机器人控制系统

1、工业机器人电气控制系统,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：坐标变换、运动学正逆问题、惯性力等影响,2) 机器人控制系统是多变量自动控制系统：机器人至少3-5个自由度，每个自由度一个伺服机构，这些独立的伺服系统有机地协调起来，完成期望动作 3) 机器人控制系统是非线性的控制系统：描述机器人状态和运动的数学模型随状态和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还 存在耦合，经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法 4) 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，因而存在 一个“最优”的问题。智能机器人可以根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工

2、况，自动地选择最佳的控制规律,5.1.1机器人控制特点,二、机器人的控制方式 、按有无反馈信号 开环控制：利用机械装置 闭环控制：利用传感器信号 、按控制目标对象 I、位置控制 点位控制：要求准确地控制机器人末端执行器的工作位置，而路径却无关紧要，如在印刷电路板上安插元件、点焊、装配等工作。 连续轨迹控制：要求机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运行，如弧焊、喷漆、抛光等作业。 II、力控制：输入量、反馈信号为力（力矩）信号，控制与位置控制基本相同。 III、其它控制：基于传感器的控制、非线形控制、分解加速度控制、滑模控制、最优控制、自适应控制、递阶控制及各种智能控制。,5.1.1机器人控制特

3、点,三、主要控制变量 对一台机器人的控制，本质上就是对下列双向方程式的控制：,其中： 为末端执行装置的状态，包括位置、姿态和开闭状态等,为关节变量,为作用在各关节上的力矩矢量,为各传动电动机的力矩矢量，经过变送器送到各个关节,为施加在电动机上的电流或电压矢量,至,5.1.1机器人控制特点,四、 机器人控制层级 、第一级：人工智能级 （最高级）处于研究阶段 问题：词汇和自然语言理解、规划、任务描述，构造 、第二级：控制模式级 建立 之间的双向关系，可建立四种模型： 问题：I、无法知道如何正确地建立各连接部分的机械误差，如干摩擦和关节的扰性等。 II、即使能够考虑这些误差，但其模型将包含数以千计的

4、参数，而且处理机将无法以适当的速度执行所有必须的在线操作。 III、控制对模型变换的响应：模型越复杂，对模型的变换就越困难，尤其是模型具有非线性时，困难将更大。,关节式机械系统的机器人模型,任务空间内的关节变量与被控制值间的关系模型,实际空间内的 机器人模型,传动装置模型,5.1.1机器人控制特点,、第三级：伺服系统级 研究机器人的一般实际问题 解决下列问题： 系统组成：伺服执行元件（电动机）、伺服运动控制器、伺服驱动器（功率放大器）、运动特性（位置、速度、加速度）检测元件 主要类型：数字控制伺服系统 基本控制算法：PID控制器，原理简单、易于实现、鲁棒性强、适应面广,5.1.1机器人控制特点

5、,四、 机器人控制原则,5.1.1机器人控制特点,机器人的伺服控制系统：机构简单、机械强度高、速度快 液压缸伺服传动系统,电液压伺服控制系统,5.1.1机器人控制特点,机器人的伺服控制系统,5.1.1机器人控制特点,直流传动系统的建模 传递函数与等效方框图 励磁控制,J总转动惯量,F总粘滞摩擦系数,K总反馈系数,一、位置控制,5.1.2 控制方法,假设K=0, 则,励磁控制（续）,电枢控制,5.1.2 控制方法,电枢控制（续）,假设K=0, 则,5.1.2 控制方法,励磁控制下的电机转速调整,5.1.2 控制方法,基于直角坐标的PID控制,5.1.2 控制方法,在PID控制的名称中，P指pro

6、portional(比例），I指integral（积分），D指derivative（微分），这意味着可利用偏差，偏差的积分值，偏差的微分值来控制。,如果用e=(r-y)表示偏差，则PID控制变为：,离散形式为,PID控制器的三个参数有不同的控制作用。,（3）微分控制D规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输入信号的噪声很敏感。,（1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡；,（2）积分控制器I能消除或减弱稳态偏差，但它的存

7、在会使系统到达稳态的时间变长，限制系统的快速性；,5.1.2 控制方法,单关节位置控制器 单关节位置控制器的基本控制结构,5.1.2 控制方法,二、速度控制,分解运动的速度控制 机器人运动的控制实际上是通过各轴伺服系统分别控制来实现的 分解运动的速度控制要求各伺服系统的驱动器以不同的分速度同时联合运行，能保证机器人末端执行器沿笛卡儿坐标轴稳定地运行 。控制时先把末端执行器期望的笛卡儿位姿分解为各关节的期望速度，然后再对各关节进行伺服控制,将机器人末端的运动分解为各关节的运动,由,求出,5.1.2 控制方法,三、力控制 力控制就是把力偏差信号加至位置伺服环。 对于如下轴孔装配的作业任务：若装配误

