第三章 sec1机械手的控制(2010)
机械手控制说明书
电气控制与PLC课程设计说明书目录一、绪论 (3)二、机械手的工作原理 (4)2.1机械手的概述 (4)2.2机械手的工作原理 (5)三、机械手的工作流程图 (7)四、输入和输出点分配图及原理接线图 (8)五、元器件选型清单 (10)六、控制程序 (14)6.1初始化流程图设计 (14)6.2手动操作梯形图 (15)6.3回原点方式顺序功能图 (16)6.4自动方式顺序功能图 (17)6.5 PLC总程序梯形图 (18)七、总结 (23)参考文献 (24)一、绪论1.1 可编程序控制器的应用和发展概况可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC （programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。
1.2 PLC的应用概况PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。
按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。
（1）用于逻辑控制这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。
用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。
例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。
（2）用于模拟量控制PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。
（3）用于机械加工中的数字控制现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。
（4）用于工业机器人控制（5）用于多层分布式控制系统高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。
机械手的控制方式及控制系统设计
机械手的控制方式及控制系统设计机械手在工业科技中的应用时间较长，随着工业生产的不断发展进步，机械手的控制技术也得到了较为快速的发展。
人们在很早以前就希望能够借助其他的工具替代人类自身的手去从事重复性的工作，或者具有一定危险性的工作，从而提高工业的生产效率，同时也能规避人们在生产实际生产中碰到的危险情况。
此外，在一些特殊的场合中，必须要依靠机械手才能加以完成。
未来机械手在工业生产中将发挥更大的作用，本文主要对机械手的控制方式及控制系统设计方法进行了较为详细的分析。
2 机械手原理概述机械手具有很多的优点，比如机械手比人的手具有更大的力气，能够干很多人手所无法干的事情，这样也能提高工业生产中的效率，同时采用机械手进行工业生产时的成本相对而言也会得到一定程度上的降低。
机械手通常由三部分组成，即机械部分，传感部分和控制部分。
其中，手部安装在手臂的前端，用来抓持物件，这是执行机构的主体，可根据被抓持物件的形状、重量、材料以及作业要求不同而具有多种结构形式。
控制部分包括控制系统和人机交互系统。
对于机器人基本部件的控制系统，控制系统的任务是控制机械手的实际运动方式。
机械手的控制系统有开环和闭环两种控制方式，如果工业机械手没有信息反馈功能，那么它就是一个开环控制系统。
如果有信息反馈功能，它是一个闭环控制系统。
对于机器人基本组成的人机交互系统，人机交互系统是允许操作员参与机器人控制并与机器人通信的装置。
总之，人机交互系统可以分为两类：指令给定装置和信息显示装置，机械手的控制主要是通过软件程序加以实现。
随着科学技术的发展，机械手相关的技术也得到了快速的发展，先进的控制方式和先进的控制技术在机械手的控制领域中也具有一定的采用。
现在机械手不仅广泛应用于采矿、化工、船舶等领域，并且在航天、医药、生化等领域占有重要地位。
3 机械手的控制方式工业机器人可根据控制方法分为以下几类，一类是点控制。
点控制，也称为PTP控制，仅控制起点和终点的姿势，两点之间的轨迹没有规定。
第三章 机械手的控制
G A s
e 0 s
e I s
e s K GA s 0 e s Ts 1 I
T RC, K 1
3.5
3.6
0 t 0 eI 1 t 0
3.7
t e0 K 1 e T 3.8 其中T为时间常数（时间为 处曲线的切线与 0
传递函数
以一阶系统和二阶系 统来说明 例1 试求图3.3的RC 电路的传递函数 解：基本公式
3.1 3.2
电容的电荷： Ce0 Q 基尔霍夫定律: Ri e0 eI
因Q i所以 RCe0 e0 eI
3.3
传递函数
进行拉氏变换的
3.4
RCse0 s e0 s eI s
机器人系统硬件的构成
