（機械制造及其自動化專業(yè)論文）基于工控機和dsp的關(guān)節(jié)機器人控制器研究.pdf

基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 摘要 工業(yè)機器人隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展得到越來越廣 泛的應(yīng)用。在六自由度機器人群體中，關(guān)節(jié)型機器人以工作范圍大、動作靈 活、結(jié)構(gòu)緊湊、能抓取靠近機座的物體等特點備受設(shè)計者和使用者的青睞。 本課題設(shè)計的六自由度關(guān)節(jié)型機器人既可以用于實際生產(chǎn)，也可以用于教學(xué) 和科研。 首先，本文介紹了工業(yè)機器人技術(shù)和機器人控制器技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展， 給出了本課題研究的機器人對象。隨后本文對機器人的機構(gòu)可行方案進行了 充分論證，在此基礎(chǔ)上運用d h 方法進行了機器人的運動學(xué)分析并采用關(guān) 節(jié)空間法詳細規(guī)劃了機器人的運動軌跡。 其后，本文探討了機器人運動學(xué)正逆解求解方法，詳細地討論了其中的 p d 算法。通過對控制方案進行比較和對芯片進行選型，確定了基于p c i 總線的i p c ( 工控機) 和d s p 兩級機器人伺服控制方案。d s p 運動控制卡 以t i 公司的浮點型信號處理器t m s 3 2 0 l f 4 2 0 7 作為控制核心，用c p l d 設(shè) 計伺服電機的碼盤信號接收電路，用數(shù)模轉(zhuǎn)換器d a c 7 7 2 5 提供伺服電機的 轉(zhuǎn)速給定值，構(gòu)成了伺服電機的位置閉環(huán)系統(tǒng)。上位機實現(xiàn)機器人參數(shù)給定、 命令控制、人機接口、上層路徑規(guī)劃等功能。p c i 總線選用p l x 公司的從 模式芯片p c i 9 0 5 2 作為橋接芯片。編寫了針對p c i 9 0 5 2 的w d m 驅(qū)動程序， 實現(xiàn)了工控機和d s p 運動控制卡的正常通訊。 在本文的最后，設(shè)計了關(guān)節(jié)調(diào)試程序，至此成功地搭建了6 關(guān)節(jié)機器人 控制系統(tǒng)的平臺，為以后進一步的的科研和應(yīng)用打下了的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：機器人，運動控制，d s p ，t m s 3 2 0 l f 4 2 0 7 ，p c i 9 0 5 2 r e s e a r c ho nt h ec o n t r o l l e ro fj o i n t r o b o tb a s e do ni n d u s t r i a lc o m p u t e ra n d d s p a b s t r a c t w ，i t ht h ed e v e l o p m e n to fd s pa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , r o b o th a sg o tg r e a t a p p l i c a t i o n i nt h eg r o u po f s i xd e g r e e so ff r e e d o mr o b o t s ，t h ea r t i c u l a t e dr o b o ti s c a r e db yd e s i g n e ra n du s e rf o ri t sb r o a dw o r kr a n g e ，f l e x i b l em o v e m e n t ，c o m p a c t s t m c t u r e ，c a t c h i n gt h eo b je c tn e a rt h em a c h i n ep l i n t h t h es i x d e g r e e so ff r e e d o m r o b o td e s i g n e di nt h ea r t i c l ec a nb eu s e dn o to n l yi nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o nb u t a l s oi nt h et e a c h i n ga n ds c i e n c er e s e a r c h f i r s t l y , t h e t h e s i si n t r o d u c e si n d u s t r i a lr o b o t s t e c h n o l o g ya n dt h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f r o b o tc o n t r o l l e r , i nt h ef o l l o w i n gt h es t u d yo b je c t i sg i v e nc l e a r l y a f t e rd e m o n s t r a t i n gt h ef e a s i b i l i t yo fr o b o tm e c h a n i c s ，t h i st h e s i s a n a l y s e st h er o b o t sm o t i o nw i t hd - hm e t h o d o l o g y , a n dp l a n e st h er o b o tm o t i o n p a t hd e t a i l e d l yw i t ht h em e t h o do f j o i n ts p a c e t h e nt h ep a p e rd i s c u s s e sm e t h o do fr o b o t sk i n e m a t i c s ，i n v e r s ek i n e m a t i c s a n dr o b o t sc o n t r o la r i t h m e t i c sm o s t l ya b o u tp i dc o n t r 0 1 b a s e do nt h ec o m p a r e o fc o n t r o lt h e o r ya n dc h i ps e l e c t i o n , w es e l e c tt h et w o - l e v e lr o b o t sc o n t r o l s y s t e m b a s e do ni p ca n dd s pa so u r s y s t e m s e r v oc o n t r o lc a r du s e s t m $ 32 0 l f 4 2 0 7a sc o n t r o lc o r e u s