（机械电子工程专业论文）人机合作机器人零重力操作控制研究.pdf

啥尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 智能辅助设备( i a d ) 是近年来迅速发展起来的新一代人机工程设备。i a d 是一种被动式、可与操作者在一个作业空间实现人机合作作业的特种作业机 械手，其典型代表为人机合作机器人( c o b o t ) 。零重力操作是入机合作机器 人的关键技术之一。 本文介绍了c o b o t 的国内外发展情况，综述了智能辅助设备的研究现状 和发展方向，具体阐述了零重力操作系统的组成、软硬件设计原理及开发过 程。 对三自由度人机合作机器人( c o b o t ) 的结构方案做了选择，进行了作业 空间分析。对零重力操作系统的系统构成、机械本体、驱动方式、模型与仿 真做了详细说明，并设计了操作系统的控制系统。零重力操作控制系统采用 数字式控制方式，依据操作系统的控制要求，设计了基于a v r 单片机a t m e g a l 6 的控制系统硬件电路，其中包括电机驱动电路、力传感器的信号处理电路、 通讯电路等。针对零重力控制策略，采用a v r 汇编语言编制了下位机的软件。 研制了零重力操作实验系统，对软硬件进行了调试，测试了控制系统的 性能。实验证明本课题研究的零重力操作系统工作稳定、控制精度良好、具 有较好的可操作性。 关键词：人机合作机器人；零重力；a v r 单片机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n c ea s s i s td e v i c e ( i a d ) a san e wm a n - m a c h i n ed e v i c eh a sb e e n d e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s 1 a di sap a s s i v es p e c i a lt a s k e dm a n i p u l a t o r , w h i c hc a l lc o o p e r a t ew i t ho p e r a t o r si nt h es a l n ew o r k s p a e e i t sr e p r e s e n t a t i v ei s c o l l a b o r a t i v er o b o t ( c o b o t ) z e r og r a v i t yo p e r a t i o ni so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g y r e s e a r c h e so f c o b o t a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fc o b o ta n dl a d ，t h ec o m p o n e n t , p r i n t i p l e a n dp r o c e s so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fz e r og r a v i t yo p e r a t i o ns y s t e m w e r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r c h o s e nt h ef r a m eo ft h r e e f r e e d o md e g r e ec o b o t ，e a r r i e do u tt h ea n a l y s i so f w o r k s p a c e i n t r o d u c e d t h e c o m p o n e n t , a r c h i t e c t u r ed e s i g n ，d r i v i n gm o d e ， m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fz e r og r a v i t yo p e r a t i o ns y s t e m ，d e s i g n e dt h ec o n t r o l s y s t e m z e r og r a v i t yo p e r a t i o ns y s t e ma d o p t e dt h ed i 西t a lc o n t r o lm o d e i nt e r m o ft h er e q u i r e m e n to fc o n t r o l ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h eh a r d w a r ec i r c u i tb a s i n go n a v rm c ua t m e g a l 6 ，w h i c hm o t o rd r i v i n gc i r c u i t ，s 逗n a l c o l l e c t i n ga n d h a n d l i n gc i m u l to f f o r c es e n s o r ，c o m m u n i c a t i n ge