《机器人控制》PPT课件

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1、第 5章 工 业 机 器 人 控 制 5.1 工 业 机 器 人 控 制 系 统 的 特 点 5.2 运 动 控 制 中 的 基 本 概 念5.3 工 业 机 器 人 控 制 系 统 的 主 要 功 能5.4 工 业 机 器 人 的 控 制 方 式 5.5 工 业 机 器 人 的 运 动 控 制 技 术 5.1 工 业 机 器 人 控 制 系 统 的 特 点 n 运 动 控 制 是 物 体 在 空 间 、 时 间 中 的 位 置 、 速 度 、 加 速 度 和 力 的 控 制 技 术 。n 机 器 人 是 运 动 控 制 的 典 型 代 表 。n 工 业 机 器 人 与 传 统 机 械 有 着

2、 很 大 的 差 异 ， 主 要 表 现 ：H 速 度 高H 精 度 高H 控 制 范 围 广 （ 一 般 速 度 控 制 比 要 求 在 1： 10000以 上 。 ）n 传 统 的 、 有 效 的 单 自 由 度 机 构 的 控 制 技 术 已 远 远 不 能 满 足 机 器 人 这 样 的 特 别 对 象 。 新 的 运 动 控 制 思 想 即 在 这 种 背 景 之 下 被 提 出 。 5.1 工 业 机 器 人 控 制 系 统 的 特 点 n 不 仅 高 速 运 动 中 突 然 停 止 时 的 位 置 精 度 要 求 高 ， 而 且 还 要 求 高 精 度 地 跟踪 时 变 的 速

3、度 与 空 间 轨 迹 ， 对 加 速 度 和 力 也 要 进 行 高 精 度 的 控 制 。n 机 构 多 为 开 式 串 联 结 构 ， 因 此 刚 性 差 且 具 有 多 个 固 有 振 动 频 带 。 与 1kHz以 上 的 单 体 机 械 和 300Hz左 右 的 机 床 相 比 ， 关 节 式 多 自 由 度 机 器 人 的 机 构共 振 频 率 多 在 530Hz范 围 内 ， 航 天 机 器 人 仅 在 1Hz以 下 并 伴 有 强 烈 的 高频 过 渡 振 荡 现 象 。 n 负 载 以 及 各 构 件 对 各 个 回 转 轴 的 转 动 惯 量 ， 随 机 器 人 的 位

4、形 而 变 ， 其 变化 幅 度 很 大 ， 一 般 可 达 48倍 。n 摩 擦 、 传 动 间 隙 、 检 测 精 度 等 对 机 器 人 的 高 速 、 高 精 度 的 运 动 制 约 严 重。 5.1 工 业 机 器 人 控 制 系 统 的 特 点 机 器 人 的 结 构 是 一 个 空 间 开 链 机 构 , 需 要 多 关 节 的 运 动 协 调 。 因 此 , 其 控 制系 统 与 普 通 的 控 制 系 统 相 比 要 复 杂 得 多 ,具 体 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 。 经 常 要 求 正

5、 向 运 动 学 和反 向 运 动 学 的 解 , 还 要 考 虑 惯 性 力 、 外 力 (包 括 重 力 )、 哥 氏 力 及 向 心 力 的 影 响 。 (2) 简 单 机 器 人 至 少 要 有 3 5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 包 含 一 个 伺 服 机 构 , 它 们 必 须 协 调 组 成 一 个 多 变 量 控 制 系 统 。 (3) 机 器 人 的 协 调 控 制 以 及 “ 智 能 ” , 只 能 由 计 算 机 来 完 成 。 因 此 , 机 器 人 控 制系 统 必 须 是 一

6、 个 计 算 机 控 制 系 统 。 (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 变 化 ,参 数 也 在 变 化 , 变 量 间 存 在 耦 合 。 因 此 还 要 利 用 速 度 甚 至 加 速 度 闭 环 。 (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 。 根 据 传 感 器 和 模 式 识 别 的 方 法 获 得 的 工 况 , 自 动 选 择 最 佳 的 控 制 规 律 。 n 精 度 、 分 辨

