《機(jī)器人控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt

1、第第5 5章章 機(jī)器人的控制系統(tǒng)機(jī)器人的控制系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)包含對機(jī)器人本體工作過程進(jìn)行 控制的控制機(jī)、機(jī)器人專用傳感器、運(yùn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。 控制系統(tǒng)主要對機(jī)器人工作過程中的動(dòng)作順序、應(yīng)到達(dá)的位 置及姿態(tài)、路徑軌跡及規(guī)劃、動(dòng)作時(shí)間間隔以及末端執(zhí)行器 施加在被作用物上的力和力矩等進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)中涉及 傳感技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、控制理論和控制算法。 5.1 5.1 機(jī)器人傳感器機(jī)器人傳感器 5.1.1 5.1.1 機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求 一、機(jī)器人傳感器的種類一、機(jī)器人傳感器的種類 傳感器是一種以一定精度將被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對 應(yīng)關(guān)系、易于精確處理和測量的某

2、種物理量的測量部件或裝 置。 完整的傳感器應(yīng)包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電 路三部分。 敏感元件:將某種不便測量的物理量轉(zhuǎn)換為易于測量的物 理量，與轉(zhuǎn)換元件件一起構(gòu)成傳感器的結(jié)構(gòu)部分; 基本轉(zhuǎn)換電路:將敏感元件產(chǎn)生的易測量小信號進(jìn)行變換， 使傳感器的信號輸出符合具體工業(yè)系統(tǒng)的要求。 機(jī)器人傳感器除了常見的位置、速度傳感器外，還包括 以下幾類傳感器： (1) 簡單觸覺確定工件對象是否存在。 (2) 復(fù)合觸覺確定工件對象是否存在以及它的尺寸 和形狀等。 (3) 簡單力覺單維力的測量。 (4) 復(fù)合力覺多維力的測量。 (5) 接近覺工作對象的非接觸探測。 (6) 簡單視覺孔、邊、拐角等的檢測。

3、(7) 復(fù)合視覺識別工作對象的形狀等。 一些特殊領(lǐng)域應(yīng)用的機(jī)器人還可能需要具有溫度、濕度、 壓力、滑動(dòng)量、化學(xué)性質(zhì)等感覺能力方面的傳感器。 二、傳感器的性能指標(biāo)二、傳感器的性能指標(biāo) (1) 基本參數(shù):量程(測量范圍、量程及過載能力)、靈敏 度、靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能(頻率特性及階躍特性)。 (2) 環(huán)境參數(shù):溫度、振動(dòng)沖擊及其他參數(shù)(潮濕、腐蝕 及抗電磁干擾等)。 (3) 使用條件:電源、尺寸、安裝方式、電信號接口及校 準(zhǔn)周期等. 1 1靈敏度靈敏度 靈敏度靈敏度是指傳感器的輸出信號達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，輸出信號變化 與輸入信號變化的比值。假如傳感器的輸出和輸入呈線性關(guān)系， 其靈敏度可表示為 傳感器的靈敏度

4、越大，傳感器的輸出信號精確度越高， 線性程度越好。但是過高的靈敏度有時(shí)會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出穩(wěn) 定性下降，所以應(yīng)該根據(jù)機(jī)器人的要求選擇適中的傳感器靈 敏度。 假設(shè)傳感器的輸出與輸入呈非線性關(guān)系，其靈敏度就是 該曲線的導(dǎo)數(shù) dy S dx y S x 2 2線性度線性度 線性度線性度反映傳感器輸出信號與輸入信號之間的線性程度。 假設(shè)傳感器的輸出信號為y，輸入信號為x，則y與x的關(guān)系為 如果傳感器的輸入量變化不太大,那么可以取b=a0，近似地 把傳感器的輸出和輸入看成是線性關(guān)系。這種將傳感器的輸出 輸入關(guān)系近似為線性關(guān)系的過程稱為傳感器的線性化。常用的 線性化方法有割線法、最小二乘法、最小誤差法等。 機(jī)

5、器人控制系統(tǒng)應(yīng)該選用線性度較高的傳感器。大多數(shù)情 況下，b都是x的函數(shù)，即 ybx 2 012 ( )bf xaa xa x 3 3精度精度 傳感器的精度精度是指傳感器的測量輸出值與實(shí)際被測量值 之間的誤差。在機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的工作精 度要求選擇合適的傳感器精度。 傳感器精度的使用條件和測量方法。 使用條件應(yīng)包括機(jī)器人所有可能的工作條件。 用于檢測傳感器精度的測量儀器必須具有高一級的精度，精度測試 也需要考慮到最壞的工作條件。 4 4重復(fù)性重復(fù)性 重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在其輸入信號按同一方式進(jìn)行全量程 連續(xù)多次測量時(shí)，相應(yīng)測試結(jié)果的變化程度。 對于多數(shù)傳感器來說，重復(fù)性指標(biāo)都優(yōu)于

6、精度指標(biāo)。這 些傳感器的精度不一定很高，但只要它的溫度、濕度、受力 條件和其他參數(shù)不變，傳感器的測量結(jié)果也沒有較大變化。 同樣，傳感器重復(fù)性也應(yīng)考慮使用條件和測試方法的問題。 5 5分辨率分辨率 分辨率分辨率是指傳感器在整個(gè)測量范圍內(nèi)所能辨別的被測量 的最小變化量，或者所能辨別的不同被測量的個(gè)數(shù)。 無論是示教-再現(xiàn)型機(jī)器人，還是可編程型機(jī)器人，多對 傳感器的分辨率有一定的要求。傳感器的分辨率直接影響機(jī) 器人的可控程度和控制品質(zhì)。一般需要根據(jù)機(jī)器人的工作任 務(wù)規(guī)定傳感器分辨率的最低限度要求。 6 6響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，是指傳感器的輸入 信號變化后，其輸出信號

