工业机器人技术基础-课件 单元5 操作臂的驱动与控制

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操作臂的驱动与控制5.1关节驱动力矩5.2驱动器5.3位置和速度检测5.4操作臂的控制目录CONTENTS5.1关节驱动力矩单元5

操作臂的驱动与控制一、操作臂驱动系统的组成？多自由度的操作臂包含若干个关节。如图所示，单关节驱动系统由驱动器（包含

电动机和齿轮减速传动系统）和连杆组成。驱动器产生关节驱动力矩，以驱动连杆运动。

5.1关节驱动力矩单元5

操作臂的驱动与控制二、关节驱动力矩的影响因素有哪些？关节驱动力矩操作臂所受到的重力操作臂的加速度操作臂的速度操作臂的质量摩擦力操作臂所处的构型5.1关节驱动力矩单元5

操作臂的驱动与控制二、关节驱动力矩的影响因素有哪些？1.重力矩的影响通常重力矩对关节驱动力矩的影响最为显著，尤其在工业机器人承受较大重力负载

的作业场合，即使当操作臂静止或低速运动时，重力矩也一直存在。

技术实践：完成教材中的操作，分析操作臂的重力矩对关节驱动力矩的影响。。5.1关节驱动力矩单元5

操作臂的驱动与控制二、关节驱动力矩的影响因素有哪些？1.有效载荷的影响有效载荷会影响操作臂的两个动态效果：操作臂末端的质量会增加关节的转动惯量，

从而降低加速度和动态性能；操作臂末端的质量会产生一个需要关节来支撑的重力矩。

技术实践：完成教材中的操作，分析操作臂的重力矩对关节驱动力矩的影响。5.2驱动器

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操作臂的驱动与控制一、驱动器的分类？

操作臂的驱动器电动气动液压5.2驱动器

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操作臂的驱动与控制二、电动机：有刷电机和无刷电机特点？1.有刷电机的工作原理？

有刷电机定子转子换向机构5.2驱动器

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操作臂的驱动与控制二、电动机：有刷电机和无刷电机特点？无刷电机的工作原理？无刷电动机通过外部电子系统实现电流换向。

5.2驱动器

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操作臂的驱动与控制三、齿轮减速传动系统有何作用？齿轮减速比的作用？通常要采用齿轮减速传动系统来降低转速并增大转矩。齿轮减速传动系统的优点是能够大大减小负载的转动惯量对电动机驱动性能的影响，也可减小操作臂构型的变化对运动的影响，这对于提高工业机器人运动的稳定性是非常有利的。齿轮减速传动系统的缺点是会产生非线性效应并增大摩擦力。5.2驱动器

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操作臂的驱动与控制三、齿轮减速传动系统有何作用？2.齿隙的影响？非线性效应是由普通齿轮的轮齿间存在无法消除的间隙（齿隙）造成的，它会降低操作臂运动的稳定性和精度。目前绝大多数工业机器人采用无齿隙的谐波齿轮减速器来消除非线性效应，并获得很大的齿轮减速比。5.2驱动器

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操作臂的驱动与控制三、齿轮减速传动系统有何作用？3.摩擦力的影响？通常由齿轮减速器产生的摩擦力是相当大的。对于大多数由电动机驱动的工业机器人来说，由摩擦力造成的驱动力矩损耗大约相当于操作臂驱动力矩的25%。谐波齿轮减速器运行时因摩擦而产生很大的热损耗，该热损耗可达操作臂驱动力矩的30%。蓄积的大量热量会破坏机构良好的润滑状态，使机构的摩擦力变化很大，影响操作臂运动的精度和稳定性。因此，做好操作臂关节的热维护工作有利于延长操作臂的使用寿命并使其保持良好的工作性能。

5.3位置和速度检测单元5

操作臂的驱动与控制一、位置检测有何作用？如何实现精确的位置检测？所有的工业机器人都采用伺服控制。发送给驱动器的力或力矩指令是根据关节期望位置与检测到的关节实际位置的差值给定的，这就要求每个关节都要有位置检测传感器来检测关节转角的实际位置。通常将位置检测传感器安装在驱动器（电动机）的轴上。如果传动系统保持刚性且没有间隙偏差，就可以根据驱动器轴的位置得到真实的关节转角位置。这种并置的位置检测传感器与传动系统的组合非常便于控制。