8、差在公差范围以外，位置控制则无法完成正常装配，此时机器人如果能检测到手爪的受力情况，主动或被动地调整位置从而完成作业 通常力控制和位置控制一起构成位置/力混合控制或速度/力混合控制，将力偏差信号送至控制器的位置伺服环和速度伺服环,以便适应因作业结构而产生的位置约束。,5.1.2 控制方法,、被动柔顺方式：利用机械装置（弹簧、低横向刚度结构）自身的弹性来避免作业过程中的堵塞与咬合等情况发生，使柔顺中心移至工件末端（柔顺中 心：若力施与该点，则产生纯平移；若纯力矩施与该点，则产生纯旋转） 特点：结构简单、反应灵敏、但位姿调整范围有限 、主动柔顺方式：根据运行过程中的实际约束情况，调整机器人的结构应

9、力，从而通过改变刚性来适应变化作业过程。,J 为机械手末端执行装置的雅可比矩阵；Kp 为定义于末端笛卡儿坐标系的刚性对角矩阵 （刚度），其元素由人为确定。将任务空间力变换为关节力矩矢量。 如果希望在某个方向上遇到实际约束，那么这个方向的刚性应当降低，以保证有较低的结构应力；反之，在某些不希望碰到实际约束的方向上，应加大刚性，这样可使机械手紧紧跟随期望轨迹。 于是就能够通过改变刚性来适应变化的作业要求。,三、力控制,5.1.2 控制方法,5.2 机器人控制系统的基本结构,机器人单元技术特点及先进性 机器人控制系统的基本结构 工业机器人控制系统构成方案比较分析,机器人单元技术特点及先进性,机器人控

10、制系统的基本结构,从基本机构上看一个典型的机器人电气控制系统，主要由上位计算机、运动控制器、驱动器、电动机、执行机构和反馈装置构成。,工业机器人控制系统构成方案比较,基于PLC的运动控制 基于PC+运动控制卡的运动控制 纯PC机控制,工业机器人控制系统构成方案比较,基于PLC的运动控制,PLC进行运动控制有两种： 1、利用PLC的某些输出端口使用脉冲输出指令来产生脉冲驱动电机，同时使用通用I/O或者计数部件来实现电机的闭环位置控制; 2、使用PLC外部扩展的位置模块来进行电机的闭环位置控制,工业机器人控制系统构成方案比较,基于PLC的运动控制,工业机器人控制系统构成方案比较,基于PC+运动控制

11、卡的运动控制,工业机器人控制系统构成方案比较,单纯的PC控制,完全采用PC机的全软件形式的机器人系统。在高性能工业PC和嵌入式PC（配备专为工业应用而开发的主板）的硬件平台上，可通过软件程序实现PLC和运动控制等功能，实现机器人需要的逻辑控制和运动控制。 在通过高速的工业总线进行PC与驱动器的实时通讯，显著的提高机器人的生产效率和灵活性。不过，在提供灵活的应用平台的同时，也大大提高了开发难度和延长了开发周期。由于其结构的先进性这种结构代表了未来机器人控制结构的发展方向。,5.3 关键组成部件,电机及编码器 伺服驱动器 运动控制卡,5.3 机器人控制系统关键组成部件,电机及编码器 电机是机器人系

12、统的一个重要组成部分，同时又要靠电机驱动被控对象，是机器人系统与被控对象相联系的一个关键部件。 作为伺服系统的执行元件，应能方便地实现连续地、平滑地、可逆(正、反向)调速，对控制信号反应快捷，才能保证整个系统带动被控对象按所需要的规律运动。,应用电机的分类,步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机,5.3 机器人控制系统关键组成部件,步进电机,步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。每当输入一个电脉冲，电机将转动一个角度前进一步。脉冲一个个输入，电机便一步一步转动，“步进电机”即由此得名。 步进电机的特点： 1、一般步进电机的精度为步距角的3-5%; 2、步进电机外表

13、允许的最高温度为摄氏80-90度; 3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降; 4、步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列的优点，步进电机常被广泛应用于开环结构、精度要求不十分高的机电一体化系统中。,5.3 机器人控制系统关键组成部件,直流伺服电机,直流伺服电机伺服系统中使用最早也是应用最广的执行元件。它具有良好的启动、制动、机械特性和调速特性，可方便地在宽范围内实现平滑的调速。 有如下特点：（1）稳定性好；（2）可控性好；（3）响应迅速；（4）控制功率低，损耗小；,直流伺服电机的缺点是： 有换向器和电刷之间的

