《机器人的控制系统》PPT课件.ppt

机器人的控制系统 机器人传感器 驱动与运动控制系统 控制理论与算法 n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、机器人专用传感器、运动伺服驱动系统等。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。控制系统中涉及传感技术、驱动技术、控制理论和控制 算法。 n目前广泛使用的工业机器人中，控制机多为微型计算机，外部有控 制柜封装。这类机器人一般采用示教-再现的工作方式，机器人的作 业路径、运动参数由操作者手把手示教或通过程序设定，机器人重 复再现示教的内容；机器人配有简单的内部传感器，用来感知运行 速度、位置和姿态等，还可以配备简易的视觉、力传感器感知外部 环境。 n智能机器人的控制机多为计算机，处理的信息量大，控制算法复杂 。同时配备了多种内部、外部传感器，不但能感知内部关节运行速 度及力的大小，还能对外部的环境信息进行感知、反馈和处理。 5.1 机器人传感器 n机器人传感器的特点和要求 n机器人内部传感器 n机器人外部传感器 机器人传感器的选择要求 n传感器类型的选择 机器人应具备什么感觉? n传感器性能指标的确定 机器人传感器应达到什么样的性能要 求? n传感器物理特征的选择 尺寸和重量、输出形式、可插接性 传感器类型的选择 n选择什么类型的传感器得看机器人的需要 n简单触觉：确定工作对象是否存在 n复合触觉：确定工作对象是否存在以及它的尺 寸和形状 n简单力觉：沿一个方向测量力 n复合力觉：测量多个方向的力 n接近觉：对工作对象的非接触探测 n视觉：识别工作对象 机器人对传感器的一般要求： （1）精度高，重复性好 （2）稳定性好，可靠性高 （3）抗干扰能力强 （4）重量轻，体积小，安装方便可靠 （5）价格便宜 传感器类型的选择 n不同的加工任务对机器人提出了不同的要求 搬运机器人需要什么传感器呢： 视觉：用于被拾取零件的粗定位 触觉：感知零件存在、确定该零件的准确位置、确 定该零件的方向，有助于机器人更可靠地拾取零件 力觉：控制搬运机器人的夹持力，防止手爪损坏被 拾取零件 装配机器人需要什么感觉呢： 视觉、触觉和力觉 装配工作对工作位置的要求更高，这得依赖于上述 三种传感器协调配合 喷漆机器人： 1、位置检测传感器 （1）光电开关：检测待漆工件是否进入工作范围 （2）测速码盘：检测机器人的喷漆运动速度 （3）超声波测距传感器 （4）气动式安全保护器 2、识别待漆工件传感器 （1）阵列视觉传感器 （2）视觉系统 焊接机器人： 位置传感器 速度传感器 接近觉传感器 视觉系统（特用于弧焊机器人） 传感器类型的选择 n机器人的控制需要传感器 内部传感器： 位置传感器：位置反馈 速度传感器：速度控制，动力学计算需要 加速度传感器：动力学计算需要 传感器类型的选择 n有些辅助工作需要传感器的帮助 产品检验：需要视觉 零件分类：需要视觉，对零件进行识别 需要触觉，判断是否接触到零件 需要力觉，判断零件是否放置到位 传感器类型的选择 n“安全”需要传感器 机器人自身的安全 力觉：检测各连杆和构件的受力 触觉：防止机器人和周围物体的碰撞 接近觉：更好地避障 使用者的安全 安全导线 安全开关 防干扰传感器：电容式、光电式、超声波式等 传感器性能指标的确定 n灵敏度：适中即可 n线性度：应高些 n测量范围：必须覆盖被测量的工作范围 n精度：合适就好 n重复性：很重要 n分辨率：取决于控制要求 n响应时间：越短越好 n可靠性：98% 99% 传感器物理特征的选择 n尺寸和重量：影响机器人的运动性能，应该减小 或减轻 n输出形式：最好是数字式电压信号，便于计算机 直接进行处理 n可插接性：影响传感器使用的方便程度和机器人 结构的复杂程度（进而影响到成本），应设计通 用接口，传感器输出信号的大小和形式应能与其 他外设相匹配 机器人内部传感器 n电位器式位移传感器 n光电编码器（最简单的数字式位置/移传 感器） 绝对式：能给出关节的实际位置 相对式：能给出关节的实际位移 绝对式编码器 23 22 21 20 白色区域为透光区 黑色区域为不透光区 分辨率为360/2n 其中n为码道数目 加工困难 成本较高 相对式编码器 通过计算脉冲个数来得到输入轴所转过 的相对角度，分辨率为360/n abz 码盘基片透镜 光源 光敏元件透光狭缝光欄板 节距 m+/4 信号处理装置 相对式编码器 机器人的外部传感器 n接近觉传感器 n接触觉 n力觉 n压觉 n滑觉 一、机器人的接近觉传感器 n接近觉是一种粗略的距离感觉，大多只 要求给出简单的阈值判断：接近与否。 