第5章--机器人的控制系统

第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.2驱动与运动控制系统5.3控制理论与算法工业机器人的控制系统包含对机器人本体工作过程进行控制的控制机、机器人专用传感器、运动伺服驱动系统等。控制系统主要对机器人工作过程中的动作顺序、应到达的位置及姿态、路径轨迹及规划、动作时间间隔以及末端执行器施加在被作用物上的力和力矩等进行控制。控制系统中涉及传感技术、驱动技术、控制理论和控制算法。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.1机器人传感器的特点和要求一、机器人传感器基础知识传感器定义：一种以一定精度将被测量(如位移、力、加速度、温度等)转换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量)的测量部件或装置。完整的传感器组成：包括敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分。A、敏感元件和转换元件的功能：将某种不便测量的物理量转换为易于测量的物理量，构成传感器的结构部分B、基本转换电路：将敏感元件产生的易测量小信号进行变换，使传感器的信号输出符合具体工业系统的要求(如4～20mA、–5～5V)。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.1机器人传感器的特点和要求二、常见的机器人传感器位置、速度、加速度传感器温度、湿度、压力、滑动量、化学性质等感觉能力方面的传感器其它机器人传感器(1)简单触觉——确定工件对象是否存在。(2)复合触觉——确定工件对象是否存在以及它的尺寸和形状等。(3)简单力觉——单维力的测量。(4)复合力觉——多维力的测量。(5)接近觉——工作对象的非接触探测。(6)简单视觉——孔、边、拐角等的检测。(7)复合视觉——识别工作对象的形状等。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.1机器人传感器的特点和要求三、机器人传感器的性能指标A、一般包括以下三类参数：(1)基本参数，包括量程(测量范围、量程及过载能力)、灵敏度、静态精度和动态性能(频率特性及阶跃特性)。(2)环境参数，包括温度、振动冲击及其他参数(潮湿、腐蚀及抗电磁干扰等)。(3)使用条件，包括电源、尺寸、安装方式、电信号接口及校准周期等。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.1机器人传感器的特点和要求三、机器人传感器的性能指标B、比较重要或常用的参数指标：1．灵敏度2．线性度3．精度4．重复性5．分辨率6．响应时间7．抗干扰能力第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.2机器人内部传感器操作机器人根据具体用途不同可以选择不同的控制方式，如位置控制、速度控制及力控制等；在这些控制方式中，机器人系统所应具有的基本传感单元是位置和速度传感器；无论是旋转关节坐标型、直角坐标型还是混合型，通常需要将机器人末端执行器在笛卡儿坐标空间中的位姿或轨迹转化为关节空间位姿或轨迹，再通过控制各个关节联动实现末端执行器的操作；用于检测关节位置或速度的传感器也成为机器人关节组件中的基本单元；第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.2机器人内部传感器一、位置传感器位置和位移传感器根据其工作原理和组成的不同有各种不同的形式，常见的有电阻式、电容式、电感式位移传感器及编码式位移传感器、霍尔元件位移传感器、磁栅式位移传感器等。1．电位器式位移传感器电位器式位移传感器主要有电位器和滑动触点组成，通过触点的滑动改变电位器的阻值来测量信号的大小。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器图5.1旋转型电位器式位移传感器1.1旋转型电位器式位移传感器可变电阻做成圆弧形，滑动触点是一个带有回转中心的电刷，电刷触点与弧形电阻接触，其回转中心与被测角度的回转中心及可变电阻的回转中心重叠。当被测角度发生变化时，电刷转过的角度随之改变。--被测角度 ；--弧形电阻所包含的圆心角K--为比例系数第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器1.2直线型电位器式位移传感器将可变电阻做成直线形，当电刷沿电阻的长度方向作直线运动时，可测量出与电刷固连的被测物的直线位移。L--被测长度 s—直线电阻长度K’--为比例系数第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.2机器人内部传感器一、位置传感器2．编码式位移传感器编码式位移传感器是一种数字式位移传感器，其测量输出的信号为数字脉冲，可以测直线位移也可以测转角。编码式位移传感器测量范围大，检测精度高，在机器人的位置检测及其他工业领域都得到了广泛的应用；编码器按照测出的信号是绝对信号还是增量信号，可分为绝对式编码器和增量式编码器；按照结构及信号转换方式，又可分为光电式、接触式及电磁式等。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.2机器人内部传感器一、位置传感器2.1绝对式光电编码器绝对式编码器是一种直接编码式的测量元件，它可以直接把被测转角或位移转化成相应的代码，指示的是绝对位置而无绝对误差，在电源切断时不会失去位置信息。但其结构复杂，价格昂贵，且不易做到高精度和高分辨率。编码盘以一定的编码形式(如二进制编码等)将圆盘分成若干等分，利用光电原理把代表被测位置的各等分上的数码转化成电信号输出以用于检测。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.2机器人内部传感器图5.3绝对式编码器码盘第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.2机器人内部传感器表5.1循环码(格雷码)与二进制码及真值表真值格雷码二进制码真值格雷码二进制码000000000811001000100010001911011001200110010101111101030010001111111010114011001001210101100501110101131011110160101011014100111107010001111510001111第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.2机器人内部传感器一、位置传感器2.2增量式光电编码器增量式光电编码器能够以数字形式测量出转轴相对于某一基准位置的瞬间角位置，另外还能测出转轴的转速和转向；在机器人的关节转轴上装有增量式光电编码器，可测量出转轴的相对位置，但不能确定机器人转轴的绝对位置，所以这种光电编码器一般用于定位精度要求不高的机器人，如喷涂、搬运及码跺机器人等。