机器人的控制系统下课件

5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统5.2.15.2.1控制器及控制算法控制器及控制算法5.2.25.2.2执行装置执行装置5.2.35.2.3机器人编程机器人编程5.2驱动与运动控制系统5.2.1控制器及控制算法1什么是控制什么是控制简单地说，简单地说，控制控制控制控制就是为了达到一定目的而实行的适当操作。就是为了达到一定目的而实行的适当操作。步骤：步骤：（1）记住期望水位值；）记住期望水位值；（2）测量水池实际水位；（）测量水池实际水位；（3）计算期望水位与实际水位的误差；计算期望水位与实际水位的误差；（4）根据误差正确地调节进水）根据误差正确地调节进水阀门。阀门。5.2.15.2.1控制器及控制算法控制器及控制算法什么是控制简单地说，控制就是为了达到一定目的2优点：控制的结果总是使实际水位的高度恒等于期望值。优点：控制的结果总是使实际水位的高度恒等于期望值。优点：控制的结果总是使实际水位的高度恒等于期望值。3控控制制系系统统标标准准框框图图控制部分控制部分控制系统标准框图控制部分4a.比例环节比例环节P弹簧的伸长弹簧的伸长y y与力与力f f成比例，即成比例，即 y=k1f（k1=定值定值）像弹簧这样的环节称为像弹簧这样的环节称为比例环节比例环节。PIDPID（proportionalproportional，integralintegral，derivativederivative）控制控制控制控制 a.比例环节P弹簧的伸长y与力f成比例，即y=k1f（k1=5设流入的流量为设流入的流量为x，活塞的移动距离活塞的移动距离为为y，S为活塞的截面为活塞的截面积，积，t为时间。为时间。如果如果x是变化的，即为是变化的，即为t的函数，则的函数，则也就是说，若以流入的流量也就是说，若以流入的流量x作为输入作为输入，以移动距离，以移动距离y作为输出作为输出，则油缸是个则油缸是个积分环节积分环节。b.积分环节积分环节I当流入的流量为一定值当流入的流量为一定值x x0 0时，可以得出：时，可以得出：y=x0t/S设流入的流量为x，活塞的移动距离为y，S为活6对质量为对质量为M的物体施一水平力的物体施一水平力f，当力为定值当力为定值f0时，可以得出时间时，可以得出时间t后的速度后的速度v=f0t/M如果如果f是变化的，即为是变化的，即为t的函数，则的函数，则也就是说，若以外力也就是说，若以外力f作为输入作为输入，以速度，以速度v作为输出作为输出，则质量，则质量M的的物体也可以称之为物体也可以称之为积分环节积分环节。对质量为M的物体施一水平力f，当力为定值f0时，可以得出时间7c.微分环节微分环节D求得活塞的移动距离求得活塞的移动距离y与作用于活塞的力与作用于活塞的力f之间的关系：之间的关系：式中式中为缓冲器的粘性摩擦系数。为缓冲器的粘性摩擦系数。也就是说，若以距离也就是说，若以距离y作为输入作为输入，以力，以力f作为输出作为输出，则缓冲器可以称，则缓冲器可以称为为微分环节微分环节。c.微分环节D求得活塞的移动距离y与作用于活塞的力f之间的关8下面我们来说明一下在反馈控制中常用的下面我们来说明一下在反馈控制中常用的PID控制。在控制。在PID控制的名称中，控制的名称中，P指指proportional(比例），比例），I指指integral（积分），积分），D指指derivative（微分），这意味着可利用偏差，偏差的积分值，微分），这意味着可利用偏差，偏差的积分值，偏差的微分值来控制。偏差的微分值来控制。机器人系统中更多的是高度非线性及强耦合系统的控制问题。机器人系统中更多的是高度非线性及强耦合系统的控制问题。解决这些问题的新技术有：解决这些问题的新技术有：最优控制、解耦控制、自适应控制、最优控制、解耦控制、自适应控制、变结构滑模控制及神经元网络控制变结构滑模控制及神经元网络控制等。等。d.PIDd.PID控制控制控制控制 下面我们来说明一下在反馈控制中常用的PID控9或或PID控制的基本形式可用下图表示。控制的基本形式可用下图表示。如果用如果用e=r-y表示偏差，则表示偏差，则PID控制变为：控制变为：或PID控制的基本形式可用下图表示。10式中，式中，式中，式中，k kP P称为比例增益；称为比例增益；称为比例增益；称为比例增益；k kI I称为积分增益；称为积分增益；称为积分增益；称为积分增益；k kD D称为微分增益称为微分增益称为微分增益称为微分增益。它。它们是影响控制规律特性的参数，统称为反馈增益。而们是影响控制规律特性的参数，统称为反馈增益。而TI(=kP/kI)称为积分时间，称为积分时间，TD(=kD/kP)称为微分时间，分别具有时间量纲。称为微分时间，分别具有时间量纲。PID控制规律的传递函数可表示为控制规律的传递函数可表示为:PID控制规律的离散形式为控制规律的离散形式为:式中，式中，T为采样周期；为采样周期；e(n)为第为第n次采样的偏差值；次采样的偏差值；e(n-1)为第为第n-1次采样时的偏差值。次采样时的偏差值。式中，kP称为比例增益；kI称为积分增益；kD称为微分增益。11PID控制器的三个参数有不同的控制作用。控制器的三个参数有不同的控制作用。（3）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性，规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度加快系统的跟踪速度，但对输，但对输入信号的噪声很敏感。