7、 率 与 位 置 重 复 精 度 n 位 置 与 轨 迹n 点 位 (PTP)与 连 续 (CP)控 制n 多 轴 协 调 控 制n T P方 式 工 业 机 器 人 的 基 本 控 制 思 想 n 精 度 常 常 容 易 和 分 辨 率 、 位 置 重 复 精度 相 混 淆 。n 实 际 是 三 个 不 同 的 概 念 。 n 机 器 人 的 分 辨 率 是 由 系 统 设 计 参 数 所 决 定 ， 并受 到 位 置 反 馈 检 测 单 元 性 能 的 影 响 。n 分 辨 率 又 分 为 编 程 分 辨 率 与 控 制 分 辨 率 。n 当 编 程 分 辨 率 与 控 制 分 辨 率 相

8、 等 时 ， 系 统 性 能达 到 最 高 。 上 述 两 个 分 辨 率 统 称 系 统 分 辨 率 。 n 编 程 分 辨 率 是 指 程 序 中 可 以 设 定 的 最 小 距 离单 位 ， 又 称 基 准 分 辨 率 。n 例 如 ： 当 电 机 旋 转 0.1度 ， 机 器 人 腕 点 (手 臂尖 端 点 )移 动 的 直 线 距 离 为 0.01mm时 ， 其 基准 分 辨 率 为 0 01mm。 n 控 制 分 辨 率 是 位 置 反 馈 回 路 能 够 检 测 到 的 最小 位 移 量n 例 如 ： 若 每 周 (转 )1000个 脉 冲 的 增 量 方 式 的光 码 盘 与

9、电 机 同 轴 安 装 的 话 ， 则 电 机 每 旋 转0.36度 (360度 1000rpm)， 光 码 盘 就 发 出 一个 脉 冲 ， 因 此 ， 0.36度 以 下 的 角 度 变 化 无 法检 测 ， 该 系 统 的 控 制 分 辨 率 为 0.36度 。 n 机 器 人 的 最 终 精 度 主 要 依 存 于 机 械 误 差 、控 制 算 法 与 系 统 分 辨 率 。 n 机 械 误 差 主 要 产 生 于 传 动 误 差 、 关 节 间 隙 与 联 杆机 构 的 挠 性 。4 传 动 误 差 是 由 轮 齿 误 差 、 螺 距 误 差 等 ;4 关 节 间 隙 是 关 节 处

10、 轴 承 间 隙 、 谐 波 齿 隙 等 ;4 连 杆 的 挠 性 ， 随 机 器 人 的 位 形 、 负 载 的 变 化而 变 化 。 n 控 制 算 法 误 差 ， 主 要 指 能 否 得 到 直 接 解 的 算 法 和算 法 在 计 算 机 内 的 运 算 字 长 所 造 成 的 “ bit” (比特 )误 差 。n 因 为 16位 以 上 CPU可 达 到 82位 以 上 浮 点 运 算 ， 所以 “ bit” 误 差 与 机 构 误 差 相 比 ， 基 本 可 以 忽 略 不计 。 n 分 辨 率 的 系 统 误 差 可 取 1/2基 准 分 辨 率 。n 理 由 是 基 准 分 辨

11、 率 以 下 的 变 位 我 们 既 无 法 编 程 又 无 法 检 测， 故 误 差 的 平 均 值 可 取 1/2基 准 分 辨 率 。n 机 器 人 的 精 度 1/2基 准 分 辨 率 十 机 构 误 差 。n 如 果 做 到 使 机 构 的 综 合 误 差 达 到 1/2基 准 分 辨 率 ， 则 精 度 分 辨 率 。 n 位 置 重 复 精 度 是 关 于 精 度 的 统 计 数 据 。n 位 置 重 复 精 度 不 受 负 载 变 化 的 影 响 ；n 通 常 用 位 置 重 复 精 度 这 一 指 标 作 为 示 教 再 现 方式 工 业 机 器 人 水 平 的 重 要 精

