第06.12 5 机器人的控制系统(2)

1、 机器人应用技术机器人应用技术 大连职业技术学院 董春利QQ：958385645 实训楼414A Compiled by: Dong Chunli 复习复习 o什么是直流伺服电机的机械特性？什么是直流伺服电机的机械特性？ o写出直流伺服电机的机械特性公式，并解释之。写出直流伺服电机的机械特性公式，并解释之。 o什么是直流伺服电机的调节特性什么是直流伺服电机的调节特性 o什么是直流伺服电机的失灵区？什么是直流伺服电机的失灵区？ Compiled by: Dong Chunli 复习复习 o直流电机的缺点有哪些？直流电机的缺点有哪些？ o交流伺服电机的优缺点有哪些？交流伺

2、服电机的优缺点有哪些？ o交流伺服电机与直流伺服电机在工作原理上有什么不同？交流伺服电机与直流伺服电机在工作原理上有什么不同？ o交流伺服电机的转子为什么通常做成鼠笼式？交流伺服电机的转子为什么通常做成鼠笼式？ o什么是转速变化率（静差率）？什么是转速变化率（静差率）？ o什么是调速精度？什么是调速精度？ o什么是稳速精度？什么是稳速精度？ o什么是调速范围？什么是调速范围？ o什么是开环控制系统？什么是开环控制系统？ o什么是闭环控制系统什么是闭环控制系统? ? o什么是模拟控制系统？什么是模拟控制系统？ o什么是数字控制系统？什么是数字控制系统？ Compiled by: Dong Chu

3、nli 复习复习 1 1 o什么是直流伺服电机的机械特性？什么是直流伺服电机的机械特性？ o写出直流伺服电机的机械特性公式，并解释之。写出直流伺服电机的机械特性公式，并解释之。 o什么是直流伺服电机的调节特性什么是直流伺服电机的调节特性 o什么是直流伺服电机的失灵区？什么是直流伺服电机的失灵区？ o机器人控制的基本单元有哪些？机器人控制的基本单元有哪些？ o直流电机的额定值有哪些？直流电机的额定值有哪些？ o什么是伺服电机？什么是伺服电机？ o什么是直流伺服电机？什么是直流伺服电机？ o机器人对直流伺服电机的要求？机器人对直流伺服电机的要求？ Compiled by: Dong Chunli

4、复习复习 2 2 o直流电机的缺点有哪些？直流电机的缺点有哪些？ o交流伺服电机的优缺点有哪些？交流伺服电机的优缺点有哪些？ o交流伺服电机与直流伺服电机在工作原理上有什么不同？交流伺服电机与直流伺服电机在工作原理上有什么不同？ o交流伺服电机的转子为什么通常做成鼠笼式？交流伺服电机的转子为什么通常做成鼠笼式？ o什么是转速变化率（静差率）？什么是转速变化率（静差率）？ o什么是调速精度？什么是调速精度？ o什么是稳速精度？什么是稳速精度？ o什么是调速范围？什么是调速范围？ Compiled by: Dong Chunli 复习复习 o机器人控制系统的特点有哪些？ o按照机器人的控制作用输出

5、方式，机器人的控制方式分那些类型？ o什么是力控制方式？ o什么是速度控制方式？ o按照机器人的控制命令来源不同，机器人的控制方式分那些类型？ o什么是程序控制方式？ o什么是自适应控制方式？ o什么是智能控制方式？ o什么是机器人的控制功能？ o机器人的控制功能有哪些类型？ o什么是示教再现功能？ o什么是运动控制功能？ o机器人控制系统的基本要素包括那些？ o什么是开环控制系统？ o什么是闭环控制系统? o什么是模拟控制系统？ o什么是数字控制系统？ 机器人应用技术机器人应用技术 第五章第五章 机器人的控制系统 第一节 机器人控制系统概述 第二节 伺服控制系统及其参数 第三节 交流伺服电动