i m u l ta n ds oo n ， a tt h ee n do ft h i s p a p e ri n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n t sw i t hz e r og r a v i t y o p e r a t i o ns y s t e m ，w h i e hh a v et e s t e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h er o b o ta n d v a l i d a t e dt h ep e r f o r m a n c e so fc o n t r o ls y s t e m e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e c o n t r o ls y s t e mo fz e r og r a v i t yo p e r a t i o ns a t i s f i e st h ed e s i g nr e q u e s t ，w h i c hh a s b e t t e rs t a b i l i t y , h i g hc o n t r o l l i n ga c c u r a c ya n dw e l l - o p e r a t i n gc a p a b i l i t ya n ds oo n k e y w o r d s ：c o l l a b o r a t i v er o b o t ；z e r og r a v i t y ；a v rm c u i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：壑, 1 - 垒囊 事 e t 期：加r 年f 月b 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 题目的来源及研究意义 本课题来源于国家自然科学基金项目一一被动式与人合作机器人 ( c o b o t ) 的关键技术研究( 6 0 2 7 5 0 3 0 ) 。 机器人技术作为2 0 世纪人类最伟大的发鹱之一，自6 0 年代初问世以来， 经历4 0 年的发展已取得了长足进步。尤其现代科学技术的迅速发展，机器人 技术的应用几乎扩展到整个工业领域，在工业生产中发挥了巨大作用。作 为人机合作机器人的关键技术研究之零重力操作系统，正是机器人技 术在工业领域的新应用。 在物料搬运作业中。大于l o k g 物体的徒手搬运已经非常困难，而大于 l o k g 的物体的搬运工作在各种生产线上是很常见的。传统的物料搬运设备虽 然在有效性、降低劳动强度等方面具有积极的影响，但作用非常有限。由于 相应反馈及对有效载荷惯性管理的缺乏，导致操作者产生疲劳、紧张，严重 的会导致肌肉、骨骼的紊乱，不仅降低了工作效率，更加伤害了劳动者o “1 。 美国职业安全和健康管理局( o s h a ) 认为，当工作对工作人员的体力要求与 其身体能力之间存在差距时，可能给工作人员造成肌肉损伤( m s d s ) 。主要是 由于工人在一天的工作日内，重复着同样一个动作、从事笨重的劳动、反复 举起、放下沉重的物体以及必须同时应付这些有危险的工作等，就很有可能 发生m s d s 事故。助力设备智能化正是符合这一需求。 智能辅助设备( 1 a d ) 是一种被动式、可与操作者在一个物理空间实现人 机合作作业的特种作业机械手，最具代表性的是c o b o t 。与传统工业机器人 的不同之处在于c o b o t 可以与操作者合作，在同一作业空间内完成预计的工 作任务。因为人有良好的视觉和感觉系统，对工作环境具有很好的判断力， 机器人又可以提供所需的驱动力来减少操作者的疲劳强度，让机器人与人合 作共同完成作业任务，其作业质量和作业效率将得到显著提高，大大改善了 操作者的工作环境。 c o b o t 技术作为智能辅助设备( 1 a d ) 技术中自动化程度最高、最先进、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 最核心的技术，目前在国际上正处于起步阶段，只有美、日、德等少数几个 发达国家拥有这方面的技术，更重要的是它的成本远远低于普通工业机器人， 它的价格优势为打开市场提供了非常有力的条件。 因此，本课题的研究与开发对于扩大机器人的作业范围、提高装配作业 自动化、提高我国机电一体化产品在国际市场的竞争力具有重要意义；与此 同时，也对国民经济的发展、提高机电一体化产品的技术水平做出贡献。 1 2c o b o t 国内外发展概况 现今机器人的应用几乎扩展到整个工业领域，不仅显著地降低了操作者 的劳动强度，而且提高了劳动生产率和产品质量，产生了良好的社会效益和 经济效益。但是对于一些复杂的任务( 复杂的装配或外科手术等工作) ，由于 受机器人的成本和功能的限制，它还不能独立完成所有物料搬运作业。事实 上只能完成很小的一部分作业任务，大量的物料搬运作业仍需要由人来完成 ”1 。以德国的奔驰汽车生产线为例：到目前为止，只在喷漆、铆焊等工位普 遍使用了工业机器人作业，许多的装配作业仍然需要人工借助于专用工具和 助力设备( 助力吊、平衡臂、起重臂等) 来完成。现有的助力设备一般具有 重力提升功能，具有一定的负载能力，没有控制计算机，不具备定位和( 或) 轨迹控制功能。