1、第第5 5章章 机器人的控制系统机器人的控制系统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。5.1 5.1 机器人传感器机器人传感器5.1.1 5.1.1 机器人传感器的特点和要求机器人传感器的特点和要求一、机器人传感器的种类一、机器人传感器的种类传感器是一种以一定精度将被测量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的测量部件或装
2、置。完整的传感器应包括敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分。敏感元件:将某种不便测量的物理量转换为易于测量的物理量，与转换元件件一起构成传感器的结构部分;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。机器人传感器除了常见的位置、速度传感器外，还包括以下几类传感器：(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。一些特殊领域应用的机器人还可能需
3、要具有温度、湿度、压力、滑动量、化学性质等感觉能力方面的传感器。2 2线性度线性度 线性度线性度反映传感器输出信号与输入信号之间的线性程度。假设传感器的输出信号为y，输入信号为x，则y与x的关系为 如果传感器的输入量变化不太大,那么可以取b=a0，近似地把传感器的输出和输入看成是线性关系。这种将传感器的输出输入关系近似为线性关系的过程称为传感器的线性化。常用的线性化方法有割线法、最小二乘法、最小误差法等。机器人控制系统应该选用线性度较高的传感器。大多数情况下，b都是x的函数，即ybx2012()bf xaa xa x3 3精度精度传感器的精度精度是指传感器的测量输出值与实际被测量值之间的误差。
4、在机器人系统设计中，应该根据系统的工作精度要求选择合适的传感器精度。传感器精度的使用条件和测量方法。使用条件应包括机器人所有可能的工作条件。用于检测传感器精度的测量仪器必须具有高一级的精度，精度测试也需要考虑到最坏的工作条件。4 4重复性重复性重复性重复性是指传感器在其输入信号按同一方式进行全量程连续多次测量时，相应测试结果的变化程度。对于多数传感器来说，重复性指标都优于精度指标。这些传感器的精度不一定很高，但只要它的温度、湿度、受力条件和其他参数不变，传感器的测量结果也没有较大变化。同样，传感器重复性也应考虑使用条件和测试方法的问题。5 5分辨率分辨率分辨率分辨率是指传感器在整个测量范围内所
5、能辨别的被测量的最小变化量，或者所能辨别的不同被测量的个数。无论是示教-再现型机器人，还是可编程型机器人，多对传感器的分辨率有一定的要求。传感器的分辨率直接影响机器人的可控程度和控制品质。一般需要根据机器人的工作任务规定传感器分辨率的最低限度要求。6 6响应时间响应时间响应时间响应时间是传感器的动态特性指标，是指传感器的输入信号变化后，其输出信号变化一个稳定值所需要的时间。在某些传感器中，输出信号在达到某一稳定值以前会发生短时间的振荡。响应时间的计算应当以输入信号起始变化的时刻为始点，以输出信号达到稳定值时刻为终点。实质上，还需要规定一个稳定值范围，只要输出信号的变化不再超出此范围，即可认为它
6、已经达到了稳定值。对于具体系统设计，还应规定响应时间容许上限。7 7抗干扰能力抗干扰能力由于传感器输出信号的稳定是控制系统稳定工作的前提，为防止机器人系统的意外动作或发生故障，传感器系统设计必须采用可靠性设计技术。通常这个指标通过单位时间内发生故障的概率来定义，因此是一个统计指标。5.1.2 5.1.2 机器人内部传感器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。机器人控制系统的基本单元是机器人单关节位置、速度控制。因此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
7、的基本单元。一、位置传感器一、位置传感器位置控制是机器人最基本的控制要求，而位置和位移的检测也是机器人最基本的感觉要求。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。角位移测量：如图5.1所示。从式中可以看出，输入信号(角度)与输出信号(电压)呈线性关系。这种弧形电阻最大的测量角度为360。图5.1 旋转型电位器式位移传感器线位移测量：其测量原理如图5.2所示。优点：结构简单，性能稳定