n用于日常生活中：电子卫兵（猫、狗） 、自动感应门等。 n在机器人中的用途：避障和防止冲击 n感应式、光反射式、超声波式 1、感应式接近觉传感器（不常用） 2、光学接近觉传感器 由于光的反射受到诸如物体形状、表面光洁度和颜色 等许多因素的影响，所以更一般地采用目标物对发光二极 管散射光的反射光强度进行测量的方法。 3、超声波接近觉传感器 不适合探测橡胶和泡沫材料的物体 4、其他接近觉传感器 二、接触觉传感器 n接触觉传感器可以使机器人在运动中接 触到障碍物时向控制器发出信号。 n接触觉传感器开关 n压阻式阵列接触觉传感器 n光学式接触觉传感器 1、接触觉传感器开关 2、压阻式阵列接触觉传感器 3、光学式接触觉传感器 三、力觉传感器 n压电晶体、力敏电阻（ FSR ）、应变片 n关节力传感器 装在关节驱动器上，测量驱动器本身的输出力和 力矩，用于控制中的力反馈。 n腕力传感器 装在末端执行器和机器人最后一个关节之间，直 接测出作用在末端执行器上的各向力和力矩。 n指力传感器 装在手爪指关节上，用来测量夹持物体时的受力 情况。 1、腕力传感器之一 2、腕力传感器 四、滑觉传感器 n滑觉信息可从触觉图像的动态变化中获取 n机器人专用滑觉传感器（南斯拉夫贝格莱 德大学研制） 1、接触觉传感器用于滑觉检测 2、断续型滑觉传感器 3、机器人专用滑觉传感器 5.2 驱动与运动控制系统 n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。 n电气驱动按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。 n步进电动机驱动一般用在开环伺服系统中，这种系统没有位置反馈装置， 控制精度相对较低，适用于位置精度要求不高的机器人中；交、直流伺服 电动机用于闭环和半闭环伺服系统中，这类系统可以精确测量机器人关节 和末端执行器的实际位置信息，并与理论值进行比较，把比较后的差值反 馈输入，修改指令进给值，所以这类系统具有很高的控制精度。 5.2.1 概述 5.2.1 概述 n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。 n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。 5.2.1 概述 n运动控制器都从主机(PC机)接受控制命令，从位置传感 器接受位置信息，向伺服电动机功率驱动电路输出运动 命令。对于伺服电动机位置闭环系统来说，运动控制器 主要完成了位置环的作用，可称为数字伺服运动控制器 ，适用于包括机器人和数控机床在内的一切交、直流和 步进电动机伺服控制系统。 n专用运动控制器的使用使得原来由主机做的大部分计算 工作由运动控制器内的芯片来完成，使控制系统硬件设 计简单，与主机之间的数据通信量减少，解决了通信中 的瓶颈问题，提高了系统效率。 5.2.2 基于计算机(微处理器)和芯片 的运动控制器设计 nLM628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和其他一些功能器件 就可构成一个伺服系统。 nLM628构成的伺服系统组成非常简单，用一片 LM628、一个D/A转换器、一个功率放大器、一 台伺服电动机、一个增量式编码器就可以构成一 个伺服系统，其原理图如图所示。 (1) 接受主机发送来的运动控制指令，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。 速度发生器 n速度发生器产生的速度曲线计算出了期望位置与时间的对应关系。 在位置控制方式下，主机把伺服系统的加速度、最高速度和最后位 置通过LM628的用户指令发送给LM628，LM628则按照规定的曲线 控制伺服电动机以规定的加速度运动到最高速度，然后以该速度恒 速运动到减速点，接着以负加速度开始减速直到电动机到达目标位 置停止。 LM628芯片的运动控制器电路设计 nLM628通过8位数据线与主机进行数据读写传输，由主机的读写控制信号线发读写控 制命令进行读写。主机的地址信号线一方面经地址译码后作为LM628的片选信号， 另一方面用来作为LM628指令口或数据口操作的选择信号。