7、變化一個(gè)穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。 在某些傳感器中，輸出信號在達(dá)到某一穩(wěn)定值以前會(huì)發(fā) 生短時(shí)間的振蕩。 響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算應(yīng)當(dāng)以輸入信號起始變化的時(shí)刻為始點(diǎn)， 以輸出信號達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)刻為終點(diǎn)。實(shí)質(zhì)上，還需要規(guī)定一 個(gè)穩(wěn)定值范圍，只要輸出信號的變化不再超出此范圍，即可 認(rèn)為它已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定值。對于具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還應(yīng)規(guī)定響 應(yīng)時(shí)間容許上限。 7 7抗干擾能力抗干擾能力 由于傳感器輸出信號的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作 的前提，為防止機(jī)器人系統(tǒng)的意外動(dòng)作或發(fā)生故障， 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須采用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。通常這個(gè) 指標(biāo)通過單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率來定義，因此是 一個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。 5.1.2 5.1.2 機(jī)器人內(nèi)部傳感

8、器機(jī)器人內(nèi)部傳感器 操作機(jī)器人根據(jù)具體用途不同可以選擇不同的控制方式， 如位置控制、速度控制及力控制等。 在這些控制方式中，機(jī)器人系統(tǒng)所應(yīng)具有的基本傳感單元 是位置和速度傳感器。 機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元是機(jī)器人單關(guān)節(jié)位置、速度控 制。 因此用于檢測關(guān)節(jié)位置或速度的傳感器也成為機(jī)器人關(guān)節(jié) 組件中的基本單元。 一、位置傳感器一、位置傳感器 位置控制是機(jī)器人最基本的控制要求，而位置和位移的 檢測也是機(jī)器人最基本的感覺要求。 根據(jù)其工作原理和組成的不同有各種不同的形式，常見 的有電阻式、電容式、電感式位移傳感器及編碼式位移傳感 器、霍爾元件位移傳感器、磁柵式位移傳感器等。 1電位器式位移傳感器 電位

9、器式位移傳感器主要有電位器和滑動(dòng)觸點(diǎn)組成，通過 觸點(diǎn)的滑動(dòng)改變電位器的阻值來測量信號的大小。 角位移測量：如圖5.1所示。 從式中可以看出，輸入信號(角度) 與輸出信號(電壓)呈線性關(guān)系。這種 弧形電阻最大的測量角度為360。 圖5.1 旋轉(zhuǎn)型電位器式位移 傳感器 線位移測量：其測量原理如圖5.2所示。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，精度高?？梢栽谝?定程度上較方便地選擇其輸出信號范圍，且測量過程中斷 電或發(fā)生故障時(shí)，輸出信號能得到保持而不會(huì)自動(dòng)丟失。 缺點(diǎn)：滑動(dòng)觸點(diǎn)容易磨損。 2編碼式位移傳感器 編碼式位移傳感器是一種數(shù)字式位移傳感器，其測量輸出的 信號為數(shù)字脈沖，可以測直線位移也可以測轉(zhuǎn)角

10、。 編碼式位移傳感器測量范圍大，檢測精度高。 一般把該傳感器裝在機(jī)器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸上，用來測量各關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度。 1.按照測出的信號是絕對信號還是增量信號，可分為絕對式 編碼器和增量式編碼器； 2.按照結(jié)構(gòu)及信號轉(zhuǎn)換方式，又可分為光電式、接觸式及電 磁式等。 目前機(jī)器人中較為常用的是光電式編碼器。 1) 絕對式光電編碼器 絕對式編碼器是一種直接編碼式的測量元件。 它可以直接把被測轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼，指示 的是絕對位置而無絕對誤差，在電源切斷時(shí)不會(huì)失去位置信 息。 但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且不易做到高精度和高分辨 率。 編碼盤以一定的編碼形式(如二進(jìn)制編碼等)將圓盤分成 若干等分，

11、利用光電原理把代表被測位置的各等分上的數(shù)碼 轉(zhuǎn)化成電信號輸出以用于檢測。 圖(a)所示為四位二進(jìn)制編碼盤，編碼盤由多個(gè)同心的碼 道組成，與碼道個(gè)數(shù)相同的光電器件分別與各自對應(yīng)的碼道對 準(zhǔn)并沿編碼盤的半徑直線排列，通過這些光電器件的檢測可以 產(chǎn)生絕對位置的二進(jìn)制碼。絕對式編碼器對于轉(zhuǎn)軸的每一個(gè)位 置均產(chǎn)生惟一的二進(jìn)制編碼，因此可用于確定絕對位置。絕對 位置的分辨率取決于二進(jìn)制編碼的位數(shù)，亦即碼道的個(gè)數(shù)。 使用二進(jìn)制編碼盤時(shí)，當(dāng)編碼盤在其兩個(gè)相鄰位置的邊緣交 替或來回?cái)[動(dòng)時(shí)，由于制造精度和安裝質(zhì)量誤差或光電器件的排 列誤差將產(chǎn)生編碼數(shù)據(jù)的大幅跳動(dòng)，導(dǎo)致位置顯示和控制失常。 現(xiàn)在常用圖b)所示的循環(huán)