e sc p l dt od e s i g nr e v e r s i b l ec o u n t e r , a n d u s e sd a c 7 7 2 5a sd a o u t p u tc h i p ，t h e yc o m p o s e t h ec l o s e l o o pc o n t r o ls y s t e m o fs e r v om o t o r i n d u s t r i a lp cf u l f i l l sr o b o t ss e t t i n g so fp a r a m e t e r , c o n t r o l so f c o m m a n d ，o p e r a t i o n a li n t e r f a c e c o m p l i c a t e d c o n t r o la r i t h m e t i ca n ds oo n s u b o r d i n a t em o d ec h i pp c i 9 0 5 2i su s e df o rp c ib u sc o n n e c t i n gc h i p w d m d r i v e ri sp r o g r a m m e df o rp c i 9 0 5 2a n dp r o t o c o ld e s i g n e df o rc o m m u n i c a t i o n b e t w e e ni p ca n dd s pc o n t r o lc a r d i nt h el a s tp a r t ，t h ed e b u g g i n gp r o c e d u r e sa r ed e s i g n e da n du pt on o ww e s u c c e e di nm a k e i n gu po fr o b o t sc o n t r o ls y s t e mf o rp r e p a r eo fa d v a n c e ds t u d y a n da p p l i c a t i o n k 衛(wèi)y w o r d ：r o b o t ，m o t i o nc o n t r o l ，d s p ，t m s 3 2 0 l f 4 2 0 7 ，p c i 9 0 5 2 l i l 基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 原創(chuàng)性聲明及關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立 進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含 任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究做出 重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名：采漓；文 日 期：2 0 0 9 年j 月 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解陜西科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意 學(xué)校保留或向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論 文被查閱和借閱；本人授權(quán)陜西科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部 分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段 保存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：牢a 辭波導(dǎo)師簽名：韉盧期：墊塑j 姐 基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 l 緒論 1 1 引言 機器人技術(shù)是綜合了計算機控制論機構(gòu)學(xué)信息和傳感技術(shù)人工智能仿生學(xué)等多學(xué)科 而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域，機器人應(yīng)用情況是一個 國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志，工業(yè)機器人在現(xiàn)代工業(yè)上起著極其重要的作用，對我 國的工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展也有著無比重要的作用，當(dāng)前機器人技術(shù)飛速發(fā)展學(xué)習(xí)和研究機 器人工作的原理和運用也成為各部門教學(xué)的重要問題。 機器人技術(shù)是建立在機械、微電子、控制、人工智能技術(shù)等基礎(chǔ)上的- - l - j 機電一體 化的高新技術(shù)。機器入誕生于1 9 5 4 年，美國的g e o r g ed e v o l 首先把遠程控制器的桿結(jié)構(gòu) 與數(shù)控銑床的伺服軸結(jié)合起來，研制出了第一臺通用機械手。這種機械手可以通過讓其 沿一系列點運動，將運動位置以數(shù)字形式存貯起來，動作執(zhí)行時，使伺服系統(tǒng)驅(qū)動機械 手各關(guān)節(jié)軸來再現(xiàn)這些位置，從而讓機械手完成一些簡單的工作。正是由于這個機械手 具有了編程示教再現(xiàn)功能，因此許多人把它作為現(xiàn)代工業(yè)機器人產(chǎn)生的標(biāo)志。在隨后的 生產(chǎn)應(yīng)用中，為了適應(yīng)各種不同用途需要，相繼出現(xiàn)了直角坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)、極坐標(biāo)等 許多種不同結(jié)構(gòu)的機器人。與第一代示教再現(xiàn)型機器人不同，第二代機器人是具有感覺 功能的適應(yīng)控制機器人。這種機器人帶有傳感器，能感知環(huán)境和對象的情況，以控制自 身動作的變化。在機器人視覺、觸覺研究的同時，機器人其他感覺功能的開發(fā)也已經(jīng)開 始，對機器人的接近覺、聽覺、滑覺以及會話等功能都進行了研究，并取得了一定的成 果。這種有感知功能的機器人已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的汽車制造、電子、機械等行 業(yè)從事焊接、油漆、裝配、包裝、零件加工、搬運等專業(yè)性工作。目前，這類工業(yè)機器 人占總數(shù)的7 0 以上，全球正在工作的工業(yè)機器人共有7 4 萬，我國有3 0 0 0 臺左右智能 機器人被人們稱為第三代機器人，它是能利用感覺和識別功能做決策行動的機器人。