LM628的8位DAC输出口 直接外接一片8位D/A转换芯片，经D/A转换后送LM12线性放大器驱动伺服电动机。 5.2.3 基于PC(总线)技术的运动控制 (卡)器 n运动控制卡的功能都为对运动轴的开、闭环控制。 运动控制器工作原理： 图中所示的增量式编码器的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10 V模拟信号或PWM信号。 运动控制器的控制模式和参数由上级计算机设定，GM-400根据主机发送的 命令决定采用何种加、减速控制曲线和数字滤波算法。GM-400运动控制器 有两种运动控制方式：一种是闭环方式，另一种是开环方式。闭环控制是 运动控制器的默认方式，开环控制直接输出控制信号。在开环控制模式下 ，上级计算机送到GM-400运动控制器的命令不需要经过任何处理，直接输 出控制。 n1闭环控制下的四种运动控制模式 n2运动控制器的速度控制 n3控制器运动轴的控制 n4工作参数的设置和刷新 n5轴运动错误监测和状态恢复 n6轴位置高速捕获 n7控制器中断 n8电动机输出 n9逻辑I/O控制 n10GM-400运动控制器软件编程 1闭环控制下的四种运动控制模式 n一旦设定当前轴为S曲线模式，该控制轴将保持这种控制模式，直到调 用其他运动控制模式命令才能将其改变。例如设定为梯形曲线模式。 （1）S曲线模式控制曲线（2）梯形曲线控制 1闭环控制下的四种运动控制模式 （3） 速度跟踪模式 n在该模式下，由主机设定额定加速度和最大速度两个参数。开始运动时以 给定的加速度连续加速直到达到设定的最大速度。速度设定值必须为正值 ，运动方向由加速度的符号确定，即正加速度产生正向运动，而负加速度 则产生负向运动。在运动过程中，速度和加速度两个参数可以随时修改。 （4） 电子齿轮模式 n在电子齿轮模式下，主机只需设置一个运动参数，即电子齿轮减速比，这 是一个带符号的32位二进制数，范围为16 384至16 383(65 535/65 536)。 运动时，从动轴作为被驱动轴，其目标运动由主动轴运动乘以电子齿轮减 速比来确定。 2运动控制器的速度控制 1) 运动停止的控制 n有些情况下，为了安全起见或为了实现某些特定的运动轨迹，需要 在特定位置使运动停止。GM-400提供两种方法实现这一功能：急停 和平滑停止。 2) 运动完成状态 nGM-400运动控制器提供两个字节表征运动状态，其中一个字节表征 运动是否完成，另一个表征运动时的内部状态。 3) 数字伺服滤波 n数字伺服滤波器用于计算电动机控制输出信号。GM-400运动控制器 采用PID和速度前馈(PID+Vff)滤波器。GM-400通过调节滤波器的各 参数，实现精确而稳定的系统控制。 3控制器运动轴的控制 1) 与主机的通信 nGM-400运动控制器提供了命令写、数据写和数据读三种操作实现主机与运动控制器 之间的信息交换。 2) 控制器的伺服周期 nGM-400运动控制器上的每个控制轴都能独立地进行工作设置，每个工作轴从DSP计算 资源中获得一个时间段，不工作的轴可以不占用DSP的计算资源。因此当工作轴少于 GM-400所支持的轴数目时，可增加伺服控制的刷新频率。 3) 控制器的轴寻址 n调用一次GM-400的命令函数通常只修改某个轴的一个参数或其运动状态，这样主机 必须能单独控制每个轴的运动。为便于处理，GM-400保持了主机对当前轴号的设置 。当主机设置好当前轴后，所有后续命令将自动对当前轴进行设置。设置好的轴号 一直保持不变，直到调用下一个命令对它做出修改。 4) 控制器的状态寄存器 nGM-400运动控制器为每一个轴提供一个状态字，以保存各轴内部运动状态。 4工作参数的设置和刷新 n主机必须对GM-400设置不同的运动方式及伺服参数，控 制运动轴以期望的方式运动。 nGM-400采用双缓冲机制接收设置的参数和相关的控制命 令。没有接收到主机刷新信号，这些设置的参数和运动 命令都不会生效。只有在接收到刷新命令后，控制器才 将这些参数和命令复制到相应的寄存器中，使其生效。 也就是说，在刷新之前，主机设置到GM-400双缓冲寄存 器中的参数和命令都将不影响系统的运行。 5轴运动错误监测和状态恢复 n在某些情况下，轴的实际位置可能和期望位置相差很大 ，这通常意味着存在一些危险情况，例如电动机故障， 编码器A、B信号接反或断线，机械摩擦太大或机械故障 造成运动轴堵转等。