12、碼編碼盤。循環(huán)碼又稱格雷碼， 真值與其碼值及二進(jìn)制碼值的對照見表5.1所示。循環(huán)碼是非加 權(quán)碼，其特點(diǎn)是相鄰兩個(gè)代碼間只有一位數(shù)變化，即0變1，或1 變0。如果在連續(xù)的兩個(gè)數(shù)碼中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼變化超過一位，就認(rèn)為 是非法的數(shù)碼，因而格雷碼具有一定的糾錯(cuò)能力。 真值真值格雷碼格雷碼 二進(jìn)制二進(jìn)制 碼碼 真值真值格雷碼格雷碼 二進(jìn)制二進(jìn)制 碼碼 000000000811001000 100010001911011001 2001100101011111010 3001000111111101011 4011001001210101100 5011101011310111101 6010101101410

13、011110 7010001111510001111 格雷碼實(shí)質(zhì)上是二進(jìn)制碼的另一種數(shù)值形式，是對二進(jìn) 制碼的一種加密處理。格雷碼經(jīng)過解密就可轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼， 實(shí)際上也只有解密成二進(jìn)制碼才能得到真正的位置信息。格 雷碼的解密可以通過硬件解密器或軟件解密來實(shí)現(xiàn)。 光電編碼器的性能主要取決于編碼盤中光電敏感元件的 質(zhì)量及光源的性能。一般要求光源具有較好的可靠性及環(huán)境 的適應(yīng)性，且光源的光譜與光電敏感元件相匹配。如需提高 信號的輸出強(qiáng)度，輸出端還可以接電壓放大器。為了減少光 噪聲的污染，在光通路中還應(yīng)加上透鏡和狹縫裝置。透鏡使 光源發(fā)出的光聚焦成平行光束，狹縫寬度要保證所有軌道的 光電敏感元件的敏感

14、區(qū)均處于狹縫內(nèi)。 2) 增量式光電編碼器 增量式光電編碼器能夠以數(shù)字形式測量出轉(zhuǎn)軸相對于某 一基準(zhǔn)位置的瞬間角位置，另外還能測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向， 其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖5.4所示。 圖5.4(a)所示，編碼器的編碼盤有三個(gè)同心光柵，分別 稱為A相、B相和C相光柵。 圖5.4 增量式編碼器的工作原理 根據(jù)A、B相任何一光柵輸出脈沖數(shù)的大小就可以確定編 碼盤的相對轉(zhuǎn)角；根據(jù)輸出脈沖的頻率可以確定編碼盤的轉(zhuǎn) 速；采用適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐?，根?jù)A、B相輸出脈沖的相序就可 以確定編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。A、B兩相光柵為工作信號，C相為 標(biāo)志信號，編碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，標(biāo)志信號發(fā)出一個(gè)脈沖，它 用來作為同步信號。 增量式

15、光電編碼器沒有接觸磨損，允許高轉(zhuǎn)速，精度及 可靠性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難 在機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸上裝有增量式光電編碼器，可測量 出轉(zhuǎn)軸的相對位置，但不能確定機(jī)器人轉(zhuǎn)軸的絕對位置，所 以這種光電編碼器一般用于定位精度要求不高的機(jī)器人。 目前已出現(xiàn)包含絕對式和增量式兩種類型的混合式編碼 器。使用這種編碼器時(shí)，使用絕對式確定機(jī)器人的絕對位置， 確定由初始位置開始的變動(dòng)角的精確位置則使用增量式。 二、速度傳感器二、速度傳感器 速度傳感器是機(jī)器人中較重要的內(nèi)部傳感器之一。由于 在機(jī)器人中主要測量機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度，故這里僅介紹 角速度傳感器。 目前廣泛使用的角速度傳感器有測速發(fā)電機(jī)和增量式光 電編碼器兩

16、種。 測速發(fā)電機(jī)是應(yīng)用最廣泛，能直接得到代表轉(zhuǎn)速的電壓 且具有良好實(shí)時(shí)性的一種速度測量傳感器。 增量式編碼器既可以用來測量增量角位移又可以測量瞬 時(shí)角速度。速度的輸出有模擬式和數(shù)字式兩種。 1測速發(fā)電機(jī) 測速發(fā)電機(jī)是一種模擬式速度傳感器。測速發(fā)電機(jī)實(shí)際 上是一臺小型永磁式直流發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理如圖5.5所示。 其工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)通過線圈的磁通量 恒定時(shí)，位于磁場中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的電壓(感應(yīng) 電動(dòng)勢)與線圈(轉(zhuǎn)子)的轉(zhuǎn)速成正比，即 圖5.5 直流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 1永久磁鐵；2轉(zhuǎn)子線圈；3電刷；4整流子 =uk n 從式中看出，輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。 但當(dāng)

17、直流測速發(fā)電機(jī)帶有負(fù)載時(shí)，電樞的線圈繞組便會(huì) 產(chǎn)生電流而使輸出電壓下降，這樣便破壞了輸出電壓與轉(zhuǎn)速 的線性度，使輸出特性產(chǎn)生誤差。為了減少測量誤差，應(yīng)使 負(fù)載盡可能小且保持負(fù)載性質(zhì)不變。 測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)相連就 能測出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并能在機(jī)器人速 度閉環(huán)系統(tǒng)中作為速度反饋元件。機(jī)器人速度伺服控制系統(tǒng) 的控制原理如圖5.6所示。 優(yōu)點(diǎn)：線性度好，靈敏度高，輸出信號強(qiáng)，目前檢測范 圍一般為2040r/min，精度為0.2%0.5%。 圖5.6 機(jī)器人速度伺服控制系統(tǒng) 2增量式光電編碼器 增量式光電編碼器作為速度傳感器時(shí)既可以在模擬方式 下使用又可以在數(shù)字

