第第五章机器人的控制基础_.pdf

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2008-6-181回顾第回顾第4章章2008-6-182机器人的动力学机器人的动力学4.2.4运动学、静力学、动力学的关系4.2.4运动学、静力学、动力学的关系1）静力学（Statics）定义：

静力学（Statics）定义：

如图4-5所示，在机器人的手爪接触环境时，手爪力F与驱动力的关系起重要作用，在静止状态下处理这种关系称为静力学。

12和2008-6-183机器人的动力学机器人的动力学4.2.4运动学、静力学、动力学的关系4.2.4运动学、静力学、动力学的关系2）动力学（Dynamics）定义：

动力学（Dynamics）定义：

如图4-5所示，在考虑控制时，就要考虑在机器人的动作中，关节驱动力会产生怎样的关节位置、关节速度、关节加速度，处理这种关系称为动力学。

对于动力学来说，除了与连杆长度Li有关之外，还与各连杆的质量mi,绕质心的惯性矩Ici,连杆的质量中心与关节轴的距离Lci有关，如果4-6所示。

?

2008-6-184机器人的动力学机器人的动力学4.2.4运动学、静力学、动力学的关系4.2.4运动学、静力学、动力学的关系3）运动学、动力学、静力学关系：

运动学、动力学、静力学关系：

如图4-7所示。

图中用虚线表示的关系可通过实线关系的组合表示，这些也可作为动力学的问题来处理。

2008-6-185第第5章机器人的控制基础章机器人的控制基础5.1概述5.1概述52伺服电动机的原理与特性52伺服电动机的原理与特性53伺服电动机调速的原理53伺服电动机调速的原理54电动机驱动及其传递函数54电动机驱动及其传递函数2008-6-186第第5章机器人的控制基础章机器人的控制基础55单关节机器人的伺服系统建模与控制55单关节机器人的伺服系统建模与控制56交流伺服电动机的调速56交流伺服电动机的调速57机器人控制系统的硬件结构及接口57机器人控制系统的硬件结构及接口58机器人控制系统举例58机器人控制系统举例2008-6-1875.1概述概述5.1.1机器人控制系统的特点5.1.1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相关2）机器人的每个自由度一般包含一个伺服机构，它们必须协调组成一个多变量系统3）机器人的控制系统必须是一个计算机控制系统，计算机软件担负着艰巨任务2008-6-1885.1概述概述5.1.1机器人控制系统的特点5.1.1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2008-6-1895.1概述概述5.1.1机器人控制系统的特点5.1.1机器人控制系统的特点总之，机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。

2008-6-18105.1概述概述5.1.2机器人控制方式5.1.2机器人控制方式1）点位式：

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，比如：

在印刷电路板上安插元件、点焊、装配等。

2）连续轨迹式：

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。

比如：

弧焊、喷漆、切割等。

2008-6-18115.1概述概述5.1.2机器人控制方式5.1.2机器人控制方式3）力（力矩）控制方式：

在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作。

该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（力矩）传感器，有时也利用接近、滑动等传感器功能进行自适应式控制。

4）智能控制方式：

第8章会讲解。

2008-6-18125.1概述概述5.1.3机器人控制的基本单元5.1.3机器人控制的基本单元1）电动机2）减速器3）驱动电路4）运动特性检测传感器5）控制系统的硬件6）控制系统的软件2008-6-18135.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.1直流电动机的工作原理5.2.1直流电动机的工作原理1）直流电动机：

将直流电能转换为机械能。

2）交流电动机：

将交流电能转换为机械能。

3）步进电动机：

将脉冲步进电能转换为机械能。

2008-6-1814直流电动机的原理直流电动机的原理1）书上第60页图5-1所示。

2）直流电动机的演示视频。

2008-6-18155.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.2直流电动机的结构和额定值5.2.2直流电动机的结构和额定值1）直流电动机的结构：

书第61页图5-22）直流电动机的额定值a）额定功率b）额定电压c）额定电流d）额定转速。

2008-6-18165.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.3直流伺服电动机5.2.3直流伺服电动机1）伺服电动机：

又称为执行电动机，在机器人系统中作为运动驱动元件，把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出，改变输入电压信号可以变更伺服电动机的转速和转向。

2）基本要求：

a）宽广的调速范围b）机械和调速特性均为线性c）快速响应d）无自转现象。

2008-6-18175.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.3直流伺服电动机5.2.3直流伺服电动机3）直流伺服电动机分为：

a）传统型：

微型的他励直流电动机，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。

b）低惯量型，特点是转子轻、转动惯量小、快速相应好。

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等。

如图：

5-3，5-4所示。

2008-6-18185.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.3直流伺服电动机5.2.3直流伺服电动机4）直流伺服电动机最常用的控制方式：