從 七十年代后期開始，人們對智能機器人的規(guī)劃生成系統(tǒng)( 問題解決系統(tǒng)，路徑搜索等) ， 環(huán)境的理解系統(tǒng)( 感覺智能，包括視覺，觸覺等) ，知識獲得與利用系統(tǒng)( 知識工程和 專家系統(tǒng)等) ，人一機接1 3 系統(tǒng)，運動系統(tǒng)等問題展開了更加廣泛、深入地研究。智能 機器人的研究是一個艱巨而又廣泛的問題，隨著研究的不斷深入，相關(guān)科學(xué)的飛速發(fā)展 ( 如第五代智能計算機) ，具有智能的機器人在不久的將來一定會出現(xiàn)。 我國的機器人研究始于二十世紀(jì)7 0 年代。經(jīng)過近2 0 年努力，特別是經(jīng)過“七五 攻 關(guān)、“8 6 3 計劃，取得了一批重要成果，掌握了機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、 機器人語言等技術(shù)。綜上所述，我國機器人發(fā)展已跨過了起步階段，走上了進步和發(fā)展 的道路。今后的任務(wù)是把機器人技術(shù)推廣到更多的工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域和其他更廣泛的 應(yīng)用領(lǐng)域，大力開展跨過區(qū)域交流合作，與國際接軌，早日躋身于世界先進行列。 陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 機器人控制器的應(yīng)用和發(fā)展 在各種作業(yè)中，機器人的運動主要表現(xiàn)為沿著預(yù)定的路徑移動，并保持預(yù)定的姿態(tài)， 在運動中或在給定的某些位置上完成作業(yè)規(guī)定的操作，這些都是在機器人控制器的控制 下完成。機器人控制器相當(dāng)于機器人的“大腦一，是機器人的核心和靈魂，設(shè)計的成功 與否最終影響到機器人的優(yōu)劣。機器人控制器由一組硬件和軟件組成，是機器人系統(tǒng)不 可分割的一部分，與機器人系統(tǒng)的工作原理、機器人的結(jié)構(gòu)和功能、機器人的精度都有 密切的關(guān)系。早期由于計算機技術(shù)比較落后，很多先進的控制方法無法在機器人上完全 實現(xiàn)。九十年代以來，隨著計算機技術(shù)的成熟并且引入機器人領(lǐng)域，機器人迅速地發(fā)展 起來。機器人控制器已經(jīng)和計算機技術(shù)緊密結(jié)合在一起。以計算機為核心的機器人控制 器的發(fā)展經(jīng)歷了下面幾個階段： 1 ) 基于通用微型處理器。這種控制器由8 0 8 8 、8 0 3 1 等為核心部件，加上存儲器、編 碼器信號處理電路及d a 轉(zhuǎn)換電路等，其位置環(huán)控制算法由事先編好的程序固化在存儲器 中。這種方案采用元器件較多，可靠性低，體積比較大，而且控制參數(shù)不易更改，軟硬 件設(shè)計工作量較大。 2 ) 基于專用微控制器。采用專門生產(chǎn)用于伺服控制的芯片，如l m 6 2 8 、h c p l l l 0 0 、 p c l 8 3 3 等，完成速度曲線規(guī)劃、p i d 伺服控制算法、編碼器信號的處理等多種功能。電 機位置、速度、加速度、p i d 參數(shù)等需要經(jīng)常更改的參數(shù)存儲在芯片的r a m 區(qū)，但由于 運算速度的限制，復(fù)雜的控制算法和功能很難在其中實現(xiàn)。近年來，專用控制芯片的運 算速度越來越快，功能越來越強大，這種方案目前使用還較廣泛。 3 ) 基于通用數(shù)字信號處理器( d s p ) 。近年來，d s p 在伺服控制系統(tǒng)中的運用越來 越廣泛，為設(shè)計高精度機器人開辟了道路。d s p 的高速運算能力可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的控 制算法，而它本身獨特的硬件結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)快速的位置捕捉等功能。在伺服控制領(lǐng)域中， 比較常用的d s p 有t i 公司c 2 4 x x 和c 2 8 x 系列a d 公司的a d s p 2 1 x x 系列和a t & t 公司 d s p l 6 x 系列等。典型的d s p 多軸運動控制卡是d e l t a t a u 公司開發(fā)的開放結(jié)構(gòu)運動控制器 p m a c ，它以m o t o r a l a 的d s p 5 6 k 系y m j d s p 為核心支持多種總線插槽方式，一塊卡可以同 時控n 8 3 2 軸，可以并聯(lián)運行。隨著d s p 價格的下降，采用d s p 的機器人控制器應(yīng)用日趨 廣泛，d s p 的高速運算能力和計算機的強大資源相結(jié)合，可以開發(fā)出高性能的機器人， 本課題就是采用i p c 和d s p 的兩級控制方案設(shè)計機器人控制器。 1 3 開放式機器人控制系統(tǒng)的方案 。 1 3 1 開放式控制系統(tǒng)的特征 開放式控制系統(tǒng)是隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的，其具有以下幾點特征 1 ) 模塊化：開放式系統(tǒng)由一系列的功能模塊組成。 2 基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 2 ) 可移植性：開放式系統(tǒng)的可移植性是指在不同的控制器或硬件平臺上運行相同的 系統(tǒng)組件的能力。 3 ) 可互操作性：系統(tǒng)組件之間可以相互協(xié)作共同工作，總線式設(shè)計是實現(xiàn)可互操作 性的關(guān)鍵。 4 ) 可擴展性：開放式系統(tǒng)的功能可以方便的進行擴展。 5 ) 可互換性：指開放式系統(tǒng)可以選擇其它同類產(chǎn)品的能力。即可實現(xiàn)成本高低產(chǎn)品 的組合。 6 ) 可派生性：可以對某些組件進行升級，從而使整個系統(tǒng)的功能增加。 1 3 2 開放式機器人控制系統(tǒng)的優(yōu)點 采用模塊化技術(shù)，開發(fā)機器人系統(tǒng)的過程中可以使用經(jīng)過測試、性能良好的子系統(tǒng) 模塊。功能模塊的復(fù)用可以提高系統(tǒng)的質(zhì)量和安全性能，保證控制器能滿足要求，不會 產(chǎn)生意想不到的錯誤，使機器人系統(tǒng)安全性得到可靠的保證。開放的控制系統(tǒng)能使系統(tǒng) 中的硬件和軟件結(jié)構(gòu)很容易集成。更易實現(xiàn)平臺、操作系統(tǒng)和用戶接口的標(biāo)準(zhǔn)化。開放 式機器人控制器的設(shè)計可以由用戶更換或修改，用戶可以根據(jù)需要進行機器人控制器的 改型。開放式機器人系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。 