18、方式下使用。 1) 模擬方式 在這種方式下，必須有一個(gè)頻率-電壓(F/V)變換器，用 來把編碼器測得的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成與速度成正比的模擬電壓。 其原理如圖5.7所示。F/V變換器必須有良好的零輸入、零輸 出特性和較小的溫度漂移才能滿足測試要求。 圖5.7 模擬方式的增量式編碼盤測速 2) 數(shù)字方式 數(shù)字方式測速是利用數(shù)學(xué)方式用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出速 度。角速度是轉(zhuǎn)角對時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，編碼器在時(shí)間t內(nèi) 的平均轉(zhuǎn)速為 單位時(shí)間取得越小，則所求得的轉(zhuǎn)速越接近瞬時(shí)轉(zhuǎn)速， 然而時(shí)間太短，編碼器通過的脈沖數(shù)太少，導(dǎo)致所得到的 速度分辨率下降。在實(shí)踐中通常用以下方法來解決這一問 題。 編碼器一定時(shí)，編碼器的每轉(zhuǎn)輸

19、出脈沖數(shù)就確定。設(shè) 某一編碼器為1000P/r，則編碼器連續(xù)輸出兩個(gè)脈沖轉(zhuǎn)過的 角度 而轉(zhuǎn)過該角度的時(shí)間增量用圖5.8所示測量電路測得。 測量時(shí)利用一高頻脈沖源發(fā)出連續(xù)不斷的脈沖，設(shè)該脈沖源 的周期為0.1ms，用一計(jì)數(shù)器測出編碼器發(fā)出兩個(gè)脈沖的時(shí) 間內(nèi)高頻脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。門電路在編碼器發(fā)出第一個(gè) 脈沖時(shí)開啟，發(fā)出第二個(gè)脈沖時(shí)關(guān)閉。這樣計(jì)數(shù)器計(jì)得的計(jì) 數(shù)值就是時(shí)間增量內(nèi)高頻脈沖源發(fā)出的脈沖數(shù)。設(shè)該計(jì)數(shù)值 為100，則得時(shí)間增量為 所以角速度為 圖5.8 時(shí)間增量測量電路 5.1.3 5.1.3 機(jī)器人外部傳感器機(jī)器人外部傳感器 一、力或力矩（力覺）傳感器一、力或力矩（力覺）傳感器 工業(yè)機(jī)器

20、人在進(jìn)行裝配、搬運(yùn)、研磨等作業(yè)時(shí)需要對工 作力或力矩進(jìn)行控制。 另外，機(jī)器人在自我保護(hù)時(shí)也需要檢測關(guān)節(jié)和連桿之間 的內(nèi)力，防止機(jī)器人手臂因承載過大或與周圍障礙物碰撞而 引起的損壞。 力和力矩傳感器種類很多，常用的有電阻應(yīng)變片式、壓 電式、電容式、電感式以及各種外力傳感器。 力或力矩傳感器都是通過彈性敏感元件將被測力或力矩 轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏感介質(zhì)把位 移量或變形量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。 目前使用最廣泛的是電阻 應(yīng)變片式力和力矩傳感器。 圖5.9所示為20世紀(jì)70年代就 研制成功的一種6維力和力矩 傳感器。這種傳感器的力和 力矩敏感元件是應(yīng)變片，裝 載鋁制筒體上，筒體有8

21、個(gè)簡 支梁(彈性梁)支持。 圖5.9 應(yīng)變片式機(jī)器人腕力和力矩傳感器 由于機(jī)器人各個(gè)桿件通過關(guān)節(jié)連接在一起，運(yùn)動(dòng)時(shí)各桿 件相互聯(lián)動(dòng)，所以單個(gè)桿件的受力狀況非常復(fù)雜。但根據(jù)剛 體力學(xué)知道，剛體上任何一點(diǎn)的力都可以表示為笛卡兒坐標(biāo) 系三個(gè)坐標(biāo)軸的分力和繞三個(gè)軸的分力矩。只要測出這三個(gè) 力和力矩，就能計(jì)算出該點(diǎn)的合成力。在圖5.9所示的力和力 矩傳感器上，8個(gè)梁中有4個(gè)水平梁和4個(gè)垂直梁，每個(gè)梁發(fā)生 的應(yīng)變集中在梁的一端，把應(yīng)變片貼在應(yīng)變最大處就可以測 出一個(gè)力。 設(shè)8個(gè)彈性梁測出的應(yīng)變?yōu)?機(jī)器人桿件某點(diǎn)的力與用力和力矩傳感器測出的8個(gè)應(yīng)變 的關(guān)系為 二、接近覺傳感器二、接近覺傳感器 接近覺傳感器是

22、機(jī)器人用來探測機(jī)器人自身與周圍物體 之間相對位置或距離的一種傳感器，它探測的距離一般在幾 毫米到十幾厘米之間。 接近覺傳感器結(jié)構(gòu)上分為接觸型和非接觸型兩種，其中 非接觸型接近覺傳感器應(yīng)用較廣。 目前按照轉(zhuǎn)換原理的不同接近覺傳感器分為電渦流式、 光纖式、超聲波式及激光掃描式等。 1電渦流式傳感器 導(dǎo)體在一個(gè)不均勻的磁場中運(yùn)動(dòng)或處于一個(gè)交變磁場中 時(shí)，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流稱為電渦流， 這一現(xiàn)象稱為電渦流現(xiàn)象，利用這一原理可以制作電渦流傳 感器。 電渦流傳感器的工作原理如圖5.10所示。由于傳感器的 電磁場方向與產(chǎn)生的電渦流方向相反，兩個(gè)磁場相互疊加削 弱了傳感器的電感和阻抗。用電路

