对式光电编码器绝对式光电编码器 p 绝对式编码器是一种直接编码式的测量元件，它可以直接把被测转角或位移转化成相应的代码，指示的是绝对位置而无绝对误差，在电源切断时不会失去位置信息。但其结构复杂，价格昂贵，且不易

11、做到高精度和高分辨率。p 编码盘以一定的编码形式(如二进制编码等)将圆盘分成若干等分，利用 光电原理把代表被测位置的各等分上的数码转化成电信号输出以用于检测。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.2 机器人内部传感器机器人内部传感器 图5.3 绝对式式编码器器码盘第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.2 机器人内部传感器机器人内部传感器 表5.1 循环码(格雷码)与二进制码及真值表真值格雷码二进制码真值格雷码二进制码0000000008110010001000100019110110012

12、00110010101111101030010001111111010114011001001210101100501110101131011110160101011014100111107010001111510001111第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.2 机器人内部传感器机器人内部传感器 一、位置传感器一、位置传感器 2.2 增量式光电编码器增量式光电编码器 p增量式光电编码器能够以数字形式测量出转轴相对于某一基准位置的瞬间角位置，另外还能测出转轴的转速和转向； n在机器人的关节转轴上装有增量式光电编码器，可测量出转轴的相对位置，

13、但不能确定机器人转轴的绝对位置，所以这种光电编码器一般用于定位精度要求不高的机器人，如喷涂、搬运及码跺机器人等。n目前已出现包含绝对式和增量式两种类型的混合式编码器绝对式和增量式两种类型的混合式编码器。使用这种编码器时，使用绝对式确定机器人的绝对位置，确定由初始位置开始的变动角的精确位置则使用增量式。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 图5.4 增量式增量式编码器的工作原理器的工作原理 2.2 增量式光电编码器增量式光电编码器 增量式光电编码器没有接触磨损，允许高转速，精度及可靠性好，但结构复杂，安装困难。常用的增量式编码器的分辨率一般为2000P/

14、r、2500P/r、 3000P/r、20000 P/r、25000 P/r及30000 P/r等。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.2 机器人内部传感器机器人内部传感器 二、速度传感器二、速度传感器 速度传感器是机器人中较重要的内部传感器之一。由于在机器人中主要测量机器人关节的运行速度，故这里仅介绍角速度传感器。目前广泛使用的角速度传感器有测速发电机和增量式光电编码器两种。测速发电机是应用最广泛，能直接得到代表转速的电压且具有良好实时性的一种速度测量传感器。增量式编码器既可以用来测量增量角位移又可以测量瞬时角速度。速度的输出有模拟式和

15、数字式两种。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.2 机器人内部传感器机器人内部传感器 二、速度传感器二、速度传感器2.1 测速发电机 测速发电机是一种模拟式速度传感器。测速发电机实际上是一台小型永磁式直流发电机，其结构原理如图5.5所示。其工作原理基于法拉第电磁感应定律，当通过线圈的磁通量恒定时，位于磁场中的线圈旋转使线圈两端产生的电压(感应电动势)与线圈(转子)的转速成正比，即 (5.7) 式中： u为测速发电机的输出电压(V)； n为测速发电机的转速(r/min)； k为比例系数。 为了减少测量误差，应使负载尽可能小且保持负载性质不变

16、。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 图5.5 直流测速发电机的结构原理1永久磁铁；2转子线圈；3电刷；4整流子第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 图5.6 机器人速度伺服控制系统 测速发电机线性度好，灵敏度高，输出信号强，目前检测范围一般为2040r/min，精度为0.2%0.5%。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.2 机器人内部传感器机器人内部传感器 二、速度传感器二、速度传感器2.2 测速发电机增量式光电编码器在机器人中既可以作为位置传感器测

17、量关节相对位置，又可以作为速度传感器测量关节速度。作为速度传感器时既可以在模拟方式下使用又可以在数字方式下使用。n 1) 模拟方式 在这种方式下，必须有一个频率-电压(F/V)变换器，用来把编码器测得的脉冲频率转换成与速度成正比的模拟电压。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 图5.7 模拟方式的增量式编码盘测速第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 图5.8 时间增量测量电路2) 数字方式 数字方式测速是利用数学方式用计算机软件计算出速度。由于角速度是转角对时间的一阶导数，如果能测得单位时间 内编码器转过的角度

