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机器人建模与控制;
在第i关节电机的电枢两端施加电枢电压Vi(t),则有电枢电流iai(t),因iai(t)在定子磁场中,会产生定子对转子的力矩τmi(t),该力矩会改变转子转速(电机转速)dθmi(t)/dt,其大小与电流成正比,τmi(t)=Kmiiai(t),Kmi是电机的扭矩常数
当转子转动时,电枢切割定子磁力线,电枢电路中会出现反电动势Vbi(t),其大小与转速成正比,Vbi(t)=Kbidθmi(t)/dt,Kbi是电机的反电动势常数;
8.1.2减速器及关节模型
摩擦当物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时,在两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作用力,这种力叫摩擦力。接触面之间的这种现象或特性叫“摩擦”
摩擦分为静摩擦和动摩擦
按动摩擦表面的润滑状态,摩擦可分为干摩擦、边界摩擦和流体(粘性)摩擦
干摩擦:摩擦副表面直接接触,没有润滑剂存在时的摩擦干摩擦力=法向力×干摩擦系数
流体(粘性)摩擦:流体润滑状态下的摩擦。
当流体为层流状时:
粘性摩擦力=物体相对运动速度×粘性摩擦系数
边界摩擦相当于干摩擦和流体摩擦之间的一种状态;
τi(t)为高速侧对低速侧的作用力的力矩(关节力矩)
τai(t)为低速侧对高速侧的反作用力的力矩
τi(t)=riτai(t)
Bmi是转子轴承的粘性摩擦系数,粘性摩擦力矩=角速度×粘性摩擦系数Jmi为高速侧的转动惯量
高速侧力矩平衡:Jmid2θmi(t)/dt2=τmi(t)–τai(t)–Bmidθmi(t)/dt即Jmid2θmi(t)/dt2+Bmidθmi(t)/dt=τmi(t)–τi(t)/ri;
在带有明暗方格的码盘两侧,安放发光元件和光敏元件
随着码盘的旋转,光敏元件输出的波形经整形后变成脉冲
根据脉冲计数,可以测量固定在码盘上的转轴的角位移
根据A相信号和B相信号间的关系,可以判断旋转方向
码盘上有Z相标志信号,每转一圈输出一个脉冲,可用于确定零位
根据单位时间内的脉冲计数(高速)或两个相邻脉冲的时间间隔(低速),可以测量固定在码盘上的转轴的角速度;
9i(s)=Kmi/ri9i(s)=?(Lis+Ri)/ri
Vi(s)s[(Lis+Ri)(Jmis+Bmi)+KbiKmi]Ti(s)s[(Lis+Ri)(Jmis+Bmi)+KbiKmi]
因电气时间常数Li/Ri远比1小,假设Li/Ri为零,得;
机器人的每个轴都被作为一个单输入/单输出(SISO)系统来控制
由于其他关节的运动而引起的耦合效应被包含在干扰中
设计控制算法,保证闭环系统稳定,并较好地跟踪参考轨迹和减小干扰的影响;
ei(s)=2s+s(B+K)/J9di(s)+Di(s)
s+s(Bi+KDi)/Ji+KPi/Jis+s(Bi+KDi)/Ji+KPi/Ji
特征方程s2+s(Bi+KDi)/Ji+KPi/Ji=s2+2匕iOis+Oi2
自然频率ωi,阻尼系数ζi闭环系统稳定;
通常取ζi=1常使得响应是临界阻尼,以产生最快的非振动响应。在这种情况下,ωi决定响应的速度;
特征方程s3+s2(Bi+KDi)/Ji+sKPi/Ji+KIi/Ji
由Routh判据可知,闭环系统稳定的充要条件是KIi(Bi+KDi)KPi/Ji;
在控制器中增加积分环节,主要是为了消除稳态误差
阶跃响应(有干扰di(t)=40);
8.1.6考虑二阶可导输入的PID控制器设计
若θdi(t)二阶可导,可增加前馈提高控制性能,如下面的前馈+PID控制;
例:a1和a2分别为两连杆的长度
l1和l2分别为两连杆质心到各自关节轴之间的距离
机器人的势能为u=m1gl1s1+m2g(a1s1+l2s12)+
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