电枢控制，即把电枢绕组作为控制绕组，电枢电压作为控制电压，而励磁电压恒定不变，通过改变控制电压来控制直流伺服电动机的运行状态。

2008-6-18195.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.3直流伺服电动机5.2.3直流伺服电动机5）在电枢控制方式下，直流伺服电动机的主要静态特性是：

a）机械特性b）调节特性2008-6-1820机械特性机械特性直流电动机的机械特性可用下式表达：

式中，n0表示电动机的理想空载转速，R表示电枢电阻，Ce表示直流电动机电动势结构常数，CT表示转矩结构常数，表示磁通，T表示转矩。

022TaTeTeTURRnnCCCCC=（51）2008-6-1821由式（5-1）可知，当Ua不同时，机械特性为一组平行直线，如图5-5a所示；当Ua一定时，随着转矩T的增加，转速n成正比下降。

随着控制电压Ua的降低，机械特性平行地向低速度、小转矩方向平移，其斜率保持不变。

2008-6-1822调节特性调节特性调节特性指转矩恒定时，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直线，如图5-5b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。

2008-6-1823调节特性曲线与横坐标的交点（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始动电压时，电动机才能启动。

例如：

图5-5b,T=T1时，始动电压为U1，控制电压UaU1时，电动机方能启动。

2008-6-18245.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.4交流伺服电动机5.2.4交流伺服电动机1）直流伺服电动的缺点：

a）接触式换向器不但结构复杂、制造费时、价格昂贵，而且运行中容易产生火花，以及换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等，需要经常维护检修b）对环境的要求比较高，不适用于化工、矿山等周围环境中有粉尘、腐蚀性气体和易爆易燃气体的场合。

2008-6-18255.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.4交流伺服电动机5.2.4交流伺服电动机2）交流伺服电动的优点：

a）结构简单、制造方便、价格低廉b）坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等。

2008-6-18265.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.4交流伺服电动机5.2.4交流伺服电动机3）交流伺服电动的基本要求：

a）宽广的调速范围b）机械和调速特性均为线性c）快速响应d）无自转现象2008-6-18275.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.4交流伺服电动机5.2.4交流伺服电动机4）交流伺服电动的转子类型：

a）高电阻率导条的笼型转子b）非磁性空心杯转子c）铁磁性空心转子2008-6-18285.3伺服电动机调速的基本原理伺服电动机调速的基本原理5.3.1稳态精度5.3.1稳态精度1）转速变化率（静差率）2）调速精度3）稳速精度2008-6-1829转速变化率（静差率）转速变化率（静差率）指在电动机的某一条机械特性上（一般指额定状态）从理想空载到额定负载时的角速度降与理想空载的角速度之比，即：

000（%）100%100%s=（52）2008-6-1830由于实际中无法做到理想空载，故可以认为小于额定负载10%的负载即为空载。

转速变化率通常称为静差率，在异步电动机中又相当于转差率，显然，它与机械特性硬度有关，如果机械特性是直线，则有：

式中，机械特性硬度额定负载转矩000NNNMMsM1=（53）NMdMdd=NM2008-6-1831调速精度调速精度指调速装置或系统的给定角速度与带额定负载时的实际角速度之差与给定转速之比，即：

它标志着调速相对误差的大小，一般取可能出现的最大值作为指标。

（%）gg=（54）g2008-6-1832稳速精度稳速精度在规定的运行时间T内，以一定的间隔时间测量1s内的平均角速度，取出最大值和最小值，则稳速精度定义为最大角速度波动与平均转速之比，即：

如果机械特性为直线，且，则有：

maxminmaxmin（%）d=100%=100%（55）+max0min,N=maxminmaxmin000022NNNNNNMM=+（）Tmaxmin2008-6-18335.3伺服电动机调速的基本原理伺服电动机调速的基本原理5.3.2调速范围5.3.2调速范围指：

在满足稳态精度的要求下，电动机可能达到的最高角速度和最低角速度的比值，即：

maxminD=（56）2008-6-18345.4电动机的驱动及其传递函数电动机的驱动及其传递函数5.4.1传递函数5.4.1传递函数指：

某元件的输出信号和输入信号各自的拉普拉斯变换之比。

如图5-8所示，电动机的输入信号是v（t），输出信号是，将信号进行拉普拉斯变换，即把时间t的函数换成符号S为变量的函数，若变换定义为：

（）t0（）（）stVsvtedt=（58）2008-6-1835而将转速的拉普拉斯变换为：

由图可知，电动机的传递函数定义为：

（）t（）s0（）（t）9stsedt=（5）（）G（）10V（s）ss=（5）2008-6-18365.4电动机的驱动及其传递函数电动机的驱动及其传递函数5.4.2电动机的传递函数5.4.2电动机的传递函数1）从电动机轴到负载轴的传动比2）电压平衡方程3）折合到电动机上的总的等效惯性矩和等效摩擦系数4）力矩平衡方程5）耦合关系2008-6-18375.5单关节机器人的伺服系统建模与控制单关节机器人的伺服系统建模与控制5.5.1开环控制系统和闭环控制系统5.5.1开环控制系统和闭环控制系统1）开环：

