《机器人控制系统》PPT课件.ppt

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(Pulse Width odulation)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*D Vd-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。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。,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,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,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。,B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：AABBBCCCAA 共六拍。,工作过程：,A相通电，转子1、3齿和A相对齐。,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。,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。,B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。,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。,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）。,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,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，使电机按某一确定转速运转。改变延时的时间长度就可以改输出脉冲的频率，从而调节电机的转速。,2.定时器延时法各种单片机都有数量不等的片载定时器/计数器。加载某个定时器，当定时器溢出时就会产生中断信号，中止主程序的执行，转而执行中断服务程序，这样可以产生硬件延时的效果。如将电机换相子程序放在定时器中断服务程序之中，则定时器每中断一次，电机就换相一次，从而实现对电机的速度控制。,方向控制:改变通电顺序即可,如单三拍ABC为正转,CBA为反转,PCx=1导通，对应绕组通电 PCx=0截止，对应绕组断电（与前面表中所述相同）,有光隔的步进电机控制电路,无刷电机的控制,无刷电机的结构,(a)结构示意图,(b)定转子实际结构,内部控制结构,传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B,传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：B,传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：C,传感器：H1=0 H2=1 H3=0导通相：C,传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：A,传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：B,2传感器信号的接入,1、开关量、数字量传感器的接入很多传感器输出为开关量和数字量，需要专门的接口电路接入控制器。目前主要用光电隔离技术。,三极管,光电隔离的器件是光电三极管，也称为光电耦合器,4N33光电耦合器,2、模拟量传感器的接入下图为模拟量传感器接入的框图,传感器,信号处理放大电路,采样保持电路,A/D转换电路,中心控制器,接口电路,1、开关量输出采用光电隔离技术输出，输出形式有：三极管、可控硅、固态继电器、继电器、大功率场效应管。,3控制信号的输出,光电隔离器,为高时继电器闭合,继电器线圈,保护二极管,电磁式继电器的工作原理和应用电路如图所示。驱动电流一般为100mA左右，直流电压5V、9V、12V、24V等 选用时应考虑：1、额定工作电压、电流 2、接点负荷 3、接点的数量与种类动断或动开）4、体积、封装、工作 环境、延迟时间等,继电器输出,光电隔离器,闭合时负载工作,三极管,保护二极管,固态继电器的工作原理:当SW闭合时,光电隔离导通,三极管导通负载接通.,固态继电器输出:工作原理,步进电机绕组C,保护二极管,直流SSR主要用于直流负载的场合输出工作电压30-180V（5V开始工作）SSR控制步进电机（上图）。PCx=1时导通，对应绕组通电。,一个固态继电器应用的例子.,场效应管开关,步进电机绕组A,光电隔离器,保护二极管,浪涌电压保护电路，保护场效应管,大功率场效应管输出,场效应管型号为IRF640，PCx为1时对应绕组导通，为0时对应绕组关闭。三个绕组按规律交替导通，步进电机才会旋转。,第三讲 机器人控制系统的设计、制作、调试,1、机器人控制系统的设计1、控制系统的设计步骤 A、了解控制系统的任务和要求，确定控制系统应具有的功能。B、收集资料、了解掌握相关技术和知识。C、总体方案设计D、硬件选型及相关电路的设计E、操作系统的选择及控制软见的设计F、系统仿真,2、总体方案设计根据机器人对控制系统的要求，设计控制系统的总体结构。设计总体结构应多总方案进行比较，在满足使用要求的条件下，要考虑技术上的可行性、系统结构的复杂性、操作维修的方便性、及经济性。选择一个最优方案。提供系统的总体框图。,下图是一个机器人控制系统的总体方案,3、硬件选型及相关电路的设计根据总体方案对每一框的硬件结构进行设计如果市场有现成的结构模块，且结构功能均满足使用要求、经济性较好的条件下，尽量购买现成的结构模块。购买现成的结构模块有下面的优点：A、利用成熟的技术、保正系统的可靠性B、缩短系统的研发周期。C、系统维护方便，有现成的产品替换。,选型 对于确定要购买的硬件模块要根据系的要求进行选型。选型应遵循下面的原则1、满足使用要求2、使用维护方便3、经济性好,硬件电路的设计,硬件电路主要有：各类接口电路信号处理放大电路驱动电路动力电路其他电路,开关数字量输入接口电路,模拟量输入接口电路,数字开关量输出接口电路,模拟量输出接口电路,硬件电路的设计要注意下面几点：1、电路原理正确2、电路结构力求简单3、尽量采用功能强大集成度高的芯片和器件4、元器件尽量采用本地区能够买到的产品,硬件电路设计过程,1、了解硬件电路的功能和作用2、选择电路方案、选择主要的原器件3、进行相关的设计计算，确定原器件4、绘制原理图5、检查修改确定无错误6、绘制印刷电路图，反复检查修该直到准确无误为止,软件设计及操作系统的选择,操作系统：根据中心控制器的使用范围及机器人的工作要求选择合适的操作系统选择操作系统应考虑：操作系统是否满足使用要求，编程是否方便，对硬件要求是否高，经济性是否好等因素。,软件设计,软件设计过程1、了解软件的功能和作用2、对整个软件系按功能和作用进行模块化划分3、按模块化画程序框图4、编写源程序5、调试汇编程序6、试运行,1、机器人的发展历史及未来的发展趋势2、机器人在军事上的应用3、关节机器人的结构及应用4、机器人控制系统的组成及作用5、亚太地区大学生机器人电视大赛的背景和意义6、彷生机器人的发展及应用7、步进电机的原理及控制8、并联机器人的发展历史及应用,