它们的优点是安全、省力，不会因为它的失控对操作者构成 威胁；其缺点是操作困难，需要较大的操作力，难以实现轨迹控制。 1 9 9 5 年美国西北大学的爱德华和迈科尔博士( j e d w a r dc o l g a t e ， m i c h e a la p e s h k i n ) 提出了一种新型与人合作机器人人机合作机器人 ( c o l l a b o r a t i v er o b o t ，简称c o b o t ) “。1 。c o b o t 的外形结构与普通的助力 机械臂( 或者机械手) 相似，不同的是，c o b o t 的关节上虽然也装有电机， 但它并不是用来驱动关节，而是通过不完全约束传动机构约束关节的运动，实 现c o b o t 的轨迹控制。c o b o t 承担物体的重量，计算机通过约束控制系统控 制它的运动轨迹，而运动的动力是由操作者提供的，只有当操作者推动c o b o t 的末端时，它才能运动。c o b o t 在继承了机器人的承载能力强、高精度等特 点的同时，又发挥了人的高智能、视觉及触觉感觉能力、灵活性等特长，不 会因为机器人的失控而伤害操作者。c o b o t 的应用不仅可以减轻操作者的劳 动强度、提高作业效率和作业水平，而且解决了传统工业机器人不能与人在 一个作业空间直接合作作业的问题，能够完成传统工业机器人所不能完成， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 或者难度较大的作业任务，如各种装配生产线、物流传送作业、外科手术等。 c o b o t 的出现，很快就受到美国和西欧科技工作者和企业家的重视。近 年来也取得了一些有价值的成果。德国的弗朗霍费尔研究所受到联邦基金的 资助，从2 0 0 0 年开始了为期三年的关节式c o b o t 的研究工作，在2 0 0 1 年汉 图1 1 基于差动轮系的五杆c o b o t 样机图1 2 工业尺寸的c o b o t t 样机 诺威世界工业博览会上展出了基于 差动轮系的五杆式c o b o t 样机，受 到了同行专家的重视。1 。目前他们 正进行工业尺寸样机的研制。图 1 1 、l _ 2 分别为实验样机和工业尺 寸样机。 2 0 0 0 年i e e e 机器人与自动化 会议，法国科学家介绍了t i m c 实验 室在外科手术应用方面对c o b o t 开 展的研究工作及取得的一些研究成 果“”1 他们使用飞轮机构实现 c o b o t 的关节约束控制，并研制了3 自由度c o b o t 平面样机，如图l _ 3图1 3 基于飞轮机构的c o b o t 样机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所示。 目前，我国还没有见到有关c o b o t 研究成果的报导。我国虽然对c o b o t 开展的研究工作正处于起步阶段，但在机器人技术、不完全约束传动机构、 机器人动力学和运动学方面具有较好的研究基础，完全具备对c o b o t 的研究 能力。 由于c o b o t 可以通过与人合作完成复杂的装配作业任务，它的应用必将 扩大机器人的应用范围，使锝一些如汽车、飞机生产线上仪表盘的装配，大 型武器装备和航空航天设备等复杂装配的自动化水平得到提高。因此，对 c o b o t 的关键技术进行研究，对于掌握该项前沿技术，提高我国机器人技术 水平具有重要意义。 1 3 零重力操作系统的发展概况 由于新材料、新工艺、新设备和以计算机为基础的信息和控制技术的发 展和应用，物料搬运系统的改进已成为国家进一步提高生产率、降低生产成 本和改善人机工作环境十分重要的方面。传统的物料搬运设备( 通常是指辅 助设备，如关节臂、平衡器、提升器和起重机等) 在人机工程学安全性方面 虽然具有积极的影响，但它们在有效性、精确性和安全性方面的作用非常有 限。对于大型物件的搬运装配，不仅工人的劳动强度大、效率低、准确性差， 且会对劳动者造成伤害o “”1 。 助力设各智能化在西方国家已经受 到助力厂商的普遍重视。同时，智能辅助 设备作为一个新兴的产业，近年来在国际 上也取得了飞快的发展。在西方国家，如 意大利、德国、澳大利亚、法国、美国等 国家都有生产大型助力设备的厂家，它们 主要生产用于装配生产线或者其它涉及 物料搬运、传递、打包、码垛等作业的各 种助力机械设备( 助力机械臂或c o b o t ) 。 图1 4 为意大利d a l m e c 公司所生产的p s 系列助力臂在搬运化学药剂1 ；澳大利皿 g o r b e l 公司从1 9 9 9 年开始至今一直从事图1 4d a l m e c 操作者搬运药剂 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 智能辅助设备的研究工作，图1 5 为该公司最新研制的e a s ya r mi n t e l l i g e n t l i f t i n ga r m 在装配生产线灵活搬运物件。“。 图1 5e a s ya r m 搬运零件图1 6d s b 型平衡吊搬运电视集装箱 图1 7 气动平衡吊 图1 8 气控自动平衡器 在积极吸取欧美先进技术和制造经验上，亚洲的物料搬运技术也得到了 飞快发展。韩国的d o n g s u n gi n d u s t r ym a c h i n e 公司，运用气动原理，开发 了d s l 3 0 0 ，d s b 3 0 0 等一系列助力产品( 如图1 6 所示) “。 