机器人控制系统

关节·机器人关节机器人·水下机器人仿生机器人拟人机器人拟人机器人并联机器人机器人控制系统第一讲机器人控制系统的构成(硬件)中心控制器信号处理放大电路驱动电路执行机构传感器其它电路输入输出电源软件一个典型机器人控制系统(比赛)如图所示的是一个比赛机器人控制系统它的主要组成部分如下:•中心控制器——单片机•驱动电路——桥式PWM调速电路•执行机构——直流伺服电机•信号处理电路——光电隔离接入电路•传感器——光电传感器、各类开关•输入输出——编程器机器人的拟人化比喻•人机器人大脑中心控制器感官传感器手和脚运动执行机构神经和肌肉驱动放大及连接线路中心控制器●任务和功能执行控制程序,通过外围电路控制执行机构完成相关动作.根据传感器的输入信息判断机器人工作状态,决定机器人下一步的动作.控制器的种类单片机特点:结构简单,经济性好应用：简单结构的机器人控制嵌入式工业控制模块特点:抗干扰能力较强、运算速较快、能适应多种操作系统。应用：较复杂的机器人须较强运算能力的机器人。DSP（数字信号处理器）特点：运算速度比微处理器快，实时性好，适合嵌入式的实时数字信号处理。应用：结构较复杂，实时性要求较高的机器人专用运动控制卡独立式运动控制卡英国翠欧运动控制卡国产MPC05运动控制卡基于PC的运动控制卡PCI总线的运动控制卡(国产PCI208)104总线的运动控制卡(美国PMAC))传感器•功能和作用:对机器人本身的状态和外界的信息状态进行检测.为机器人进行下一步的动作提供信息依据.•种类:机器人用传感器有很多类型但主要类型有四五种.•主要有光线类传感器、触觉开关类传感器、超声探测器、温度等检测类传感器、电源检测类传感器。光线类传感器•光线传感器有很多种类主要用于测距、目标检测、颜色识别。可作为机器人定位、巡线、目标检测和识别类传感器。•漫反射光电传感器激光传感器红外光电传感器光纤传感器触觉开关类传感器•触觉开关主要用于机器人状态检测、近距离目标探测等。有非接触式和接触式两类。•接触式有微动开关、行程开关、挡铁等。接触式的行程开关非接触式的开关有电容和电感等形式上图是一种电容式接近开关检测类传感器•各类物理量的检测（如温度、压力、速度、位移、加速度等）都属于位置传感器。右图为用于测量电机转速和角位移的增量式编码器压力传感器测力传感器温度传感器位移传感器扭矩传感器超声传感器测距超声传感器邦纳超声传感器超声传感器主要用于测距和机器人定位.电源检测传感器电源检测传感器主要有电流和电压传感器,其作用是对电源进行监测防止由于电源的变化引起的机器人故障,可根据电源参数的变化判断机器人有无故障.主要有电流和电压传感器.霍尔电流传感器接入式电流传感器电压传感器驱动放大器作用:对控制器送来驱动信号进行运算放大控制和驱动执行机构.驱动器的种类很多.控制的方式有：闭环、开环及部分闭环三种驱动主要器件有：三极管、晶闸管、场效应管、固态继电器等。闭环驱动器瑞士MAX公司的闭环驱动器自制的驱动信号接口板自制的场效应管驱动器(开环)放大器件大功率三极管大功率场效应管固态继电器可控硅执行机构•执行机构是机不可器人最终完成动作的部件,是控制系统控制的对象.主要有电机、液压油缸、液压马达等。•电机的种类有很多，常用的有交直侍服电机、步进电机、无刷电机、普通交直流电机。各类电机交流伺服电机直流伺服电机各类电机步进电机无刷电机电源•电源包括各类电池及各类电源模块和整流稳压电源。电池提供能源，模块电源提供各种电压，整流器完成AC-DC转换。电池锂电池:体积小寿命长,放电平稳铅酸电池:体积大,放电不平稳镍氢电池:体积较小小,寿命较长,放电平稳电源开关电源:体积小效率高模块电源:体积小,电压稳普通电源:体积大,效率低第二讲机器人控制系统的相关技术简介§1电机的控制•机器人中常用的电机有：有刷直流电机、无刷直流电机、步进电机、超声电机等。各种电机的控制方法也不尽相同。电机的控制主要有速度、方向、刹车及开停等。电机的PWM调速•PWM(PulseWidthodulation)控制就是宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的电压值（含形状和幅值)。直流电动机调速原理直流电动机由转子和定子组成，定子可以是磁极或励磁绕组。其转速与加在转子电枢上的电压Ua有关，Ua↑→转速V↑；所加电压极性改变，则电动机反转。据此原理，通过改变电动机电枢电压接通和断开的时间比（即占空比）来控制电动机的转速，这种方法就称为脉冲宽度调制PWM。脉宽调制转速公式（平均转速）：Vd=Vmax*DVd----电动机平均转速Vmax全通电时速度（最大）D=t1/T----占空比，t1是通电时间，T是脉宽周期。D≤1。Vd∝D，与单纯的周期T无关直流电机调速图示Vd与D只是近似的线性关系，与单纯的周期T无关（与步进电机的调速脉冲不同，步进电机的转速与脉冲频率成正比）。在D不变的情况下，T越小，电机转速越平稳。速度和占空比之间的关系有刷直流电机的控制正转：SW1、SW4闭合反转：SW2、SW3闭合刹车：SW2、SW4闭合（或SW1、SW3闭合）滑行：SW1、SW2、SW3、SW4全部断开电机控制示意图。控制数据运转状态开关状态PA1PA0SW1SW2SW3SW410正转100101反转011011刹车010100滑行0000双向控制电动机工作状态真值表PA0、PA1为0时，SW1、SW3才有可能导通SWx状态：PA0、1为1时导通，为0时截止SWx用的是场效应管PB0---PB7：设置脉冲宽度，即方波的占空比74LS125：四总线三态缓冲器电机控制过程实例有刷直流电机的调速开环脉冲宽度调速系统的组成由五部分组成：（1）占空比D的设定1）用电位器调节、2）用拨码开关、3）用数字键盘（2）脉冲宽度发生器软件编程（3）驱动器TTL放大电路（4）电子开关用晶体管、场效应管、可控硅、继电器（5）电动机直流电机调速系统结构（开环）占空比由脉宽调制转速公式：Vd=Vmax*D电动机平均转速Vd、全通电时速度Vmax已知，对于给定的平均转速Vd，便可计算出占空比D。占空比D=t1/T，t1是通电时间，t2是断电时间。