§3.2传递函数和方框图
3.2.1传递函数 控制对象的动作和控制规律用时间的微分 方程式来表示。微分方程的阶数越高求解 越复杂，通常把微分方程式变换成复数拉 普拉斯算子S来表示，其变换称为拉普拉 斯变换。描述控制对象输入和输出关系的 微分方程式进行拉氏变换后，求得输入输 出表达式称为传递函数。
方框图的等价变换
例：直流电机的控制方程变换
3.3 PID控制
PID控制就是利用控制量与目标值的偏差 的比例值P（proportional),微分值 D(derivative)，积分值I(integal)来进行 控制，如果用e=(r-y)表示偏差，则PID 控制变为
U t K P e K1 t0 e d K D e 或者
常数K相交的时间坐标值， 为增益 K
传递函数
舵机控制机械手控制原理
舵机控制机械手控制原理舵机控制机械手控制原理第一章：引言机械手是一种用于工业和其他领域的重要装置，可以自动执行复杂的任务。
舵机是机械手的核心组件之一，用于控制机械手的运动。
本章将介绍本论文的目的和结构。
第二章：舵机基本原理和类型本章将详细介绍舵机的基本原理和分类。
首先，舵机由一个电机、减速齿轮、位置反馈传感器和控制电路组成。
其工作原理是使用电机和减速齿轮驱动机械手的关节，而位置反馈传感器可以测量关节的位置。
根据不同的应用需求，舵机可以分为转动和角度舵机。
第三章：机械手控制系统原理本章将介绍机械手控制系统的原理。
首先，机械手控制系统由硬件和软件两部分组成。
硬件主要包括舵机、微控制器、传感器和执行机构，而软件主要包括控制算法和运动规划。
控制算法将接收来自传感器的数据，并计算出舵机的输出信号，以控制机械手的位置和姿态。
第四章：舵机控制机械手的具体实现本章将介绍舵机控制机械手的具体实现方法。
首先，需要根据机械手的结构和运动要求设计舵机的数量和位置。
然后，通过调试舵机的控制算法和运动规划算法，以实现机械手的精确控制。
最后，通过实验验证舵机控制机械手的性能和稳定性。
结论本论文介绍了舵机控制机械手的原理和实现方法。
舵机作为机械手的核心组件之一，可以实现机械手的高精度控制。
通过合理设计和调试舵机的控制算法和运动规划算法，可以实现机械手各关节的协调运动和精确定位。
舵机控制机械手的方法在工业和其他领域具有广阔的应用前景。
第一章：引言机械手是一种多关节、多自由度的装置，广泛应用于工业制造、医疗手术、物流等领域。
舵机作为机械手控制的核心部件，起着至关重要的作用。
本论文旨在探讨舵机控制机械手的原理，并介绍其具体实现方法，以期为实际应用提供参考。
第二章：舵机基本原理和类型2.1 舵机工作原理舵机通过控制电压的变化，实现机械手关节的运动。
其内部主要由电机、减速齿轮和位置反馈传感器组成。
电机为舵机提供动力，减速齿轮将电机的运动传递到机械手关节上，位置反馈传感器用于测量关节的位置，实现闭环控制。
机械手控制
2.状态元件
状态元件是构成状态转移图的基本元素，是可编程控制器的软元 件之一。 FX2N 共有 1000个状态元件，其分类、编号、数量及用 途如表1所示。
表1 FX2N的状态元件
类别
元件编号
个数 用途及特点
初始状态
返回状态 通用状态 掉电保持 状态 具有
S0～S9
S10～S19
10
10
用作 SFC图的初始状态
图中机械手的任务是将工件由A 处传送到B处。 上升、下降和左移、右移的执行分别用双线圈二位电磁阀推 动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动 作。例如，一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈 再通电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反的方向的线圈通 电为止。 另外，夹紧、放松由单线圈二位电磁阀推动气缸动作。设备 装有上下左右限位开关。
4.2 I/O分配及状态转换表
4.2.1 I/O分配
根据机械手工作原理和控制要求，可以确定电气控制系统的I/O 点分配，如下图 。
机械手动作的PLC硬件接线图
4.2.2 状态转移图
根据机械手动作要求和I/O 分配表，可以编制出状态转移图 如下图所示。
机 械 手 控 制 状 态 转 移 图
4.3 程序的编制
19
22 23 24 26 27 28 29 31 32 33 34 36
OUT
Y0 K20 SET Y1 LD T0 SET S23 STL S23 OUT Y2 LD X2 SET S24 STL S24 OUT Y3 LD X3 SET S25 STL S25
37 OUT 38 LD 39 SET 41 STL 42 OUT 45 46 47 49 50 51 52 54 55 56 57 59 60
机器人及其控制第三章
H T T (q ) T (q2 )...