图5-122）闭环：

图5-132008-6-18385.5单关节机器人的伺服系统建模与控制单关节机器人的伺服系统建模与控制5.5.2模拟控制系统和数字控制系统5.5.2模拟控制系统和数字控制系统1）模拟控制系统：

传递的信号是时间的连续信号。

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，该控制系统就不实用，易引起系统的不稳定。

2）数字控制系统：

传递的信号是时间的断续信号，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。

如图：

5-142008-6-18395.5单关节机器人的伺服系统建模与控制单关节机器人的伺服系统建模与控制5.5.3伺服系统的动态参数5.5.3伺服系统的动态参数1）伺服系统的几个动态参数a）超调量b）转矩变化的时间响应c）阶跃输入的转速响应时间d）建立时间f）频带宽度g）堵转电流2008-6-18405.5单关节机器人的伺服系统建模与控制单关节机器人的伺服系统建模与控制5.5.3伺服系统的动态参数5.5.3伺服系统的动态参数2）伺服系统的几个主要问题a）稳态位置跟踪误差b）定位精度问题c）电动机的利用系数2008-6-18415.5单关节机器人的伺服系统建模与控制单关节机器人的伺服系统建模与控制5.5.4机器人单关节伺服控制5.5.4机器人单关节伺服控制1）单关节的位置和速度控制2）位置和速度反馈增益的确定3）稳态误差及其补偿2008-6-18425.5单关节机器人的伺服系统建模与控制单关节机器人的伺服系统建模与控制5.5.5PID控制5.5.5PID控制1）PID的定义2）理想微分PID控制3）实际微分PID控制2008-6-1843理想微分理想微分PID控制控制如图5-19所示，表达式为：

PID控制的拉普拉斯变换为：

式中，Kp为比例增益，Ti为积分，Td为微分时间，u为操作量，e为控制输出量y和给定值之间的偏差。

pdi1deuK（eedtT）55Tdt=+（5）pdiU（s）1K（1+Ts）56E（s）Ts=+（5）2008-6-1844由于机器人的控制系统采用的是计算机控制，因此以下着重讨论数字实现的算法。

为了便于计算机实现，需要将积分式和微分式离散化，即：

式中，T为采样时间，n为采样序列，e（n）为第n次采样的偏差信号。

1（）（）

（1）（558）niedtTeideenendtT=（557）=2008-6-1845将式（5-57）和（5-58）代入式（5-55）可得：

0（）（）（）（）

（1）（559）ndpiiTTunKeneienenTT=+2008-6-1846实际微分实际微分PID控制控制由于理想微分控制的实际控制效果并不理想，因为其微分作用只持续一个采样周期，而机器人的执行机构的调解速度受到限制，使得微分作用并不能充分发挥，因此常常采用实际微分PID控制算法。

以一惯性环节代替式（5-56）中的微分环节，即：

dpdidTsUs1K1（559）TEsTs1+sK（）=+（）2008-6-1847分别将比例、积分和微分环节用差分方程离散化，得到实际编程用的增量型算式：

pppiiu（n）Ke（n）e（n1）（561）Ku（n）e（n）（562）T=2008-6-1848实际微分PID控制的优点在于微分作用能持续多个周期，使一般工业执行机构能够较好地跟踪微分作用的输出，并且其所含的一阶惯性环节具有数字滤波作用，使得控制系统的抗干扰能力较强，因而其控制品质较理想微分PID控制好。

2008-6-18491）直流伺服电动的缺点：

a）接触式换向器不但结构复杂、制造费时、价格昂贵，而且运行中容易产生火花，以及换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等，需要经常维护检修b）对环境的要求比较高，不适用于化工、矿山等周围环境中有粉尘、腐蚀性气体和易爆易燃气体的场合。

