機器人控制系統(tǒng)

ENTER6.機器人控制系統(tǒng)6.1機器人傳感器6.2驅(qū)動與運動控制系統(tǒng)本章主要內(nèi)容6.3控制理論與算法6.1.1機器人傳感器的特點和要求6.1.2機器人內(nèi)部傳感器6.1機器人傳感器章目錄6.1.3機器人外部傳感器6.1.1機器人傳感器的特點和要求位置傳感器速度傳感器簡單觸覺傳感器復(fù)合觸覺傳感器簡單力覺傳感器復(fù)合力覺傳感器接近覺傳感器簡單視覺傳感器復(fù)合視覺傳感器感覺傳感器傳感器的種類節(jié)目錄章目錄傳感器的性能指標(biāo)基本參數(shù)環(huán)境參數(shù)使用條件傳感器常用參數(shù)指標(biāo)靈敏度線性度精度重復(fù)性分辨率響應(yīng)時間抗干擾能力節(jié)目錄章目錄6.1.2機器人內(nèi)部傳感器位置傳感器編碼式絕對型光電編碼器增量型光電編碼器電位器式絕對型編碼器碼盤直線形電位式位移傳感器旋轉(zhuǎn)型電位式位移傳感器節(jié)目錄增量式編碼器的工作原理章目錄速度傳感器測速電動機模擬方式數(shù)字方式增量式光電編碼器機器人速度伺服控制系統(tǒng)模擬式增量碼盤測速節(jié)目錄直流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理1—永久磁鐵；2—轉(zhuǎn)子線圈；3—電刷；4—整流子章目錄感應(yīng)電動勢

u=kn6.1.3機器人外部傳感器外部傳感器接近覺傳感器電渦流式傳感器光纖式傳感器超聲波傳感器力(力矩,力覺)傳感器觸覺傳感器電渦流傳感器工作原理超聲波傳感器原理節(jié)目錄章目錄節(jié)目錄光纖傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)變片式機器人腕力和力矩傳感器本節(jié)完章目錄6.2.1概述6.2.2基于計算機和芯片的運動控制器設(shè)計6.2驅(qū)動與運動控制系統(tǒng)章目錄6.2.3基于PC技術(shù)的運動控制（卡）器6.2.4機器人的伺服執(zhí)行機構(gòu)6.2.5MOTOMANUP6型機器人的運動控制6.2.1概述按照伺服控制方式開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)節(jié)目錄按驅(qū)動執(zhí)行元件步進電動機驅(qū)動直流伺服電動機驅(qū)動交流伺服電動機驅(qū)動章目錄

從自動控制理論的角度來分析,伺服控制系統(tǒng)一般包括伺服運動控制器,伺服執(zhí)行元件（伺服電動機）環(huán)節(jié),位置/速度檢測元件環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié),被控對象等五部分。

專用運動控制芯片與運動控制卡越來越多作為機器人的運動控制器，并借用功能強大的通用PC機作為平臺來實現(xiàn)機器人的運動控制。6.2.2基于計算機和芯片的運動控制器設(shè)計1.LM628芯片概述節(jié)目錄LM628芯片構(gòu)成的伺服系統(tǒng)原理章目錄大規(guī)模集成芯片LM628是美國NS公司生產(chǎn)的專用精密運動控制器，具有16位的可編程數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，可經(jīng)增量碼盤反饋構(gòu)成位置閉環(huán)，并能對位置誤差實行PID運算。利用LM628和微處理器可實現(xiàn)低成本、高精度神經(jīng)元PID伺服系統(tǒng)。2.LM628芯片的特點32位的位置、速度、加速度寄存器，16位可編程數(shù)字PID濾波器與增量式編碼器的接口可編程微分采樣間隔8位或12位D/A轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)內(nèi)部梯形速度圖發(fā)生器速度、目標(biāo)位置和濾波器參數(shù)在運動過程中可以改變可選擇位置或速度控制方實時可編程的主計算機中斷節(jié)目錄章目錄3.LM628芯片的基本功能接受主機發(fā)送來的運動控制指令，并把運動控制器當(dāng)前的狀態(tài)及數(shù)據(jù)送給主機；可作為速度曲線發(fā)生器，執(zhí)行速度梯形圖的計算和數(shù)字濾波，產(chǎn)生速度曲線。不論是位置控制還是速度控制都需要有速度曲線發(fā)生器產(chǎn)生梯形速度分布圖；利用增量編碼器進行實際位置的反饋；在運行中計算實際位置和理論位置（由速度發(fā)生器產(chǎn)生的位置）的差值，并把該差值經(jīng)PID數(shù)字濾波器處理后輸出，經(jīng)外接D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換和功率放大，最后驅(qū)動電動機運動。速度曲線圖節(jié)目錄章目錄

