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1、,第三章机器人的控制基础,3.1 概述,一、机器人控制系统的特点,和一般的伺服系统或过程控制系统相比，机器人控制系统有如下特点：1)机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。机器人手足的状态可以在各种坐标下进行描述，应当根据需要，选择不同的参考坐标系，并做适当的坐标变换。经常要求解运动学正问题和逆问题，除此之外还要考虑惯性力、外力及哥氏力、向心力的影响。,一、机器人控制系统的特点,2)一个简单的机器人也至少有35个自由度，比较复杂的机器人有十几个、甚至几十个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。3)把多个伺服系统有机地协调起来，使其按照人的意志行动，
2、甚至赋予机器人一定的“智能”，这个任务只能由计算机完。因此，机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。同时，计算机软件担负着艰巨的任务。,一、机器人控制系统的特点,4)描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅仅利用位置闭环是不够的，还要利用速度闭环甚至加速度闭环。系统中经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。5)机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在一个“最优”的问题。较高级的机器人可以用人工智能的方法，用计算机建立庞大的信息库，借助信息库进行控制、决策、管理和操作。根据传感器和模式识别的
3、方法获得对象及环境的工况，按照给定的指标要求，自动地选择最佳的控制规律。,二、机器人的控制方式,点位式很多机器人要求能准确地控制末端执行器的工作位置，而路径却无关紧要。例如，在印制电路板上安插元件、点焊、装配等工作，都属于点位式工作方式。一般来说这种方式比较简单，但是要达到23微米的定位精度也是相当困难的。,二、机器人的控制方式,轨迹式在弧焊、喷漆、切割等工作中，要求机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运动。如果偏离预定的轨迹和速度，就会使产品报废。其控制方式类似于控制原理中的跟踪系统，可称之为轨迹伺服控制。,二、机器人的控制方式,力（力矩）控制方式在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之
4、外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺服方式。这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号，因此系统中必须有（力矩）传感器。有时也利用接近、滑动等传感器进行自适应控制。智能控制方式,三、机器人控制的基本单元,电动机作为驱动机器人运动的驱动力，常见的有液压驱动、气压驱动、直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。随着驱动电路元件的性能提高，当前应用最多的是直流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动。减速器减速器是为了增加驱动力矩、降低运动速度。,三、机器人控制的基本单元,驱动电路由于直流伺服电动机或交流伺服电
5、动机的流经电流较大，一般为几安培到几十安培，机器人电动机的驱动需要使用大功率的驱动电路，为了实现对电动机运动特性的控制，机器人常采用脉冲宽度调制(PWM)方式进行驱动。运动特性检测传感器机器人运动特性传感器用于检测机器人运动的位置、速度、加速度等参数。,三、机器人控制的基本单元,控制系统的硬件机器人的控制系统是以计算机为基础的，机器人控制系统的硬件系统采用的是二级结构，第一级为协调级，第二级为执行级。协调级实现对机器人各个关节的运动，实现机器人和外界环境的信息交换等功能，执行级实现机器人的各个关节的伺服控制，获得机器人内部的运动状态参数等功能。控制系统的软件机器人的控制系统软件实现对机器人运动