1 3 3 基于p c 的開放式控制系統(tǒng)的實現(xiàn)模式 開放式結(jié)構(gòu)的控制器的發(fā)展趨勢是以通用p c 為技術(shù)，采用面向?qū)ο蟮哪K化的設(shè)計 方法來構(gòu)造系統(tǒng)，目前基于p c 的實現(xiàn)模式主要有以下幾種： 1 ) 單p c 的控制模式以p c 為核心，配制實時的操作系統(tǒng)。存在實時性、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性 及系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。 2 ) p c + p c 的控制模式p c + p c 的控制模式采用兩極c p u 的結(jié)構(gòu)，一級c p u 完成系統(tǒng) 管理工作。二級c p u 完成全部關(guān)節(jié)位置的數(shù)字控制。這類的控制模式的兩個c p u 總線之 間沒有任何聯(lián)系，是一個松耦合關(guān)系。 3 ) p c + d s p 運動控制器的模式p c + d s p 運動控制器的模式采用了以d s p 芯片的多軸 運動控制技術(shù)。d s p 運動控制器的特點在于它的集成性、兼容性和高速性。p c 機處理非 實時的部分，實時的運動控制由插入p c 的采用d s p 芯片來承擔(dān)。這種控制器靈活性好、 功能穩(wěn)定，是一種較為實用的控制模式。 1 4 本課題的研究對象和內(nèi)容 本課題的研究對象是一個6 關(guān)節(jié)機器人手臂，由底座主體、大臂、小臂和手腕等幾個 部分組成，本課題完成的主要內(nèi)容有如下幾個方面： 1 ) 機器人本體結(jié)構(gòu)的選擇。 2 ) 機器人運動學(xué)分析和相關(guān)控制算法。 3 ) 機器人硬件選型及配置。 3 陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 ) 設(shè)計工控機和d s p 運動控制卡的通訊協(xié)議。 5 ) 完成了機器人單關(guān)節(jié)和雙關(guān)節(jié)的軟硬件調(diào)試。 本課題設(shè)計中使用的集成開發(fā)環(huán)境和軟件資源有：p r o t e l 9 9 s e ，t i c c 4 0 ，m a x p l u s l i ， v i s u a l c + + 6 0 ，w i n d o w s 2 0 0 0 d d k ，d r i v e r s t u d i 0 2 7 。工控機操作系統(tǒng)采用m i c r o s o f t 公 司的w i n d o w s 2 0 0 0 。 4 基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 2 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 1 機器人的工作要求 該機器人的特點是工作范圍大，動作靈活，通用性強，結(jié)構(gòu)較緊湊，能抓取靠近機 座的物體。協(xié)作單位根據(jù)其用途和特點提出如下技術(shù)參數(shù)： 自由度數(shù)目：6 個 坐標(biāo)形式：垂直關(guān)節(jié)型 額定負(fù)荷質(zhì)量( 含末端執(zhí)行器) ：2 5 k g 最大活動半徑：1 5 0 m 本體重量：1 8 0 虹 各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)范圍和最大工作轉(zhuǎn)速見表2 1 。 表2 1 各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)范圍和最大工作轉(zhuǎn)速 t a b l e 2 1e a c hj o i n tg y r a t i o nr a n g ea n dm a x i m a lr u nr o t a t es p e e d 回轉(zhuǎn)范圍( 。)最大工作轉(zhuǎn)速 r m i nr a d $。，s 腰部回轉(zhuǎn) 1 5 02 82 6 41 5 0 大臂回轉(zhuǎn)- 4 5 + 1 2 05 43 6 62 1 0 小臂同轉(zhuǎn) 5 56 46 4 53 0 0 腕部擺動 1 0 55 65 3 83 0 0 腕部俯仰9 05 45 4 53 0 0 腕部回轉(zhuǎn)1 8 0 7 8 7 3 2 4 2 0 2 2 機器人結(jié)構(gòu)方案的對比分析及選擇 根據(jù)本課題的要求，參考國內(nèi)外工業(yè)機器人的典型結(jié)構(gòu)，初步對各個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié) 構(gòu)單獨分析。 陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 1 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 成漉伺服電機 一 ll ，第一關(guān)節(jié)輸出軸 ii l li ip 搜弒器 ill l l i 圖2 - 1 腰部回轉(zhuǎn)示意圖 f i 9 2 - 1w a i s tg y r a t i o ns k e t c hm a pr i o 1 方案：如圖2 1 所示，電機安裝在底座上面，其輸出軸先經(jīng)諧波減速器減速，再經(jīng)一 對齒輪減速后，由第一關(guān)節(jié)輸出軸帶動整個腰部在基座上回轉(zhuǎn)。 2 2 2 大臂和小臂回轉(zhuǎn)示意圖： 大臂和小臂回轉(zhuǎn)都是通過諧波減速器減速后直接帶動來實現(xiàn)的。力學(xué)方面更合理， 布局美觀，適合于較大負(fù)荷的機器人。 主視圖 廠。心r 。 大霄 名心 l 一 第一關(guān)節(jié)i 左視圖 圖2 2 大臂和小臂回轉(zhuǎn)示意圖 f i 9 2 2b i ga r ma n dl i t t l ea r mg y r a t i o n 6 減速囂 減速器 基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 2 2 3 腕部活動關(guān)節(jié) 如圖2 3 所示，步進電機先經(jīng)過同步帶傳動減速，再通過錐齒輪傳動換向后帶動腕部 擺動。對于腕部俯仰和腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，均采用通用的結(jié)構(gòu)，步進電機通過同步帶傳動減 速后輸出。 圖2 3 腕部及小臂回轉(zhuǎn)示意圖 f i 9 2 3w r i s ta n dl i t t l ea r mg y r a t i o ns k e t c hm a p 2 3 機器人驅(qū)動方案的對比分析及選擇： 1 ) 步進電機：步進電機可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成 本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制；位置誤差不會積累；步進電機具 有自鎖能力( 變磁阻式) 和保持轉(zhuǎn)矩( 永磁式) 的能力，有利于控制系統(tǒng)的定位。