为了能检测这种情况，增强系统的 安全性和延长设备使用寿命，GM-400内部设置了最大位 置误差寄存器。运动控制器在每一个伺服周期都比较最 大位置误差值与实际位置误差值以检测是否出现运动错 误。如果轴的实际位置误差值超过了控制器设置的最大 位置误差值，控制器就认为该轴出现了运动错误。 6轴位置高速捕获 1) 增量式编码器信号的输入 2) 输入信号滤波 3) 系统机械原点的确定 GM-400内部为每个运动轴提供了一个高速位置捕 获寄存器，用来保存外部触发信号动作时运动轴 的实际位置，以便确定系统的机械原点。 7控制器中断 nGM-400运动控制器可通过向主机发出中断请求，使主机 能及时对轴运动过程中出现的事件做出处理。这种中断 方式通常比主机查询控制器的各种状态更为方便和有效 。 n如果某个轴出现上述中断条件，激活中断请求信号，主 机可根据实际情况响应中断，进行适当处理。 n主机完成中断处理后，发出RST_INTRPT指令清除当前 轴的中断请求条件，该命令能带一个清除屏蔽标志参数 ，使下次中断可以发生。 n主机一次只能响应一个轴的中断。 8电动机输出 nGM-400提供两种电动机驱动器接口：10位24.5 kHz PWM输出和16位 DAC输出。 1) PWM输出 n如果选定PWM输出模式，控制器输出给电动机驱动器的信号由幅值和 符号位组成。如果驱动电动机向正方向运转，符号位为高电平；如 果驱动电动机向负方向运转，符号位为低电平。 2) 16位DAC输出模式 n如果选定16位DAC输出模式，对于每个使能轴，控制器将把16位数字 量加载到DAC的指定转换通道中，DAC输出范围为10 V。 5.2.4 机器人的伺服执行机构 n步进电动机 n直流伺服电动机 n交流伺服电动机 一、步进电动机 n步进电动机一般作为开环伺服系 统的执行机构，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。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，即步距角 。 一、步进电动机 n(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。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。 n(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。 n(3) 容易实现位置、速度控制，起、停及正、反转控制方便。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。 n(4) 输出信号为数字信号，可以与计算机直接接口。 n(5) 结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。 一、步进电动机 n步进电动机运动系统主要由步进电动机控制器、 功率放大器及步进电动机组成。硬件步进电动机 控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等 组成。它的作用是把代表转速的脉冲数分配到电 动机的各个绕组上，使电动机按既定的方向和转 速转到相应的位置。随着计算机和软件技术的发 展，硬件步进电动机控制器的功能逐步由软件来 代替。 二、直流伺服电动机 n20世纪80年代以前，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。 n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。在一些具有可燃气体的场合，由于 电刷换向过程中可能引起打火，也不适合使用直流电动机，如井下 作业等。所以近年来，随着交流技术的发展，直流伺服电动机正越 来越多地被交流伺服电动机所取代。然而，在一些中、小功率的场 合，还常使用永磁式直流伺服电动机。 二、直流伺服电动机 n直流伺服电动机广泛使用晶体管脉宽调制(PWM)调速系 统进行调速驱动。晶体管脉宽调制调速系统具有频带宽 ，电动机脉动小，电源功率因数高，动态特性好的优点 。 nPWM是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电 源电压斩成一定频率的方波电压，并加在直流电动机的 电枢上，通