23、把傳感器電感和阻抗的變 化轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換電壓，則能計(jì)算出目標(biāo)物與傳感器之間的距離。 該距離正比于轉(zhuǎn)換電壓，但存在一定的線性誤差。對于鋼或 鋁等材料的目標(biāo)物，線性度誤差為0.5%。 優(yōu)點(diǎn)：外形尺寸小，價(jià)格低廉，可靠性高，抗干擾能力 強(qiáng)，而且檢測精度也高，能夠檢測到0.02mm的微量位移。 缺點(diǎn)：檢測距離短，一般只能測到13mm以內(nèi)，且只能對 固態(tài)導(dǎo)體進(jìn)行檢測。 圖5.10 電渦流傳感器的工作原理 2光纖式傳感器 用光纖制作接近覺傳感器可以用來檢測機(jī)器人與目標(biāo)物 間較遠(yuǎn)的距離。 優(yōu)點(diǎn)：抗電磁干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，響應(yīng)快。 光纖式傳感器有三種不同的形式。 第一種為射束中斷型，如圖5.11(a)所示。這種

24、傳感器只 能檢測出不透明物體，對透明或半透明的物體無法檢測。 第二種為回射型，如圖5.11(b)所示。與第一種類型相比， 這一種類型的光纖式傳感器可以檢測出透光材料制成的物體。 第三種為擴(kuò)散型，如圖5.11(c)所示。與第二種相比第三 種少了回射靶。因?yàn)榇蟛糠植牧隙寄芊瓷湟欢康墓?，這種 類型可檢測透光或半透光物體。 圖5.11 光纖傳感器結(jié)構(gòu) 3超聲波傳感器 超聲波接近覺傳感器利用超聲 波測量距離。 超聲波傳感器測距原理圖如圖 5.12所示。傳感器有一個(gè)超聲波發(fā) 射器、一個(gè)超聲波接收器、定時(shí)電 路及控制電路組成。待超聲波發(fā)射 器發(fā)出脈沖式超聲波后關(guān)閉發(fā)射器， 同時(shí)打開超聲波接收器。該脈沖波

25、到達(dá)物體表面后返回到接收器，定 時(shí)電路測出從發(fā)射器發(fā)射到接收器 接收的時(shí)間。設(shè)該時(shí)間為T，而聲波 的傳輸速度為v，則被測距離L為 圖5.12 超聲波傳感器原理圖 超聲波的傳輸速度與其波長和頻率成正比，只要這兩者 不變，速度就為常數(shù)，但隨著環(huán)境溫度的變化，波速會(huì)有一 定變化。 超聲波傳感器對于水下機(jī)器人的作業(yè)非常重要。水下機(jī) 器人安裝超聲波傳感器后能使其定位精度達(dá)到微米級。 另外，激光掃描型接近覺傳感器的測量原理與超聲波傳 感器類似。 三、觸覺傳感器三、觸覺傳感器 觸覺傳感器在機(jī)器人中有以下幾方面的作用： (1) 感知操作手指與對象物之間的作用力，使手指動(dòng) 作適當(dāng)。 (2) 識別操作物的大小、形

26、狀、質(zhì)量及硬度等。 (3) 躲避危險(xiǎn)，以防碰撞障礙物引起事故。 機(jī)器人中的觸覺傳感器一般包括壓覺、滑覺、接觸覺及 力覺等。 最早的觸覺傳感器為開關(guān)式傳感器，只有0和1兩個(gè)信號， 相當(dāng)于開關(guān)的接通與關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài)，用于表示手指與對象物 的接觸與不接觸。如果要檢測對象物的形狀，就需要在接觸 面上安裝許多敏感元件。 一般用導(dǎo)電合成橡膠作為觸覺傳感器的敏感元件。這種 橡膠壓變時(shí)其體電阻的變化很小，但接觸面積和反向接觸電 阻隨外部壓力的變化很大。這種敏感元件可以做得很小，一 般1cm3面積內(nèi)可有256個(gè)觸覺敏感元件，敏感范圍達(dá)1100g。 敏感元件在接觸表面以一定形式排列成陣列傳感器，排列的 傳感器越多，

27、檢測越精確。 目前出現(xiàn)了“人工皮膚”，實(shí)際上就是一種超高密度排 列的陣列傳感器，主要用于表面形狀和表面特性的檢測。 壓電材料是另一種有潛力的觸覺敏感材料，其原理是利 用晶體的壓電效應(yīng)，在晶體上施壓時(shí)，一定范圍內(nèi)施加的壓 力與晶體的電阻成比例關(guān)系。但是一般晶體的脆性比較大， 作為敏感材料時(shí)很難制作。目前已有一種聚合物材料具有良 好的壓電性，且柔性好，易制作，可望成為新的觸覺敏感材 料。 其他常用敏感材料有半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，其原理與應(yīng)變片一 樣，即應(yīng)變變形原理。 5.2 5.2 驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 5.2.1 5.2.1 概述概述 早期的工業(yè)機(jī)器人都用液壓、氣動(dòng)方式來進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)。