14、滑动接触，接触电阻的变化会是工作性能的稳定性受到影响； 电刷下的火花使换向器需要经常维护，使其不能在易爆炸的地方使用，且产生无线干扰，又因控制电源是直流，使得放大元件变得复杂。,5.3 机器人控制系统关键组成部件,交流伺服电机,主要优点： 机械特性比较硬连续工作区范围更大；，无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低； 定子绕组散热比较方便； 惯量小，易于提高系统的快速性； 适应于高速大力矩工作状态； 同功率下有较小的体积和重量,5.3 机器人控制系统关键组成部件,编码器,闭环控制是提高运动控制系统运动精度的重要手段，而位置检测传感器则是构成闭环控制必不可少的重要元件。 位置检测传感器对

15、控制对象的实际位置进行检测，并将位置信息传送给运动控制器，由运动控制器根据控制对象的实际值调整输出信号。常用的位置传感器有电位器、编码器、光栅尺、差动变压器、旋转变压器等。 以输出信号来分，有增量型编码器和绝对型编码器。 工业机器人有电机都是应用的绝对编码器。,5.3 机器人控制系统关键组成部件,交流伺服电机驱动器 交流伺服的组成： 永磁同步交流伺服电动机； 全数字交流永磁同步伺服驱动器。 伺服驱动器有两个部分组成： 驱动器硬件和控制算法； 控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术,5.3 机器人控制系统关键组成部件,交流伺服驱动器主要有： 伺服控制单元； 功率驱动单元； 通信接口单元。,

16、5.3 机器人控制系统关键组成部件,伺服进给系统的要求 1. 调速范围宽 rn = n min / n max 2 定位精度高 3 有足够的传动刚性和高的速度稳定性,5.3 机器人控制系统关键组成部件,4. 快速响应，无超调 为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还 要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为机器人在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小重复误差。 5. 低速大转矩，过载能力强 一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过 载能力在短时间内可以过载4-6倍而不损坏。 6. 可靠性高,5.3 机器人控

17、制系统关键组成部件,伺服驱动器的接线： 1. 主回路接线： 1）驱动器R、S、T电源线的连接； 2）驱动器与电动机电源线之间的接线； 2. 控制电源类接线： 1）R T控制电源接线；2）I/O接口控制电源接线； 3. 信号指令线 1)指令接口 2)I/O接口 3)反馈检测类接线,5.3 机器人控制系统关键组成部件,交流伺服驱动器工作模式选择,伺服驱动器有三种控制方式： 1)速度控制方式； 2)转矩控制方式； 3)位置控制方式。 速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。 位置控制是通过发脉冲来控制的。,5.3 机器人控制系统关键组成部件,运动控制卡 运动控制卡是根据运动控制的要求和传感器的信号，

18、进行必要的逻辑、数字运算，为电机或其他动力和执行装置提供正确的控制信号，以实现预定运动轨迹的装置。 运动控制卡在机器人运动控制系统中处于核心地位，它的性能好坏对整个控制系统有决定性作用。,5.3 机器人控制系统关键组成部件,主要性能指标： 插补功能； 伺服控制功能； 最大控制轴数； 采样周期； 安全性能；,5.3 机器人控制系统关键组成部件,控制轨迹分为： 点位控制(PTP)； 直线控制； 轮廓(Continuous Path,CP)控制。,5.3 机器人控制系统关键组成部件,点位控制,5.3 机器人控制系统关键组成部件,直线控制,5.3 机器人控制系统关键组成部件,轮廓(Continuous

19、 Path,CP)控制,5.3 机器人控制系统关键组成部件,5.4 控制系统硬件设计,5.4.1 工业机器人电控系统的总体设计方案 5.4.2 工业机器人电控系统的硬件组成 5.4.3 工业机器人电控系统的软件开发,工业机器人的电控系统总体设计方案,工业机器人的电控系统总体设计方案,工业机器人的电控系统硬件组成,工业机器人的电控系统硬件组成,工业机器人的电控系统硬件组成,伺服驱动器开伺服时序图分析,机器人示教盒设计,按功能将示教盒分为三个部分，即显示单元、传输单元和键盘及开关信号处理单元。以单片机为核心开发示教盒的键盘信号处理单元； 利用RS485总线实现输入信号传输；利用VGA信号传输图形和图像； 充分利用PC系统资源，开发图形化操作界面，具有良好的人机交互功能。,工业机器人的电控系统硬件组成,工业机器人的电控系统硬件组成,VGA视频线的选择,工业机器人的电控系统硬件组成,控制板功能,扫描方式，8路输出，7路中断接收 尺寸：11*11mm 面