12、度 指 标 。 R=0.1mm位 置 重 复 精 度 = 0.1mm 其 直 线 距 离 可 表 示 为 ： 222 zyxL 精 度 可 以 很 高 n 设 回 转 轴 分 辨 率 为 时 ， 则 腕点 分 辨 率 为 r n 例 如 ： 回 转 轴 的 位 置 检 测 单 元采 用 6000P 周 的 增 量 方 式 光码 盘 与 电 机 同 轴 联 接 ， 水 平 腕最 长 为 1m的 话 ， 则 腕 点 位 置 分辨 率 是 最 坏 的 情 况 ， 其 分 辨 率 不 定 ， 随 r的 变 化 而 变 化 mmr 05.1180/100006.0 06.06000/360 n 例 如

13、： 3个 1000P 周 增 量 式 光 码盘 ， 一 个 装 在 与 螺 距 为 10mm的 滚珠 丝 杠 同 轴 驱 动 伸 缩 臂 的 电 机 轴上 ， 2个 安 装 在 通 过 1： 22速 比 的减 速 器 驱 动 2个 旋 转 轴 的 电 机 上 ，腕 的 臂 长 为 500mm。 此 时 ， 3个 轴的 分 辨 率 分 别 为 ： 手 腕 长 度 的 变 化 ， 将 造 成 3个 轴 中 的 2个 轴 分 辨 率 的 下 降 伸 缩 轴 ： 10/1000=0.01mm旋 转 轴 ：(1/22)x(360/1000)x500 x /180=0.14mm n 机 器 人 的 精 度

14、 将 由 各 个 回 转 关 节 的 误差 之 和 来 决 定 n 关 节 形 机 器 人 精 度 最 差 。n 由 于 它 占 地 面 积 最 小 ， 而 动 作 范 围 最大 ， 空 间 速 度 快 ， 灵 活 ， 通 用 性 好 等优 点 ， 而 成 为 机 器 人 发 展 的 主 流 。 机 器 人 的 精 度 将 由 各 个 回 转 关 节 的 误 差 之 和 来 决 定 n 1个 脉 冲 正 好 对 应 各 个 动 作 轴 的 位 置 分 辨 率 ， 因 此 ， 1个脉 冲 与 对 应 动 作 轴 的 最 小 位 移 量 是 等 价 的 。H 例 如 ： 当 某 个 回 转 轴 的

15、 分 辨 率 为 0.05度 时 ， 3.05度 则 可 用3.05/0.05 61个 脉 冲 来 表 示 。 如 果 是 8bit CPU， 则 计 算机 内 部 的 表 现 为 ： 00llll0l。n 如 果 是 16bit CPU的 计 算 机 控 制 系 统 ， 则 可 以 表 示 21665536个 位 置H 例 如 ： 在 分 辨 率 为 0 1mm时 ， 这 个 值 最 大 表 示 6553 6mm或 土 3276 8mm的 位 移 量 ， 这 就 是 位 置 (或 称 位 移 )脉 冲 与 分 辨 率 的 关 系 。 n 分 辨 率 越 高 ， 曲 线 精 度 越 好 。n

16、分 辨 率 越 高 ， 对 计 算 机 的 要 求 也 就 越 高 。例 如 ： 如 果 分 辨 率 为 0.1mm， 对 6自 由 度 机 器 人 来 讲 ， 要 完 成1000mm弧 长 的 空 间 曲 线 ， 则 至 少 需 要 以 下 内 存 容 量 ： 6自 由 度 2B(字 节 ) 10000点 120kBn 曲 线 再 稍 微 复 杂 一 点 ， 计 算 机 容 量 就 不 够 了 。 因 此 ，有 必 要 在 计 算 机 控 制 系 统 的 体 系 结 构 与 控 制 算 法 上 想办 法 解 决 。 n 过 去 是 数 控 机 床 中 的 技 术 用 语 ， 而 现 在 用

