机器人控制系统 PPT.ppt

机器人控制系统 PPT.ppt

《机器人控制系统 PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机器人控制系统 PPT.ppt（100页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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机器人控制系统第一讲第一讲机器人控制系统的构成机器人控制系统的构成（硬件硬件）中心控制器中心控制器信号处理信号处理放大电路放大电路驱动电路驱动电路执行机构执行机构传感器传感器其它电路其它电路输入输出输入输出电源电源软件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:

中心控制器单片机单片机驱动电路桥式桥式PWM调速电路调速电路执行机构直流伺服电机直流伺服电机信号处理电路光电隔离接入电路光电隔离接入电路传感器光电传感器、各类开关光电传感器、各类开关输入输出编程器编程器机器人的拟人化比喻机器人的拟人化比喻人人机器人机器人大脑大脑中心控制器中心控制器感官感官传感器传感器手和脚手和脚运动执行机构运动执行机构神经和肌肉神经和肌肉驱动放大及连接线路驱动放大及连接线路中心控制器任务和功能任务和功能执行控制程序执行控制程序,通过外围电路控制执行机通过外围电路控制执行机构完成相关动作构完成相关动作.根据传感器的输入信息判断机器人工作根据传感器的输入信息判断机器人工作状态状态,决定机器人下一步的动作决定机器人下一步的动作.控制器的种类单片机单片机特点特点:

结构简单结构简单,经经济性好济性好应用：

简单结构应用：

简单结构的机器人控制的机器人控制嵌入式工业控制模块嵌入式工业控制模块特点特点:

抗干扰能力较抗干扰能力较强、运算速较快、强、运算速较快、能适应多种操作系能适应多种操作系统。

统。

应用：

较复杂的机器人应用：

较复杂的机器人须较强运算能力的机器须较强运算能力的机器人。

人。

DSP（数字信号处理器）（数字信号处理器）特点：

运算速度特点：

运算速度比微处理器快，比微处理器快，实时性好，适合实时性好，适合嵌入式的实时数嵌入式的实时数字信号处理。

字信号处理。

应用：

结构较复应用：

结构较复杂，实时性要求杂，实时性要求较高的机器人较高的机器人专用运动控制卡专用运动控制卡独立式运动控制卡独立式运动控制卡英国翠欧运动控制卡英国翠欧运动控制卡国产国产MPC05运动控制卡运动控制卡基于基于PC的运动控制卡的运动控制卡PCI总线的运动控制卡总线的运动控制卡（国国产产PCI208）104总线的运动控制卡总线的运动控制卡（美国美国PMAC）传感器功能和作用功能和作用:

对机器人本身的状态和外界的对机器人本身的状态和外界的信息状态进行检测信息状态进行检测.为机器人进行下一步的为机器人进行下一步的动作提供信息依据动作提供信息依据.种类种类:

机器人用传感器有很多类型但主要类机器人用传感器有很多类型但主要类型有四五种型有四五种.主要有主要有光线类传感器、触觉开关类传感器、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、电源超声探测器、温度等检测类传感器、电源检测类传感器。

检测类传感器。

光线类传感器光线类传感器光线传感器有很多种类主要用于光线传感器有很多种类主要用于测距、目测距、目标检测、颜色识别。

标检测、颜色识别。

可作为机器人定位、可作为机器人定位、巡线、目标检测和识别类传感器。

巡线、目标检测和识别类传感器。

漫反射光电传感器漫反射光电传感器激光传感器激光传感器红外光电传感器红外光电传感器光纤传感器光纤传感器触觉开关类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、近距触觉开关主要用于机器人状态检测、近距离目标探测等。

有离目标探测等。

有非接触式和接触式非接触式和接触式两类。

两类。

接触式有微动开关、行程开关、挡铁等接触式有微动开关、行程开关、挡铁等。

接触式的行程开关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一种电容式接近开关检测类传感器检测类传感器各类物理量的检测（如温度、压力、速度、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。

位移、加速度等）都属于位置传感器。

右图为用于测量电机右图为用于测量电机转速和角位移的增量转速和角位移的增量式编码器式编码器压力传感器压力传感器测力传感器测力传感器温度传感器温度传感器位移传感器位移传感器扭矩传感器扭矩传感器超声传感器测距超声传感器测距超声传感器邦纳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电源检测传感器主要有电流和电压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可根据电源参数的变化判断机器人有无故障.主要有电流主要有电流和电压传感器和电压传感器.霍尔电流传感器霍尔电流传感器接入式电流传感器接入式电流传感器电压传感器电压传感器驱动放大器驱动放大器作用作用:

对控制器送来驱动信号进行运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算放大控制和驱动执行机构.驱动驱动器的种类很多器的种类很多.控制的方式有：

控制的方式有：

闭环、开环及部分闭环、开环及部分闭环三种闭环三种驱动主要器件有：

驱动主要器件有：

三极管、晶闸管、三极管、晶闸管、场效应管、固态继电器等。

场效应管、固态继电器等。

闭环驱动器闭环驱动器瑞士瑞士MAX公司的闭环驱动器公司的闭环驱动器自制的驱动信号接口板自制的驱动信号接口板自制的场效应管驱动器自制的场效应管驱动器（开环开环）放大器件大功率大功率三极管三极管大功率大功率场效应场效应管管固态继固态继电器电器可控硅可控硅执行机构执行机构执行机构是机不可器人最终完成动作执行机构是机不可器人最终完成动作的部件的部件,是控制系统控制的对象是控制系统控制的对象.主要有主要有电机、液压油缸、液压马达等。