但步 進電機基本上不具有過載能力，功率偏大者，體積較大，并且其空間分辨率較低；功率 較小者，只適于傳動功率不大的關(guān)節(jié)或小型機器人。 2 ) 交流伺服電機：交流伺服電機結(jié)構(gòu)較簡單，體積較小，運行可靠，使用維修方便， 價格比直流伺服電機便宜，但高于步進電機。隨著可關(guān)斷晶閘管g t o ，大功率晶閘管 g t r 和場效應(yīng)管m o s f e t 等電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺 服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。 3 ) 直流伺服電機t 直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率 大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，成本較高，而且 需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機配合實現(xiàn)數(shù)字控制。若使用直流伺服電機，還要考慮電刷放電 對實際工作的影響。 4 ) 液壓伺服馬達t 液壓伺服馬達具有較大的功率體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度 較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動 功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，而且其液 7 陜西科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護不方便。綜合分析后，決定采用混合式步進電機和交流 伺服電機混合驅(qū)動。腰部、大臂和小臂要求動態(tài)特性好、傳動功率較大，采用交流伺服 電機驅(qū)動；腕部所需傳動功率較小，采用混合式步進電機驅(qū)動。 2 4 本章小結(jié) 本章報據(jù)該機器人的工作要求，從機器人本體結(jié)構(gòu)和分析入手，初步確定了該機器 人的整體結(jié)構(gòu)方案，依據(jù)分析計算結(jié)果繪制出該機器人的工程圖，如圖2 _ 4 所示。 圈2 4 裝配圖 f 1 9 2 4 一n n b l y d r a w i n g 基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 3 機器人運動學(xué)分析及運動控制技術(shù)研究 3 1 關(guān)節(jié)機器人運動學(xué) 3 1 1 機器人運動方程 機器人機構(gòu)是由一系列關(guān)節(jié)連接起來的連桿機構(gòu)組成。把構(gòu)件坐標(biāo)系嵌入機器人的 每一個連桿機構(gòu)中，可以方便的描述一個連桿與下一個連桿之間的關(guān)系。齊次變換是描 述這些坐標(biāo)系之間的相對位置和方向的一種通用方法，把齊次變換記為a 矩陣。一個a 矩陣僅僅是描述連桿構(gòu)件坐標(biāo)系之間相對平移和旋轉(zhuǎn)的齊次坐標(biāo)變換。 設(shè)a n 描述第n 個連桿相對于第n 一1 連桿的位姿，對于六自由度機器人，則第六個連 桿相對于基座的位姿可用下式表示： t6 = a 1a 2 a3a4 a5 a6 ( 3 1 ) 3 1 2 構(gòu)件坐標(biāo)系的確定 為了描述連桿之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，d e n a v i t 和h e r t e n b e r g 提出了為關(guān)節(jié)鏈中的桿件建立 主附體坐標(biāo)系的矩陣方法，即d h 法。連桿串聯(lián)型機器人是由一系列連接在一起的連桿 構(gòu)成的。需要用兩個參數(shù)來描述一個連桿，即公共法線距離a n 和垂直于a n 所在平面內(nèi)兩 軸的夾角q n ；需要另外兩個參數(shù)來表示相鄰兩連桿的關(guān)系，即兩連桿的相對位置d n 和兩 連桿法線的夾角。n ，如下圖3 1 所示。除第一個和最后一個連桿外，每個連桿兩端的軸線 各有一條法線，分別為前、后相鄰連桿的公共法線。這兩條法線之間的距離為d n 。我們 稱a n 為連桿長度，a n 為連桿扭角，d n 為兩連桿距離，0 n 為兩連桿夾角。機器人機械手上 坐標(biāo)系的配置取決于機械手連桿連接的類型。其連接方式有兩種轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和棱柱聯(lián) 軸節(jié)。對于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，o n 為關(guān)節(jié)變量。連桿1 1 的坐標(biāo)系原點位于關(guān)節(jié)n 和關(guān)節(jié)n + l 的公共 法線與關(guān)節(jié)n + 1 軸線的交點上。如果兩相鄰連桿的軸線相交于一點，那么原點就在這一 交點上。如果兩軸線相互平行，那么就選擇原點使對下一連桿的距離d n 為零。連桿n 的z 軸與關(guān)節(jié)n + l 的軸線在一直線上，而x 軸則在連桿n 和n + l 的公共法線上，其方向從n 指向 n + l ，見圖3 1 。 當(dāng)兩關(guān)節(jié)軸線相交時，x 軸的方向與兩矢量的交積z n x z n 平行或反向平行。x 軸的方 向總是沿公共法線從轉(zhuǎn)軸n 指向n + l 。當(dāng)兩軸x i l 和x n 平行且同向時，第n 個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的0 n 為零，y 軸的方向按右手定則確定。 9 陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3 - 1 機器人轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)拳教 f i 9 3 - 1s t r u c t u r ep a r a m e t e ro f r o b o tr o t a t i o nj o i n t 3 1 3 構(gòu)件參數(shù)的確定 根據(jù)d h 構(gòu)件坐標(biāo)系表示法，構(gòu)件本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)a n 、僅n 和相對位置參數(shù) d n 、0 n 可由以下的方法確定： 1 ) 0 n 為繞zn l 軸( 按右手定則) 由x n _ l 軸到x n 軸的關(guān)節(jié)角； 2 ) d n 為從第n 1 坐標(biāo)系的原點到zn l 軸和x n 軸的交點沿z n l 軸的距離； 3 ) 僅n 為從z n l 和x n 的交點到第n 坐標(biāo)系原點沿x n 軸的偏移距離； 4 ) an 為繞xn 軸( 按右手定則) 由zn 一1 軸到z n 軸的偏轉(zhuǎn)角。 