6、机的调速 第四节 机器人控制系统的结构 第五节 机器人控制的示教再现 第六节 机器人控制系统举例 Compiled by: Dong Chunli 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。 第四节第四节 机器人控制系统结构机器人控制系统结构 Compiled by: Dong Chunli 一、机器人控制

7、系统基本组成 二、机器人控制系统基本结构 三、机器人控制系统分层结构 第四节第四节 机器人控制系统结构机器人控制系统结构 一、机器人控制系统基本组成 1.机器人控制系统基本功能 2.机器人控制系统基本组成 Compiled by: Dong Chunli 1.机器人控制系统基本功能 o机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特 定的工作任务，其基本功能如下： o记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有 关的信息。 o示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示 教两种。 o与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络

8、接口、同步接口。 o坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 o人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 o传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 o位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿 等。 o故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故 障自诊断。 Compiled by: Dong Chunli 2.机器人控制系统基本组成 1）控制计算机：控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64 位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。 2）示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己 独

9、立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 3）操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 4）内置硬盘和可移去存储器：存储机器人工作程序的外围存储器。 5）数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。 6）打印机接口：记录需要输出的各种信息。 7）传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和 视觉传感器。 8）伺服控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 9）辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。 10）通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等 11）网

10、络接口：与其他机器人以及上位管理计算机连接的Ethernet接口： Compiled by: Dong Chunli 2.机器人控制系统基本组成 11）网络接口： o可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达 10Mbit/s，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 o与其他设备连接的多种现场总线接口，如Device net、Profibus-DP、 CAN 、 Remote I/O、Interbus-s、M-NET等。 Compiled by: Dong Chunli 二、机器人控制系统基本结构 o1基于基于PLC的运动控制的运动控制 o2基于基于

11、PC和运动控制卡的运动控制和运动控制卡的运动控制 o3单纯的单纯的PC控制控制 Compiled by: Dong Chunli 二、机器人控制系统基本结构 o从基本结构上看一个典型的机器人运动控制系统，主要由上位计算 机、运动控制器、驱动器、电动机、执行机构和反馈装置构成。 o一般地，工业机器人控制系统基本结构的构成方案有三种，基于 PLC的运动控制、基于PC+运动控制卡的运动控制、纯PC机控制。 Compiled by: Dong Chunli 1基于基于PLC的运动控制的运动控制 oPLC进行运动控制有两种。 1）利用PLC的某些输出端口使用脉冲输出指令来产生脉冲驱动电机， 同时使用通用

12、I/O或者计数部件来实现电机的闭环位置控制； 2）使用PLC外部扩展的位置模块来进行电机的闭环位置控制。 Compiled by: Dong Chunli 2基于基于PC和运动控制卡的运动控制和运动控制卡的运动控制 o 运动控制器以运动控制卡为主，工控PC机只提供插补运 算和运动指令。运动控制卡完成速度控制和位置控制。 Compiled by: Dong Chunli 3单纯的单纯的PC控制控制 o在高性能工业PC和嵌入式PC（配备专为工业应用而开发的主板）的硬件 平台上，可通过软件程序实现PLC和运动控制等功能，实现机器人需要的 逻辑控制和运动控制。 o在通过高速的工业总线进行PC与驱动器的

13、实时通讯，显著的提高机器人 的生产效率和灵活性。不过，在提供灵活的应用平台的同时，也大大提高 了开发难度和延长了开发周期。由于其结构的先进性这种结构代表了未来 机器人控制结构的发展方向 Compiled by: Dong Chunli Compiled by: Dong Chunli 5.4.3 机器人控制系统的分层结构机器人控制系统的分层结构 o1机器人控制系统工作过程机器人控制系统工作过程 o2机器人控制系统的硬件组成机器人控制系统的硬件组成 Compiled by: Dong Chunli 5.4.3 机器人控制系统的分层结构机器人控制系统的分层结构 o在机器人控制系统的硬件组成结构上，