入信号的噪声很敏感。（1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，统中，增大增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡；可加快响应速度，但过大容易出现振荡；（2）积分控制器能）积分控制器能消除或减弱稳态偏差消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长，到达稳态的时间变长，限制系统的快速性；限制系统的快速性；PID控制器的三个参数有不同的控制作用。（3）微分控制规律能12位置、力及混合控制位置、力及混合控制 位置控制位置控制位置控制位置控制位置、力及混合控制位置控制13惯惯性性矩矩变变化化引引起起的的驱驱动动力力变变化化物物体体重重时时手手臂臂的的姿姿势势不不同同时时惯性矩变化引起的驱动力变化物体重时手臂的姿势不同时14有障碍物时有障碍物时路径（运动轨迹）控制路径（运动轨迹）控制有障碍物时路径（运动轨迹）控制15力控制力控制力控制16机械手爪与外界接触有两种极端状态：机械手爪与外界接触有两种极端状态：a.手爪位置的手爪位置的PID控制控制一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题；一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题；另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位置，可在任意方向施加力和力矩，属于力控制问题。大多数是位置，可在任意方向施加力和力矩，属于力控制问题。大多数是位置置/力的混合控制问题。力的混合控制问题。机械手爪与外界接触有两种极端状态：a.手爪17基于直角坐标的基于直角坐标的PID控制控制坐标转换坐标转换与与PIDPID基于直角坐标的PID控制坐标转换与PIDPID18PIDPID19c.顺应（柔顺）控制顺应（柔顺）控制顺应控制（柔顺控制）顺应控制（柔顺控制）本质上也是力与位置混合控制。分为本质上也是力与位置混合控制。分为两类：被动顺应控制和主动顺应控制。两类：被动顺应控制和主动顺应控制。被动柔顺控制被动柔顺控制手腕响应速手腕响应速度快，但它的设计针对性强，通用性不强。度快，但它的设计针对性强，通用性不强。主动顺应控制主动顺应控制使用灵使用灵活、通用性强，但对传感器的要求较高。活、通用性强，但对传感器的要求较高。近年来又出现了近年来又出现了主动和被动相结合主动和被动相结合的方法。的方法。c.顺应（柔顺）控制顺应控制（柔顺控制）本质20附：附：数字控制系统（硬件）数字控制系统（硬件）附：数字控制系统（硬件）21随着芯片集成技术和计算机总线技术的发展，随着芯片集成技术和计算机总线技术的发展，专用运动控制芯专用运动控制芯片和运动控制卡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，都以形式的伺服运动控制器控制方便灵活，成本低，都以通用通用PCPC机机为平台为平台，借助，借助PCPC机的强大功能来实现机器人的运动控制。机的强大功能来实现机器人的运动控制。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：和芯片的运动控制器：LM628LM628专专用用运运动动控控制制芯芯片片实实际际上上是是一一个个具具有有专专门门用用途途的的单单片片机机，用用来来控控制制以以增增量量式式编编码码器器为为位位置置反反馈馈元元件件的的各各种种直直流流或或无无刷刷直直流流电电动动机机伺伺服服系系统统或或其其他他伺伺服服系系统统，具具有有很很强强的的实实时时运运算算能能力力。该该芯芯片片具具有有丰丰富富的的指指令令集集，可可以以通通过过上上级级计计算算机机编编程程控控制制。只只要用一片要用一片LM628LM628和其他一些功能器件就可构成一个伺服系统。和其他一些功能器件就可构成一个伺服系统。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22机器人的控制系统下课件23机器人的控制系统下课件24通过主机和LM628及一些其他器件组成的最小系统如图通过主机和LM628及一些其他器件组成的最小系统如图251 1LM628LM628的特点的特点(1)32(1)32位的位置、速度、加速度寄存器。位的位置、速度、加速度寄存器。(2)16(2)16位可编程数字位可编程数字PIDPID滤波器。滤波器。(3)(3)可编程微分采样间隔。可编程微分采样间隔。(4)8(4)8位或位或1212位位D/AD/A转换器输出数据。转换器输出数据。(5)(5)内部内部梯形速度图梯形速度图发生器。发生器。(6)(6)速度、目标位置和滤波器参数在运动过程中可以改变。速度、目标位置和滤波器参数在运动过程中可以改变。(7)(7)可选择位置或速度控制方式。可选择位置或速度控制方式。(8)(8)实时可编程的主计算机中断。实时可编程的主计算机中断。(9)(9)有与增量式编码器的接口。有与增量式编码器的接口。1LM628的特点26LM628LM628的主要功能的主要功能(1)(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。