第5章机器人的控制基础

1、第五章第五章 机器人的控制基础机器人的控制基础第一节第一节 概概 述述一、机器人控制系统的特点一、机器人控制系统的特点1）机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。）机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。 2）机器人有多个自由度。每个自由度一般包含一个伺服）机器人有多个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。3）机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。同时，）机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。同时，计算机软件担负着艰巨的任务。计算机软件担负着艰巨的任务。4）描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线

2、性模型）描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。各变量之间还存在耦合。5）机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成）机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在一个，因此存在一个“最优最优”的问题。的问题。 二、机器人的控制方式二、机器人的控制方式1. 点位式点位式 很多机器人要求能准确地控制末端执行很多机器人要求能准确地控制末端执行器的工作位置，而路径却无关紧要。例如器的工作位置，而路径却无关紧要。例如，在印刷电路板上安插元件、点焊、装配，在印刷电路板上安插

3、元件、点焊、装配等工作，都属于点位式工作方式。等工作，都属于点位式工作方式。2. 轨迹式轨迹式 在弧焊、喷漆、切割等工作中，要求机在弧焊、喷漆、切割等工作中，要求机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运动。如果偏离预定的轨迹和速度，就会使动。如果偏离预定的轨迹和速度，就会使产品报废。可称之为轨迹伺服控制。产品报废。可称之为轨迹伺服控制。二、机器人的控制方式二、机器人的控制方式1. 点位式点位式 很多机器人要求能准确地控制末端执行器的工很多机器人要求能准确地控制末端执行器的工作位置，而路径却无关紧要。例如，在印刷电路作位置，而路径却无关紧要。例如，在印刷电路板上

4、安插元件、点焊、装配等工作，都属于点位板上安插元件、点焊、装配等工作，都属于点位式工作方式。式工作方式。二、机器人的控制方式二、机器人的控制方式2. 轨迹式轨迹式 在弧焊、喷漆、切割等工作中，要求机器人末在弧焊、喷漆、切割等工作中，要求机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运动。如果偏离端执行器按照示教的轨迹和速度运动。如果偏离预定的轨迹和速度，就会使产品报废。可称之为预定的轨迹和速度，就会使产品报废。可称之为轨迹伺服控制。轨迹伺服控制。3. 力（力矩）控制力（力矩）控制方式方式 在完成装配、抓在完成装配、抓放物体等工作时，放物体等工作时，除要准确定位之外除要准确定位之外，还要求使用适度，还要求

5、使用适度的力或力矩进行工的力或力矩进行工作，这时就要利用作，这时就要利用力（力矩）伺服方力（力矩）伺服方式。式。4. 智能控制方式智能控制方式三、机器人控制的基本单元三、机器人控制的基本单元机器人控制系统的基本要素包括电动机、减速器机器人控制系统的基本要素包括电动机、减速器、运动特性检测的传感器、驱动电路、控制系统、运动特性检测的传感器、驱动电路、控制系统的硬件和软件。的硬件和软件。1电动机电动机 驱动机器人运动的驱动力，常见的有液压驱动驱动机器人运动的驱动力，常见的有液压驱动、气压驱动、直流伺服电机驱动、交流伺服电机、气压驱动、直流伺服电机驱动、交流伺服电机驱动和步进电机驱动。驱动和步进电机

6、驱动。 2减速器减速器减速器是为了增加驱动力矩，降低运动速度减速器是为了增加驱动力矩，降低运动速度 3驱动电路驱动电路 由于直流伺服电机或交流由于直流伺服电机或交流伺服电机的流经电流较大，伺服电机的流经电流较大，机器人常采用脉冲宽度调制机器人常采用脉冲宽度调制（PWM）方式进行驱动。）方式进行驱动。4运动特性检测的传感器运动特性检测的传感器 机器人运动的特性传感器机器人运动的特性传感器用于检测机器人运动的位置用于检测机器人运动的位置、速度、加速度等参数。、速度、加速度等参数。5控制系统的硬件控制系统的硬件 机器人的控制系统是以计算机为基础的，机器机器人的控制系统是以计算机为基础的，机器人控制系