8、可靠，精度高。可以在一定程度上较方便地选择其输出信号范围，且测量过程中断电或发生故障时，输出信号能得到保持而不会自动丢失。缺点：滑动触点容易磨损。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。一般把该传感器装在机器人各关节的转轴上，用来测量各关节转轴转过的角度。1.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；2.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。目前机器人中较为常用的是光电式编码器。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
9、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。图(a)所示为四位二进制编码盘，编码盘由多个同心的码道组成，与码道个数相同的光电器件分别与各自对应的码道对准并沿编码盘的半径直线排列，通过这些光电器件的检测可以产生绝对位置的二进制码。绝对式编码器对于转轴的每一个位置均产生惟一的二进制编码，因此可用于确定绝对位置。绝对位置的分辨率取决于二进制编码的位数，亦即
10、码道的个数。使用二进制编码盘时，当编码盘在其两个相邻位置的边缘交替或来回摆动时，由于制造精度和安装质量误差或光电器件的排列误差将产生编码数据的大幅跳动，导致位置显示和控制失常。现在常用图b)所示的循环码编码盘。循环码又称格雷码，真值与其码值及二进制码值的对照见表5.1所示。循环码是非加权码，其特点是相邻两个代码间只有一位数变化，即0变1，或1变0。如果在连续的两个数码中发现数码变化超过一位，就认为是非法的数码，因而格雷码具有一定的纠错能力。真值真值格雷码格雷码二进制二进制码码真值真值格雷码格雷码二进制二进制码码000000000811001000100010001911011001200110
11、010101111101030010001111111010114011001001210101100501110101131011110160101011014100111107010001111510001111格雷码实质上是二进制码的另一种数值形式，是对二进制码的一种加密处理。格雷码经过解密就可转化为二进制码，实际上也只有解密成二进制码才能得到真正的位置信息。格雷码的解密可以通过硬件解密器或软件解密来实现。光电编码器的性能主要取决于编码盘中光电敏感元件的质量及光源的性能。一般要求光源具有较好的可靠性及环境的适应性，且光源的光谱与光电敏感元件相匹配。如需提高信号的输出强度，输出端还可以接电
12、压放大器。为了减少光噪声的污染，在光通路中还应加上透镜和狭缝装置。透镜使光源发出的光聚焦成平行光束，狭缝宽度要保证所有轨道的光电敏感元件的敏感区均处于狭缝内。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，其结构及工作原理如图5.4所示。图5.4(a)所示，编码器的编码盘有三个同心光栅，分别称为A相、B相和C相光栅。图5.4 增量式编码器的工作原理根据A、B相任何一光栅输出脉冲数的大小就可以确定编码盘的相对转角；根据输出脉冲的频率可以确定编码盘的转速；采用适当的逻辑电路，根据A、B相输出脉冲的相序就可以确定编码盘的旋转方
13、向。A、B两相光栅为工作信号，C相为标志信号，编码盘每旋转一周，标志信号发出一个脉冲，它用来作为同步信号。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。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。二、速度传感器二、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