我i 雪有许多制造商也投入到了智能辅助设备的研制。上海永乾机电有限 哈尔滨工程大学硕士学位论文 公司秉承美国英格索兰公司4 0 余年气动技术的结晶，自行研制出了软索式气 动平衡吊( 如图1 7 ) ，运用气动原理，通过滚轴丝杠将活塞的直线运动转化 为卷轴的转动，带动钢丝绳或链条实现上下运动。配合不同的控制系统，则 可实现多种平衡状态，满足各种不同的应用“”3 。图1 8 为北京罗格科技生 产的臂式气控自动平衡器( r b a 系列) ，它采用全气动控制，适用于一定范围 内的回转、上下运动的移载作业“”。 从以上分析得出，助力设备之所以应用广泛，归纳主要原因是它具有以 下特点： 1 、轻松搬运：“零重力”操作，可完成物料的搬运、装配。 2 、操作筒单：不需要控制按钮，人的动作即为机械的动作指令。刚性结 构，可配备任何形式的夹具系统。 3 、高效安全：人机合作，减少误操作，提高安全保障和工作效率。 4 、应用范围广：从家用电器的生产到工业设备的生产、从汽车的生产到 机车的生产、从化工产品的生产到武器装备的生产都离不开助力设备。 助力设备具有广泛的应用范围和非常大的市场需求，我国的平衡臂、起 重臂性能较西方国家落后，功能相对比较简单，一般只有重力提升功能，很 少具备重力自动平衡功能，操作也比较困难，它们的动作比较慢、笨拙、不 灵敏、难于合作，很难适应需要快速而又准确的工作场合。为改善工人的劳 动条件、降低劳动强度和提高工作效率，助力设备的更新换代已经是大势所 趋“。 1 4 论文主要完成工作 本课题主要研究人机合作机器人中的零重力操作系统的结构设计和控制 系统设计，包括：c o b o t 总体结构方案、零重力操作系统机械本体设计、直 流电机控制系统数学模型及控制系统硬件电路设计等。课题内容具体安排如 下： 一、零重力操作系统 l 、c o b o t 总体结构方案及作业空间分析 2 、零重力操作机械结构本体设计 3 、零重力操作控制系统总体设计 二、控制系统建模、仿真 1 、直流电机数学模型建立 2 、直流伺服控靠器模型建立 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 、仿真分析 三、单片机控制系统软硬件设计 l 、电机p w m 驱动电路设计 2 、单片机控制系统硬件设计 3 、控制软件设计 四、实验 1 、粘滞摩擦的测定 2 、频压转换电路实验 3 、零重力操作控制系统调试 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章零重力操作系统总体方案设计 2 1 引言 一个完整的操作系统，必须包括精密的机械传动系统和高效的电气控制 系统两大部分。这两大部分相互关联并制约和影响着彼此的设计性能和可实 现性。本课题研究的入机合作机器入要求安全、稳定遣完成各项工作任务， 并且要考虑成本低廉，所以在方案设计中必须兼顾系统可靠性和经济性等多 方面的因素。 2 2c o b o t 总体结构方案及作业空间分析 2 2 1 结构方案的选择 工业机器人按照结构坐标特点可分为 直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节 坐标型和s c a r a 坐标型o “2 。根据本课题所 研究的人机合作机器人主要实现对末端的 平面运动轨迹控制，要求具有结构简单，动 作灵活，工作空间大，占地面积小等特点， 所以选择关节型坐标。图2 1 为c o b o t 的结 构原理图：包括两个转动关节，一个上下移 动关节。 2 2 2 水平面工作空间分析 a bp 【1，e_ _ t 1f ：+ _ = 图2 1c o b o t 的结构原理图 此操作系统具有三个自由度( 两个平面转动，一个垂直方向移动) ，两个 平面转动( 大臂关节和小臂关节) 用来形成水平面的运动轨迹，每个关节转角 范围为1 8 0 。，两转臂长分别为0 8 米。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如图2 2 所示，设大臂关节坐标点 为a ( o ，0 ) ，小臂关节坐标点为 b ( 瓦，k ) ，末端坐标点为p ( x ，耳) ， 以a b 所在直线作为x 轴建立相对坐标， 令： l 。= a b = o 8 m l 2 = b p = 0 8 m z b a x = q 1 z x b p = q 2 根据以上相对坐标与绝对坐标的关 系建立运动学方程式： x p = 厶c o s q l + l 2s i n ( q t + 9 2 ) y p 图2 2c o b o t 的平面分析图 ( 2 一1 ) 匕= l ls i n q l c o s ( q 1 + q 2 ) ( 2 2 ) 式中：一9 0 。s g 。9 0 。 0 0 兰q 2 1 8 0 。 根据运动学方程式( 2 一1 ) 和( 2 2 ) ，得到基于1 d a t l a b 的水平面作业 空间图( 如图2 3 所示) 。 图2 3 基于m a t l a b 水平面工作空间 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 零重力操作系统 2 3 1 总体构成 考虑到系统的通用性和操作的简便性，零重力操作系统的系统总体构成 如图2 4 所示。 图2 4 零重力操作系统图 “零重力”操作系统具有平衡物料重力的功能，将重物浮在空中，操作 者可轻松、方便地对重物实现各种要求的搬运、装配和特殊定位工作。