17、其 表 达 机 器 人 的 控 制 功能 ， 含 意 是 不 大 相 同 的 ， 主 要 区 别 在 于 ：1) 机 器 人 中 的 “ PTP”可 以 是 1-5各 种 动 作 ,而 数 控 机 床 是 指 图 310中 的 那 样 的 动 作 ， 即 直 线 插 补 运 动 (也 是 两 点 之 间 的 最 短 距 离 的 控 制运 动 )。2) 数 控 机 床 中 的 CP控 制 ， 一 般 是 “ 全 路 径 指 定 ” 的 控 制 方 式 ， 而 机器 人 中 的 CP控 制 通 常 是 “ 多 点 指 定 ” 控 制 方 式 。 llN yxl yyy xxx ii ii / 22

18、 11 5.3 工 业 机 器 人 控 制 系 统 的 主 要 功 能 1. 示 教 再 现 功 能 2. 运 动 控 制 功 能 5.3.1 示 教 再 现 控 制 1. 示 教 及 记 忆 方 式 1) 示 教 的 方 式 示 教 的 方 式 总 的 可 分 为 集 中 示 教 方 式 和 分 离 示 教 方 式 。 集 中 示 教 方 式 就 是 指 同 时 对 位 置 、 速 度 、 操 作 顺 序 等 进 行的 示 教 方 式 。 分 离 示 教 方 式 是 指 在 示 教 位 置 之 后 , 再 一 边 动 作 , 一 边 分 别 示 教 位 置 、 速 度 、 操 作 顺 序 等

19、 的 示 教 方 式 。 示 教 方 式 中 经 常 会 遇 到 一 些 数 据 的 编 辑 问 题 , 其 编 辑 机 能有 如 图 5.1所 示 的 几 种 方 法 。 在 图 中 , 要 连 接 A与 B两 点 时 , 可 以 这 样 来 做 : (a) 直 接 连 接 ; (b) 先 在 A与 B之 间 指 定 一 点 x, 然 后 用 圆 弧 连 接 ; (c) 用 指 定 半 径的 圆 弧 连 接 ; (d) 用 平 行 移 动 的 方 式 连 接 。 图 5.1 示 教 数 据 的 编 辑 机 能 当 对 PTP(点 位 控 制 方 式 )控 制 的 工 业 机 器 人 示 教

20、时 , 可 以分 步 编 制 程 序 ,且 能 进 行 编 辑 、 修 改 等 工 作 。 但 是 在 作 曲 线 运动 而 且 位 置 精 度 要 求 较 高 时 ,示 教 点 数 一 多 ,示 教 时 间 就 会 拉长 , 且 在 每 一 个 示 教 点 都 要 停 止 和 启 动 , 因 而 很 难 进 行 速 度 的控 制 。 图 5.2 CP控 制 示 教 举 例 对 需 要 控 制 连 续 轨 迹 的 喷 漆 、 电 弧 焊 等 工 业 机 器 人 进 行 连 续 轨 迹 控 制的 示 教 时 , 示 教 操 作 一 旦 开 始 , 就 不 能 中 途 停 止 , 必 须 不 中

21、断 地 进 行 到 完 , 且在 示 教 途 中 很 难 进 行 局 部 修 正 . 在 CP(连 续 轨 迹 控 制 方 式 )控 制 的 示 教 中 , 由 于 CP控 制 的 示 教 是 多 轴 同时 动 作 , 因 此 与 PTP控 制 不 同 ,它 几 乎 必 须 在 点 与 点 之 间 的 连 线 上 移 动 , 故有 如 图 5.2所 示 的 两 种 方 法 。 2) 记 忆 的 方 式 工 业 机 器 人 的 记 忆 方 式 随 着 示 教 方 式 的 不 同 而 不 同 。 又 由于 记 忆 内 容 的 不 同 , 故 其 所 用 的 记 忆 装 置 也 不 完 全 相 同