4.LM628芯片用戶指令集節(jié)目錄指

令類

型說

明HEX數(shù)據(jù)

字節(jié)指

令類

型說

明HEX數(shù)據(jù)

字節(jié)RESET初

始

化復(fù)位000LFIL濾

波裝入濾波器參數(shù)1E2~10選擇8位輸出050UDFPORT8修改濾波器參數(shù)040PORT12選擇12位輸出060LTRJ軌

跡裝入軌跡數(shù)據(jù)1F2~14DFH定義原點020STT啟動010SIP中

斷設(shè)定INDEX位置030RDSTAT報

告

讀狀態(tài)字節(jié)—1LPEI誤差中斷1B2RDSIGS讀信號寄存器0C2LPES誤差停1A2RDIP讀INDEX位置094SBPA設(shè)定斷點，絕對204RDDP讀預(yù)定位置084SBPR設(shè)定斷點，相對214RDRP讀實際位置0A4MSKI屏蔽中斷1C2RDDV讀預(yù)定速度074RSTI復(fù)位中斷1D2RDRV讀實際速度0B2RDSUM讀積分和0D2章目錄5.

LM628芯片的運動控制器電路設(shè)計節(jié)目錄章目錄6.2.3基于PC技術(shù)的運動控制（卡）器1.GM-400四軸運動控制器主要功能提供四路模擬電壓控制信號提供四路PWM控制信號提供四路增量式光電編碼器反饋信號接口增量碼盤計數(shù)頻率可達1MHz四軸位置、速度、加速度控制可編程數(shù)字PI+Vff濾波可編程數(shù)字PID濾波，點到點位置控制單軸最小伺服采樣周期為100ms32位長度的位置寄存器硬件檢測INDEX信號硬件檢測HOME信號可編程S曲線、梯形曲線、速度跟蹤和電子齒輪式運動控制方式節(jié)目錄章目錄采用四軸運動控制器組成的控制系統(tǒng)框圖節(jié)目錄章目錄2.運動控制器的輸入/輸出接口八路光電隔離限位開關(guān)信號輸入接口；四路光電隔離原點信號輸入接口；十六路光電隔離輸入可作為伺服驅(qū)動器故障輸入接口，也可作為由用戶定義的其他輸入信號接口；十六路光電隔離輸出信號可用于伺服驅(qū)動器的使能和故障復(fù)位控制，也可以由用戶定義成其他輸出信號接口。節(jié)目錄章目錄3.運動控制器總線接口

運動控制器采用標(biāo)準(zhǔn)的ISA和PC/104總線接口。4.運動控制器電源信號

GM-400四軸運動控制器的數(shù)字電路、編碼器與伺服電動機控制采用PC機ISA總線插槽提供的+5V電源，電流不大于2A；+12V和-12V電源電流不大于60mA。

計算機的電源地（GND）作為+5V，+12V和-12V的公共地。四路原點信號輸入、八路限位開關(guān)信號輸入、十六路光電隔離輸出和十六路光電隔離輸入信號的接口電源OVCC和接口電源地AGND必須由外部電源提供。節(jié)目錄章目錄5.運動控制器工作原理節(jié)目錄章目錄（1）閉環(huán)控制下的四種運動控制模式:S、梯形、1）S曲線模式節(jié)目錄S曲線模式控制曲線變形后的S曲線模式控制曲線

章目錄

一旦設(shè)定當(dāng)前軸為S曲線，該控制軸將保持這種控制模式直至調(diào)用其它運控模式。2）梯形曲線模式節(jié)目錄梯形曲線控制變形后的梯形控制曲線章目錄

梯形曲線控制模式下，任意時刻都可改變速度和位置。3）速度跟蹤模式

在電子齒輪模式下，主機只需設(shè)置一個運動參數(shù)，即電子齒輪減速比，這是一個帶符號的32位二進制數(shù)，范圍：-16384至16383（65535/65536）。運動時，從動軸作為被驅(qū)動軸，其目標(biāo)運動由主動軸運動乘以電子齒輪減速比來確定。

在該模式下,由主機設(shè)定額定加速度和最大速度兩個參數(shù)。開始運動時以給定的加速度連續(xù)加速直到達到設(shè)定的最大速度。速度設(shè)定值必須為正值,運動方向由加速度的符號確定,即正加速度產(chǎn)生正向運動,而負(fù)加速度則產(chǎn)生負(fù)向運動。4）電子齒輪模式節(jié)目錄章目錄補充：電子齒輪比電子齒輪：簡單來說就是用電氣控制技術(shù)來代替機械傳動機構(gòu)?？梢杂靡粋€MCU加上一個可編程邏輯器件來實現(xiàn)。