图2 4 是零重力操作系统原理图，由直流伺服电机、光电编码器、减速器、滚筒、 操作把手( 安装有力传感器) 组成。通过安装在操作把手上的力传感器测得 人对负载施加的力，根据所测力大小对电机施不同电压，电机驱动滚筒，带 动驱动绳上下移动来提升物料或工件，实现零重力操作。为防止断电时因物 料的重力作用反向驱动滚筒转动，要求减速器具有止逆功能。 零重力操作控制系统与普通的重力提升系统有很大的区别，普通的重力 提升系统也有类似于图2 4 重力平衡系统的结构，但升降速度是固定的，操 作者通过按动上升和下降两个按钮实现升降操作。其缺点之一是操作比较繁 琐，负载启动和停止瞬间会产生冲击，要求操作者有良好的操作技能：缺点 之二是采用开环继电器控制，定位精度很低。 2 3 2 驱动方式 驱动部分是一个系统的重要组成部分，目前大多数平衡吊、助力臂所采 用的驱动方式有电气驱动、气压驱动和液压驱动。 i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 液压驱动系统是以油液的压力来驱动执行机构的。液压驱动系统的优点 是驱动平稳、系统的固有效率高、速度反应快，并且液压驱动调速比较简单， 能在大范国内实现无级调速；缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位 精度，而且会污染环境；对密封装置要求严格、体积大、成本高。液压驱动 多用于要求输出力大，运动速度较低的场合。 气压驱动系统是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的。通常使用空 气压缩机作为动力源。气压驱动的优点是结构简单、污染小、成本低；缺点 是工作速度的稳定性差、装置体积大、定位精度不高。气压驱动多用于易燃、 易爆和灰尘大的场合。 电气驱动是利用各种电机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动 执行机构运动。由于电子技术的发展，在信号和信号处理上，电气驱动相当 成熟，而且在世界任何地方都可以获得电源。由于具有易于控制、运动精度 高、使用方便、驱动效率高、不污染环境等诸多优点。同时由于伺服电机的 进步，电机的大小和重量也大大减小，因而对于零重力操作系统的驱动来说， 选用电气驱动比采用其它的驱动方式具有更多的优越性。因此本文采用直流 伺服电机作为驱动源。 2 3 3 传感器的选择 传感器是零重力操作系统中重要的反馈元件。由于在零重力操作过程中， 需时刻检测人加在操作把手上的力用以实现零重力操作，所以传感器的选择 非常重要。考虑到零重力操作系统只是使负载产生竖直方向位移，人加在传 感器上的拉、压力较小，因此选用哈尔滨4 9 所生产的一维力传感器。传感器 的性能指标如下： 输出信号电压：士5 v 激励电压：1 2 v 最大负荷t 5 k g 2 3 4 结构设计 1 、电机、减速器的选择 根据零重力操作系统的性能指标，操作系统最大可以带动3 0 k g 的负载作 空间运动，考虑系统末端有2 0 k g 的升降机构，所以接体负载m = 5 0 k g 。根据人 参与作业时的实际情况，假定操作系统末端最大线速度v = o 5 m s ，启动时间 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t = l s ，则有： 负载转矩：只= 9 8 5 0 o 0 6 = 2 9 4 n - m 惯性力矩：t = 9 8 5 0 0 0 6 = 2 9 4 n m 取滚筒半径为6 0t 砌，则滚筒转速： 以g 懈= 夏淼= 7 9 6 r p m 由于伺服电机是高转速、低扭矩的驱动部件，因此电机输出要经过减速 器进行减速，才能达到所需转速和转矩的要求。初选i = 3 0 ：i ，考虑传动机 构效率玎= 5 0 ，则所需电机应具有如下特性： 工作转速： 珂一= n g 一i = 7 9 6 3 0 = 2 3 8 8 r p m 工作瓶= 南= 淼删 启动黼= 等= 羔_ 3 9 2 n m 根据所需驱动力矩和结构要求，驱动电机初选上海瑞克科技发展有限公 司的1 0 2 s y x - 0 1 式直流伺服电机。其参数如表2 1 所示： 表2 11 0 2 s y x - 0 1 型直流伺服电机参数 额定转矩( n m ) 0 8 峰值堵转转矩( n m ) 6 4 额定电压( v ) 4 8 额定转速( r p m ) 3 0 0 0 额定功率( k w ) 0 2 5 减速器选用上海和美传动机械有限公司生产的n m r w 0 5 0 蜗轮蜗杆减速 器，其性能指标如下： 额定输出转矩：3 6 4 n m 减速比：3 0 根据电机特性参数，可以做出电机的工作特性曲线如图2 5 所示。图中 a 点为工作点，其位置表明所选电机的转速、转矩满足设计要求。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 n ( 图2 5 电机工作特性曲线 2 、结构设计 零重力操作系统在实际操作时，要求人能够平稳、轻便、安全的搬运重 物，因此在结构设计时，考虑到经济实用和简单方便等因素，本课题中的减 速装置使用带有自锁功能的减速器一蜗轮蜗杆减速器( 当蜗轮蜗杆减速器 蜗杆的螺旋升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁特性) ，防止 断电后因为负载重力的作用而使系统逆行运动。