22、。 通 常 , 工 业 机 器 人 操 作 过 程 的 复 杂 程 序 取 决 于 记 忆 装 置 的 容 量 。 容 量越 大 , 其 记 忆 的 点 数 就 越 多 , 操 作 的 动 作 就 越 多 , 工 作 任 务 就越 复 杂 。 2. 示 教 编 程 方 式 1) 手 把 手 示 教 编 程 手 把 手 示 教 编 程 方 式 主 要 用 于 喷 漆 、 弧 焊 等 要 求 实 现 连 续轨 迹 控 制 的 工 业 机 器 人 示 教 编 程 中 。 具 体 的 方 法 是 人 工 利 用 示教 手 柄 引 导 末 端 执 行 器 经 过 所 要 求 的 位 置 ,同 时 由 传

23、 感 器 检 测出 工 业 机 器 人 各 关 节 处 的 坐 标 值 ,并 由 控 制 系 统 记 录 、 存 储 下这 些 数 据 信 息 。 实 际 工 作 当 中 , 工 业 机 器 人 的 控 制 系 统 重 复 再现 示 教 过 的 轨 迹 和 操 作 技 能 。 手 把 手 示 教 编 程 也 能 实 现 点 位 控 制 ,与 CP控 制 不 同 的 是 , 它 只 记 录 各 轨 迹 程 序 移 动 的 两 端 点 位 置 , 轨 迹 的 运 动 速 度 则 按各 轨 迹 程 序 段 对 应 的 功 能 数 据 输 入 。 2) 示 教 盒 示 教 编 程 示 教 盒 示 教

24、编 程 方 式 是 人 工 利 用 示 教 盒 上 所 具 有 的 各 种 功能 的 按 钮 来 驱 动 工 业 机 器 人 的 各 关 节 轴 , 按 作 业 所 需 要 的 顺 序单 轴 运 动 或 多 关 节 协 调 运 动 , 从 而 完 成 位 置 和 功 能 的 示 教 编 程 。 示 教 盒 通 常 是 一 个 带 有 微 处 理 器 的 、 可 随 意 移 动 的 小 键 盘 , 内 部 ROM中 固 化 有 键 盘 扫 描 和 分 析 程 序 。 其 功 能 键 一 般 具 有 回零 、 示 教 方 式 、 自 动 方 式 和 参 数 方 式 等 。 示 教 编 程 控 制

25、由 于 其 编 程 方 便 、 装 置 简 单 等 优 点 ,在 工 业机 器 人 的 初 期 得 到 较 多 的 应 用 。 同 时 , 又 由 于 其 编 程 精 度 不 高 、 程 序 修 改 困 难 、 示 教 人 员 要 熟 练 等 缺 点 的 限 制 ,促 使 人 们 又 开发 了 许 多 新 的 控 制 方 式 和 装 置 , 以 使 工 业 机 器 人 能 更 好 更 快 地完 成 作 业 任 务 。 5.2.2 工 业 机 器 人 的 运 动 控 制 工 业 机 器 人 的 运 动 控 制 是 指 工 业 机 器 人 的 末 端 执 行 器 从 一点 移 动 到 另 一 点

26、的 过 程 中 , 对 其 位 置 、 速 度 和 加 速 度 的 控 制 。 由 于 工 业 机 器 人 末 端 操 作 器 的 位 置 和 姿 态 是 由 各 关 节 的 运 动 引起 的 ,因 此 ,对 其 运 动 控 制 实 际 上 是 通 过 控 制 关 节 运 动 实 现 的 。 工 业 机 器 人 关 节 运 动 控 制 一 般 可 分 为 两 步 进 行 。 第 一 步 是关 节 运 动 伺 服 指 令 的 生 成 , 即 指 将 末 端 执 行 器 在 工 作 空 间 的 位置 和 姿 态 的 运 动 转 化 为 由 关 节 变 量 表 示 的 时 间 序 列 或 表 示 为