18、 ，则编码器在该时间内的平均转速为 (5.8)第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.3 机器人外部传感器机器人外部传感器 一、力或力矩（力觉）传感器一、力或力矩（力觉）传感器 工业机器人在进行装配、搬运、研磨等作业时需要对工作力或力矩进行控制。例如装配时需进行将轴类零件插入孔里，调准零件的位置，拧动螺钉等一系列步骤，在拧动螺钉过程中需要有确定的拧紧力；搬运时机器人手爪对工件需有合理的握力，握力太小不足以搬动工件，太大则会损坏工件；研磨时需要有合适的砂轮进给力以保证研磨质量。另外，机器人在自我保护时也需要检测关节和连杆之间的内力，防止机器人手臂

19、因承载过大或与周围障碍物碰撞而引起的损坏。所以力和力矩传感器在机器人中的应用较广泛。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.3 机器人外部传感器机器人外部传感器 一、力或力矩（力觉）传感器一、力或力矩（力觉）传感器 力和力矩传感器种类很多，常用的有电阻应变片式、压电式、电容式、电感式以及各种外力传感器。力或力矩传感器都是通过弹性敏感元件将被测力或力矩转换成某种位移量或变形量，然后通过各自的敏感介质把位移量或变形量转换成能够输出的电量。 目前使用最广泛的是电阻应变片式力和力矩传感器。图5.9所示为20世纪70年代就研制成功的一种6维力和力矩传感

20、器。这种传感器的力和力矩敏感元件是应变片，装载铝制筒体上，筒体有8个简支梁(弹性梁)支持。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 图5.9 应变片式机器人腕力和力矩传感器设8个弹性梁测出的应变为(5.9)机器人杆件某点的力与用力和力矩传感器测出的8个应变的关系为 (5.10)第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.3 机器人外部传感器机器人外部传感器 二、接近觉传感器二、接近觉传感器 接近觉传感器是机器人用来探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的一种传感器，它探测的距离一般在几毫米到十几厘米之间。

21、有时接近觉传感器与视觉、触觉等传感器没有明显的区别。 接近觉传感器结构上分为接触型和非接触型两种，其中非接触型接近觉传感器应用较广。 目前按照转换原理的不同接近觉传感器分为电涡流式、光纤式、超声波式及激光扫描式等。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 图5.10 电涡流传感器的工作原理1电涡流式传感器 电涡流传感器外形尺寸小，价格低廉，可靠性高，抗干扰能力强，而且检测精度也高，能够检测到0.02mm的微量位移。但是该传感器检测距离短，一般只能测到13mm以内，且只能对固态导体进行检测，这是其不足之处。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5

22、.1 机器人传感器机器人传感器 2光纤式传感器 光纤是一种新型的光电材料，在远距离通信和遥测方面应用广泛。用光 纤制作接近觉传感器可以用来检测机器人与目标物间较远的距离。这种传感器具有抗电磁干扰能力强，灵敏度高，响应快的特点。光纤式传感器有三种不同的形式。 图5.11 光纤传感器结构第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 3超声波传感器 超声波接近觉传感器利用超声波测量距离。声波传输需要一定的时间，其时间与超声波的传播速度和距离成正比，故只要测出超声波到达物体的时间，就能得到距离值。图5.12 超声波传感器原理图设该时间为T，而声波的传输速度为v，则被测

23、距离L为：第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.3 机器人外部传感器机器人外部传感器 三、触觉传感器三、触觉传感器 n触觉传感器在机器人中有以下几方面的作用：(1) 感知操作手指与对象物之间的作用力，使手指动作适当。(2) 识别操作物的大小、形状、质量及硬度等。(3) 躲避危险，以防碰撞障碍物引起事故。n常用的触觉传感器常用的触觉传感器： u机器人中的触觉传感器一般包括压觉、滑觉、接触觉及力觉等。最早的触觉传感器为开关式传感器，只有0和1两个信号，相当于开关的接通与关闭两个状态，用于表示手指与对象物的接触与不接触。第第5章章 机器人的控制系统

24、机器人的控制系统 5.1 机器人传感器机器人传感器 o5.1.3 机器人外部传感器机器人外部传感器 u检测对象物的形状对象物的形状，需要在接触面上安装许多敏感元件。此时如果仍然使用开关型传感器，由于传感器具有一定的体积大小，布置的传感器数目不会很多，对形状的识别很粗糙。 u一般用导电合成橡胶导电合成橡胶作为触觉传感器的敏感元件。这种橡胶压变时其体 电阻的变化很小，但接触面积和反向接触电阻随外部压力的变化很大。这种敏感元件可以做得很小，一般1cm3面积内可有256个触觉敏感元件，敏感范围达1100g。敏感元件在接触表面以一定形式排列成阵列传感器，排列的传感器越多，检测越精确。压电材料是另一种有潜