负载的升降运动采用滚筒缠 绕钢丝绳机构。 系统传动部分机械结构如图2 6 所示。电机通过柔性连轴结与法兰( 1 ) 连接，减速器的输出轴与滚筒之间采用键( 1 0 ) 连接，使滚筒与减速器作同 1 法兰2 平键3 螺母4 垫圈5 轴6 减速器 7 滚筒8 螺母9 垫圈1 0 平键1 1 锁孔 图2 6 传动装置结构图 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 轴运动，滚筒边缘的锁孔( 1 1 ) 用于固定钢丝绳的一端在滚筒上。真流电机 经过减速器( 6 ) 驱动滚筒( 7 ) ，将电机的旋转运动转化为负载的升降运动。 3 、性能指标 根据设计要求， 最大提升重力： 最大提升速度： 最大加速度： 零重力操作系统的主要性能参数和结果参数如下： f = 3 0 0 n v = 0 5 m s = l o n g s 2 2 4 零重力操作控制系统总体设计 2 4 1 控制方式的选择 实现零重力操作系统的速度伺服控制可以有两种控制方法：模拟式控制 和数字式控制。两种控制系统的硬件原理如图2 7 和图2 8 所示。 w i a x o n 伺服 控制 器 图2 7 模拟式控制系统 两种控制方法的区别在于控制器实现方式的不同：模拟式控制方法的控 制器由模拟电路来实现，控制器的结构形式是固定的，只能在一定范围内调 整控制器的参数，其技术成熟，工作可靠，可以买到现成的产品，如m a x o n 公司生产的伺服控制器：数字式控制方法的控制器由计算机程序来实现，控 制器的结构形式可以通过改编程序来改变，控制器的参数和控制算法可以根 据用户需要来调整和选择，需要进行软件开发，工作量较大。“。由于本课 题对重物提升系统的工作性能要求较高，要实现控制的智能化，简单的伺服 控制已不能满足使用要求，优先选用数字控制。根据系统结构并考虑成本， 采用单片机控制就可以满足使用要求。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 2 控制系统的工作原理 图2 8 所示的数字式控制系统的原理为：采用直流电机速度闭环伺服系 统，升降指令来自于装在操作把手上的力传感器，当操作者搬动操作把手产 生上下运动趋势时，力传感器输出信号通过a d 转换接口送给单片机系统， 作为输入指令，单片机根据力信号的大小控制电机输出相应的转速，控制物 料随操作者的运动趋势而运动。当操作者停止搬动操作把手时，力传感器的 输出信号为零，电机停止运动。由于传感器的灵敏度比较高，只需要很小的 操作力即可产生所需要的力信号，操作者感受不到被提升物料的重力，可以 很轻便地实现物料的升降控制，因此称为零重力操作。 1 竺量竺竺h 量 片 机 研 2 5 本章小结 图2 8 数字式控制系统 本章在对人机合作机器人坐标形式做出选择的基础上，建立了运动学方 程，并基于m a t l a b 给出了水平面作业空间轨迹；详细介绍了零重力操作系统 的机构组成及工作原理，确定了操作系统的控制方式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章控制系统建模与仿真 系统模型是对实际系统的一种描述，好的模型能够更深刻地反映实际系 统的主要特征和运动规律。本章将在介绍直流电机数学模型的基础上，详细 的介绍零重力操作系统的建模与仿真。 3 2 系统组成 零重力操作系统为单电机伺服控制系统( 编码器、电机、减速器及负载) ， 通过安装在操作把手上的力传感器测得人对负载施加的力，根据所测力大小 对电机施加不同的电压，电机的输出经过减速器，驱动负载实现升降运动。 编码器( e n c o d e r ) 与电机同轴连接，测量电机的转速作为系统的反馈。零重力 操作系统的简化模型如图3 1 所示。图中山、钆分别为电机( m o t o r ) 转子转动惯量、电磁转矩和转速；l 为摩擦转矩，曰代表粘滞摩擦( 与电机 转子角速度成正比) 系数；t 、j 。代表负载( 1 0 a d ) 转矩及负载转动惯量；i 代 表减速器的减速比( i = 3 0 ) 。模型中忽略刚度的影响，认为传动机构是刚性 的。 图3 1 驱动系统原理图 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 直流电机模型 3 。3 。1 数学模型 1 、电枢电压平衡方程： i o ( 伽。州u 卅厶警叱 ( 3 _ 1 ) 式中：以( f ) 感生电动势，乩( r ) = e o j ( t ) ，v l 8 ) 直流电机电枢电流，a ( d 电动机的角速度，r a d s 只电枢电阻 工。电枢电感 c 。电势常数 2 、电磁转矩方程： ( o = c m a , 1 0 ( t ) = k ，1 0 ( t ) ( 3 - - 2 ) 式中：( f ) 电磁转矩，n m c 0 ，k ，电动机的转矩常数 o 磁通，w b 3 、电机的总阻转矩中与转子角度成线性关系的那部分转矩被称为粘滞摩 擦分量或者称为粘滞阻尼分量，将其从摩擦转矩中分开，则电机的转矩平衡 方程式为： 靴) = o + 瓦+ j 掣+ b 删 ( 3 吲 式中：t ，尘掣惯性转矩，n m 讲 j 折算到电机输出轴的转动惯量，k g - m 2 瓦负载转矩，n m l 摩擦转矩，n m 口粘滞摩擦系数 联立方程式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 3 ) ，在零初始条件下，进行拉氏变换，得 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 到直流电机的数学模型： ( s ) = 墨l ( s ) ( s ) = 0 + 瓦+ j s a ) ( s ) + b o ( s ) u 。