0 N 0 1 1 1 2
N 1 N
T (q N )
i 旋转关节 qi d i 移动关节
45
基本指导思想是这样的，只要求出坐标系{i－1}到坐标系{i} 的齐次变换矩阵，然后标号从1到N相乘即可。 连杆变换的推导 对每个连杆逐一建立坐标系，把运动学问题分解成N个子问 题，而每个子问题又分为四个次子问题。每个变换对应着 一个连杆参数。通过观察很容易写出它们的形式。 在坐标系{i-1}和坐标系{i}之间定义三个坐标系{P}，{Q}， {R} 。
5
6
7
8
9
10
在操作臂结构设计时，优先考虑具有一个自由度的关节作 为连杆的连接方式， 一般包括移动关节和转动关节。
11
在操作臂结构设计时，优先考虑具有一个自由度的关节作 为连杆的连接方式， 一般包括移动关节和转动关节。 这是因为：如果一个关节具有n个自由度，这种关节可以 看作具有1个自由度的关节和n－1个长度为0的连杆连接而 成，因此不失一般性，仅对含有单自由度的关节的操作臂 进行研究。 连杆标号：基坐标系为0，第一个连杆为1，……，依次类推， 操作臂最末端的连杆为n。
i 1 i2
j 1 j
T
if i j
T I
j i
if i j
1
T ( T )
i
if i j
i j 1 j 1
i
o j o j 1 R
oj
54
3.6 驱动器空间、关节空间和笛卡尔 空间
对于一个具有N自由度的操作臂来说，它的所有连杆位置可由一 组N个关节变量加以确定。这样的一组变量称为 N 1 的关节变 量。 T
机械手的PLC控制(完整)
江苏信息职业技术学院毕业设计报告毕业设计报告课题：机械手的PLC控制系部：机电系专业：电气自动化班级：电气1332姓名：王琪学号：2013321026指导老师：贾君贤2016-6摘要机械手是工业自动化系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。
机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、传感器、等电子器件组成。
该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。
本文介绍的机械手是由PLC 输出三路脉冲，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。
本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。
关键词：机械手 PLC 交流电机目录摘要 (1)引言 (3)第一章机械手机械结构 (4)1．1传动机构 (4)1．2机械手夹持器和机座的结构 (6)第二章机械手PLC及电机的应用 (8)2．1 PLC简介 (8)2．2 PLC内部原理 (10)2．3 机械手PLC选择及参数 (12)2．4 机械手电机的选用 (13)第三章机械手PLC控制系统设计 (14)3．1 机械手的工艺过程 (14)3．2PLC控制系统 (16)致答谢词 (21)参考文献 (21)引言在现代工业中，随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。
同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
机械手的控制基础知识讲义
机械手的控制基础知识讲义1. 引言机械手是一种用于执行各种任务的自动控制设备，广泛应用于工业制造、装配和物料搬运等领域。
掌握机械手的控制基础知识对于正确操作和优化机械手的性能至关重要。
本讲义将介绍机械手控制中的一些基本概念和技术。
2. 机械手的基本结构机械手通常由机械臂、末端执行器、传感器和控制系统组成。
机械臂由多个关节和连接件组成，用于实现运动和定位。
末端执行器通常是夹爪、吸盘或其他装置，用于抓取和操纵物体。
传感器用于获取环境信息和机械手状态。
控制系统负责处理传感器数据，并控制机械手的运动。
在机械手的控制中，常用的坐标系有世界坐标系（WCS）、基座坐标系（BSC）和末端执行器坐标系（TCS）。
世界坐标系是一个固定的参考坐标系，用于描述整个环境。
基座坐标系是机械臂的固定部分的参考坐标系，用于描述机械臂的位置和姿态。
末端执行器坐标系是末端执行器的参考坐标系，用于描述末端执行器的位置和姿态。
4. 机械手的运动学机械手的运动学研究如何将末端执行器的位置和姿态转化为关节角度。
正向运动学是指根据给定的关节角度计算末端执行器的位置和姿态。
逆向运动学是指根据给定的末端执行器的位置和姿态计算关节角度。
掌握机械手的运动学可以实现精确的控制和轨迹规划。
机械手的动力学研究机械手的力学特性和运动过程中的力学参数。