它有以下功能：1.脈沖補償，減少上位機負(fù)擔(dān)（因為PLC等發(fā)送脈沖的器件，都有發(fā)送脈沖頻率的限制）。2.匹配電機發(fā)出的脈沖數(shù)與機械最小移動量，可將輸入指令1個脈沖的工件（或電機）移動量設(shè)定為任意值；可實現(xiàn)電機的無極變速，在電機啟動和停止時，可防止失步和過沖現(xiàn)象，這樣就能充分發(fā)揮電機的潛能。3.傳遞同步運動信息，實現(xiàn)坐標(biāo)的聯(lián)動，運動形式之間的變換（旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)-直線，直線-直線），簡化控制等。補充：電子齒輪比（續(xù)1）一般來說，電機與驅(qū)動機構(gòu)是直連的，機械結(jié)構(gòu)固定后，傳動比也就固定了；利用電子齒輪可以增加傳動系統(tǒng)的柔性，減少傳動元件數(shù)量和傳動鏈長度，還可以實現(xiàn)小數(shù)傳動比，這樣就提高了傳動精度。

例：如絲杠導(dǎo)程為5mm，電機與絲杠直連，那么，電機轉(zhuǎn)一圈負(fù)載移動5mm。若要求精度為0.001mm，則電機要5000個脈沖才轉(zhuǎn)一圈，0.001mm的移動量就需要1/5000轉(zhuǎn)

；若要求精度為0.002mm，則電機要2500個脈沖才轉(zhuǎn)一圈；等

電子齒輪就是電機編碼器反饋脈沖與指令脈沖的一個比值電子齒輪比的分子是電機編碼器分辨率，分母為電機旋轉(zhuǎn)一圈所需要的脈沖數(shù)。

電子齒輪比是通過更改電子齒輪比的分倍頻，來實現(xiàn)不同的脈沖當(dāng)量。補充：電子齒輪比（續(xù)2）電子齒輪功能是指可將相當(dāng)于指令控制器輸入指令1脈沖的工件移動量設(shè)定為任意值的功能，分為電子齒輪（分子）Pn

202、電子齒輪（分母）Pn

203兩部分參數(shù)。舉例：伺服電機編碼器脈沖數(shù)是2的n次方,比如216=65536,即電機每轉(zhuǎn)一圈就會產(chǎn)生65536個脈沖設(shè)定一個合適的齒輪比（通常也是2的整數(shù)次方，如512）,使PLC發(fā)送的脈沖數(shù)不會很大,又能滿足精度要求。則PLC發(fā)送一個脈沖,就相當(dāng)于給伺服器發(fā)送了512個脈沖要使電機轉(zhuǎn)一圈,只需發(fā)65536/512=128個脈沖即可要使電機轉(zhuǎn)X圈,只需要發(fā)送128*X個脈沖.（2）運動控制器的速度控制（3）控制器運動軸的控制（4）工作參數(shù)的設(shè)置和刷新（5）軸運動錯誤監(jiān)測和狀態(tài)恢復(fù)（6）軸位置高速捕獲（7）控制器中斷（8）電動機輸出（9）邏輯I/O控制（10）GM-400運動控制器軟件編程節(jié)目錄章目錄6.2.4機器人的伺服執(zhí)行機構(gòu)1.步進電動機的優(yōu)點輸出角度精度高，無積累誤差，慣性小輸入和輸出呈嚴(yán)格線性關(guān)系容易實現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正反轉(zhuǎn)控制方便輸出信號為數(shù)字信號，可以與計算機直接對接結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可靠性高，壽命長三相反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)原理1—繞組；2—定子鐵心；3—轉(zhuǎn)子；4—A相磁通節(jié)目錄章目錄2.直流伺服電動機節(jié)目錄章目錄6.2.5MOTOMANUP6型機器人的運動控制節(jié)目錄1.概述章目錄UP6

MotionControlSystemusesspecifiedcomputercontrolsystem。再現(xiàn)操作盒的面板節(jié)目錄章目錄節(jié)目錄章目錄ABB示教盒RobotStudiodownloadpage/products/robotics/robotstudio/downloads2.XRC的功能操作功能安全保護功能維護功能編程功能3.XRC的外部軸控制節(jié)目錄章目錄本節(jié)完

除可控制本體6個關(guān)節(jié)軸外，還可以有另外15個含