机器人的控制系统PPT学习教案

1、会计学1 机器人的控制系统机器人的控制系统 第1页/共52页 第2页/共52页 第3页/共52页 第4页/共52页 第5页/共52页 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-为比例系数 第6页/共52页 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

2、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7页/共52页 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8页/共52页

3、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9页/共52页 o5.1.2 机器人内部传感器机器人内部传感器 图图5.3 绝对式编码器码盘绝对式编码器码盘 第10页/共52页

4、 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 000000000811001000 100010001911011001 2001100101011111010 3001000111111101011 4011001001210101100 5011101011310111101 6010101101410011110 7010001111510001111 第11页/共52页 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

5、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，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12页/共52页 图图5.4 增量式编码器的工作原理增量式编码器的工作原理 2.2 增量式光电编码器增量式光电编码器 增量式光电

6、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/r、2500P/r、 3000P/r、20000 P/r、 25000 P/r及30000 P/r等。 第13页/共52页 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

7、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数字式两种。 第14页/共52页 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

8、负载尽可能小且保持负载性质不变。 第15页/共52页 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16页/共52页 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17页/共52页 第18页/共52页 图5.7 模拟方式的增量式编码盘测速 第19页/共52页 图5.8 时间增量测量电路 t 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 ，则编码器在该时间内的平均转速为

9、 (5.8) 第20页/共52页 第21页/共52页 第22页/共52页 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 T 12345678 W W W W W W W WW (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 1 13172 21253 323436384 44485 52566 616365677 8 000000 000000 0000 000000 000000 0000 x y z x y z W kkWF kkWF kkkkWF kkWM kkWM kkkkWM W F (5.10) 第23页/共52页 第24页/共52页

10、 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25页/共52页 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26页/共52页 3超声波传感器 超

11、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，则被测距离L为： 第27页/共52页 第28页/共52页 第29页/共52页 第30页/共52页 第31页/共52页 第32页/共52页 第33页/共52页 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LM62

12、8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，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。 RD 第34页/共52页 RD 二、LM628的特点

13、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35页/共52页 RD 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

14、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。 第36页/共52页 RD 图5.16 基于LM628的最小系统 第37页/共52页 第38页/共52页 RD 图5.17 采用四轴运动控制器组成的控制系统框图 第39页/共52页 第40页/共52页 图5.18 GM-400运动控制器的原理框图 第41页/共52页 第42页/共52页 第43页/共52页 第44页/共52页 第45页/共52页 第46页/共52页 第47页/共52页 第48页/共52页 第49页/共52页 第50页/共52页 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