14、，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。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
15、=uk n从式中看出，输出电压与转子转速呈线性关系。但当直流测速发电机带有负载时，电枢的线圈绕组便会产生电流而使输出电压下降，这样便破坏了输出电压与转速的线性度，使输出特性产生误差。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。测速发电机的转子与机器人关节伺服驱动电动机相连就能测出机器人运动过程中的关节转动速度，并能在机器人速度闭环系统中作为速度反馈元件。机器人速度伺服控制系统的控制原理如图5.6所示。优点：线性度好，灵敏度高，输出信号强，目前检测范围一般为2040r/min，精度为0.2%0.5%。图5.6 机器人速度伺服控制系统2增量式光电编码器增量式光电编码器作为速度传感器时既可
16、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。其原理如图5.7所示。F/V变换器必须有良好的零输入、零输出特性和较小的温度漂移才能满足测试要求。图5.7 模拟方式的增量式编码盘测速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。角速度是转角对时间的一阶导数，编码器在时间t内的平均转速为 单位时间取得越小，则所求得的转速越接近瞬时转速，然而时间太短，编码器通过的脉冲数太少，导致所得到的速度分辨率下降。在实践中通常用以下方法来解决这一问题。编码器一定时，编码器的每转
17、输出脉冲数就确定。设某一编码器为1000P/r，则编码器连续输出两个脉冲转过的角度而转过该角度的时间增量用图5.8所示测量电路测得。测量时利用一高频脉冲源发出连续不断的脉冲，设该脉冲源的周期为0.1ms，用一计数器测出编码器发出两个脉冲的时间内高频脉冲源发出的脉冲数。门电路在编码器发出第一个脉冲时开启，发出第二个脉冲时关闭。这样计数器计得的计数值就是时间增量内高频脉冲源发出的脉冲数。设该计数值为100，则得时间增量为所以角速度为图5.8 时间增量测量电路5.1.3 5.1.3 机器人外部传感器机器人外部传感器一、力或力矩（力觉）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
18、作业时需要对工作力或力矩进行控制。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。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。图5.9 应变片式机器人腕力和力矩
19、传感器由于机器人各个杆件通过关节连接在一起，运动时各杆件相互联动，所以单个杆件的受力状况非常复杂。但根据刚体力学知道，刚体上任何一点的力都可以表示为笛卡儿坐标系三个坐标轴的分力和绕三个轴的分力矩。只要测出这三个力和力矩，就能计算出该点的合成力。在图5.9所示的力和力矩传感器上，8个梁中有4个水平梁和4个垂直梁，每个梁发生的应变集中在梁的一端，把应变片贴在应变最大处就可以测出一个力。设8个弹性梁测出的应变为机器人杆件某点的力与用力和力矩传感器测出的8个应变的关系为二、接近觉传感器二、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
20、米到十几厘米之间。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。1电涡流式传感器导体在一个不均匀的磁场中运动或处于一个交变磁场中时，其内部就会产生感应电流。这种感应电流称为电涡流，这一现象称为电涡流现象，利用这一原理可以制作电涡流传感器。电涡流传感器的工作原理如图5.10所示。由于传感器的电磁场方向与产生的电涡流方向相反，两个磁场相互叠加削弱了传感器的电感和阻抗。用电路把传感器电感和阻抗的变化转换成转换电压，则能计算出目标物与传感器之间的距离。该距离正比于转换电压，但存在一定的线性误