6、特性的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换等功能。,3.2 伺服电动机的原理与特性,一、直流电动机的工作原理,一、直流电动机的工作原理,上页图所示为一台最简单的直流电动机模型，N和S是一对固定的磁级（一般是电磁铁，也可以是永久磁铁），磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心，铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个弧形铜片上，弧形铜片称为换向片，他们的组合体称为换向器。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。电枢线圈和换向器构成的整体称为电枢。,一、直流电动机的工作原理,此模型作为直
7、流电动机运行时，将直流电源加于电刷A和B。例如将电源正极加于电刷A，电源负极加于电刷B，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a流向b，在导体cd中，电流由c流向d。载流导体ab和cd均处于N、S极之间，受到电磁力的作用，电磁力的方向用左手定则确定，可知这一,对电磁力形成一个转矩，称为电磁转矩，转矩的方向为逆时针方向，使整个电枢逆时针方向旋转。当电枢旋转1800时，导体cd转到N极下，ab转到S极下，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针。由此可见加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和
8、电刷的作用，是直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转，这就是直流电动机工作原理。,二、直流电动机的结构和额定值,1直流电动机的结构,二、直流电动机的结构和额定值,直流电动机额定值,额定功率额定功率是指按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电机来说，额定功率是指轴上输出的机械功率，单位为kW。额定电压额定电压是电动机电枢绕组嫩够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V。额定电流额定电流是指电动机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A.额定转速额定转速是指电动机在额定电压、额定电流和输
9、出额定功率的情况下运行时，电动机的转速，单位为r/min。,三、直流伺服电动机,传统型：也即是微型的他励直流电动机，它由定子、转子两部分组成。按定子磁极的种类分为两种，永磁式和电磁式。永磁式的磁极是永久磁铁；电磁式的磁极是电磁铁，磁极外面套着励磁绕组。低惯量型：特点是转子轻、转动惯量小、快速响应好。按照电枢型式的不同分为盘形电枢直流伺服电动机、空心杯电枢永磁式直流伺服电动机及无槽电枢直流伺服电动机。,三、直流伺服电动机,如图所示，盘型电枢直流伺服电动机的定子是由永久磁铁和前后磁扼组成，转轴上装有圆盘，圆盘上有电枢绕组，可以是印制组，也可以是绕线式绕组，电枢绕组中的电流沿径向流过圆盘表面，与轴向
10、磁通相互作用产生转矩。,三、直流伺服电动机,如图所示，空心杯电枢永磁式直流伺服电动机有一个外定子和一个内定子。外定子是两个半圆形的永久磁铁，内定子由圆柱形的软磁铁材料做成，空心杯电枢置于内外定子之间的圆周气隙中，并直接安装在电动机轴上。当电枢绕组流过一定的电流时，空心杯电枢能在内外定子间的气隙中旋转，并带动电动机旋转。,三、直流伺服电动机,在电枢控制方式下，直流伺服电动机的主要静态特性是机械特性和调节特性。,机械特性机械特性是指控制电压恒定时，电动机的转速随转矩变化的关系，直流伺服电动机的机械特性可以用下式表达：,机械特性,由式可知，当Ua不同时，机械特性为一组平行直线如下页图a所示，当Ua一
11、定时，随着转矩T的增加，转速n成正比例下降。随着控制电压Ua的降低，机械特性平行的向低速度、小转矩方向平移，其斜率保持不变。,调节特性,调节特性是指转矩恒定时，电动机的转速随控制电压变化的关系。当T为不同值时调节特性为一组平行线，如右图所示。当T一定,时,控制电压高则转速也高，转速的增加与控制电压的增加成正比，这是理想的调节特性。,调节特性,调节特性曲线与横坐标的焦点(n=0),就表示在一定负载转矩时的电动机的始动电压.在该转矩下,电动机的控制电压只有大于相应的电压时,电动机才能起动。理想空载时，始动电压为零，它的大小决定于电动机的空载制动转矩.,空载制动转矩大,始动电压也大.当电动机带动负载