5.3位置和速度检测单元5

操作臂的驱动与控制一、位置检测有何作用？如何实现精确的位置检测？光电编码器的工作原理？二进制码盘上沿圆周分布着成对的不透光栅格和透光栅格。LED光源和光电检测器成对布置在码盘的两侧。码盘旋转时，在不透光栅格和透光栅格之间交替，从而产生连续的光脉冲信号，光电检测器把这些光脉冲信号转化成二进制数字信号。检测到的光脉冲的个数即代表码盘的转角位置。5.3位置和速度检测单元5

操作臂的驱动与控制一、位置检测有何作用？如何实现精确的位置检测？光电编码器的工作原理？二进制码盘上沿圆周分布着成对的不透光栅格和透光栅格。LED光源和光电检测器成对布置在码盘的两侧。码盘旋转时，在不透光栅格和透光栅格之间交替，从而产生连续的光脉冲信号，光电检测器把这些光脉冲信号转化成二进制数字信号。检测到的光脉冲的个数即代表码盘的转角位置。5.3位置和速度检测单元5

操作臂的驱动与控制一、位置检测有何作用？如何实现精确的位置检测？2.增量式和绝对式编码器的工作原理？（1）增量式编码器为了检测伺服电动机的转动方向，通常布置两个相位差为90°的光电检测器，转动方向由检测到的两个方波信号的相对相位决定。增量式编码器需要设置一个位置输出特征脉冲，作为计算绝对转角的零位。因此在实际测量前，需要初始化计数器。断电后重新开始检测，编码器就需要重新初始化。采用增量式编码器的工业机器人，通常在其处于初始位置时对编码器进行初始化5.3位置和速度检测单元5

操作臂的驱动与控制

5.3位置和速度检测单元5

操作臂的驱动与控制一、速度检测的工作原理？如何实现精确的速度检测？1.速度检测的工作原理？如图5-14所示，将控制系统的一个采样周期作为脉冲计数间隔，将计数器测得的正比于转速的脉冲频率作为转速信息反馈给控制器。在下一个采样周期内，计数器清空并重新计数，从而获得新的转速信息。

5.3位置和速度检测单元5

操作臂的驱动与控制一、速度检测的工作原理？如何实现精确的速度检测？如何实现精确的速度检测？如图5-15所示，根据转速大小转换速度检测模式。在低转速时，不通过检测脉冲数而通过检测相邻脉冲的时间间隔来提供转速信息；在高转速时，切换到通过检测脉冲数来提供转速信息。

5.4操作臂的控制单元5

操作臂的驱动与控制一、为什么操作臂不采用开环控制？没有采用关节的实际位置和速度参与驱动力矩的计算，所以这种控制方式称为开环控制。实际上很难建立精确的动力学方程来计算所需的关节驱动力矩，操作臂运动过程中不可避免地存在干扰，所以采用开环控制方式并不能达到关节沿着期望轨迹运动的目的。

5.4操作臂的控制单元5

操作臂的驱动与控制二、为什么操作臂采用带有反馈的闭环控制？如图5-17所示，工业机器人都是利用关节传感器的反馈来计算所需关节驱动力矩的。通过比较期望位置和实际位置之差以及期望速度和实际速度之差来计算伺服偏差。控制系统可以根据伺服偏差计算所需的关节驱动力矩，而不需要用动力学方程来进行计算。这种利用反馈的控制系统称为闭环控制系统，其基本思想是通过利用反馈信号计算所需关节驱动力矩来减小乃至消除伺服偏差，达到关节沿期望轨迹运动的目的。

5.4操作臂的控制单元5

操作臂的驱动与控制三、单关节的闭环控制原理？1.单关节操作臂PID控制原理？工业机器人大都把每个关节作为一个独立的控制系统，关节运动互相造成的影响通过补偿控制规律来抑制。如图5-18所示，工业机器人大都利用简单的PID控制规律来实现单关节运动控制，让每个关节精确地跟随各自的关节角度轨迹。

5.4操作臂的控制单元5

操作臂的驱动与控制三、单关节的闭环控制原理？2.单关节操作臂PID控制系统的基本组成？图5-19所示为通常采用的单关节操作臂PID控制系统。一个微控制器（单片机）利

用PID控制规律来控制一个独立关节。微控制器通过光电编码器读取关节当前实际位

置，利用PID控制规律对伺服偏差进行运算，运算结果作为输入电动机的电流信号，电动机根据电流信号输出关节驱动力矩，关节驱动力矩驱动连杆运动以达到实际的关节转角与期望的关节转角相同的目