21、差。对于钢或铝等材料的目标物，线性度误差为0.5%。优点：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。缺点：检测距离短，一般只能测到13mm以内，且只能对固态导体进行检测。图5.10 电涡流传感器的工作原理2光纤式传感器用光纤制作接近觉传感器可以用来检测机器人与目标物间较远的距离。优点：抗电磁干扰能力强，灵敏度高，响应快。光纤式传感器有三种不同的形式。第一种为射束中断型，如图5.11(a)所示。这种传感器只能检测出不透明物体，对透明或半透明的物体无法检测。第二种为回射型，如图5.11(b)所示。与第一种类型相比，这一种类型的光纤式传感器可以
22、检测出透光材料制成的物体。第三种为扩散型，如图5.11(c)所示。与第二种相比第三种少了回射靶。因为大部分材料都能反射一定量的光，这种类型可检测透光或半透光物体。图5.11 光纤传感器结构3超声波传感器超声波接近觉传感器利用超声波测量距离。超声波传感器测距原理图如图5.12所示。传感器有一个超声波发射器、一个超声波接收器、定时电路及控制电路组成。待超声波发射器发出脉冲式超声波后关闭发射器，同时打开超声波接收器。该脉冲波到达物体表面后返回到接收器，定时电路测出从发射器发射到接收器接收的时间。设该时间为T，而声波的传输速度为v，则被测距离L为图5.12 超声波传感器原理图超声波的传输速度与其波长和
23、频率成正比，只要这两者不变，速度就为常数，但随着环境温度的变化，波速会有一定变化。超声波传感器对于水下机器人的作业非常重要。水下机器人安装超声波传感器后能使其定位精度达到微米级。另外，激光扫描型接近觉传感器的测量原理与超声波传感器类似。三、触觉传感器三、触觉传感器触觉传感器在机器人中有以下几方面的作用：(1)感知操作手指与对象物之间的作用力，使手指动作适当。(2)识别操作物的大小、形状、质量及硬度等。(3)躲避危险，以防碰撞障碍物引起事故。机器人中的触觉传感器一般包括压觉、滑觉、接触觉及力觉等。最早的触觉传感器为开关式传感器，只有0和1两个信号，相当于开关的接通与关闭两个状态，用于表示手指与对
24、象物的接触与不接触。如果要检测对象物的形状，就需要在接触面上安装许多敏感元件。一般用导电合成橡胶作为触觉传感器的敏感元件。这种橡胶压变时其体电阻的变化很小，但接触面积和反向接触电阻随外部压力的变化很大。这种敏感元件可以做得很小，一般1cm3面积内可有256个触觉敏感元件，敏感范围达1100g。敏感元件在接触表面以一定形式排列成阵列传感器，排列的传感器越多，检测越精确。目前出现了“人工皮肤”，实际上就是一种超高密度排列的阵列传感器，主要用于表面形状和表面特性的检测。压电材料是另一种有潜力的触觉敏感材料，其原理是利用晶体的压电效应，在晶体上施压时，一定范围内施加的压力与晶体的电阻成比例关系。但是一
25、般晶体的脆性比较大，作为敏感材料时很难制作。目前已有一种聚合物材料具有良好的压电性，且柔性好，易制作，可望成为新的触觉敏感材料。其他常用敏感材料有半导体应变计，其原理与应变片一样，即应变变形原理。5.2 5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统5.2.1 5.2.1 概述概述早期的工业机器人都用液压、气动方式来进行伺服驱动。随着大功率交流伺服驱动技术的发展，目前大部分被电气驱动方式所代替，只有在少数要求超大的输出功率、防爆、低运动精度的场合才考虑使用液压和气压驱动。电气驱动无环境污染，响应快，精度高，成本低，控制方便。分类：1.按照驱动执行元件的不同：步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动、交
26、流伺服电动机驱动；2.按照伺服控制方式：开环、闭环、半闭环伺服控制系统。步进电动机驱动一般用在开环伺服系统中；交、直流伺服电动机用于闭环和半闭环伺服系统中，这类系统具有很高的控制精度。一般的伺服控制系统包括伺服执行元件(伺服电动机)、伺服运动控制器、功率放大器(又称伺服驱动器)、位置检测元件等。伺服运动控制器的功能:实现对伺服电动机的运动控制，包括力、位置、速度等的控制。随着芯片集成技术和计算机总线技术的发展，专用运动控制芯片和运动控制卡越来越多地作为机器人的运动控制器。这两种形式的伺服运动控制器控制方便灵活，成本低，都以通用PC机为平台，借助PC机的强大功能来实现机器人的运动控制。前者利用专