14、有三种形式：集中控制方 式、主从控制方式、分散控制方式。 o目前用一台计算机实现全部控制功能的集中控制方式因其实时性 差、难以扩展已经遭淘汰。现在大部分工业机器人都采用主从控 制方式，智能机器人或传感机器人都采用分散控制方式。 o由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较 低层的实时控制，所以，目前的机器人控制系统在结构上大多数 采用分层结构的微型计算机控制系统，通常采用的是两级计算机 伺服控制系统。 1机器人控制系统工作过程机器人控制系统工作过程 o机器人控制系统具体的工作过程是： o主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手 的运动参数，然后进行运动学、

15、动力学和插补运算，最后得出机器人各个 关节的协调运动参数。 o这些参数经过通信线路输出到伺服控制级作为各个关节伺服控制系统的给 定信号。 o关节驱动器将此信号D/A转换后驱动各个关节产生协调运动，并通过传感 器将各个关节的运动输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制 ，从而更加精确的控制机器人手部按作业任务要求的在空间的运动。 o在控制过程中，工作人员可直接监视机器人的运动状态，也可从显示器等 输出装置上得到有关机器人运动的信息。 o此时，作为控制器部分的 n上位机中的PC机或小型机完成人机对话、数学运算、通信和数据存储， n下位机中的单片机或运动控制器，完成伺服控制。作为传感器部分的内

16、部传感器完成自 身关节运动状态的检测；外部传感器完成外部环境参数变化的检测。 Compiled by: Dong Chunli 2机器人控制系统的硬件组成机器人控制系统的硬件组成 在机器人控制系统的硬件组成结构上，现在大部分工业机器人都采用二级计算机控制。 （1）一级控制 o一级控制的上位机一般由个人微机或小型计算机组成，其功能为： o人机对话：人将作业任务给机器人，同时机器人将结果反馈回来，即人与机器人之 间的交流。 o数学运算：机器人运动学、动力学和数学插补运算。 o通信功能：与下位机进行数据传送和相互交换。 o数据存储：存储编制好的作业任务程序和中间数据。 （2）二级控制 o二级控制的下

17、位机一般由单片机或运动控制器组成，其功能为： o伺服驱动控制：接收上位机的关节运动参数信号和传感器的反馈信号，并对其进行 比较，然后经过误差放大和各种补偿，最终输出关节运动所需的控制信号。 Compiled by: Dong Chunli 2机器人控制系统的硬件组成机器人控制系统的硬件组成 （2）二级控制 o二级控制的下位机一般由单片机或运动控制器组成，其功能为： o伺服驱动控制：接收上位机的关节运动参数信号和传感器的反馈信号，并对其进行比较，然后 经过误差放大和各种补偿，最终输出关节运动所需的控制信号。 Compiled by: Dong Chunli 2机器人控制系统的硬件组成机器人控制系

18、统的硬件组成 o（3）伺服系统 o伺服系统的核心是运动控制器，一般由数字信号处理器及其外围部件组成，可以实 现高性能的控制计算，同步控制多个运动轴，实现多轴协调运动。应用领域包括机 器人、数控机床等。 o（4）内部传感器 o内部传感器的主要目的是对自身的运动状态进行检测，即检测机器人各个关节的位 移、速度和加速度等运动参数，为机器人的控制提供反馈信号。机器人使用的内部 传感器主要包括位置、位移、速度和加速度等传感器。 o（5）外部传感器 o机器人要能在变化的作业环境中完成作业任务，就必须具备类似于人类对环境的感 觉功能。将机器人用于对工作环境变化的检测的传感器称为外部传感器，有时也拟 人的称为

19、环境感觉传感器或环境感觉器官。目前，机器人常用的环境感觉技术主要 有视觉、听觉、触觉、力觉等。 Compiled by: Dong Chunli 3机器人控制系统的软件组成机器人控制系统的软件组成 o （1）系统软件 o 包括用于个人微机和小型计算机的计算机操作系统，用 于单片机和运动控制器的系统初始化程序。 o （2）应用软件 o 包括用于完成实施动作解释的执行程序，用于运动学、 动力学和插补程序的运算软件，用于作业任务程序、编 制环境程序的编程软件，用于实时监视、故障报警等程 序的监控软件。 Compiled by: Dong Chunli 5.5机器人控制的示教再现机器人控制的示教再现