25、力的触觉敏感材料，其原理是利用晶体的压电效应，在晶体上施压时，一定范围内施加的压力与晶体的电阻成比例关系。但是一般晶体的脆性比较大，作为敏感材料时很难制作。u其他常用敏感材料有半导体应变计，其原理与应变片一样，即应变变形原理。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统 o5.2.1 概述 早期的工业机器人都用液压、气动方式来进行伺服驱动。随着大功率交流伺服驱动技术的发展，目前大部分被电气驱动方式所代替，只有在少数要求超大的输出功率、防爆、低运动精度的场合才考虑使用液压和气压驱动。电气驱动无环境污染，响应快，精度高，成本低，控制方便 。 电气驱动按

26、照驱动执行元件的不同又分为步进电动机驱动、直流伺服电 动机驱动和交流伺服电动机驱动三种不同形式；按照伺服控制方式分可分为开环、闭环和半闭环伺服控制系统。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统 o5.2.1 概述 一般的伺服控制系统包括伺服执行元件(伺服电动机)、伺服运动控制器、功率放大器(又称伺服驱动器)、位置检测元件等。伺服运动控制器的功能是实现对伺服电动机的运动控制，包括力、位置、速度等的控制。某些机器人系统把各个轴的伺服运动控制器和功率放大器集成组装在控制柜内，如MOTOMAN机器人，这样实际上相当于由一台专用计算机控制。 然而，随着

27、芯片集成技术和计算机总线技术的发展，专用运动控制芯片和运动控制卡越来越多地作为机器人的运动控制器。这两种形式的伺服运动控制器控制方便灵活，成本低，都以通用PC机为平台，借助PC机的强大功能来实现机器人的运动控制。前者利用专用运动控制芯片与PC机总线组成简单的电路来实现；后者直接做成专用的运动控制卡。这两种形式的运动控制器内部都集成了机器人运动控制所需的许多功能，有专用的开发指令，所有的控制参数都可由程序设定，使机器人的控制变得简单，易实现。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统 o5.2.1 概述 一般的伺服控制系统包括伺服执行元件(伺服电动

28、机)、伺服运动控制器、功率放大器(又称伺服驱动器)、位置检测元件等。伺服运动控制器的功能是实现对伺服电动机的运动控制，包括力、位置、速度等的控制。某些机器人系统把各个轴的伺服运动控制器和功率放大器集成组装在控制柜内，如MOTOMAN机器人，这样实际上相当于由一台专用计算机控制。 然而，随着芯片集成技术和计算机总线技术的发展，专用运动控制芯片和运动控制卡越来越多地作为机器人的运动控制器。这两种形式的伺服运动控制器控制方便灵活，成本低，都以通用PC机为平台，借助PC机的强大功能来实现机器人的运动控制。前者利用专用运动控制芯片与PC机总线组成简单的电路来实现；后者直接做成专用的运动控制卡。这两种形式

29、的运动控制器内部都集成了机器人运动控制所需的许多功能，有专用的开发指令，所有的控制参数都可由程序设定，使机器人的控制变得简单，易实现。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统 5.2.2 基于计算机(微处理器)和芯片的运动控制器设计 介绍一种有代表性的专用运动控制芯片LM628o一、LM628概述oLM628专用运动控制芯片实际上是一个具有专门用途的单片机，用来控制以增量式编码器为位置反馈元件的各种直流或无刷直流电动机伺服系统或其他伺服系统，具有很强的实时运算能力。该芯片具有丰富的指令集，可以通过上级计算机编程控制。只要用一片LM628和其他一

30、些功能器件就可构成一个伺服系统。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统图5.13 LM628引脚引脚功能如下：IN接受从增量式编码器来的零位标记信号。A、B接受从增量式编码器来的两个正交信号。D0D7连接主计算机或主处理器的I/O端口。利用、和可向LM628写入指令和数据或从LM628读出状态字节和数据。CS位片选信号，从主机发出，用于选中LM628进行读写操作。RD由主机发出，使主机读出LM628的状态和数据。GND电源地信号。WR由主机发出使主机向LM628写入指令和数据。PS由主机发出，用来选择LM628的指令口或数据口。当为低电平时，