12、时，始动电压随负载转矩的增大而增大。,四、交流伺服电动机,交流伺服电动机为两相异步电动机，定子两相绕组在空间相距900电角度，一相为励磁绕组，运行时接至电压为Uf的交流电源上；另一,相为控制绕组，输入控制电压为Uc， Uc与为同频率的交流电压，转子为笼型。和直流伺服电动机一样，交流伺服电动机也必须具有宽广的调速范围、线性的机械特性和快速响应等性能，还应无“自转”现象。,四、交流伺服电动机,为了使转子具有较大的电阻和较小的转动惯量，交流伺服电动机的转子有种类型结构式：(1)高电阻率导条的笼型转子这种转子的结构同普通笼式异步电动机一样，只是转子细而长，笼导条和端环采用高电阻率的导电材料(如黄铜、青
13、铜等)制造，国内生产的SL系列的交流伺服电动机就是采用这种结构。(2)非磁性空心杯转子在外定子铁心槽中放置空间相距900的两相分布绕组；内定子铁心由硅钢片叠成，不放绕组，仅作为磁路的一部分；由铝合金制成的空心杯转子置于内外定子铁心之间的气隙中，并靠其底盘和转轴固定。,四、交流伺服电动机,(3)铁磁性空心转子转子采用铁磁材料制成，转子本身既是主磁通的磁路，又作为转子绕组，结构简单，但当定子、转子气隙稍微不均匀时，转子就容易因单边磁拉力而被“吸住”，所以目前较少用。,3.3 伺服电动机调速的基本原理,调速即速度调节或速度控制，是指通过改变电动机的参数、结构或外加电器量(如供压、电流的大小或者频率)
14、来改变电动机的速度，以满足工作机械的要求。调速要靠改变电动机的机械特性来实现。,如图为调速时的特性曲线，其中工作机械即负载的特性曲线为ML，通过调整装置改变的电动机特性曲线为M1、 M2 、M3与线M1的交点分别为1、2、3。与之相对应的角速度为1、2、3，即电动机将有不同的角速度，实现了调速。,如果不改变电动机的特性，而靠改变负载转矩虽然也可以使速度变化，如图所示，负载转矩由ML1增加到ML2或ML3 ，虽然也可以使电动机速度降低，但这不是调速，而是负载扰动，在实际使用中我们不希望出现这种情况，这是稳速控制的主要问题。,一、稳态精度,速度变化率（静差率）调速精度稳速精度,二、调速范围,在满足
15、稳态精度的要求下，电动机可能达到的最高角速度max和最低角速度min的比定义为调速范围。,3.4 单关节机器人的伺服系统建模,一、开环控制系统和闭环控制系统,开环控制系统是最基本的，它是由手动控制基础上发展起来的控制系统。如上图所示的电动机控制系统为开环控制系统的框图。,一、开环控制系统和闭环控制系统,开环控制调速系统的输入量vi由手动调节，也可由上一级控制装置给出。系统的输出量是电动机的转动角度。如图，系统只有输入量的前后给定控制作用，输出量（或者被控量）没有反馈影响输入量，即输出量没有反馈到输入端参与控制作用。且输入量到输出量控制作用是单方向传递，所以称为开换控制量。,一、开环控制系统和闭
16、环控制系统,闭环控制系统：,二、模拟控制系统,模拟控制是指控制系统中传递的信号是时间连续信号。与模拟控制相对应的是数字控制，在这种系统中，除某些环节传递的仍是连续信号外，另一些环节传递的信号则是时间的断续信号，即离散的脉冲序列或数字编码。这类系统又称为采样系统或计算机控制系统。模拟控制是最早发展起来的控制系统，但当被控对象具有明显滞后特性时，这种控制就不适用，因为它容易引起系统的不稳定，又难以选择时间常数很大的教正装置来解决系统的不稳定问题。,采用数字控制效果好得多。如图是采样控制的原理图，采样开关周期性地接通和断开。S接通时系统放大系数可以很大，进行调节和控制；S端开时等待被控对象自身去运行
17、，指导下一次接通采样开关时，才检测误差，并根据它来继续对被控对象进行控制。这样从控制过程的总体看，系统的平均放大系数小，容易保证系统稳定，但从开关接通的调节看，系统的放大系数很大，可以保证稳态的精度。,三、伺服系统的动态参数,伺服系统的几个动态参数,(1)超调量(2)转矩变化的时间响应(3)阶跃输入的转速响应时间(4)建立时间(5)频带宽度,伺服系统的几个动态参数,a)转速初使值为零b)转速初使值不为零,2伺服系统的几个主要问题,(1)稳态位置跟踪误差当系统对输入信号瞬态响应过程结束，进入稳定运行状态时，伺服系统执行机构实际位置与目标值之间的误差为系统的位置跟踪误差。(2)定位精度问题系统最终
18、定位点与指令规定值之间的静态误差为系统的定位精度。这是评价位置伺服系统位置控制精度的重要性能指标。,2伺服系统的几个主要问题,(3)电动机的利用系数现代伺服系统均采用电力电子器件以调制斩波形式对伺服电动机进行驱动，这时电枢电流中的交流分量使它的有效平均值大于平均值。为保证电动机运行时温升不超过规定值，需要减小电动机的输出力矩。,四、机器人单关节伺服控制,单关节的位置和速度控制位置和速度反馈增益的确定稳态误差及其补偿,五、PID控制,理想微分PID控制实际微分PID控制,PID控制的基本形式,3.5 交流伺服电动机的调速,一、交流电动机的调速方法,由异步电动机的转速公式n=ns(1-s)可知交流