28、隨著大功率交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，目前大部分被電氣驅(qū) 動(dòng)方式所代替，只有在少數(shù)要求超大的輸出功率、防爆、低 運(yùn)動(dòng)精度的場合才考慮使用液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)無環(huán) 境污染，響應(yīng)快，精度高，成本低，控制方便。 分類： 1. 按照驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的不同：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流伺 服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)； 2.按照伺服控制方式：開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一般用在開環(huán)伺服系統(tǒng)中； 交、直流伺服電動(dòng)機(jī)用于閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，這類 系統(tǒng)具有很高的控制精度。 一般的伺服控制系統(tǒng)包括伺服執(zhí)行元件(伺服電 動(dòng)機(jī))、伺服運(yùn)動(dòng)控制器、功率放大器(又稱伺服驅(qū) 動(dòng)器)、位置檢測元件等。 伺服

29、運(yùn)動(dòng)控制器的功能:實(shí)現(xiàn)對伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn) 動(dòng)控制，包括力、位置、速度等的控制。 隨著芯片集成技術(shù)和計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展，專用運(yùn)動(dòng) 控制芯片和運(yùn)動(dòng)控制卡越來越多地作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器。 這兩種形式的伺服運(yùn)動(dòng)控制器控制方便靈活，成本低， 都以通用PC機(jī)為平臺，借助PC機(jī)的強(qiáng)大功能來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的 運(yùn)動(dòng)控制。前者利用專用運(yùn)動(dòng)控制芯片與PC機(jī)總線組成簡單 的電路來實(shí)現(xiàn)；后者直接做成專用的運(yùn)動(dòng)控制卡。 5.2.2 5.2.2 基于計(jì)算機(jī)基于計(jì)算機(jī)( (微處理器微處理器) )和芯片的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)和芯片的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì) 一、一、LM628LM628概述概述 LM628專用運(yùn)動(dòng)控制芯片實(shí)際上是一個(gè)具有專門用途

30、的單 片機(jī)，用來控制以增量式編碼器為位置反饋元件的各種直流或 無刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)或其他伺服系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)運(yùn) 算能力。該芯片具有豐富的指令集，可以通過上級計(jì)算機(jī)編程 控制。只要用一片LM628和其他一些功能器件就可構(gòu)成一個(gè)伺 服系統(tǒng)。 LM628芯片為28引腳的雙列直插式封裝(如圖所示) ： IN接受從增量式編碼器來 的零位標(biāo)記信號。 A、B接受從增量式編碼器 來的兩個(gè)正交信號。 D0-D7連接主計(jì)算機(jī)或主處 理器的I/O端口。利用CS、RD 和WR可向LM628寫入指令和數(shù)據(jù) 或從LM628讀出狀態(tài)字節(jié)和數(shù)據(jù)。 CS位片選信號，從主機(jī)發(fā) 出，用于選中LM628進(jìn)行讀寫操 作。 RD由

31、主機(jī)發(fā)出，使主機(jī)讀 出LM628的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。 GND電源地信號。 LM628芯片為28引腳的雙列直插式封裝(如圖所示) ： WR由主機(jī)發(fā)出使主機(jī)向LM628寫 入指令和數(shù)據(jù)。 PS由主機(jī)發(fā)出，用來選擇LM628 的指令口或數(shù)據(jù)口。當(dāng)PS為低電平 時(shí)，向指令口寫入指令，或從指令 口讀出狀態(tài)；當(dāng)PS為高電平時(shí)，向 數(shù)據(jù)口寫數(shù)據(jù)或從數(shù)據(jù)口讀出數(shù)據(jù)。 HI高電平有效，通知主計(jì)算機(jī) 中斷條件已具備。 DAC0-DAC7DAC輸出口。 CLK系統(tǒng)時(shí)鐘輸入端。 RST復(fù)位輸入端。 VDD電源，電壓為4.55.5V， 電流小于100mA。 LM628構(gòu)成的伺服系統(tǒng)組成非常簡單，其原理圖如圖5.14 所示。

32、圖5.14 LM628伺服系統(tǒng)原理圖 二、二、LM628LM628的特點(diǎn)及基本功能的特點(diǎn)及基本功能 1LM628LM628的特點(diǎn)：的特點(diǎn)： (1) 32位的位置、速度、加速度寄存器。 (2) 16位可編程數(shù)字PID濾波器。 (3) 可編程微分采樣間隔。 (4) 8位或12位D/A轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)。 (5) 內(nèi)部梯形速度圖發(fā)生器。 (6) 速度、目標(biāo)位置和濾波器參數(shù)在運(yùn)動(dòng)過程中可以改變。 (7) 可選擇位置或速度控制方式。 (8) 實(shí)時(shí)可編程的主計(jì)算機(jī)中斷。 (9) 有與增量式編碼器的接口。 2 2LM628LM628的主要功能的主要功能 在由LM628組成的伺服運(yùn)動(dòng)控制器中，LM628能提供下面

33、 的一些主要功能： (1) 接受主機(jī)發(fā)送來的運(yùn)動(dòng)控制指令，并把運(yùn)動(dòng)控制器 當(dāng)前的狀態(tài)及數(shù)據(jù)送給主機(jī)。 (2) 作為速度曲線發(fā)生器，執(zhí)行速度梯形圖的計(jì)算和數(shù) 字濾波，產(chǎn)生速度曲線。 (3) 利用增量式編碼器進(jìn)行實(shí)際位置的反饋。 (4) 在運(yùn)行中計(jì)算實(shí)際位置和理論位置(由速度發(fā)生器產(chǎn) 生的位置)的差值，并把該差值經(jīng)PID數(shù)字濾波器處理后輸出， 經(jīng)外接D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換和功率放大，最后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。 速度發(fā)生器產(chǎn)生的速度曲線計(jì)算出了期望位置與時(shí)間的對 應(yīng)關(guān)系。在位置控制方式下，主機(jī)把伺服系統(tǒng)的加速度、最高 速度和最后位置通過LM628的用戶指令發(fā)送給LM628，LM628則 按照規(guī)定的曲線控制伺服電