27、用运动控制芯片与PC机总线组成简单的电路来实现；后者直接做成专用的运动控制卡。5.2.2 5.2.2 基于计算机基于计算机(微处理器微处理器)和芯片的运动控制器设计和芯片的运动控制器设计一、一、LM628LM628概述概述LM628专用运动控制芯片实际上是一个具有专门用途的单片机，用来控制以增量式编码器为位置反馈元件的各种直流或无刷直流电动机伺服系统或其他伺服系统，具有很强的实时运算能力。该芯片具有丰富的指令集，可以通过上级计算机编程控制。只要用一片LM628和其他一些功能器件就可构成一个伺服系统。LM628芯片为28引脚的双列直插式封装(如图所示)：IN接受从增量式编码器来的零位标记信号。A
28、、B接受从增量式编码器来的两个正交信号。D0-D7连接主计算机或主处理器的I/O端口。利用CS、RD 和WR可向LM628写入指令和数据或从LM628读出状态字节和数据。CS位片选信号，从主机发出，用于选中LM628进行读写操作。RD由主机发出，使主机读出LM628的状态和数据。GND电源地信号。LM628芯片为28引脚的双列直插式封装(如图所示)：WR由主机发出使主机向LM628写入指令和数据。PS由主机发出，用来选择LM628的指令口或数据口。当PS为低电平时，向指令口写入指令，或从指令口读出状态；当PS为高电平时，向数据口写数据或从数据口读出数据。HI高电平有效，通知主计算机中断条件已具
29、备。DAC0-DAC7DAC输出口。CLK系统时钟输入端。RST复位输入端。VDD电源，电压为4.55.5V，电流小于100mA。LM628构成的伺服系统组成非常简单，其原理图如图5.14所示。图5.14 LM628伺服系统原理图二、二、LM628LM628的特点及基本功能的特点及基本功能1LM628LM628的特点：的特点：(1)32位的位置、速度、加速度寄存器。(2)16位可编程数字PID滤波器。(3)可编程微分采样间隔。(4)8位或12位D/A转换器输出数据。(5)内部梯形速度图发生器。(6)速度、目标位置和滤波器参数在运动过程中可以改变。(7)可选择位置或速度控制方式。(8)实时可编程
30、的主计算机中断。(9)有与增量式编码器的接口。2 2LM628LM628的主要功能的主要功能在由LM628组成的伺服运动控制器中，LM628能提供下面的一些主要功能：(1)接受主机发送来的运动控制指令，并把运动控制器当前的状态及数据送给主机。(2)作为速度曲线发生器，执行速度梯形图的计算和数字滤波，产生速度曲线。(3)利用增量式编码器进行实际位置的反馈。(4)在运行中计算实际位置和理论位置(由速度发生器产生的位置)的差值，并把该差值经PID数字滤波器处理后输出，经外接D/A转换器转换和功率放大，最后驱动电动机运动。速度发生器产生的速度曲线计算出了期望位置与时间的对应关系。在位置控制方式下，主机
31、把伺服系统的加速度、最高速度和最后位置通过LM628的用户指令发送给LM628，LM628则按照规定的曲线控制伺服电动机以规定的加速度运动到最高速度，然后以该速度恒速运动到减速点，接着以负加速度开始减速直到电动机到达目标位置停止，如图5.15(a)所示。在某些运动过程中，最高速度和目标位置是允许改变的，图5.15(b)所示就是一种典型的改型梯形速度曲线图。图5.15 速度曲线图5.2.3 5.2.3 基于基于PC(PC(总线总线)技术的运动控制技术的运动控制(卡卡)器器目前市售的运动控制卡很多，功能都为对运动轴的开、闭环控制。这里介绍一种用于机器人和数控机床的四轴运动控制器GM-400。一、一
32、、GM-400GM-400四轴运动控制器简介四轴运动控制器简介1 1概述概述GM-400四轴运动控制器的核心由两片专用运动控制芯片组成。它具有功能强，价格低，使用方便的特点，适用于四轴伺服电动机的闭环控制。图5.17 采用四轴运动控制器组成的控制系统框图2 2GM-400GM-400四轴运动控制器提供的主要功能四轴运动控制器提供的主要功能(1)提供4路模拟电压(10V)控制信号。(2)提供4路PWM控制信号(适用于有PWM控制信号接口的伺服电动机驱动器)。(3)提供4路增量式光电编码器反馈信号接口。(4)增量式编码盘计数频率可达1MHz。(5)四轴位置、速度、加速度控制。(6)可编程数字PI+