( s ) = e ( s ) 虬( j ) = 乞s l 。( j ) + o ( s ) r + 玑( s ) 图3 2 是基于m a t l a b 的电机仿真模型。 ( 3 4 ) 图3 2 电机仿真模型 选用的1 0 2 s y x - 0 1 型伺服电机参数如下： 兄= 0 4 1 1 2 也= 2 m h j u = 3 1 1 0 k g - m 2 c c = c = o 1 5 2 占= 4 l o 一5 4 、被控对象参数折算 蜗轮蜗杆减速器蜗杆相对于输出轴的转动惯量 如= 1 6 8 5 6 x 1 0 k g m 2 滚筒相对于减速器输出轴的转动惯量： 厶筒= 0 9 4 9 x 1 0 k g i t l 2 升降机构及负载相对于滚筒轴的转动惯量： j 机构。7 2 x1 0 2 k g m 2 减速器的减速比i = 3 0 ，所以折算到电机输出轴的总的转动惯量： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ，；厶+ ( + j 最倚+ j 规梅) = 1 1 2 8 1 0 4 埏m 2 3 3 2 直流电机p w m 调速原理 在直流伺服系统中，功率放大器由于提供驱动电动机所需要的电压和电 流，起着极为重要的作用。目前广泛采用的直流伺服电动机的晶体管驱动电 路有线性直流伺服放大器和脉宽调制放大器( p w m ) 。线性直流伺服放大器通 常由线性放大元件和功率输出级组成，它的输出电流比例于控制信号。这类 放大器相对比较简单，并且具有比较宽的带宽，但是从其具有的特性来说， 输出晶体管功耗大导致工作效率低，所以在传递大功率时，不太适合。现在 常采用的一种功放是脉宽调制放大器( p w m ) ，其基本原理是：利用大功率晶 体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，加在直流电 动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，来改变电枢的平均电压，从而 调节电动机的转速。在脉宽调制放大器中，晶体管如同开关一样，总是处于 接通和断开的状态。在晶体管处在接通状态时，其上的压降可以略去；当晶 体管处在断开状态时，其上压降很大，但是电流为零，不论通断，输出晶体 管中的功耗都很小。这种放大器适合于大系统，特别是低速、大转矩的系统 2 s 2 6 2 7 】 o p w m 放大器有三种工作模式：双向、单向和有限单向。由于需要进行换 向运动，所以在零重力操作系统中采用双向式p 州放大器( 如图3 3 所示) 。 其工作特性如表3 1 所示。图( b ) 为双向式p 佣放大器的电压输出波形，当 正脉冲教宽时，平均电压为正，电动机正转：当正脉冲教窄时，平均电压为 负，电动机反转：如果正负脉冲宽度相等，平均电压为零，则电动机停止。 表3 1 双向式p 硼工作特性 “导通”相位时间“开断”相位时间 t 1 、t 4 导通t 2 、t 3 导通 t 2 、t 3 开断t 1 、t 4 开断 u a b = u su a b = - u s 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u u s - u s 图3 3 双向式p w m 原理图及输出电压波形 3 4 摩擦力模型及分析 理论上摩擦力一般分为三类：粘滞摩擦力、库仑摩擦力和静摩擦力。粘 滞摩擦力是和物体运动速度成正比的摩擦力；库伦摩擦力( 动摩擦力) 是物 体运动时接触面对物体产生的阻力( 矩) ；静摩擦力是相互接触物体间有运动 趋势但仍处于静止时所呈现的摩擦阻力。由于动、静摩擦系数的不一致，不 仅影响系统的精度，而且还会使系统稳定性降低，产生低速爬行。因此，在 系统仿真分析时，必须全面考虑动、静摩擦力( 矩) 的影响。 在实际系统中，上述三种摩擦力是同时存在的。系统仿真时，由于粘滞 摩擦力矩与负载速度成正比，因而在电机模型中已经考虑，而对于动、静摩 擦力矩，通常把两者作为常值加入到系统中。静摩擦力矩和库仑摩擦力矩虽 然是系统负载的一部分，但又不同于系统负载，系统有运动趋势时就会又静 摩擦力，而且随着驱动力矩的增加而增大。当电机输出力矩小于系统最大 静摩擦力矩时，摩擦力矩等于，方向相反，加到负载上的实际驱动力矩为 零，系统相对静止不动：当电机输出力矩大于最大静摩擦力矩时，系统产 生相对运动，静摩擦力矩转换为库伦摩擦力矩，系统的驱动力矩为与库仑 摩擦力矩之差。库仑摩擦力矩与负载运动速度方向相反啪”1 。根据静摩擦力 矩和库仑摩擦力矩的上述特性，可总结如下表达式： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ，f 一 。，2 1 一s 劬( 国) 瓦 i r ”l - 时，静摩擦力矩达到最大值c ，负载开始运动，最 大静摩擦力矩( 瓦= o 3 2 ) 被库仑摩擦力矩( 疋= o 2 4 ) 所代替，此时负载转 速m 开始由零逐渐增加。 