状态及数据送给主机。(2)(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，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。不论位置控制还是速度控制都需要有速度曲产生速度曲线。不论位置控制还是速度控制都需要有速度曲线发生器产生梯形速度分布图。线发生器产生梯形速度分布图。(3)(3)利用增量式编码器进行实际位置的反馈。利用增量式编码器进行实际位置的反馈。(4)(4)在运行中计算实际位置和理论位置在运行中计算实际位置和理论位置(由速度发生器产生的由速度发生器产生的位置位置)的差值，并把该差值经的差值，并把该差值经PIDPID数字滤波器处理后输出，经数字滤波器处理后输出，经外接外接D/AD/A转换器转换和功率放大，最后驱动电动机运动。转换器转换和功率放大，最后驱动电动机运动。LM628的主要功能27机器人的控制系统下课件28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 GM-400GM-400四轴运动控制器四轴运动控制器 基于PC(总线)技术的运动控制(卡)器29GM-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)(1)提供提供4 4路模拟电压路模拟电压(10(10 V)V)控制信号。控制信号。(2)(2)提供提供4 4路路PWMPWM控制信号控制信号(适用于有适用于有PWMPWM控制信号接口的伺服电动机控制信号接口的伺服电动机驱动器驱动器)。(3)(3)提供提供4 4路增量式光电编码器反馈信号接口。路增量式光电编码器反馈信号接口。(4)(4)增量式编码盘计数频率可达增量式编码盘计数频率可达1 1 MHzMHz。(5)(5)四轴位置、速度、加速度控制。四轴位置、速度、加速度控制。(6)(6)可编程数字可编程数字PI+VffPI+Vff滤波。滤波。(7)(7)可编程数字可编程数字PIDPID滤波。滤波。(8)(8)单轴最小伺服采样周期为单轴最小伺服采样周期为100100 msms。(9)32(9)32位长度的位置寄存器。位长度的位置寄存器。(10)(10)硬件检测硬件检测INDEXINDEX信号。信号。(11)(11)硬件检测硬件检测HOMEHOME信号。信号。(12)(12)可编程可编程S S曲线、梯形曲线、速度跟踪和电子齿轮式控制方式。曲线、梯形曲线、速度跟踪和电子齿轮式控制方式。(13)(13)点到点位置控制。点到点位置控制。GM-400四轴运动控制器提供的主要功能30运动控制器工作原理GM-400运动控制器的原理框图，所示的增量式编码器的A、B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，经过数字伺服滤波器后，送到数模转换(DAC)或脉宽调制器(PWM)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10V模拟信号或PWM信号。运动控制器工作原理315.2.2执行装置这里所说的机器人驱动就是机电一体化系统中的执行装置。这里所说的机器人驱动就是机电一体化系统中的执行装置。执行装置执行装置就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行置。按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。装置和气动执行装置。5.2.2执行装置这里所说的机器人驱动就32早期的工业机器人都用液压、气动方式来进行伺服驱动。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。精度的场合才考虑使用液压和气压驱动。电气驱动按照驱动执行元件的不同又分为步进电动机驱动、直电气驱动按照驱动执行元件的不同又分为步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动三种不同形式；流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动三种不同形式；按照伺服控制方式分可分为开环、闭环和半闭环伺服控制系统。按照伺服控制方式分可分为开环、闭环和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。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交、直流伺服电动机用于闭环和半闭环伺服系统中早期的工业机器人都用液压、气动方式来进行伺服驱动。33新型执行装置：新型执行装置：压电执行装置：压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变形的压电效应。形的压电效应。形状记忆合金执行装置：形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随利用镍钛合金等材料具有的形状随温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。