目前已出现包含绝对式和增量式两种类型的混合式编码器。使用这种编码器时，使用绝对式确定机器人的绝对位置，确定由初始位置开始的变动角的精确位置则使用增量式。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器图5.4增量式编码器的工作原理2.2增量式光电编码器增量式光电编码器没有接触磨损，允许高转速，精度及可靠性好，但结构复杂，安装困难。常用的增量式编码器的分辨率一般为2000 P/r、2500 P/r、3000 P/r、20000P/r、25000P/r及30000P/r等。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.2机器人内部传感器二、速度传感器速度传感器是机器人中较重要的内部传感器之一。由于在机器人中主要测量机器人关节的运行速度，故这里仅介绍角速度传感器。目前广泛使用的角速度传感器有测速发电机和增量式光电编码器两种。测速发电机是应用最广泛，能直接得到代表转速的电压且具有良好实时性的一种速度测量传感器。增量式编码器既可以用来测量增量角位移又可以测量瞬时角速度。速度的输出有模拟式和数字式两种。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.2机器人内部传感器二、速度传感器2.1测速发电机测速发电机是一种模拟式速度传感器。测速发电机实际上是一台小型永磁式直流发电机，其结构原理如图5.5所示。其工作原理基于法拉第电磁感应定律，当通过线圈的磁通量恒定时，位于磁场中的线圈旋转使线圈两端产生的电压(感应电动势)与线圈(转子)的转速成正比，即(5.7)式中：u为测速发电机的输出电压(V)；n为测速发电机的转速(r/min)；k为比例系数。为了减少测量误差，应使负载尽可能小且保持负载性质不变。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器图5.5直流测速发电机的结构原理1—永久磁铁；2—转子线圈；3—电刷；4—整流子第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器图5.6机器人速度伺服控制系统测速发电机线性度好，灵敏度高，输出信号强，目前检测范围一般为20～40 r/min，精度为0.2 %～0.5 %。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.2机器人内部传感器•二、速度传感器•2.2测速发电机•增量式光电编码器在机器人中既可以作为位置传感器测量关节相对位置，又可以作为速度传感器测量关节速度。作为速度传感器时既可以在模拟方式下使用又可以在数字方式下使用。1)模拟方式在这种方式下，必须有一个频率-电压(F/V)变换器，用来把编码器测得的脉冲频率转换成与速度成正比的模拟电压。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器图5.7模拟方式的增量式编码盘测速第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器图5.8时间增量测量电路t2)数字方式数字方式测速是利用数学方式用计算机软件计算出速度。由于角速度是转角对时间的一阶导数，如果能测得单位时间内编码器转过的角度，则编码器在该时间内的平均转速为(5.8)第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.3机器人外部传感器•一、力或力矩（力觉）传感器•工业机器人在进行装配、搬运、研磨等作业时需要对工作力或力矩进行控制。例如装配时需进行将轴类零件插入孔里，调准零件的位置，拧动螺钉等一系列步骤，在拧动螺钉过程中需要有确定的拧紧力；搬运时机器人手爪对工件需有合理的握力，握力太小不足以搬动工件，太大则会损坏工件；研磨时需要有合适的砂轮进给力以保证研磨质量。另外，机器人在自我保护时也需要检测关节和连杆之间的内力，防止机器人手臂因承载过大或与周围障碍物碰撞而引起的损坏。所以力和力矩传感器在机器人中的应用较广泛。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.3机器人外部传感器•一、力或力矩（力觉）传感器•力和力矩传感器种类很多，常用的有电阻应变片式、压电式、电容式、电感式以及各种外力传感器。力或力矩传感器都是通过弹性敏感元件将被测力或力矩转换成某种位移量或变形量，然后通过各自的敏感介质把位移量或变形量转换成能够输出的电量。•目前使用最广泛的是电阻应变片式力和力矩传感器。图5.9所示为20世纪70年代就研制成功的一种6维力和力矩传感器。这种传感器的力和力矩敏感元件是应变片，装载铝制筒体上，筒体有8个简支梁(弹性梁)支持。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器图5.9应变片式机器人腕力和力矩传感器设8个弹性梁测出的应变为T12345678W(5.9)机器人杆件某点的力与用力和力矩传感器测出的8个应变的关系为113172212533234363844448552566616365677800000000000000000000000000000000xyzxyzWkkWFkkWFkkkkWFkkWMkkWMkkkkWMWF(5.10)第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器5.1.3机器人外部传感器•二、接近觉传感器•接近觉传感器是机器人用来探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的一种传感器，它探测的距离一般在几毫米到十几厘米之间。有时接近觉传感器与视觉、触觉等传感器没有明显的区别。•接近觉传感器结构上分为接触型和非接触型两种，其中非接触型接近觉传感器应用较广。•目前按照转换原理的不同接近觉传感器分为电涡流式、光纤式、超声波式及激光扫描式等。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器图5.10电涡流传感器的工作原理1．电涡流式传感器电涡流传感器外形尺寸小，价格低廉，可靠性高，抗干扰能力强，而且检测精度也高，能够检测到0.02mm的微量位移。但是该传感器检测距离短，一般只能测到13 mm以内，且只能对固态导体进行检测，这是其不足之处。第5章机器人的控制系统5.1机器人传感器2．光纤式传感器光纤是