5.6交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速2008-6-18502）交流伺服电动的优点：

a）结构简单、制造方便、价格低廉b）坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等。

2008-6-18515.6交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速5.6.1交流电动机的调速方法5.6.1交流电动机的调速方法1）交流电动机的调速方法：

a）调压调速b）斩波调速c）转子串电阻调速d）串级调速e）滑差调速f）变频调速2008-6-18525.6交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速5.6.1交流电动机的调速方法5.6.1交流电动机的调速方法2）交流电动机的调速方法分类：

由异步电动机的转速公式n=ns（1-s）可知，分为：

a）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sb）调节电动机旋转磁场的同步速度ns2008-6-18535.6交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速5.6.2异步电动机的变频调速系统5.6.2异步电动机的变频调速系统1）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5）矢量控制变频调速系统2008-6-18545.7机器人控制系统的硬件结构及接口机器人控制系统的硬件结构及接口5.7.1机器人控制系统的硬件结构5.7.1机器人控制系统的硬件结构1）大部分工业机器人采用两级计算机控制a）第一级担负系统作业管理和实时插补任务，由于运算工作量大，数据多，大都采用16位以上微型计算机b）第二级为各关节的伺服系统，有两种可能方案：

一种是采用一台微型计算机控制高速脉冲发生器（图5-24）；另一种是使用几个单片机分别控制几个关节运动（图5-25）2008-6-18555.7机器人控制系统的硬件结构及接口机器人控制系统的硬件结构及接口5.7.2单片控制系统5.7.2单片控制系统单片机：

单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）,又称微控制器（MicrocontrollerUnit,简称MCU）：

将CPU和计算机外围功能单元集成在一个芯片上，形成芯片级的计算机。

2008-6-18565.7机器人控制系统的硬件结构及接口机器人控制系统的硬件结构及接口5.7.3数字信号处理（DSP）系统5.7.3数字信号处理（DSP）系统DSP的主要特点：

1）哈佛结构2）用管道式设计加快执行速度3）在每一周期中执行多个操作4）支持复杂的DSP编址2008-6-18575.7机器人控制系统的硬件结构及接口机器人控制系统的硬件结构及接口5.7.3数字信号处理（DSP）系统5.7.3数字信号处理（DSP）系统DSP的主要特点：

5）特殊的DSP指令6）面向寄存器和累加器7）支持前、后台处理8）拥有简便的单片内存和内存接口2008-6-18585.7机器人控制系统的硬件结构及接口机器人控制系统的硬件结构及接口5.7.4机器人运动控制系统的接口5.7.4机器人运动控制系统的接口1）驱动电路2）运动控制芯片3）基于计算机技术的机器人运动伺服控制器a）基于通用微型处理器，如：

8088，8031等为核心部件b）基于专用微型控制器，如：

采用LM628芯片等c）基于DSP的控制器。

2008-6-1859MT-R研究版智能机器人MT-R研究版智能机器人技术需求：

技术的综合性、多样性、交融性、可实践性、创新性很好开放性和模块化设计强大的接口功能和扩展能力多种开发函数库和开发环境易上手丰富的配件系统稳定性好2008-6-1860MT-R机器人系统结构MT-R机器人系统结构2008-6-1861嵌入式工业级计算机系统（上位机）DSP运动控制卡（下位机）PCI接口数字量输入串口接口语音接口USB接口无线网卡激光测距摄像头双目数字量输出D/A输出CAN接口超声传感器A/D输入PSD传感器数据存储器PWM输出编码器带电流环的240W驱动器70WMAXON直流电机2008-6-1862上位机工控机主板下位机DSP+CPLD智能体核心视觉技术网络技术分布式控制系统研究基于Agent的遥操作控制器基于网络的机器人控制监督式网络控制基于视觉的机器人导航机器人图象识别精细视频压缩编码图象特征提取技术运动控制及算法基于PID控制的机器人轨迹跟踪、移动机器人的动力学运动学研究移动机器人的智能控制研究嵌入式控制器的研究多传感器技术多传感器的移动机器人路径规划多传感器的机器人精确定位多传感器信息融合技术各种传感器网络通讯直流电机可研究领域可研究领域2008-6-1863研究版机器人拆解图研究版机器人拆解图2008-6-1864提供的服务：

机器人基本使用培训ROBOCUP机器人竞赛培训机器人竞赛策划与建议维修、维护服务项目合作服务主要配件：

全景摄像机云台摄像机双目立体摄像机室内激光测距踢球装置显示器工作电源（全景摄像机）主要配件及提供的服务主要配件及提供的服务（双目立体摄像机）（云台摄像机）（室内激光测距）2008-6-1865语音、无线网络传输、图像、运动控制2008-6-1866图像跟踪图像跟踪激光避障激光避障2008-6-18670200400600800100012000100200300400500600050100150200250020040060080010001200MT-R机器人-运动控制机器人-运动控制