《机器人基础与数字孪生系统》 课件第5章 机器人系统的传感与控制.pptx

第5章机器人系统的传感与控制

对于机器人来说，控制的目的是使机械手达到期望位置或跟踪期望轨迹。本章首先介绍了机器人系统常见的执行器和传感器。构成精度适宜的机器人系统需要选用合适的执行器与传感器，按照一定的方式与控制器有机结合。反馈控制是最常见的控制方式，此方法可以大大提升系统的精度。此后还需建立系统的传递函数模型或状态空间模型用于分析系统的稳定性和动态特性等，以选择系统控制方案以及控制律参数。

机器人的控制器设计可以按是否考虑机器人的动力学特性而分为两类。一类是不考虑机器人的动力学特性，只是按照机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制，这类方法通常被称为“运动控制”，其中的控制器常采用PD或PID控制。这种控制方法控制律简单，易于实现，但难于实现机器人良好的静态和动态性能并且需要较大的控制能量。另一类是基于动力学特性模型设计更精细控制律的“动态控制”，这种方法可使被控对象具有更好的动态和静态品质，克服了运动控制方法的缺点。

对于运动受限机器人来说，由于机器人与环境接触，这时不仅要控制机器人手端位置，还要控制手端作用于环境的力，此种控制方法称为柔顺控制。在实际工程中要想得到精确的数学模型是十分困难的，除了在建立控制系统模型时做一些合理地近似之外还可以对控制系统的不确定性、非线性进行补偿。神经网络这类智能控制方法十分适合解决此类问题。

【5.1】执行器与传感器5.1.1执行器1.直流电机优点：启动转矩大调速广且不受频率及极对数限制机械特性线性度好可提供额定转矩功率损耗小有较高的响应速度、精度和频率优良的控制特性增大了摩擦转矩换向火花带来了无线电干扰组件易损坏使用场合受到限制寿命较低，需要定期维修，使用维护较麻烦直流伺服电动机：通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩，其电枢大多为永久磁铁。缺点：需要电刷及整流子

【5.1.1】执行器采用功率电子开关和位置传感器代替电刷和换向器，既保留了直流电动机良好的运行性能，又具有交流电动机机构简单、维护方便和运行可靠等特点。无刷直流电机：主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和功率电子开关三部分组成。

【5.1.1】执行器直流无刷电机基于交流调速原理制造：启动转矩大，转速稳定调速方便，结构简单没有易损件。需要专门的驱动电路驱动故价格高。大部分都自带驱动电路，只要接上额定电压，输入调速PWM信号就可以驱动，无需添加专门的驱动电路。直流电源通过电子开关向电动机定子绕组供电，位置传感器检测转子位置并发出电信号控制电子开关的通断。

2.交流电机交流伺服系统具有下述特点：可低速运转，且具有很快的响应速度。在高速区仍然具有较好的转矩特性，即输出特性硬度好。可将噪声和振动抑制到最低的限度。具有很高的转矩/惯量比，可实现快速启动和制动。通过采用高精度的脉冲编码器作为反馈器件，采用数字控制技术，可大大提高系统的位置控制精度。驱动单元一般采用专用集成电路，结构紧凑、体积小、可靠性高。【5.1.1】执行器

3.液压马达传动轴瞬间即可反向；无论堵转多长时间，也不会造成损坏；由工作转速控制转矩；易于实现动态制动；如果设电动机功率与质量的比是1，而液压马达则可高达10～12，即传递同样大小的功率数液压马达为最小。【5.1.1】执行器液压马达是将液体的压力能转换为机械能，输出转矩和回转运动的一种执行元件。

1.位置传感器【5.1.2】传感器精确而可靠地发出位置给定信号并检测被控对象的实际位置是运动控制系统工作良好的基本保证。常用位置传感器：（1）电位器可以直接给出电压信号，价格便宜，使用方便，但滑臂与电阻间有滑动接触，容易磨损和接触不良，可靠性较差。（2）基于电磁感应原理的位置传感器包括自整角机、旋转变压器、感应同步器等，应用比较普遍，可靠性和精度都较好。电位器自整角机原理

【5.1.2】传感器（3）光电编码器检测转速或转角，由光源、光栅码盘和光敏元件三部分组成。电动机转动带动编码器旋转，产生转速或转角信号，输出数字式电脉冲信号。编码器类型增量式编码器脉冲数与位移的增量成正比，累加得位置信号。利用M法、T法、M/T法等测速算法计算转速。码盘类型二进制码盘码道从外到里按二进制刻制。转动时，可能出现两位以上的数字同时改变，导致“粗大误差”。循环码盘相邻的两个码道之间只有一个码发生变化，从根本上消除“粗大误差”。绝对值式编码器码盘有固定的零点，每个位置对应距零点不同位置的绝对值，转