27、 关节 变 量 随 时 间 变 化 的 函 数 。 这 一 步 一 般 可 离 线 完 成 。 第 二 步 是关 节 运 动 的 伺 服 控 制 ,即 跟 踪 执 行 第 一 步 所 生 成 的 关 节 变 量 伺服 指 令 。 这 一 步 是 在 线 完 成 的 。 5.4 工 业 机 器 人 的 控 制 方 式 5.4.1 点 位 控 制 方 式 (PTP) 这 种 控 制 方 式 的 特 点 是 只 控 制 工 业 机 器 人 末 端 执 行 器 在 作业 空 间 中 某 些 规 定 的 离 散 点 上 的 位 姿 。 控 制 时 只 要 求 工 业 机 器人 快 速 、 准 确 地 实

28、 现 相 邻 各 点 之 间 的 运 动 ,而 对 达 到 目 标 点 的运 动 轨 迹 则 不 作 任 何 规 定 。 这 种 控 制 方 式 的 主 要 技 术 指 标 是 定位 精 度 和 运 动 所 需 的 时 间 。 由 于 其 控 制 方 式 易 于 实 现 、 定 位 精度 要 求 不 高 的 特 点 , 因 而 常 被 应 用 在 上 下 料 、 搬 运 、 点 焊 和 在电 路 板 上 安 插 元 件 等 只 要 求 目 标 点 处 保 持 末 端 执 行 器 位 姿 准 确的 作 业 中 。 一 般 来 说 , 这 种 方 式 比 较 简 单 , 但 是 , 要 达 到 2

29、 3 m的 定 位 精 度 是 相 当 困 难 的 。 5.4.2 连 续 轨 迹 控 制 方 式 (CP) 这 种 控 制 方 式 的 特 点 是 连 续 地 控 制 工 业 机 器 人 末 端 执 行 器在 作 业 空 间 中 的 位 姿 , 要 求 其 严 格 按 照 预 定 的 轨 迹 和 速 度 在 一定 的 精 度 范 围 内 运 动 , 而 且 速 度 可 控 , 轨 迹 光 滑 ， 运 动 平 稳 , 以 完 成 作 业 任 务 。 工 业 机 器 人 各 关 节 连 续 、 同 步 地 进 行 相 应 的运 动 , 其 末 端 执 行 器 即 可 形 成 连 续 的 轨 迹

30、。 这 种 控 制 方 式 的 主要 技 术 指 标 是 工 业 机 器 人 末 端 执 行 器 位 姿 的 轨 迹 跟 踪 精 度 及 平稳 性 。 通 常 弧 焊 、 喷 漆 、 去 毛 边 和 检 测 作 业 机 器 人 都 采 用 这 种控 制 方 式 。 图 5.3 点 位 控 制 与 连 续 轨 迹 控 制(a) 点 位 控 制 ； (b) 连 续 轨 迹 控 制 5.4.3 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 , 这 时 就

31、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 (力 矩 )传 感 器 。 有 时 也 利 用 接 近 、 滑 动 等 传 感 功 能 进 行 自 适 应 式 控 制 。 5.4.4 智 能 控 制 方 式 机 器 人 的 智 能 控 制 是 通 过 传 感 器 获 得 周 围 环 境 的 知 识 , 并 根 据 自 身 内 部 的 知 识 库 作 出 相 应 的 决 策

32、 。 采 用 智 能 控 制 技术 , 使 机 器 人 具 有 了 较 强 的 环 境 适 应 性 及 自 学 习 能 力 。 智 能控 制 技 术 的 发 展 有 赖 于 近 年 来 人 工 神 经 网 络 、 基 因 算 法 、 遗传 算 法 、 专 家 系 统 等 人 工 智 能 的 迅 速 发 展 。 5.5 工 业 机 器 人 的 运 动 控 制 技 术n 非 伺 服 型 控 制 系 统 控 制 器驱 动 单 元 操 作 机外 界 作 业 对 象与 环 境 开 关 反 馈控 制 器驱 动 单 元操 作 机外 界 作 业 对 象与 环 境 n 伺 服 型 控 制 系 统 控 制 器驱