34、動(dòng)機(jī)以規(guī)定的加速度運(yùn)動(dòng)到最高速 度，然后以該速度恒速運(yùn)動(dòng)到減速點(diǎn)，接著以負(fù)加速度開始減 速直到電動(dòng)機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置停止，如圖5.15(a)所示。在某些 運(yùn)動(dòng)過程中，最高速度和目標(biāo)位置是允許改變的，圖5.15(b) 所示就是一種典型的改型梯形速度曲線圖。 圖5.15 速度曲線圖 5.2.3 5.2.3 基于基于PC(PC(總線總線) )技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制( (卡卡) )器器 目前市售的運(yùn)動(dòng)控制卡很多，功能都為對運(yùn)動(dòng)軸的開、 閉環(huán)控制。這里介紹一種用于機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的四軸運(yùn)動(dòng) 控制器GM-400。 一、一、GM-400GM-400四軸運(yùn)動(dòng)控制器簡介四軸運(yùn)動(dòng)控制器簡介 1 1概述概述 GM

35、-400四軸運(yùn)動(dòng)控制器的核心由兩片專用運(yùn)動(dòng)控制芯片 組成。 它具有功能強(qiáng)，價(jià)格低，使用方便的特點(diǎn)，適用于四軸 伺服電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制。 圖5.17 采用四軸運(yùn)動(dòng)控制器組成的控制系統(tǒng)框圖 2 2GM-400GM-400四軸運(yùn)動(dòng)控制器提供的主要功能四軸運(yùn)動(dòng)控制器提供的主要功能 (1) 提供4路模擬電壓(10V)控制信號。 (2) 提供4路PWM控制信號(適用于有PWM控制信號接口的伺服 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器)。 (3) 提供4路增量式光電編碼器反饋信號接口。 (4) 增量式編碼盤計(jì)數(shù)頻率可達(dá)1MHz。 (5) 四軸位置、速度、加速度控制。 (6) 可編程數(shù)字PI+Vff濾波。 (7) 可編程數(shù)字PID濾波。

36、 (8) 單軸最小伺服采樣周期為100ms。 (9) 32位長度的位置寄存器。 (10) 硬件檢測INDEX信號。 (11) 硬件檢測HOME信號。 (12) 可編程S曲線、梯形曲線、速度跟蹤和電子齒輪式運(yùn)動(dòng) 控制方式。 (13) 點(diǎn)到點(diǎn)位置控制。 3 3控制器的輸入及輸出接口控制器的輸入及輸出接口 (1) 8路光電隔離限位開關(guān)信號輸入接口； (2) 4路光電隔離原點(diǎn)信號輸入接口； (3) 16路光電隔離輸入可作為伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器故障輸 入接口，也可作為由用戶定義的其他輸入信號接口。 (4) 16路光電隔離輸出信號可用于伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 使能和故障復(fù)位控制，也可以由用戶定義成其他輸出信號接

37、口。 二、運(yùn)動(dòng)控制器工作原理二、運(yùn)動(dòng)控制器工作原理 圖5.18所示為GM-400運(yùn)動(dòng)控制器的原理框圖。 增量式編碼器的增量式編碼器的A A、B B相信號作為位置反饋輸入信號。相信號作為位置反饋輸入信號。 運(yùn)動(dòng)控制器通過四倍頻及加、減計(jì)數(shù)器得到實(shí)際位置。實(shí)際位置的信息保存在運(yùn)動(dòng)控制器通過四倍頻及加、減計(jì)數(shù)器得到實(shí)際位置。實(shí)際位置的信息保存在 位置寄存器中，上級計(jì)算機(jī)可通過控制寄存器讀取。位置寄存器中，上級計(jì)算機(jī)可通過控制寄存器讀取。 運(yùn)動(dòng)控制器的目標(biāo)位置由上級計(jì)算機(jī)設(shè)定，通過內(nèi)部計(jì)算得到位置誤差值，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制器的目標(biāo)位置由上級計(jì)算機(jī)設(shè)定，通過內(nèi)部計(jì)算得到位置誤差值，經(jīng) 過數(shù)字伺服濾波器后，送到數(shù)

38、模轉(zhuǎn)換過數(shù)字伺服濾波器后，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)(DAC)或脈寬調(diào)制器或脈寬調(diào)制器(PWM)(PWM)硬件處理電路，經(jīng)過硬件處理電路，經(jīng)過 轉(zhuǎn)換，最后輸出伺服電動(dòng)機(jī)的控制信號，即轉(zhuǎn)換，最后輸出伺服電動(dòng)機(jī)的控制信號，即1010V V模擬信號或模擬信號或PWMPWM信號。信號。 運(yùn)動(dòng)控制器的控制模式和參數(shù)由上級計(jì)算機(jī)設(shè)定，GM- 400根據(jù)主機(jī)發(fā)送的命令決定采用何種加、減速控制曲線和數(shù) 字濾波算法。 GM-400運(yùn)動(dòng)控制器有兩種運(yùn)動(dòng)控制方式：一種是閉環(huán)方 式，另一種是開環(huán)方式。 閉環(huán)控制是運(yùn)動(dòng)控制器的默認(rèn)方式，開環(huán)控制直接輸出 控制信號。在開環(huán)控制模式下，上級計(jì)算機(jī)送到GM-400運(yùn)動(dòng) 控制器的命