19、电动机的调速方法有两大类：一类是在电动机旋转磁场的同步速度ns恒定的情况下调节转差率s；而另一种是调节电动机旋转磁场的同步速度ns。,一、交流电动机的调速方法,交流电动机的两种调速方法和直流电动机的串电阻调速和调压调速类似，一种是属于耗能的低效调速方法，而另一种是属于高效的调速方法。在直流电动机中，要产生一定的转矩，在一定的磁场下要有一定的电流。在电源电压一定时，从电源输入的功率就是一定的，通过电枢中串电阻调速，就是在电阻上产生一部分损耗，使电动机功率减少，降低转速，这就是地效率调速方法。另一种办法是改变电动机输入电压，随着电压的降低，输入功率降低，输出功率当然也下降，于是转速下降。这里不增加
20、损耗，所以是一种高效的调速方法。,一、交流电动机的调速方法,交流电动机高效率调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电动机，也适用于同步电动机。交流电动机采用变频调速不但能无级调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压与频率之间的关系，可使电动机始终运行在高效的区域，并保证良好的动态性能，大幅度降低电动机的启动电流，增加启动转矩。所以变频调速是交流电动机理想的调速方法。机器人使用的交流电动机调速方法主要是变频调速方式。,二、异步电动机的变频调速系统,电压型转差频率控制变频调速系统,2转矩和磁通通道独流的转差频率控制变频调速系统,3电流型转差频率控制的变频调速系统,4电流跟踪变频调速系统,3
21、.6 机器人控制系统的举例,下文以PUMA560机器人控制系统为例，说明机器人控制系统的构成和工作的基本原理。,PUMA560机器人操作控制系统的结构如右图。其控制器是由一个DECLSI-11计算机和6个Rock well 6503微处理器组成的两级控制系统。 DECLSI-11计算机作为上级主控计算机监控下一级的6个Rock well 6503微处理器。每个微处理器控制一个关节，,采用PID控制规律。每一关节上装有一个增量式数码盘，检测关节的角位移。数码盘通过接口与上下指针连接，使微处理器随时读出关节位置。PUMA560没有采用测速电动机，而是通过关节位移的微分得到关节速度，进行速度反馈。为
22、了获得直流电动机的指令力矩，微处理机通过接口与D/A转换相连接，由直流驱动电路供给电动机电流，调节加在电枢上的电压来控制电枢电流，使它维持预期的值。,主控计算机DECLSI-11相当于一个监控计算机，有两个主要功能：1)与用户进行再线人机对话，并根据用户的VAL指令进行子任务调度。2)与6个6503微处理器进行子任务协调，以执行用户指令。与用户在先人机对话除了包括向用户通报各种出错信息外，还包括对VAL命令的分析、解释和解码。一旦VAL命令被解码，各种内部子程序就被调用来完成调度和协调功能。,在EDCLSI-11计算机的EPROM中有如下功能：1)坐标变换(直角坐标和关节坐标的相互变换等)。2
23、)关节插补和轨迹规划，每隔28mS向每个关节传送与每个设定点相应的增量位置更新值。3)从6503微处理器判明各种运动关节是否完成它所需要的增量运动。4)如果机器人是处于连续路径控制方式，则还要预先作好2)、3)两条指令以完成连续路径插补。,关节控制器有两个伺服环。外环提供位置误差信息，由6503微处理器大约每0.875ms更新一次。内环由模拟器件和补偿器件组成，用以微分反馈，起阻尼作用。两个伺服环的增益固定不变，并调整到在VAL程序确定的速度下的“临界阻尼关节系统”处理程序。,微处理器的主要功能是：1)每28ms接收一次来自DECLSI-11计算机的轨迹设定点，并检测、确认这一信息。然后对关节
24、位置的新值和当前值之间进行路径段的插补计算。微处理器把28ms内关节应该运动的角度分成32 等分，于是路径段每一步的时间为0.875ms。微处理器每隔0.875ms还从数码盘的寄存器中读出关节的当前位置，以便在下一步的插补计算时使用。2)更新由关节插补设定点和数码盘之值所得到的误差驱动信号。3)用A/D转换把误差驱动信号换成电流，然后把电流传送到驱动关节的模拟伺服板上，驱动相应的关节运动。,有此可见，PUMA机器人的控制方案基本上是比例积分微分控制(PID控制)。这种方案的主要缺点之一是：反馈增益是常数，且是预先确定的，不能随实际载荷的变化而改变。由于工业机器人是一个高度非线性系统、惯性负载、关节间的耦合以及重力效应都随位姿变化而变化，有的还与速度有关。而且，机器人在高速运行时，惯性负载、哥氏力离心项变化很大，因而采用上述系统控制非线性系统，在速度和有效载荷变化的情况下，动态性能是不够理想的。,