31、向指令口写入指令，或从指令口读出状态；当为高电平时，向数据口写数据或从数据口读出数据。HI高电平有效，通知主计算机中断条件已具备。DAC0DAC7DAC输出口。CLK系统时钟输入端。RST复位输入端。VDD电源，电压为4.55.5V，电流小于100mA。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统二、LM628的特点及基本功能的特点及基本功能 1LM628的特点(1) 32位的位置、速度、加速度寄存器。(2) 16位可编程数字PID滤波器。(3) 可编程微分采样间隔。(4) 8位或12位D/A转换器输出数据。(5) 内部梯形速度图发生器。(6) 速

32、度、目标位置和滤波器参数在运动过程中可以改变。(7) 可选择位置或速度控制方式。(8) 实时可编程的主计算机中断。(9) 有与增量式编码器的接口。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统二、LM628的特点及基本功能的特点及基本功能2LM628的主要功能(1) 接受主机发送来的运动控制指令，并把运动控制器当前的状态及数据送给主机。(2) 作为速度曲线发生器，执行速度梯形图的计算和数字滤波，产生速 度曲线。不论位置控制还是速度控制都需要有速度曲线发生器产生梯形速度分布图。(3) 利用增量式编码器进行实际位置的反馈。(4) 在运行中计算实际位置和理

33、论位置(由速度发生器产生的位置)的差值，并把该差值经PID数字滤波器处理后输出，经外接D/A转换器转换和功率放大，最后驱动电动机运动。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统图5.16 基于LM628的最小系统第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统o5.2.3 基于PC(总线)技术的运动控制(卡)器 o一、GM-400四轴运动控制器简介 oGM-400四轴运动控制器的核心由两片专用运动控制芯片组成。该运动控制器是一块带有ISA标准总线，以IBM-PC或者兼容机作为主机的应用插板。它具有功能强，

34、价格低，使用方便的特点，适用于四轴伺服电动机的闭环控制。采用GM-400运动控制器进行伺服闭环控制时，用户需要一台IBM-PC计算机或兼容机、运动控制器、扁平电缆、一块接口端子板、伺服电动机、伺服电动机驱动器和外部接口电源等硬件。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统图5.17 采用四轴运动控制器组成的控制系统框图第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统o5.2.3 基于PC(总线)技术的运动控制(卡)器 o二、运动控制器工作原理 o图5.18所示为GM-400运动控制器的原理框图。图中所示的

35、增量式编码器的A、B相信号作为位置反馈输入信号。运动控制器通过四倍频及加、减计数器得到实际位置。实际位置的信息保存在位置寄存器中，上级计算机可通过控制寄存器读取。运动控制器的目标位置由上级计算机设定，通过内部计算得到位置误差值，经过数字伺服滤波器后，送到数模转换(DAC)或脉宽调制器(PWM)硬件处理电路，经过转换，最后输出伺服电动机的控制信号，即10V模拟信号或PWM信号。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统图5.18 GM-400运动控制器的原理框图第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系

36、统o闭环控制下的四种运动控制模式 1) S曲线模式 2) 梯形曲线模式 3) 速度跟踪模式 4) 电子齿轮模式 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统o5.2.4 机器人的伺服执行机构 o一、步进电动机o 步进电动机一般作为开环伺服系统的执行机构，有时也用于闭环伺服系统，它是一种将脉冲电信号转换为角位移或直线位移的一种D/A转换装置。按照输出位移的不同，步进电动机可分为回转式步进电动机和直线式步进电动机。机器人中一般采用回转式步进电动机。如果把步进电动机装在机器人回转关节轴上，则接收一个电脉冲，步进电动机就带动机器人的关节轴转过一个相应的角度

37、。步进电动机连续不断地接收脉冲，则关节轴连续不断地转动。步进电动机转过的角度与接收的脉冲数成正比。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统o5.2.4 机器人的伺服执行机构 o步进电动机具有下列优点：o(1) 输出角度精度高，无积累误差，惯性小。步进电动机的输出精度主要由步距角来反映。所谓步距角是指步进电动机接收一个脉冲电信号其输出轴转过的角度。目前步距角一般可以做到0.0020.005甚至更小。步进电动机的实际步距角与理论步距角总存在一定的误差，这误差在电动机旋转一周的时间内会逐步积累，但当电动机旋转一周后其转轴又回到初始位置，使误差回到零。