33、动 单 元操 作 机外 界 作 业 对 象与 环 境内 部 传 感 器 外 部 传 感 器控 制 器驱 动 单 元操 作 机外 界 作 业对 象 与 环 境内 部 传 感 器 n 机 器 人 的 位 置 控 制 结 构 主 要 有 两 种 形 式 ，H 关 节 空 间 控 制 结 构H 直 角 坐 标 空 间 控 制 结 构 ， q d qd1， qd2， ， qdnT是 期 望 的 关 节 位 置 矢 量 wd PdT， dTT是 期 望 的 工 具 位 姿 n计算机控制系统的结构形式 H 计 算 机 控 制 系 统 有 三 种 结 构 ：4 集 中 控 制4 主 从 控 制4 分 布 式

34、控 制 n 集 中 控 制 是 用 一 台 功 能 较 强 的 计 算 机 实 现 全 部 控 制 功 能 。n 这 在 早 期 的 机 器 人 中 采 用 这 种 结 构 ， 因 为 当 时 的 计 算 机 造 价 较 高， 当 时 的 机 器 人 功 能 不 多 ， 因 此 实 现 容 易 ， 也 比 较 经 济 .控 制 过 程中 需 要 许 多 计 算 （ 如 坐 标 变 换 ） ， 因 此 这 种 控 制 速 度 较 慢 。n 随 着 计 算 机 技 术 的 进 步 ， 和 机 器 人 控 制 质 量 的 提 高 ， 要 完 成 各 种运 算 ， 如 轨 迹 控 制 的 插 补 计

35、算 、 坐 标 变 换 、 伺 服 系 统 中 补 偿 量 的计 算 等 。 这 里 包 括 了 矩 阵 、 三 角 函 数 等 大 量 的 实 时 运 算 ， 通 常 需在 50 15ms之 内 完 成 ， 要 在 一 个 微 型 计 算 机 上 实 现 是 困 难 的 ， 往往 集 中 式 控 制 不 能 满 足 需 要 ， n 日 本 于 70年 代 生 产 的 Motoman机 器 人 （ 五 关 节 ， 直 流电 动 机 驱 动 ） 和 PT600及 我 国 于 80年 代 中 期 研 制 的 “ 天龙 一 号 ” 、 “ 上 海 一 号 ” 等 弧 焊 机 器 人 属 于 主 从

36、式 结构 。 终 端键 盘示 教 盒焊 机外 存 一 级 计 算 机 公 共 内 存 D/A 速 度 单 元位 置 反 馈 机 器 人二 级 计 算 机 n 一 级 计 算 机 （ 一 级 机 ） 为 主 机 ， 它 担 当 系 统 管 理 、 机 器 人 语 言编 译 和 人 机 接 口 功 能 ， 同 时 也 利 用 它 的 运 算 能 力 完 成 坐 标 变 换、 轨 迹 插 补 ， 并 定 时 地 把 运 算 结 果 作 为 关 节 运 动 的 增 量 值 送 到公 共 内 存 ， 供 二 级 计 算 机 （ 二 级 机 ） 读 取 它 。n 二 级 机 完 成 全 部 关 节 位 置

37、 数 字 控 制 ， 它 从 公 共 内 存 读 给 定 值 ，也 把 各 关 节 实 际 位 置 送 回 到 公 共 内 存 中 ， 供 一 级 机 使 用 。n 公 共 内 存 是 由 容 量 为 几 K B的 双 口 RAM或 普 通 静 态 RAM加 上 总线 控 制 逻 辑 电 路 组 成 。 由 于 功 能 分 散 ， 控 制 质 量 较 集 中 式 控 制明 显 提 高 。 这 类 系 统 的 控 制 效 率 较 快 ， 一 般 可 达 15ms， 即 每15ms刷 新 一 次 给 定 ， 并 实 现 位 置 控 制 一 次 。 n 现 代 机 器 人 控 制 系 统 中 几 乎