39、令不需要經(jīng)過任何處理，直接輸出控制。 閉環(huán)控制下的四種運(yùn)動(dòng)控制模閉環(huán)控制下的四種運(yùn)動(dòng)控制模 式式 1) S曲線模式 運(yùn)動(dòng)控制過程如下： (1) 在開始加速的1區(qū)，加速度 從零開始，以設(shè)定的最大加速度為目 標(biāo)，以加加速度為增量遞增，直到達(dá) 到最大加速度為止。 (2) 在2區(qū)，加加速度為零，按 已達(dá)到的最大加速度加速到3區(qū)。 (3) 在3區(qū)，按負(fù)的加加速度使 加速度減為零值,使速度達(dá)到最大值。 此階段已完成加速過程。 (4) 第4階段為勻速運(yùn)行階段， 加速度和加加速度都為零。 (5) 在第5階段、第6階段和第7 階段與第1、2及3階段相同，不同的 是減速運(yùn)行到速度為零。 圖5.19 S曲線模式控制

40、曲線 通常S曲線模式的速 度曲線都是對稱的，但可 以缺少某些過程。例如， 圖5.20所示的速度曲線就 缺少了第4階段的曲線。 一旦設(shè)定當(dāng)前軸為S 曲線模式，該控制軸將保 持這種控制模式，直到調(diào) 用其他運(yùn)動(dòng)控制模式命令 才能將其改變。例如設(shè)定 為梯形曲線模式。 圖5.20 變形后的S曲線模式控制曲 線 2) 梯形曲線模式 (1) 在第1階段，速度按照設(shè) 定的加速度值從零加速到最大速 度。 (2) 第2階段加速度為零值， 速度保持已達(dá)到的最大速度運(yùn)行 到第3階段。 (3) 在第3階段，按設(shè)定的加 速度減速到零。 圖5.21所示為一個(gè)典型的梯 型速度控制曲線。在有些情況下， 可能達(dá)不到最大設(shè)定速度就

41、要減 速，這樣就沒有第2階段。在梯形 曲線模式控制方式下，任意時(shí)刻 都可改變速度和位置，其速度曲 線如圖5.22所示。 圖5.21 梯形曲線控制 圖5.22 變形后的梯形控制曲 線 3) 速度跟蹤模式 在該模式下，由主機(jī)設(shè)定額定加速度和最大速度兩個(gè)參數(shù)。 開始運(yùn)動(dòng)時(shí)以給定的加速度連續(xù)加速直到達(dá)到設(shè)定的最大速度。速 度設(shè)定值必須為正值，運(yùn)動(dòng)方向由加速度的符號確定，即正加速度 產(chǎn)生正向運(yùn)動(dòng)，而負(fù)加速度則產(chǎn)生負(fù)向運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，速度 和加速度兩個(gè)參數(shù)可以隨時(shí)修改。 4) 電子齒輪模式 在電子齒輪模式下，主機(jī)只需設(shè)置一個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即電子齒 輪減速比，這是一個(gè)帶符號的32位二進(jìn)制數(shù)，范圍為16384

42、至 16383(65535/65536)。運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)軸作為被驅(qū)動(dòng)軸，其目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)由主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)乘以電子齒輪減速比來確定。 控制器運(yùn)動(dòng)軸的控制控制器運(yùn)動(dòng)軸的控制 1) 與主機(jī)的通信 GM-400運(yùn)動(dòng)控制器提供了命令寫、數(shù)據(jù)寫和數(shù)據(jù)讀三種 操作實(shí)現(xiàn)主機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器之間的信息交換。 2) 控制器的伺服周期 GM-400設(shè)定的伺服控制周期以100ms為單位，范圍從1至 32767。 3) 控制器的軸尋址 調(diào)用一次GM-400的命令函數(shù)通常只修改某個(gè)軸的一個(gè)參 數(shù)或其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣主機(jī)必須能單獨(dú)控制每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。 4) 控制器的狀態(tài)寄存器 GM-400運(yùn)動(dòng)控制器為每一個(gè)軸提供一個(gè)16位寄存器，以 保存各

43、軸內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 控制器中斷控制器中斷 GM-400運(yùn)動(dòng)控制器可通過向主機(jī)發(fā)出中斷請求，使主機(jī) 能及時(shí)對軸運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)的事件做出處理。這種中斷方式 通常比主機(jī)查詢控制器的各種狀態(tài)更為方便和有效。 如果某個(gè)軸出現(xiàn)上述中斷條件，激活中斷請求信號，主 機(jī)可根據(jù)實(shí)際情況響應(yīng)中斷，進(jìn)行適當(dāng)處理。 主機(jī)完成中斷處理后，發(fā)出RST_INTRPT指令清除當(dāng)前軸 的中斷請求條件，該命令能帶一個(gè)清除屏蔽標(biāo)志參數(shù)，使下 次中斷可以發(fā)生。 主機(jī)一次只能響應(yīng)一個(gè)軸的中斷。例如，用戶正在設(shè)置 當(dāng)前軸1#軸的參數(shù)，而3#軸向主機(jī)發(fā)出中斷請求信號，此時(shí)， 如果需要處理該中斷，主機(jī)就必須把3#軸設(shè)置為當(dāng)前軸。如 果同時(shí)有多個(gè)軸發(fā)出中斷申請，最