3 1 4 變換矩陣的建立 這種關(guān)系可由表示連桿n 對連桿n 一1 相對位置的四個齊次變換來描述，稱為a n 矩陣， 此關(guān)系式為： 以= r o t ( z ，o ) t r a n s ( o ，0 ，以) t r a n s ( a 一，0 ，o ) r o t ( x ，口一) ( 3 2 ) 展開上式得( 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)) ( 3 - 3 ) 當(dāng)機械手各連桿的坐標(biāo)系被規(guī)定以后，就能夠列出各連桿的常量參數(shù)。這樣，a 矩 陣就成為關(guān)節(jié)變量0 的函數(shù)( 對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)) 或變量d 的函數(shù)( 對于棱柱聯(lián)軸節(jié)) 。一旦 求得這些數(shù)據(jù)之后，就能夠確定式( 3 1 ) 中n 個變換矩陣a i ( i = 1 ，2 n ) 的值( 機器人 1 0 s 1 l o彳1 咖以1 m 1 療 出 一汜。 忡2 o 叭 瞄 c 一一。囂| | 。 吣m o o 基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 的關(guān)節(jié)數(shù)為n ) 。 3 1 5 建立正運動學(xué)數(shù)學(xué)模型 對機器人操作機進行運動分析的目的是為了對機器人進行運動控制，同時也是對機 器人進行動力分析的基礎(chǔ)。運動分析分為正、逆兩類問題，正向運動學(xué)主要解決機器人 運動方程的建立及手部位姿的求解問題，是分析軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)。首先根據(jù)該機器人實 體參數(shù)，采用d h 法建立其齊次坐標(biāo)系，參數(shù)見表( 3 1 ) 及其變換矩陣。 表3 - 1 連桿參數(shù) t a b l e 3 1l i n kp a r a m e t e r s 桿件 轉(zhuǎn)角瞑偏距吐扭角 桿長 m m f i l m q ( 0 ) d l = 0= 0 l l = 0 2 島( 9 0 ) d z = 0口2 = 0 l 2 2 2 1 0 3 島( 0 ) d 3 ：0口3 = 9 0 l 3 = o 4 以( 0 ) d 4 = 3 4 0口4 = - 9 1 4 = 0 5 色( o ) d s = 0= 9 0 l 5 2 0 6 0 6 ( 0 ) d 6 = 0 = 0 l 6 = o lc 0s ， l 11 i s l0 c l a i21 010 l l000 o 1 0l 1 0i ， a 2 5 1 i j c 2 一s 2 最c 2 oo oo 0 1 2 c 2 0 乞c 2 1o ol 陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 a 3 = a 5 2 a 4 = a 6 = c 0 一s 4 s 4 0 c 4 o一1o 0oo c 6 一s 6 0 s 6c 6 0 oo1 ooo l n x o 工a x 見i ii i 嘭吩島j t 。= a 。a ：a ，a a ，a 6 2 l 吃o z 哆見i ( 3 - 4 ) i ooo l i 式中n ，0 ，a ，r 機器人手部位姿的四個列向量。( 3 _ 4 ) 為正運動學(xué)方程。 3 2 機器人的軌跡 3 2 1 機器人軌跡規(guī)劃方法 機器人軌跡規(guī)劃是在機械手運動學(xué)和動力學(xué)基礎(chǔ)上，討論在關(guān)節(jié)空間和笛卡兒空間 ( 直角坐標(biāo)空間) 中機器人運動的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法，根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，計 算出預(yù)期的運動軌跡。軌跡規(guī)劃既可在關(guān)節(jié)空間也可在直角坐標(biāo)空間中進行。 3 2 2 關(guān)節(jié)空間法 關(guān)節(jié)空間法是將關(guān)節(jié)變量表示為時間的函數(shù)，此方法不必在直角坐標(biāo)系中描述兩個 路徑點之間的路徑形狀，計算簡單，容易。再者，由于關(guān)節(jié)空間和直角坐標(biāo)系之間并不 是連續(xù)的對應(yīng)關(guān)系，因而不會發(fā)生機構(gòu)的奇異性問題。在關(guān)節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃，用 戶需要根據(jù)作業(yè)要求給定機器人手臂在各個結(jié)點的位姿，通過逆運算反解出關(guān)節(jié)變量， 對關(guān)節(jié)變量進行插值，得到關(guān)節(jié)軌跡。但是關(guān)節(jié)軌跡要滿足一組約束條件，如在各個結(jié) 點( 起始點、提起點、下放點和終止點) 上的位姿、速度和加速度的要求，使關(guān)節(jié)位置、 速度和加速度在整個時間間隔內(nèi)連續(xù)等。同時，還必須給出兩個路徑點之間的運動時間。 軌跡規(guī)劃的流程如圖3 2 所示， 1 2 o o 以l o 0 0 1 o o o 1 0 0 0 l 墨o o & o o o o 1 o 0 0 l o g 墨o o g & o 0 基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 圖3 - 2 軌跡規(guī)劃流程1 1 t f i 9 3 - 2 f l o wc h a r to f t r a j e c t o r yp l a n n i n g 大致步驟如下： 第一步：由于已知s t 。s t - 。s t ( 運動中 t ) 應(yīng)和 g 重合) ，利用 形b t b s t s r t 一1 對所有結(jié)點只，只，最，b ，只忍依次求解相應(yīng)的手臂變換矩陣： ：t o ，：互：疋，2 五，：t 4 ，：五由0 6 f = b 丁= o 瓦，可得出腕部矢量n ，。，a ，p 的各個分量的 具體表達式。 、 仍= 坦，島，3 i ，甌，瞑，皖，j ( 3 - 5 ) 第二步：將各結(jié)點的手臂變換矩陣，用逆運動學(xué)求解相應(yīng)的關(guān)節(jié)矢量 陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 點序號。 第三步：采用啟發(fā)式方法計算各個路徑點的速度對莉關(guān)節(jié)而言色。