脉宽周期T=t1+t2占空比的实现有两种方法1、软件计数法设单位时间（t0）计一个数，则通电时间t1计数N1=t1/t0，断电时间t2计数N2=t2/t0，在脉冲输出端，输出高电平计数N1，输出低电平计数N2，并让输出端如此循环输出即可。2、硬件计数法用硬件计数器计数，分别输出高电平和低电平，也如此循环输出即可。为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通常采用闭环脉冲宽度调速系统。闭环系统是在开环系统的基础上增加了电动机的速度检测回路，意在将检测到的速度与给定值比较，并由数字调节器（PID）进行调节。其原理框图如左图所示。闭环调速速示意图步进电机的控制•结构和工作原理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)给一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。反应式步进电机的结构通常按励磁方式分为三大类：1）反应式：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距小。应用最广。2）永磁式：转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大3）感应子式(混合式)：转子为永磁式、两段，开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小。但结构复杂，成本较高。以反应式为例说明步进电机的结构和原理•特点•定转子开小齿•定转子均为软磁材料•小步距反应式步进电机的结构工作方式一、三相单三拍(1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相B相C相通电顺序也可以为：A相C相B相三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。（3）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'AB相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C'CA'BB'AC相通电再转30这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15°。（1）BB'磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA'磁场继续对1、3齿有拉力。CA'BB'C'A总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。CA'BB'C'AB相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。三相绕组的通电顺序为：ABBCCAAB共三拍。AB通电CA'BB'C'ACA'BB'C'ABC通电工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即S=30。CA通电CA'BB'C'A以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。应用的步进电机实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。转子的齿距等于360/40=9，齿宽、齿槽各4.5。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A相通电时，定子A相的五个小齿和转子对齐。此时，B相和A相空间差120，含120/9=齿A相和C相差240，含240/9=个齿。所以，A相的转子、定子的五个小齿对齐时，B相、C相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。31133226若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转1.5。步进电机的转动方向仍由相序决定。同理，C相通电再转3……（2）A相断电、B相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使B相转子、定子对齐。步进电机的控制脉冲分配器脉冲发生器功率放大器步进电动机指令电源步进电机驱动结构图步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器(也称功率放大器)三部分组成。脉冲分配器脉冲分配器根据指令把脉冲按一定的逻辑关系加到各相绕组的功率放大器上，使电机按一定方式运行，实现正、反转和定位。传统电路：门电路+触发器组成集成电路：如CH205(CMOS)三相六拍脉冲分配器脉冲发生器脉冲发生器是一个脉冲频率在几赫到几十千赫内可连续变化的脉冲信号发生器。最常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的张弛振荡器两种。趋势：单片机控制步进电机由单片机实现脉冲发生器+脉冲分配器的功能典型的微机控制步进电机系统如下图所示计算机控制步进电机需要解决的问题：1）脉冲序列的产生2）方向速度控制3）程序设计1、脉冲序列的生成脉冲序列如右图所示1）脉冲周期的实现脉冲周期=通电时间+断电时间。通电时，计算机输出高电平使开关闭合；断电时，计算机输出低电平使开关断开。通电和断电时间的控制，可以用定时器，也可以用软件延时。周期决定了步进电机的转速；占空比决定了功率。2）脉冲高度脉冲高度决定于元器件，对TTL电平为0---5V，对CMOS电平一般为0---10V。常用的接口电路多为0---5V。速度和方向的控制步进电动机的运行速度决定于绕组的通电频率。单片机控制步进电动机速度的方法有两种：1.软件延时法在每次换相之后，调用一个延时子程序，待延时结束后，再执行换相子程序。周而复始，即可发出一定频率的步进脉冲，