20、o 5.5.1 机器人的示教方式机器人的示教方式 Compiled by: Dong Chunli 5.5机器人控制的示教再现机器人控制的示教再现 o示教人员将机器人作业任务中要求手的运动预先教给机器人，在 示教的过程中，机器人控制系统就将关节运动状态参数记忆存储 在存储器中。 o当需要机器人工作时，机器人的控制系统就调用存储器中存储的 各项数据，驱动关节运动，使机器人再现示教过的手的运动，由 此完成要求的作业任务。 Compiled by: Dong Chunli 作业任务作业任务 手的运动手的运动 关节产生运动关节产生运动 关节运动参数关节运动参数 控制系统控制系统 驱动装置驱动装置关节产

21、生运动关节产生运动 示教示教 记忆记忆 再现再现 驱动驱动 反馈反馈 5.5.1 机器人的示教方式机器人的示教方式 1示教方式示教方式 （1）集中示教方式 o将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数同时进行示教的方式， o示教一次即可生成关节运动的伺服指令。 （2）分离示教方式 o将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数分开单独进行示教的方式， o一般需要示教多次才可生成关节运动的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。 （3）点对点控制 o当对用点位（PTP）控制的点焊、搬运机器人进行示教时，可以分开编制程序，且能进 行编辑、修改等工作， o但是机器人手部在做曲线运动而且位置精度要

22、求较高时，示教点数就会较多，示教时间 就会拉长，且在每一个示教点处都要停止和启动，因此就很难进行速度的控制。 （4）连续轨迹控制 o当对用连续轨迹（CP）控制的弧焊、喷漆机器人进行示教时，示教操作一旦开始就不 能中途停止，必须不中断的连续进行到底，且在示教途中很难进行局部的修改。 o示教时，可以是手把手示教，也可通过示教盒示教。 Compiled by: Dong Chunli 2记忆过程记忆过程 o在示教的过程中，机器人关节运动状态的变化被传感器检测到， 经过转换，再通过变换装置送入控制系统， o控制系统就将这些数据保存在存储器中，作为再现示教过的手的 运动时所需要的关节运动参数数据。 1）

23、记忆速度：取决于传感器的检测速度、变换装置的转换速度和控制 系统存储器的存储速度。 2）记忆容量：取决于控制系统存储器的容量。 Compiled by: Dong Chunli 示教示教 关节产生运动关节产生运动变换装置变换装置控制系统控制系统传感装置传感装置 存储器存储器 检测检测转换转换 保保 存存 3运动控制运动控制 o机器人的运动控制是指机器人手部在空间从一点移动到另一点的 过程中或沿某一轨迹运动时，对其位姿、速度和加速度等运动参 数的控制。 o由机器人运动学可知，机器人手部的运动是由各个关节的运动引 起的，所以控制机器人手部的运动实际上是通过控制机器人各个 关节的运动实现的。 Com

24、piled by: Dong Chunli 驱动驱动 动力学动力学 正解正解 运动学运动学 逆解逆解 作业任务作业任务手的运动手的运动 关节位移、关节位移、 速度、加速度速度、加速度 关节驱动力关节驱动力 （矩）（矩） 驱动装置驱动装置关节产生运动关节产生运动控制系统控制系统 反馈反馈 3运动控制运动控制 o（1）控制过程 o根据机器人作业任务中要求的手的运动，通过运动学逆解和数学 插补运算得到机器人各个关节运动的位移、速度和加速度，再根 据动力学正解得到各个关节的驱动力（矩）。机器人控制系统根 据运算得到的关节运动状态参数控制驱动装置，驱动各个关节产 生运动，从而合成手在空间的运动，由此完成