為起始點、為 終止點、夠。一1 ) ，幺( f + 1 ) 為路徑點，則相鄰兩結(jié)點連線的斜率可用下式表示： 恥學(xué) 6 ， 第四步：對某一關(guān)節(jié)的各個結(jié)點，進行三次多項式插值，秒( t ) 在時刻= 0 的值是起 始關(guān)節(jié)角度島，在終端時刻r ，的值是終止關(guān)節(jié)角度巳。設(shè)三次多項式： e ( t ) = a o + a l t + a2 t 2 + a 3 t 3 ( 3 7 ) 則運動軌跡上的關(guān)節(jié)速度和加速度： e ( t ) = a l + 2 a 2 t + 3 a 3 t 2 ( 3 8 ) 秒q ) = 2 口2 + 6 口3 f ( 3 9 ) 由位置約束條件： 0 ( o ) = 0o 0 ( tf ) = 0fj(3-10) 由速度約束條件： 6 ( o ) = 6o1 6 ( tf ) = 0fj o 。1d 得出，插值函數(shù)可表示為：o ( t ) = 0 0 + 6 0 t + 3 ( o f - - 0 0 ) - - t 號0 0 i e f t 2 卜 i f ( 0 f - - 0 0 ) + 1 t f 2c e 己卜e i ， t 3 c 3 。2 ， 第五步：關(guān)節(jié)空間軌跡的實時生成軌跡生成器只需隨，的變化不斷按插值函數(shù)0 【t ) 計 算秒，當(dāng)達到路徑段的終點時，調(diào)用新路徑段的的三次樣條系數(shù)，重新賦f 為零，繼續(xù)生 3 3 運動控制技術(shù)概述 由于運動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對運動軌跡、運動速度、定位精度以及重復(fù)定位精度的精確 控制要求，在各類控制工程中有著廣泛應(yīng)用前景，因此運動控制系統(tǒng)目前已成為控制科 學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中一個很有意義的研究方向。在運動控制系統(tǒng)中，按機械運動的軌跡分類， 可分為點位、直線、輪廓控制等。現(xiàn)代數(shù)控機床及機器人絕大多數(shù)具有兩個坐標(biāo)或兩個 1 4 基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 的任意方向。 3 4 交流伺服系統(tǒng)的控制技術(shù) 如圖3 3 所示為交流伺服系統(tǒng)的控制原理框圖。全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)包含了位置 環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。其中電流環(huán)一般是在伺服驅(qū)動器內(nèi)部實現(xiàn)的，而速度環(huán)與位置環(huán) 則是伺服運動控制器要實現(xiàn)的主要功能。 位置給定 圖3 3 交流伺服系統(tǒng)的控制原理圖 f i 9 3 - 3p r i n c i p l eo f a cs e i n oc o n t r o ls y s t e m 這種伺服系統(tǒng)可在驅(qū)動器中由參數(shù)設(shè)置為位置、速度和轉(zhuǎn)矩三種控制模式，現(xiàn)分述 如下。 3 4 1 位置控制 脈沖輸入 力向輸入 f p l u s l lr 扔 7 f p l u 8 2 一 廣 8 l a n l i1 壺才 l s l g n 2 一 j 騏戤器 內(nèi)部 驅(qū)動器 內(nèi)部 圖3 4 交流伺服系統(tǒng)位置控制接口電路 f i 驢- 4i n t e r f a c ec i r c u i to f a c $ e r v op o s i t i o nc o n t r o l 當(dāng)伺服系統(tǒng)處于位置控制時，控制系統(tǒng)給伺服驅(qū)動器的信號是脈沖和方向信號。這 一點和步進電機的控制方式類似。其接口電路如圖3 4 所示。指令脈沖的輸入方式可分 為以下三種： 1 ) 正交脈沖指令 陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 如圖3 5 所示，頻率相同但相位相差9 0 。的a 、b 兩相脈沖分別從p l u s l 、p l u s 2 和s i g n l 、s i g n 2 送入伺服驅(qū)動器。a 、b 兩相脈沖的頻率控制電機轉(zhuǎn)速；脈沖數(shù)控制 電機的角位移。電機每轉(zhuǎn)所需指令脈沖數(shù)可由驅(qū)動器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置。兩相脈沖的超前或 滯后關(guān)系控制電機旋轉(zhuǎn)方向。亦即，若a 相脈沖超前b 相脈沖9 0 。，則電機旋轉(zhuǎn)方向 為c c w ，若b 相脈沖超前a 相脈沖9 0 。，則電機旋轉(zhuǎn)方向為c w 。一般增量式旋轉(zhuǎn)編 碼器的輸出信號就是這種頻率相同但相位相差9 0 。的兩路脈沖信號，可用這種信號直接 控制電機的轉(zhuǎn)速和方向，而不需增加方向識別電路。 c c w 指令 會竺廠 廠 c w 指令 圖3 - 5 正交脈沖指令波形圖 f i 9 3 - 5q u a d r a t u r ep u l s ei n s t r u c t i o no s c i l l o g r a m 2 ) c w c c w 脈沖指令 即單脈沖工作方式。脈沖信號通過p l u s + 、p l u s 一進入驅(qū)動器，則電機按c w 方 向旋轉(zhuǎn)。若通過s i g n + 、s i g n 一進入驅(qū)動器，則電機按c c w 方向旋轉(zhuǎn)。脈沖頻率控 制電機的旋轉(zhuǎn)速度，脈沖數(shù)控制電機的角位移。 3 ) 脈沖+ 方向指令 脈沖信號從p l u s l 、p l u s 2 進入驅(qū)動器，脈沖頻率控制電機轉(zhuǎn)速：脈沖數(shù)控制電機 的角位移。方向信號從s i g n l 、s i g n 2 進入驅(qū)動器，高低電平控制電機的轉(zhuǎn)向。 3 4 2 速度控制 在速度控制模式中，上位控制系統(tǒng)通過s p d 、g n d 引腳給伺服驅(qū)動器輸入一個一 1 0 v + 1 0 v 的模擬電壓，即可控制電機實現(xiàn)從負(fù)向最大轉(zhuǎn)速到正向最大轉(zhuǎn)速之間的速 度變化。如圖3 - 6 所示，電機轉(zhuǎn)速n 和指令輸入電壓v 之間是呈線性關(guān)系的 1 6 基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 轉(zhuǎn)速n j n 彳l - u 盧 r u 電鹺u - n 圖3 _ 6 交流伺服電機轉(zhuǎn)速同電壓的關(guān)系 r i 9 3 - 6r e l a t i o no fr o t a t i o nr a t ea n dv o l t a g eo f a c s e r v o 速度指令除了可以由外部模擬電壓來輸入外，還可以在驅(qū)動器內(nèi)部用四個參數(shù)設(shè)置 四種內(nèi)部速度。