33、Vff滤波。(7)可编程数字PID滤波。(8)单轴最小伺服采样周期为100ms。(9)32位长度的位置寄存器。(10)硬件检测INDEX信号。(11)硬件检测HOME信号。(12)可编程S曲线、梯形曲线、速度跟踪和电子齿轮式运动控制方式。(13)点到点位置控制。3 3控制器的输入及输出接口控制器的输入及输出接口(1)8路光电隔离限位开关信号输入接口；(2)4路光电隔离原点信号输入接口；(3)16路光电隔离输入可作为伺服电动机驱动器故障输入接口，也可作为由用户定义的其他输入信号接口。(4)16路光电隔离输出信号可用于伺服电动机驱动器的使能和故障复位控制，也可以由用户定义成其他输出信号接口。二、运
34、动控制器工作原理二、运动控制器工作原理图5.18所示为GM-400运动控制器的原理框图。增量式编码器的增量式编码器的A A、B B相信号作为位置反馈输入信号。相信号作为位置反馈输入信号。运动控制器通过四倍频及加、减计数器得到实际位置。实际位置的信息保存在运动控制器通过四倍频及加、减计数器得到实际位置。实际位置的信息保存在位置寄存器中，上级计算机可通过控制寄存器读取。位置寄存器中，上级计算机可通过控制寄存器读取。运动控制器的目标位置由上级计算机设定，通过内部计算得到位置误差值，经运动控制器的目标位置由上级计算机设定，通过内部计算得到位置误差值，经过数字伺服滤波器后，送到数模转换过数字伺服滤波器后
35、，送到数模转换(DAC)(DAC)或脉宽调制器或脉宽调制器(PWM)(PWM)硬件处理电路，经过硬件处理电路，经过转换，最后输出伺服电动机的控制信号，即转换，最后输出伺服电动机的控制信号，即1010V V模拟信号或模拟信号或PWMPWM信号。信号。运动控制器的控制模式和参数由上级计算机设定，GM-400根据主机发送的命令决定采用何种加、减速控制曲线和数字滤波算法。GM-400运动控制器有两种运动控制方式：一种是闭环方式，另一种是开环方式。闭环控制是运动控制器的默认方式，开环控制直接输出控制信号。在开环控制模式下，上级计算机送到GM-400运动控制器的命令不需要经过任何处理，直接输出控制。闭环控
36、制下的四种运动控制模闭环控制下的四种运动控制模式式1)S曲线模式运动控制过程如下：(1)在开始加速的1区，加速度从零开始，以设定的最大加速度为目标，以加加速度为增量递增，直到达到最大加速度为止。(2)在2区，加加速度为零，按已达到的最大加速度加速到3区。(3)在3区，按负的加加速度使加速度减为零值,使速度达到最大值。此阶段已完成加速过程。(4)第4阶段为匀速运行阶段，加速度和加加速度都为零。(5)在第5阶段、第6阶段和第7阶段与第1、2及3阶段相同，不同的是减速运行到速度为零。图5.19 S曲线模式控制曲线通常S曲线模式的速度曲线都是对称的，但可以缺少某些过程。例如，图5.20所示的速度曲线就
37、缺少了第4阶段的曲线。一旦设定当前轴为S曲线模式，该控制轴将保持这种控制模式，直到调用其他运动控制模式命令才能将其改变。例如设定为梯形曲线模式。图5.20 变形后的S曲线模式控制曲线2)梯形曲线模式(1)在第1阶段，速度按照设定的加速度值从零加速到最大速度。(2)第2阶段加速度为零值，速度保持已达到的最大速度运行到第3阶段。(3)在第3阶段，按设定的加速度减速到零。图5.21所示为一个典型的梯型速度控制曲线。在有些情况下，可能达不到最大设定速度就要减速，这样就没有第2阶段。在梯形曲线模式控制方式下，任意时刻都可改变速度和位置，其速度曲线如图5.22所示。图5.21 梯形曲线控制图5.22 变形
38、后的梯形控制曲线3)速度跟踪模式在该模式下，由主机设定额定加速度和最大速度两个参数。开始运动时以给定的加速度连续加速直到达到设定的最大速度。速度设定值必须为正值，运动方向由加速度的符号确定，即正加速度产生正向运动，而负加速度则产生负向运动。在运动过程中，速度和加速度两个参数可以随时修改。4)电子齿轮模式 在电子齿轮模式下，主机只需设置一个运动参数，即电子齿轮减速比，这是一个带符号的32位二进制数，范围为16384至16383(65535/65536)。运动时，从动轴作为被驱动轴，其目标运动由主动轴运动乘以电子齿轮减速比来确定。控制器运动轴的控制控制器运动轴的控制1)与主机的通信GM-400运动