38、 无 例 外 地 采 用 分 布 式 结 构n 上 一 级 主 控 计 算 机 负 责 整 个 系 统 管 理 以 及 坐 标 变 换 和 轨 插 补 运算 等 ，n 下 一 级 由 许 多 微 处 理 器 组 成 ， 每 一 个 微 处 理 器 控 制 一 个 关 节 运动 ， 它 们 分 别 接 收 主 控 制 微 型 计 算 机 向 各 关 节 发 出 的 位 置 、 速度 等 运 动 指 令 信 号 ， 用 以 实 时 控 制 操 作 机 各 关 节 运 行 。n 由 于 下 一 级 微 处 理 器 并 行 地 完 成 控 制 任 务 ， 因 而 提 高 了 工 作 速度 和 处 理

39、器 能 力 。 这 些 微 处 理 器 和 主 控 级 联 系 是 通 过 总 线 形 式的 紧 耦 合 操 作 机伺 服 控 制 级 主 控 制 级 终 端键 盘示 教 盒磁 带 机 主 控 制 计 算 机 接 口 位 置 控 制处 理 器 1 位 置 反 馈交 流 或直 流 伺 服 关 节 1驱 动位 置 控 制处 理 器 n 位 置 反 馈交 流 或直 流 伺 服 关 节 n驱 动 n 具 有 位 置 和 速 度 反 馈 的 典 型 伺 服 控 制 系 统 ， 它 有 以 下结 构 组 成 。 伺 服 控 制 系 统 输 出 轴驱 动 器关 节 运动参 数 输入 功 率放 大 器 传 感

40、 器 制 动 器伺 服电 动 机速 度 反 馈 位 置 反 馈 n 伺 服 控 制 器H 伺 服 控 制 器 基 本 部 件 是 比 较 器 、 误 差 放 大 器 和 各 种 补 偿 器 。H 输 入 信 号 除 参 考 信 号 外 ， 还 有 各 种 反 馈 信 号 ， 从 而 构 成 具 有 位置 、 速 度 反 馈 回 路 的 伺 服 系 统 。H 控 制 器 可 以 采 用 模 拟 器 件 组 成 。 主 要 用 集 成 运 算 放 大 器 和 阻 容网 络 实 现 比 较 、 补 偿 和 放 大 等 功 能 ， 构 成 模 拟 伺 服 系 统 。H 控 制 器 也 可 以 采 用

41、数 字 器 件 ， 如 采 用 微 处 理 器 组 成 数 字 伺 服 系统 。 其 中 比 较 、 补 偿 、 放 大 等 功 能 由 软 件 完 成 ， 这 种 系 统 灵 活， 便 于 实 现 各 种 复 杂 的 控 制 ， 获 得 较 高 的 性 能 指 标 。 n功 率 放 大 器H 功 率 放 大 器 的 作 用 是 将 控 制 器 输 出 的 控 制 信 号 放 大 ， 驱 动 伺 服机 构 运 动 。H 由 于 机 器 人 伺 服 驱 动 功 率 不 大 ， 但 快 速 性 要 求 较 高 。H 常 采 用 脉 宽 调 制 （ PWM） 放 大 原 理 ， 选 用 双 极 型 大 功 率 管 或功 率 场 效 应 管 。 在 一 些 大 型 电 力 驱 动 机 器 人 中 可 采 用 可 控 硅 功率 放 大 。 n 伺 服 驱 动 器H 电 伺 服 驱 动 器 通 常 由 电 动 机 、 位 置 传 感 器 、 速 度 传 感 器 和 制 动器 组 成 。H 其 输 出 轴 直 接 和 操 作 机 关 节 轴 相 连 接 ， 以 完 成 关 节 运 动 的 控 制和 关 节 位 置 、 速 度 的 检 测 ， 失 电 时 制 动 器 能 自 行 制 动 ， 保 持 关节 原 位 静 止 不 动 。