新型执行装置：34直流电机驱动（直流电机驱动（DCmotor）1 1）直流电机工作原理）直流电机工作原理）直流电机工作原理）直流电机工作原理左左左左手手手手定定定定则则则则直流电动机直流电动机通过通过换向器将直流转换向器将直流转换成电枢绕组中换成电枢绕组中的交流，从而使的交流，从而使电枢产生一个恒电枢产生一个恒定方向的电磁转定方向的电磁转矩。矩。T=BILr换向器换向器电刷电刷直流电机驱动（DCmotor）1）直流电机工作原理左手定则352)矩频特性曲线：矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲线。电流控制曲线和电压控制曲线。3)直流电机的控制方式直流电机的控制方式改变电压或电流控制转速和转距。改变电压或电流控制转速和转距。其中，其中，KE为电为电动势常数，动势常数，KT为转矩常数。为转矩常数。PWM(PulseWidthModulation)控制控制是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压达到调节电机转速的目的。达到调节电机转速的目的。2)矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲线。3)直流电36优点：优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。4)直流电机的特点直流电机的特点缺点缺点：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪音比交流电机大。噪音比交流电机大。优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低37交流电机驱动（交流电机驱动（ACmotor）1)工作原理工作原理ACservomotorACservomotor止口止口交流电机驱动（ACmotor）1)工作原理ACserv382)矩频特性曲线矩频特性曲线同步电机：同步电机：定子是永磁体，定子是永磁体，所谓同步是指转子速度与定子磁所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同。场速度相同。异步电机：异步电机：转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场和定子间存在速和定子间存在速度差（不是角度差）。度差（不是角度差）。2)矩频特性曲线同步电机：定子是永磁体，所39同步电机的特点：同步电机的特点：体积小。用途：要求响应速度快的中等速体积小。用途：要求响应速度快的中等速度以下的工业机器人；机床领域。度以下的工业机器人；机床领域。伺服电机的精度由编码器的精度决定。伺服电机的精度由编码器的精度决定。3）交流电机的特点）交流电机的特点4）交流电机的控制方式）交流电机的控制方式改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。特点：特点：无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的驱动电路复杂、价格高。驱动电路复杂、价格高。异步电机的特点：异步电机的特点：转子惯量很小，响应速度很快。用途：中转子惯量很小，响应速度很快。用途：中等功率以上的伺服系统。等功率以上的伺服系统。同步电机的特点：体积小。用途：要求响应速度快40步进电机驱动（步进电机驱动（steppingmotor）步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开环较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开环控制，所以精度不高。控制，所以精度不高。步进电机驱动（steppingmotor）41步进电机有三种：步进电机有三种：步进电机有三种：步进电机有三种：永磁式永磁式PM（permanentmagnet）；反应式；反应式（也称可变磁阻式）（也称可变磁阻式）VR（variablereluctance），），在欧美等发达国在欧美等发达国家家80年代已被淘汰；混合式年代已被淘汰；混合式HB（hybrid），混合式是指混合了永，混合式是指混合了永磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。步进电机步进电机步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说：是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1）工作原理）工作原理步进电机有三种：永磁式PM（permanen42PM式步进电机式步进电机转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁和转子永磁体之转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一般为间的排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一般为7.5o90o。VR式步进电机式步进电机用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁。在定子磁场中，转用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁。在定子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为0.9o15o。HB式步进电机式步进电机是是PM式和式和VR式的复合形式。在永磁体转子和电磁铁定子的式的复合形式。在永磁体转子和电磁铁定子的表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与PM式相同，转子和定子的形状式相同，转子和定子的形状与与VR式相似，步距角一般为式相似，步距角一般为0.9o15o。PM式步进电机转子是永磁体，定子是绕组，在定43相数：相数：相数：相数：产生不同产生不同N、S对磁场的激磁线圈对数。对磁场的激磁线圈对数。2）相关术语相关术语失步：失步：失步：失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。拍数：拍数：拍数：拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四相四拍运行方式：相四拍运行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式：，四相八拍运行方式：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：步距角：步距角：步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。表示。一般步进电机的精度为步距角的一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。，且不累积。相数：产生不同N、S对磁场的激磁线圈对数。44保持转距（保持转距（HOLDINGTORQUE）或静转矩是指电机各相绕组或静转矩是指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距。通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距。是电机选型时最重要的参数之一。通常步进电机在低速时的力矩接是电机选型时最重要的参数之一。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。比如，当说近保持转矩。比如，当说2Nm的步进电机时，在没有特殊说明的情的步进电机时，在没有特殊说明的情况下一般是指保持转矩为况下一般是指保持转矩为2Nm的步进电机。的步进电机。定位转矩定位转矩是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，由于混是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，由于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转矩。一般定位合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转矩。一般定位转矩远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于转矩远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于反应式步进电机的重要标志。反应式步进电机的重要标志。DETENTTORQUE在国内没有统一在国内没有统一的翻译。的翻译。保持转距（HOLDINGTORQUE）或静45细分驱动器的原理细分驱动器的原理驱动器细分后的主要优点：驱动器细分后的主要优点：（1）完全消除了电机的低频振荡。）完全消除了电机的低频振荡。（2）同时也提高了电机的输出转矩。）同时也提高了电机的输出转矩。（3）提高了电机的分辨率。）提高了电机的分辨率。通过改变相邻（通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。来控制步进电机运转的。细分驱动器的原理驱动器细分后的主要优点：通463）运行矩频特性运行矩频特性4.步进电机驱动的特点步进电机驱动的特点控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。起动曲线起动曲线运行曲线运行曲线在这个输出转矩在这个输出转矩区间，步进电机区间，步进电机启动时的输入脉启动时的输入脉冲频率必须缓慢冲频率必须缓慢增加增加3）运行矩频特性4.步进电机驱动的特点起动曲线运行曲线在471 1、实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；的问题；2 2、高速性能好，一般额定转速能达到高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；转；3 3、抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；载波动和要求快速起动的场合特别适用；4 4、低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；运行现象。适用于有高速响应要求的场合；5 5、电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内；电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内；6 6、发热和噪音明显降低。