39、控制器提供了命令写、数据写和数据读三种操作实现主机与运动控制器之间的信息交换。2)控制器的伺服周期GM-400设定的伺服控制周期以100ms为单位，范围从1至32767。3)控制器的轴寻址调用一次GM-400的命令函数通常只修改某个轴的一个参数或其运动状态，这样主机必须能单独控制每个轴的运动。4)控制器的状态寄存器GM-400运动控制器为每一个轴提供一个16位寄存器，以保存各轴内部运动状态。控制器中断控制器中断GM-400运动控制器可通过向主机发出中断请求，使主机能及时对轴运动过程中出现的事件做出处理。这种中断方式通常比主机查询控制器的各种状态更为方便和有效。如果某个轴出现上述中断条件，激活中
40、断请求信号，主机可根据实际情况响应中断，进行适当处理。主机完成中断处理后，发出RST_INTRPT指令清除当前轴的中断请求条件，该命令能带一个清除屏蔽标志参数，使下次中断可以发生。主机一次只能响应一个轴的中断。例如，用户正在设置当前轴1#轴的参数，而3#轴向主机发出中断请求信号，此时，如果需要处理该中断，主机就必须把3#轴设置为当前轴。如果同时有多个轴发出中断申请，最小号的轴具有最高的中断优先级。5.2.4 5.2.4 机器人的伺服执行机构机器人的伺服执行机构一、步进电动机一、步进电动机步进电动机一般作为开环伺服系统的执行机构，有时也用于闭环伺服系统，它是一种将脉冲电信号转换为角位移或直线位移
41、的一种D/A转换装置。按照输出位移的不同，步进电动机可分为回转式步进电动机和直线式步进电动机。机器人中一般采用回转式步进电动机。如果把步进电动机装在机器人回转关节轴上，则接收一个电脉冲，步进电动机就带动机器人的关节轴转过一个相应的角度。步进电动机连续不断地接收脉冲，则关节轴连续不断地转动。步进电动机转过的角度与接收的脉冲数成正比。步进电动机具有下列优点：(1)输出角度精度高，无积累误差，惯性小。(2)输入和输出呈严格线性关系。(3)容易实现位置、速度控制，起、停及正、反转控制方便。(4)输出信号为数字信号，可以与计算机直接接口。(5)结构简单，使用方便，可靠性好，寿命长。图5.23 三相反应式
42、步进电动机结构原理图1定子绕组；2定子铁心；3转子；4A相磁通工作原理：二、直流伺服电动机二、直流伺服电动机优点：启动转矩大，体积小，重量轻，转速易控制，效率高等。缺点：结构上具有电刷和换向器，需要定期更换电刷和进行维修，电动机使用寿命短，噪声大，直流电动机的容量小，电枢电压低，很多特性参数随速度而变化，限制了直流电动机向高速、大容量方向发展。应用场合：一些中、小功率的场合。类型：小惯量直流电动机，大惯量宽调速电动机。三、交流伺服电动机三、交流伺服电动机如前所述，交流伺服电动机正得到越来越广泛的应用，大有取代直流电动机之势。交流伺服电动机除了不具有直流伺服电动机的缺点外，还具有转子惯量较直流电
43、动机小，动态响应好，能在较宽的速度范围内保持理想的转矩，结构简单，运行可靠等优点。5.3 5.3 控制理论与算法控制理论与算法在机器人的运动学中，已知机器人末端欲到达的位姿，通过运动方程的求解可求出各关节需转过的角度。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。所以机器人末端执行器的运动必须分解到各个轴的分运动，即执行器运动的速度、加速度和力或力矩必须分解为各个轴的速度、加速度和力或力矩，由各轴伺服系统的独立控制来完成。5.3.1 5.3.1 机器人分解运动的速度控制机器人分解运动的速度控制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
44、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。5.3.2 5.3.2 机器人分解运动的加速度控制机器人分解运动的加速度控制机器人分解运动的加速度控制是分解运动速度控制概念的扩展，其方法是把机器人末端执行器在笛卡儿坐标系下的加速度值分解为关节坐标系下相应各关节的加速度，这样根据相应的系统动力学模型就可以计算出所需施加到各关节电动机上的控制力矩。5.3.3 5.3.3 力和力矩的控制力和力矩的控制分解运动的力和力矩控制的基本思路是确定加于机器人各关节驱动器上的控制力矩，从而实现机器人末端执行器在笛卡儿坐标下的位姿和速度控制。力和力矩控制的依据是机器人的动力学模型，其计算方法是对逆动力学的求解。力和力矩的控制在机器人关节空间是闭环的。