7、统的硬件系统采用的是二级结构人控制系统的硬件系统采用的是二级结构协协调级和执行级。调级和执行级。6控制系统的软件控制系统的软件 对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换等功能。和机器人与人的信息交换等功能。第二节第二节 伺服电机的原理与特性伺服电机的原理与特性一、直流电机的结构和额定值一、直流电机的结构和额定值1直流电机的结构直流电机的结构1电枢绕组；电枢绕组；2电枢铁心；电枢铁心；3机座；机座；4主磁极铁心；主磁极铁心；5励磁绕组；励磁绕组；6换向极绕组；换向极绕组；7换向极铁心；换向极铁心；8主磁主磁极极靴；极极靴；9机座底脚；

8、机座底脚；直流电机横剖面示意图直流电机横剖面示意图 2直流电机的额定值直流电机的额定值（1）额定功率额定功率：是指轴上输出的机械功率，单：是指轴上输出的机械功率，单位为位为kW。（2）额定电压额定电压：安全工作的最大外加电压或输：安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为出电压，单位为V(伏伏)。（3）额定电流额定电流：允许流过的最大电流，单位为：允许流过的最大电流，单位为A(安安)。（4）额定转速额定转速：额定转速是指电机在额定电压：额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为机的旋转速度，单位为rpm(转转

9、/分分)。二、直流伺服电机二、直流伺服电机 机器人对直流伺服电机的基本要求：机器人对直流伺服电机的基本要求：宽广的调速范围宽广的调速范围机械特性和调速特性均为线性机械特性和调速特性均为线性无自转现象（控制电压降到零时，伺服电动机无自转现象（控制电压降到零时，伺服电动机能立即自行停转）能立即自行停转）快速响应好快速响应好 直流伺服电机：传统型和低惯量型两种类型。直流伺服电机：传统型和低惯量型两种类型。 传统型按定子磁极的种类分为两种，永磁式和传统型按定子磁极的种类分为两种，永磁式和电磁式。永磁式的磁极是永久磁铁；电磁式的磁电磁式。永磁式的磁极是永久磁铁；电磁式的磁极是电磁铁，磁极外面套着励磁绕组

10、。极是电磁铁，磁极外面套着励磁绕组。 低惯量分为盘形电枢直流伺服电机、空心低惯量分为盘形电枢直流伺服电机、空心杯电枢永磁式直流伺服电机及无槽电枢直流伺服杯电枢永磁式直流伺服电机及无槽电枢直流伺服电机。电机。1一定子；一定子；2一转子一转子图图53 盘型直流电机结构盘型直流电机结构1一转子一转子(导线绕导线绕6空心杯空心杯1)；2一内定子；一内定子；3一外定子一外定子；4一磁极；一磁极；5一气隙；一气隙；6导线；导线；7一内定子中的磁路一内定子中的磁路图图54 杯型直流电机结构杯型直流电机结构三、交流伺服电机三、交流伺服电机 直流电机本身存在不足直流电机本身存在不足机械接触式换向器结构复杂；机械

11、接触式换向器结构复杂；在运行中容易产生火花；在运行中容易产生火花；换向器的机械强度不高；换向器的机械强度不高；电刷易于磨损；电刷易于磨损；不适于有粉尘、腐蚀性气体和易燃易爆气体的不适于有粉尘、腐蚀性气体和易燃易爆气体的场合；场合；对于一些大功率的输出要求不能满足要求。对于一些大功率的输出要求不能满足要求。 交流伺服电机交流伺服电机结构简单，制造方便，价格低廉，而且坚固耐结构简单，制造方便，价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，很少需要维护，可用用，惯量小，运行可靠，很少需要维护，可用于恶劣环境等优点，目前在机器人领域逐渐有于恶劣环境等优点，目前在机器人领域逐渐有代替直流伺服电机的趋势。代替