发热和噪音明显降低。伺服电机与步进电机比较伺服电机与步进电机比较伺服电机的优势：伺服电机的优势：1、实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问48超声波电机超声波电机（一种未来很有希望的电机）（一种未来很有希望的电机）特点：特点：超声波电机具有体积小，超声波电机具有体积小，重量轻，不用制动器，速度和位置控重量轻，不用制动器，速度和位置控制灵敏度高，转子惯性小，响应性能制灵敏度高，转子惯性小，响应性能好，没有电磁噪声等普通电机不具备好，没有电磁噪声等普通电机不具备的优点。的优点。工作原理：工作原理：当给压电陶瓷施加一当给压电陶瓷施加一定方向的电压时，各部分产生的定方向的电压时，各部分产生的应变方向相反（在正电压作用下，应变方向相反（在正电压作用下，+的部分伸长，的部分伸长，-的部分压缩），的部分压缩），+、-部分交替相接。在交流电压部分交替相接。在交流电压的作用下，压电陶瓷就会沿圆周的作用下，压电陶瓷就会沿圆周方向产生交替的伸缩变形，定子方向产生交替的伸缩变形，定子弹性体的上下运动产生驻波。此弹性体的上下运动产生驻波。此外，由于重叠在一起的两片压电外，由于重叠在一起的两片压电陶瓷的相位差为陶瓷的相位差为90O，所以，在，所以，在形成驻波的同时也会在水平方向形成驻波的同时也会在水平方向形成行波。这样，在驻波和行波形成行波。这样，在驻波和行波的合成波的作用下，使定子作椭的合成波的作用下，使定子作椭圆运动轨迹的振动。这样，装在圆运动轨迹的振动。这样，装在定子上的转子在摩擦力的作用下定子上的转子在摩擦力的作用下就会产生旋转。就会产生旋转。同样也有直线运同样也有直线运动的超声波电机。动的超声波电机。超声波电机（一种未来很有希望的电机）特点：49直接驱动电机（直接驱动电机（directdrive:DD）优点：优点：不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力控制。控制。种类：种类：直流力矩电机、无刷直流电机、直流力矩电机、无刷直流电机、VR式电机等。式电机等。缺点：缺点：因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。直接驱动电机（directdrive:DD）优点：不用50液压驱动液压驱动液液压压缸缸液液压压马马达达液压驱动液压缸液压马达51优点：优点：（1）容易获得比较大的扭矩和功率；）容易获得比较大的扭矩和功率；（2）功率）功率/重量比大，可以减小执行装置的体积；重量比大，可以减小执行装置的体积；（3）刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；）刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；（4）通过流量控制可以实现无级变速。）通过流量控制可以实现无级变速。缺点：缺点：（1）必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差；）必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差；（2）有因漏油而发生火灾的危险；）有因漏油而发生火灾的危险；（3）液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。）液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。液压驱动的特点：液压驱动的特点：优点：（1）容易获得比较大的扭矩和功率；（2）功52气动驱动气动驱动气动执行装置的种类：气缸、气动马达。气动执行装置的种类：气缸、气动马达。气动驱动气动执行装置的种类：气缸、气动马达。53优点：优点：（1）利用气缸可以实现高速直线运动；）利用气缸可以实现高速直线运动；（2）利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制；）利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制；（3）无火灾危险和环境污染；）无火灾危险和环境污染；（4）系统结构简单，价格低。）系统结构简单，价格低。缺点：缺点：（1）由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控制都比较困难，驱动刚性比较差；制都比较困难，驱动刚性比较差；（2）虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停）虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的动作速度很慢；止的动作速度很慢；（3）噪音大；）噪音大；气动驱动的特点：气动驱动的特点：优点：（1）利用气缸可以实现高速直线运动；缺点：（1）由545.2.3机器人编程机器人编程：就是针对某项作业任务而设计的程序。机器人编程：就是针对某项作业任务而设计的程序。