25、要求的作业任务。 o（2）控制步骤 o第一步：关节运动伺服指令的生成，即将机器人手部在空间的位 姿变化转换为关节变量随时间按某一规律变化的函数。这一步一 般可离线完成。 o第二步：关节运动的伺服控制，即采用一定的控制算法跟踪执行 第一步所生成的关节运动伺服指令，这是在线完成的。 Compiled by: Dong Chunli Compiled by: Dong Chunli Compiled by: Dong Chunli 1伺服系统的几个动态参数伺服系统的几个动态参数 三、伺服系统的动态参数三、伺服系统的动态参数 Compiled by: Dong Chunli （1）超调量）超调量 n

26、伺服系统运行在零转速，输入单位信号时，时间响应曲 线上超出稳态转速的最大转速值对稳态转速的百分比叫 做转速上升时的超调量； n 伺服系统运行在稳态转速，输入信号阶跃为零，时间响 应曲线上超出零转速的反向转速的最大转速值对稳态转 速的百分比叫做转速下降时的超调量； n 超调量应当尽量减小 三、伺服系统的动态参数三、伺服系统的动态参数 Compiled by: Dong Chunli （2） 转矩变化的时间响应 n伺服系统正常运行时，对电机突然施加转矩负 载或突然卸去转矩负载，电动机转速随时间变 化的曲线叫伺服系统对力矩变化的时间响应 三、伺服系统的动态参数三、伺服系统的动态参数 Compiled

27、 by: Dong Chunli （3）阶跃输入的转速响应时间 n伺服系统输入由零到对应n的阶跃信号，从阶 跃信号开始到第一次达到0.9n的时间。 三、伺服系统的动态参数三、伺服系统的动态参数 Compiled by: Dong Chunli （4）建立时间 n伺服系统输入由零到对应n的阶跃信号，从阶 跃信号开始到转速到达稳态转速（终值）并且 不再超过终值的+5%的范围，所经历的时间叫 系统建立时间。 三、伺服系统的动态参数三、伺服系统的动态参数 Compiled by: Dong Chunli （5）频带宽度 n伺服系统输入量为正弦波，随着正弦波信号频 率逐渐升高，对应输出量相位滞后逐渐加大

28、同 时幅值逐渐减小，相位滞后增大到90时或幅值 减小至 低频段幅值时的频率叫做伺服系统 的频带宽度。 2/1 三、伺服系统的动态参数三、伺服系统的动态参数 Compiled by: Dong Chunli （6）堵转电流 n又叫瞬时最大电流， n它表示伺服电动机所允许承受的最大冲击负荷 和系统的最大减速力矩。 三、伺服系统的动态参数三、伺服系统的动态参数 Compiled by: Dong Chunli 2伺服系统的几个主要问题 （1）稳态位置跟踪误差 当系统对输入信号瞬态响应过程结束进入稳定运行 状态时，伺服系统执行机构实际位置与目标值之间 的误差为系统的位置跟踪误差。 在闭环全负反馈系统中

29、，稳态误差为 )( )(1 1 lim o SU SW e s 三、伺服系统的动态参数三、伺服系统的动态参数 Compiled by: Dong Chunli （2）定位精度问题 系统最终定位点与指令规定值之间的静态误 差为系统的定位精度。 Dk N e p max 位置伺服系统的定位精度 最高速度 调速范围 三、伺服系统的动态参数三、伺服系统的动态参数 Compiled by: Dong Chunli 三、伺服系统的动态参数三、伺服系统的动态参数 例如， 若最高速度规定为9.6m/min，位置环增益为30V/rad，要 求定位精度为0.01mm， 则调速范围应当达到1:400以上，实际上为使系统定位精度 在0.01mm以内，常选择D为1:1000以上， 若要求系统的位置定位精度达到1m以内，应使D大于1： 10000。 Dk N e p max Compiled by: Dong Chunli （3）电机的利用系数 现代伺服系统均采用电力电子器件以调制斩波形式 对伺服电动机进行驱动，