12、直流伺服电机的趋势。1. 交流伺服电机的结构交流伺服电机的结构 交流伺服电机为两相异步电动机，一相为交流伺服电机为两相异步电动机，一相为励磁绕组，另一相为控制绕组，转子为鼠笼型。励磁绕组，另一相为控制绕组，转子为鼠笼型。 交流伺服电机也必须具有宽广的调速范围交流伺服电机也必须具有宽广的调速范围、线性的机械特性和快速响应等性能，除此以外、线性的机械特性和快速响应等性能，除此以外，还应无，还应无“自转自转”现象。现象。当当 =0时，电机应当停止旋转，而实际情况是时，电机应当停止旋转，而实际情况是，当转子电阻较小时，两相异步电机运转起来后，当转子电阻较小时，两相异步电机运转起来后，若控制电压，若控制

13、电压 =0，电动机便成为单项异步电，电动机便成为单项异步电机继续运行，并不停转，出现了所谓的机继续运行，并不停转，出现了所谓的“自转自转”现象，使自动控制系统失控。现象，使自动控制系统失控。 cUcU2. 交流伺服电机的转子有三种结构型式：交流伺服电机的转子有三种结构型式：（1）高电阻率导条的鼠笼转子）高电阻率导条的鼠笼转子 国内生产的国内生产的SL系列的交流伺服电机就是采系列的交流伺服电机就是采用这种结构。用这种结构。 （2）非磁性空心杯转子）非磁性空心杯转子 在外定子铁心槽中放置空间相距在外定子铁心槽中放置空间相距90的两相的两相分布绕组；内定子铁心由硅钢片叠成，不放绕组分布绕组；内定子铁

14、心由硅钢片叠成，不放绕组，仅作为磁路的一部分；由铝合金制成的空心杯，仅作为磁路的一部分；由铝合金制成的空心杯转子置于内外定子铁心之间的气隙中，并靠其底转子置于内外定子铁心之间的气隙中，并靠其底盘和转轴固定。盘和转轴固定。（3）铁磁性空心转子）铁磁性空心转子 转子采用铁磁材料制成，转子本身既是主转子采用铁磁材料制成，转子本身既是主磁通的磁路，又作为转子绕组，结构简单，但当磁通的磁路，又作为转子绕组，结构简单，但当定子、转子气隙稍微不均匀时，转子就容易因单定子、转子气隙稍微不均匀时，转子就容易因单边磁拉力而被边磁拉力而被“吸住吸住”，所以目前应用较少。，所以目前应用较少。伺服电机驱动器为标准化部件

15、，如图为松下伺服电机驱动器为标准化部件，如图为松下200W交流伺服电机及其驱动器。交流伺服电机及其驱动器。机器人控制系统的硬件结构及接口机器人控制系统的硬件结构及接口一、机器人控制系统的硬件结构一、机器人控制系统的硬件结构 在控制结构上，现在大部分工业机器人都在控制结构上，现在大部分工业机器人都采用二级计算机控制。第一级担负系统监控、作采用二级计算机控制。第一级担负系统监控、作业管理和实时插补任务，由于运算工作量大，数业管理和实时插补任务，由于运算工作量大，数据多，所以大都采用据多，所以大都采用16位以上微型计算机。第位以上微型计算机。第一级运算结果作为伺服位置信号，控制第二级。一级运算结果作

16、为伺服位置信号，控制第二级。第二级为各关节的伺服系统，有两种可能方案：第二级为各关节的伺服系统，有两种可能方案： 1）采用一台微型计算机控制高速脉冲发生器）采用一台微型计算机控制高速脉冲发生器 2）使用几个单片机分别控制几个关节运动）使用几个单片机分别控制几个关节运动双微型计算机控制系统双微型计算机控制系统 带独立带独立CPU的伺服系统的伺服系统 二、单片机控制系统二、单片机控制系统80C196KC结构图结构图 三、数字信号处理（三、数字信号处理（DSP）系统）系统 数字信号处理器将原始模拟信号转换成数数字信号处理器将原始模拟信号转换成数字信号后，再进行各种运算处理，这些处理包括字信号后，再进行各种运算处理，这些处理包括：差分方程计算、相关系数运算、复频率变换、：差分方程计算、相关系数运算、复频率变换、付里叶变换、功率谱密度或幅值平方计算矩阵付里叶变换、功率谱密度或幅值平方计算矩阵运算与处理、对数