目前有三种机器人编程方法目前有三种机器人编程方法:1 1）示教编程：）示教编程：即操作者根据机器人作业的需要把机器人末端执行器送到目即操作者根据机器人作业的需要把机器人末端执行器送到目标位置，且处于相应的姿态，然后把这一位置、姿态所对应标位置，且处于相应的姿态，然后把这一位置、姿态所对应的关节角度信息记录到存储器保存。对机器人作业空间的各的关节角度信息记录到存储器保存。对机器人作业空间的各点重复以上操作，就把整个作业过程记录下来，再通过适当点重复以上操作，就把整个作业过程记录下来，再通过适当的软件系统，自动生成整个作业过程的程序代码。的软件系统，自动生成整个作业过程的程序代码。机器人实际作业时，再现示教时的作业操作步骤就能完机器人实际作业时，再现示教时的作业操作步骤就能完成预定工作。机器人示教产生的程序代码与机器人编程语言成预定工作。机器人示教产生的程序代码与机器人编程语言的程序指令形式非常类似。示教的方式有手把手示教和示教的程序指令形式非常类似。示教的方式有手把手示教和示教盒示教。典型应用盒示教。典型应用MATOMANMATOMAN机器人机器人5.2.3机器人编程机器人编程：就是针对某项作业任务而设计的552 2）离线编程离线编程 是在专门的软件环境支持下，用专用或通用程序在离线情是在专门的软件环境支持下，用专用或通用程序在离线情况下进行机器人轨迹规划编程的一种方法。况下进行机器人轨迹规划编程的一种方法。离线编程程序通过支持软件的解释或编译产生目标程序代离线编程程序通过支持软件的解释或编译产生目标程序代码，最后生成机器人路径规划数据。一些离线编程系统带有码，最后生成机器人路径规划数据。一些离线编程系统带有仿真功能，这使得在编程时就解决了障碍干涉和路径优化问仿真功能，这使得在编程时就解决了障碍干涉和路径优化问题。这种编程方法与数控机床中编制数控加工程序非常类似。题。这种编程方法与数控机床中编制数控加工程序非常类似。离线编程的发展方向是自动编程。离线编程的发展方向是自动编程。2）离线编程563 3）机器人语言编程）机器人语言编程 机器人语言编程即用专用的机器人语言来描述机器人的动作机器人语言编程即用专用的机器人语言来描述机器人的动作轨迹。它不但能准确地描述机器人的作业动作，而且能描述轨迹。它不但能准确地描述机器人的作业动作，而且能描述机器人的现场作业环境，如对传感器状态信息的描述，更进机器人的现场作业环境，如对传感器状态信息的描述，更进一步还能引入逻辑判断、决策、规划功能及人工智能。机器一步还能引入逻辑判断、决策、规划功能及人工智能。机器人编程语言具有良好的通用性，同一种机器人语言可用于不人编程语言具有良好的通用性，同一种机器人语言可用于不同类型的机器人，也解决了多台机器人协调工作的问题。同类型的机器人，也解决了多台机器人协调工作的问题。3）机器人语言编程57机器人语言可以按照其作业描述水平的程度分为动作级编程语机器人语言可以按照其作业描述水平的程度分为动作级编程语言、对象级编程语言和任务级编程语言三类。言、对象级编程语言和任务级编程语言三类。1 1）动作级编程语言）动作级编程语言 关节级编程、末端执行器级编程关节级编程、末端执行器级编程 典型的动作级编程语言为典型的动作级编程语言为VALVAL语言。语言。VALVAL语言是美国语言是美国UnimationUnimation公司于公司于19791979年推出的一种机器人编程语言，主要配置在年推出的一种机器人编程语言，主要配置在PUMAPUMA和和UNIMATIONUNIMATION等型机器人上，是在等型机器人上，是在BASICBASIC语言的基础上发展起来的，语言的基础上发展起来的，所以与所以与BASICBASIC语言的结构很相似。语言的结构很相似。2 2）对象级编程语言）对象级编程语言 所谓对象即作业及作业物体本身。对象级编程语言是比动作所谓对象即作业及作业物体本身。对象级编程语言是比动作级编程语言高一级的编程语言，它不需要描述机器人手爪的运级编程语言高一级的编程语言，它不需要描述机器人手爪的运动，只要由编程人员用程序的形式给出作业本身顺序过程的描动，只要由编程人员用程序的形式给出作业本身顺序过程的描述和环境模型的描述，即描述操作物与操作物之间的关系。通述和环境模型的描述，即描述操作物与操作物之间的关系。通过编译程序机器人即能知道如何动作。过编译程序机器人即能知道如何动作。这类语言典型的例子有这类语言典型的例子有AMLAML及及AUTOPASSAUTOPASS等语言。等语言。机器人语言可以按照其作业描述水平的程度分为动作级编程语言、对583）任务级编程语言任务级编程语言 任务级编程语言是比前两类更高级的一种语言，也是最理任务级编程语言是比前两类更高级的一种语言，也是最理想的机器人高级语言。目前还不是十分完善，是一种理想状想的机器人高级语言。目前还不是十分完善，是一种理想状态下的语言，有待于进一步的研究。这类语言不需要用机器态下的语言，有待于进一步的研究。这类语言不需要用机器人的动作来描述作业任务，也不需要描述机器人对象物的中人的动作来描述作业任务，也不需要描述机器人对象物的中间状态过程，只需要按照某种规则描述机器人对象物的初始间状态过程，只需要按照某种规则描述机器人对象物的初始状态和最终目标状态，机器人语言系统即可利用已有的环境状态和最终目标状态，机器人语言系统即可利用已有的环境信息和知识库、数据库自动进行推理、计算，从而自动生成信息和知识库、数据库自动进行推理、计算，从而自动生成机器人详细的动作、顺序和数据。机器人详细的动作、顺序和数据。3）任务级编程语言59祝大家考试祝大家考试顺利顺利!祝大家考试顺利!60