通過驅(qū)動器的兩個開關(guān)輸入信號的四種狀態(tài)組合選擇其中一種。驅(qū)動器 可由內(nèi)部參數(shù)對外部速度指令進行零漂調(diào)整。本控制卡就是采用速度控制方式對伺服驅(qū) 動器進行控制的。 3 4 3 轉(zhuǎn)矩控制 通過外加一1 0 v + 1 0 v 的電壓，即可控制電機的轉(zhuǎn)矩。和速度控制相似，電機的 額定轉(zhuǎn)矩和輸入電壓之間呈線性關(guān)系，直線斜率可用驅(qū)動器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置。伺服電機工 作在轉(zhuǎn)矩控制模式時，應(yīng)限制其最大轉(zhuǎn)速，以免驅(qū)動器產(chǎn)生過速報警。 3 5 控制算法的實現(xiàn) 3 5 1 數(shù)字p i d 算法 按偏差的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器，簡稱為p i d 調(diào)節(jié)器，是連續(xù)系統(tǒng)中 技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的一種調(diào)節(jié)器。它的結(jié)構(gòu)簡單，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)學(xué)校型， 參數(shù)易于調(diào)整，在長期應(yīng)用中已積累了豐富經(jīng)驗。將它移植到計算機控制系統(tǒng)，通過軟 件予以實現(xiàn)，對丁大多數(shù)控制對象都能獲得滿意的控制效果，所以人們常常采用數(shù)字p i d 調(diào)節(jié)算法并根據(jù)經(jīng)驗和實驗，在線整定參數(shù)，具有很強的靈活性和適應(yīng)性：隨著微機 控制技術(shù)的發(fā)展，p i d 控制算法已能在微機上簡單地實現(xiàn)一由于軟件設(shè)計的靈活性，數(shù) 字p i d 算法可以很容易得到修正而比模擬p i d 調(diào)節(jié)器的性能更完善。因此，數(shù)字p i d 控 制算法是電機微機控制中常用的一種基本控制算法。 a 模擬p i d 調(diào)節(jié)器 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬p i d 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器。模擬p i d 調(diào)節(jié)器的框圖如 圖3 7 所示，圖中w 是設(shè)定值，y 為系統(tǒng)輸出，p ：w 噦構(gòu)成控制偏差，為p i d 控制器的 輸入，為p i d 控制器的輸出，也是被控對象的輸入。模擬p i d 調(diào)分器的控制規(guī)律為： 1 7 陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 u k p ( e + 擊扣+ t d 針u 。 俘 式中k ，- 比例系數(shù)；矸一積分常數(shù)：殤一微分常數(shù)，模擬p i d 控制器中比例調(diào)節(jié)器 的作用是對于偏差作出瞬間快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生。調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使控制 量向著減小偏差的方向變化，控制作用的強、弱取決于比例系數(shù)k 。見式( 3 1 3 ) 表明，只 有當(dāng)偏差存在時，第一項才有控制量輸出，因此對于大部分控制對象，如直流電機的電 摳電壓凋速，要加上適當(dāng)?shù)暮娃D(zhuǎn)速及機械負(fù)載有關(guān)的控制常量u 0 ，否則，單用比例調(diào)節(jié) 器會產(chǎn)生靜態(tài)誤差( 靜差) 。 曩) b ) 圖3 7 模擬p i d 控制 f i 9 3 - 7s i m u l a t i o np i dc o n t r o l 積分調(diào)節(jié)器的作用是把偏差累積的結(jié)果，作為它的輸出，在調(diào)節(jié)過程中，只要偏差 存在，積分器的輸出就會不斷增大，直至偏差e = 0 ，輸出u 才可能維持某一常量，使系 統(tǒng)在設(shè)定值w 不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。因此，即使不加上適當(dāng)?shù)目刂瞥Ａ縰 o ，有了它就 能消除系統(tǒng)輸出的靜差。積分調(diào)節(jié)作用雖然可以消除靜差，但會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度增 加系統(tǒng)輸出的超調(diào)。式( 3 1 3 ) 的第二項表明，積分常數(shù)t ，越大，積分的累積作用越弱， 反之則積分作用越強。t ，必須根據(jù)控制的具體要求來選定。增大t ，將減慢消除靜差過 程，但可減少超調(diào)，提高穩(wěn)定性。實際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜差。還要求加快調(diào)節(jié) 過程，有必要在偏差出現(xiàn)的瞬間偏差變化的瞬間，不但對偏差量作出即時反應(yīng)( 即比例調(diào) 節(jié)作用1 ，而且根據(jù)偏差的變化或者偏差的變化趨向預(yù)先給出適當(dāng)?shù)目刂屏?。為了達到這 1 8 基于工控機和d s p 的關(guān)節(jié)機器人控制器研究 一目的，可以在p i 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加微分調(diào)節(jié)器，這樣就得到式( 3 1 3 ) 所示的p i d 調(diào)節(jié) 器。微分調(diào)節(jié)器的作用是阻止偏差的變化，偏差變化越快，微分調(diào)節(jié)器的輸出也越大。 因此微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)跟 蹤的速度。適當(dāng)選樣微分常數(shù)t d 的大小，對恰當(dāng)?shù)貙崿F(xiàn)上述微分作用是至關(guān)重要的。 傳統(tǒng)的模擬p i d 調(diào)節(jié)器是用硬件( 如電子元件、氣動裝置、液壓器件等) 實現(xiàn)它的調(diào) 節(jié)規(guī)律的。自從微機進入控制領(lǐng)域以來，只要對式( 3 1 3 ) 所示模擬p i d 控制規(guī)律，作適 當(dāng)?shù)慕谱儞Q，以適合微機運