电机、液压油缸、液压马达等。

电机的种类有很多，常用的有电机的种类有很多，常用的有交直侍交直侍服电机、步进电机、无刷电机、普通服电机、步进电机、无刷电机、普通交直流电机。

交直流电机。

各类电机各类电机交流伺服电机交流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机各类电机各类电机步进电机步进电机无刷电机无刷电机电源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。

电池电池锂电池锂电池:

体积小体积小寿命长寿命长,放电平放电平稳稳铅酸电池铅酸电池:

体体积大积大,放电不放电不平稳平稳镍氢电池镍氢电池:

体积较小体积较小小小,寿命较长寿命较长,放电放电平稳平稳电源电源开关电源开关电源:

体积体积小效率高小效率高模块电源模块电源:

体积体积小小,电压稳电压稳普通电源普通电源:

体积体积大大,效率低效率低第二讲机器人控制系统的相关技术第二讲机器人控制系统的相关技术简介简介1电机的控制电机的控制机器人中常用的电机有：

机器人中常用的电机有：

有刷有刷直流电机、无刷直流电机、步直流电机、无刷直流电机、步进电机、超声电机等进电机、超声电机等。

各种电。

各种电机的控制方法也不尽相同。

电机的控制方法也不尽相同。

电机的控制主要有速度、方向、机的控制主要有速度、方向、刹车及开停等。

刹车及开停等。

电机的电机的PWM调速调速PWM（PulseWidthodulation）控制就是控制就是宽调制技宽调制技术术：

即通过对一系列脉冲的宽即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所度进行调制，来等效的获得所需要的电压值（含形状和幅值需要的电压值（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，有关，Ua转速转速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脉冲宽度调制制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。

D1。

VdD，与单纯的周期T无关直流电机调速图示直流电机调速图示Vd与与D只是近似的线性关系，与单纯的周期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）。

在电机的转速与脉冲频率成正比）。

在D不变不变的情况下，的情况下，T越小，电机转速越平稳。

越小，电机转速越平稳。

速度和占空比之间的关系速度和占空比之间的关系有刷直流电机的控制有刷直流电机的控制正转：

正转：

SW1SW1、SW4SW4闭合闭合反转：

反转：

SW2SW2、SW3SW3闭合闭合刹车：

刹车：

SW2SW2、SW4SW4闭合闭合（或（或SW1SW1、SW3SW3闭合）闭合）滑行：

滑行：

SW1SW1、SW2SW2、SW3SW3、SW4SW4全部断开全部断开电机控制示意图。

电机控制示意图。

控制数据控制数据运转运转状态状态开关状态开关状态PA1PA0SW1SW2SW3SW410正转正转100101反转反转011011刹车刹车010100滑行滑行0000双向控制电动机工作状态真值表双向控制电动机工作状态真值表PA0、PA1为为0时，时，SW1、SW3才有可能导通才有可能导通SWx状态：

状态：

PA0、1为为1时导时导通，为通，为0时截止时截止SWx用的是场效应管用的是场效应管PB0-PB7：

设置脉冲宽度，：

设置脉冲宽度，即方波的占空比即方波的占空比74LS125：

四总线三态缓冲器：

四总线三态缓冲器电机控制过程实例电机控制过程实例有刷直流电机的调速有刷直流电机的调速开环脉冲宽度调速系统的组成开环脉冲宽度调速系统的组成由五部分组成：

由五部分组成：

（1）占空比）占空比D的的设定设定1）用电位器调节、）用电位器调节、2）用拨码开关、用拨码开关、3）用数字键盘）用数字键盘

（2）脉冲宽度发生器）脉冲宽度发生器软件编程软件编程（3）驱动器）驱动器TTL放大电路放大电路（4）电子开关）电子开关用晶体管、场效应管、可控硅、用晶体管、场效应管、可控硅、继电器继电器（5）电动机）电动机直流电机调速系统结构（开环）直流电机调速系统结构（开环）占空比占空比由脉宽调制转速公式：

由脉宽调制转速公式：

Vd=Vmax*D电动机平均转速电动机平均转速Vd、全通电时速度、全通电时速度Vmax已知已知，对于给，对于给定的平均转速定的平均转速Vd，便可计算出占空比，便可计算出占空比D。

占空比占空比D=t1/T，t1是通电时间，是通电时间，t2是断电时间。

是断电时间。

脉宽周期脉宽周期T=t1+t2占空比的实现有两种方法占空比的实现有两种方法1、软件计数法、软件计数法设单位时间（设单位时间（t0）计一个数，则通电时间）计一个数，则通电时间t1计数计数N1=t1/t0，断电时间断电时间t2计数计数N2=t2/t0，在脉冲输出端，输出高，在脉冲输出端，输出高电平计数电平计数N1，输出低电平计数，输出低电平计数N2，并让输出端如此循环，并让输出端如此循环输出即可。

输出即可。

2、硬件计数法、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。

循环输出即可。

为了提高电动机脉冲宽为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通度调速系统的精度，通常采用闭环脉冲宽度调常采用闭环脉冲宽度调速系统。

速系统。

闭环系统是在开环系闭环系统是在开环系统的基础上增加了电动统的基础上增加了电动机的速度检测回路，意机的速度检测回路，意在将检测到的速度与给在将检测到的速度与给定值比较，并由数字调定值比较，并由数字调节器（节器（PID）进行调节。

）进行调节。

其原理框图如左图所其原理框图如左图所示。

示。

闭环调速速示意图闭环调速速示意图步进电机的控制步进电机的控制结构和工作原理结构和工作原理机理机理：

步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号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