38、o(2) 输入和输出呈严格线性关系。输出角度不受电压、电流及波形等因素的影响，仅取决于输入脉冲数的多少。o(3) 容易实现位置、速度控制，起、停及正、反转控制方便。o步进电动机的位置(输出角度)由输入脉冲数确定，其转速由输入脉冲的频率决定，正、反转(转向)由脉冲输入的顺序决定，而脉冲数、脉冲频率、脉冲顺序都可方便地由计算机输出控制。o(4) 输出信号为数字信号，可以与计算机直接接口。o(5) 结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统o5.2.4 机器人的伺服执行机构 o二、直流伺服电动机o20世纪80年代

39、以前，机器人广泛采用直流伺服电动机作为执行机构。直流伺服电动机具有启动转矩大，体积小，重量轻，转速易控制，效率高等优点。但是，直流伺服电动机结构上具有电刷和换向器，需要定期更换电刷和进行维修，电动机使用寿命短，噪声大。尤其是直流电动机的容量小，电枢电压低，很多特性参数随速度而变化，限制了直流电动机向高速、大容量方向发展。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统o5.2.4 机器人的伺服执行机构 o三、交流伺服电动机o交流伺服电动机正得到越来越广泛的应用，大有取代直流电动机之势。交流伺服电动机除了不具有直流伺服电动机的缺点外，还具有转子惯量较直流

40、电动机小，动态响应好，能在较宽的速度范围内保持理想的转矩，结构简单，运行可靠等优点。一般同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机高出10%70%。另外，交流电动机的容量可做得比直流电动机大，达到更高的转速和电压。目前在机器人系统中，90%的系统采用交流伺服电动机。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.3 控制理论与算法o在机器人的运动学中，已知机器人末端欲到达的位姿，通过运动方程的求解可求出各关节需转过的角度。所以运动过程中各个关节的运动并不是相互独立的，而是各轴相互关联、协调地运动。o机器人运动的控制实际上是通过各轴伺服系统分别控制来实现的。所以机器人末端执行器的运动必须分

41、解到各个轴的分运动，即执行器运动的速度、加速度和力或力矩必须分解为各个轴的速度、加速度和力或力矩，由各轴伺服系统的独立控制来完成。o然而，各轴伺服系统的控制往往在关节坐标系下进行，而用户通常采用笛卡儿坐标来表示末端执行器的位姿，所以有必要进行各种运动参数包括速度、加速度和力(或力矩)的分解运动控制。分解运动控制能很大程度上化简为完成某个任务而对运动顺序提出的要求。本节将讨论分解运动的求解问题。 第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.3 控制理论与算法o5.3.1 机器人分解运动的速度控制o分解运动的速度控制要求各伺服系统的驱动器以不同的分速度同时联合运行，能保证机器人末端执行器沿笛

42、卡儿坐标轴稳定地运行。控制时先把末端执行器期望的笛卡儿位姿分解为各关节的期望速度，然后再对各关节进行伺服控制。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.3 控制理论与算法o5.3.2 机器人分解运动的加速度控制o机器人分解运动的加速度控制是分解运动速度控制概念的扩展，其方法是把机器人末端执行器在笛卡儿坐标系下的加速度值分解为关节坐标系下相应各关节的加速度，这样根据相应的系统动力学模型就可以计算出所需施加到各关节电动机上的控制力矩。第第5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统 5.3 控制理论与算法o5.3.3 力和力矩的控制o分解运动的力和力矩控制的基本思路是确定加于机器人各关节驱动器

43、上的控制力矩，从而实现机器人末端执行器在笛卡儿坐标下的位姿和速度控制。力和力矩控制的依据是机器人的动力学模型，其计算方法是对逆动力学的求解。力和力矩的控制在机器人关节空间是闭环的。第第5章习题章习题 5.3 传感器的主要性能参数有哪几个？传感器的主要性能参数有哪几个？5.5 分析二进制吗盘与格雷吗盘结构的异同。分析二进制吗盘与格雷吗盘结构的异同。5.7 分析外部传感器中力矩传感器的测量原理。分析外部传感器中力矩传感器的测量原理。5.12 步进电机具有哪些优点？说明反应式步进电步进电机具有哪些优点？说明反应式步进电机的工作原理。机的工作原理。5.15 何为分解运动控制？为什么要进行分解运动何为分解运动控制？为什么要进行分解运动控制？控制？5.16分解运动控制的思路及实现方法是什么？分解运动控制的思路及实现方法是什么？