3 5 系统校正及仿真 3 5 1 校正前系统开环特性 根据电机及其系统组成各部分的实际参数，带入到校正前系统仿真方框 图3 6 ，得出当给系统额定电压、额定负载( 考虑摩擦力为常值负载) 时， 2 i 啥尔滨工程大学硕士学位论文 系统的开环阶跃响应曲线如图3 7 所示。 0 日 d 7 0 6 0 5 育 1 ￥04 口3 0 2 0 1 图3 6 校正前系统方框图 l 00 10 20 3 0 4 t 忙) 0 5 0 607。日 。 图3 7 校正前系统阶跃响应 由图3 7 可知：系统响应时间较快，但超调量很大( 2 2 4 ) ，稳定后负 载末端速度可达到0 5 8 m s ，验证了所选电机满足系统最大速度和最大加速 度要求。 3 5 2p i d 校正 根据零重力操作系统工作原理，要求人在搬运重物的过程中，重物的运 动趋势由人来控制，速度冲击小，运行平稳。因此，需要对电机进行速度闭 环控制，控制器采用最普遍的控制算法p i d 呻“。p i d 参数的选择经过长期操 作经验的总结己具有一定的原则： 1 、比例环节p 比例环节实际上是一个具有可调增益的放大器。加大控制器增益k ，可 以提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，从而提高系统的控制精度，但 哈尔滨工程大学硕士学位论文 影响系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。因此，在系统校正 设计中，很少单独使用比例控制。 2 、微分环节i 微分环节有助于增加系统的稳定性，微分控制只在瞬态过程有效。就改 善系统的控制性能来说，只有比例加微分控制才能奏效，其主要作用是增加 控制系统的阻尼比，在保证系统具有一定的相对稳定性要求下，容许采用较 大的增益，减小稳态误差。 3 、积分环节d 积分环节可以提高系统的无差度，有利于系统稳态性能的提高。但积分 使控制系统增加了一个位于原点的开环极点，对系统的稳定性不利。因此， 在系统校正设计中，也不宣采用单一的积分环节。 由图3 2 可知，直流电机速度闭环系统的传递函数没有积分环节，存在 稳态速度误差，宜采用p i 控制，即取偏差的比例( p ) 和积分( i ) 的组合控 制。同时发挥比例积分控制可以提高响应速度、积分控制可以消除偏差的优 点，可以获得比较好的控制效果。图3 8 所示为加入p i 调节器后的系统仿真 模型。取调节器参数石，= o o l ，k ，：6 。 图3 8 系统p i d 校正仿真方框图 图3 9 、3 1 0 和3 1 1 为系统无负载和取不同负载时的速度仿真曲线。由 曲线可知，负载变化对系统输出速度变化小，说盼校正后系统有较好的速度 刚度。另外，系统速度输出在0 1 5 s 时进入稳态，满足速度响应要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ， 卜 卜 j 图3 9 无负载时速度响应曲线图3 1 0l o k g 负载时速度响应曲线 i z 图3 1 12 0 k g 负载时速度响应曲线 3 5 3 直流电机的饱和特性 ， f l 2 oo ”0 3 0 4 l 矿5 0 6 ” 图3 1 2 饱和环节对系统的影响 直流电动机的最大输出功率是确定的，其最大输出功率由最大输出电压 来限定。实际系统的电枢电压来自于控制器的输出和功率驱动器的输出，因 此，必须对控制器的输出或者对驱动电源的电压做出限制。 本系统对电机的电枢电压进行饱和限制，上、下限为4 8 v ，如图3 1 2 所示。图中曲线l 、2 是输入为0 7 m s 阶跃信号，没有考虑饱和限制和考虑 饱和限制的速度输出曲线。由图可见，不加饱和限制，系统输出没有超调量； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 加入饱和限制后，系统出现了5 2 的超调量。可见，考虑饱和限制后的响应 特性有些变差。 3 5 4 摩擦力模型对系统影响的仿真分析 根据上面所分析的摩擦力模型，加到校正后的系统仿真模型中，得到如 图3 1 3 所示的仿真方框图。对将系统的摩擦力矩当作常值负载直接加到系统 中和考虑摩擦力矩非线性特性加到系统中的两种系统仿真模型分别进行仿 真，得出两种仿真模型的仿真曲线如图3 1 4 所示。 图3 1 3 考虑摩擦力模型的系统仿真方框图 图3 1 4 中的曲线2 是把摩 擦力矩作为常值负载时的仿真 曲线，曲线1 是全面考虑动、静 摩擦力矩影响的仿真曲线。两种 仿真的输入信号都取斜坡信号， 对于曲线2 ，由于把摩擦力矩作 为常值加入系统中，当电机输出 转矩小于摩擦力矩时，使得在起 始阶段输出转速产生了一个负 跃变，相当于摩擦力矩带动电机 运动，这显然是与实际情况是不 相符的；其跃变缘由，是由于动、 图3 1 4 仿真模型的仿真曲线 静摩擦力矩之间转换时不同的摩擦系数造成摩擦力矩的突变。当系统开始运 动时，这种突变使系统突然加速运动，因而使输出转速会产生跃变，但随着 转速的增加，通过速度闭环控制，输出信号开始跟踪输入信号。这也说明摩 哈尔滨工程大学硕士学位论文 擦非线性主要对系统的启动阶段产生影响。 3 5 5 系统仿真 综合上述各个环节的分析得出零重力操作系统的仿真方框图如图3 1 5 所示，图3 1 6 、3 1 7 和3 1 8 为不同负载时的仿真曲线。可以看出，当给系 统加不同负载时，系统的阶越响应几乎没有变化，但是，由于考虑动、静摩 擦力及蜗轮蜗杆减速器自锁现象使得实际系统中负载力矩所呈现的非线性特 性