动力学分析可以帮助优化机械手的性能，如提高运动速度和准确性，控制运动中的振动和力的作用等。
了解机械手的动力学有助于实现精确的力控制和碰撞检测。
6. 机械手的控制方法机械手的控制方法主要分为开环控制和闭环控制。
开环控制是指根据固定的运动规划和预设的参数来控制机械手的运动。
闭环控制是指根据实际的传感器反馈来调整机械手的运动，以达到预期的目标。
闭环控制可以提高机械手的精确性和稳定性。
7. 机械手的碰撞检测和安全措施在机械手的操作中，碰撞是一个常见的问题。
机械手的碰撞检测可以通过传感器来实现，当机械手与障碍物或其他物体发生碰撞时，及时停止或调整运动，以避免损坏机械手和工作环境。
机械手自动化控制
1、机械手发展经历与主要构成机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人。
1.1发展历史机械手首先是从美国开始研制的。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。
该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。
这就是所谓的示教再现机器人。
现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。
作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。
这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工、原子能和制药等行业。
1.2构成部分机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。
同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。
控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。
1.3机械手分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用X围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
简明机械手册
简明机械手册机械手，是一种能够模拟人手进行各种动作的机械装置。
它由多个关节和执行器组成，可以在工业生产线上进行各种精密操作。
机械手广泛应用于汽车制造、电子组装、食品加工等产业中，其高效、准确的操作能力大大提高了生产效率。
一、机械手的工作原理机械手的工作原理主要包括传感器、控制器和执行器三个部分。
1.传感器：机械手通过搭载不同类型的传感器来感知周围环境，例如视觉传感器、力矩传感器、压力传感器等。
视觉传感器可以识别产品的位置和形状，力矩传感器可以测量机械手对物体施加的力，压力传感器可以检测机械手对物体施加的压力。
2.控制器：控制器是机械手的大脑，负责整个机械手的运动控制。
控制器接收传感器的信号，经过算法处理后，控制机械手的每个关节和执行器的运动，以实现特定的操作目标。
3.执行器：执行器是机械手的“手臂”，负责改变机械手的形态，实现各种动作。
执行器可以是液压驱动的、电动驱动的或气动驱动的，根据应用需求选择不同类型的执行器。
二、机械手的关节和执行器机械手的关节和执行器是机械手实现各种操作的关键部件。
1.关节：机械手通常由多个关节组成，关节可以使机械手在各个方向上进行转动。
常见的关节类型有旋转关节、摆动关节和直线关节。
旋转关节可以使机械手在水平方向上进行旋转，摆动关节可以使机械手在垂直方向上进行摆动，而直线关节可以使机械手在前后方向上进行运动。
2.执行器：执行器可以改变机械手的形态和动作，实现对物体的抓取、放置、搬运等操作。
常见的执行器包括夹爪、吸盘和钳子。
夹爪可以夹住物体，吸盘可以通过产生负压来吸取物体，钳子可以用来夹紧物体。
三、机械手的应用领域机械手广泛应用于多个领域，主要体现在以下几个方面：1.汽车制造：在汽车生产线上，机械手可以实现对零件的抓取、组装、焊接等操作。
机械手操作精确、稳定，能够保证汽车的质量和生产效率。
2.电子组装：在电子产品生产线上，机械手可以将零件组装到电路板上，实现焊接、贴装等操作。
第二章 sec1机械手的运动描述(2010)
平面2自由度关节型机械臂圆柱坐标型机器人有3个自由度，两个移动关节和一个转动关节（PPR）。
通常用于搬运机直角坐标型机器人3个独立平移自由度，结构简单，适用弧焊和装配关节空间到工作空间的变换矩阵？旋转关节1 DOF ( Variable -棱柱型关节1 DOF (linear) (Variables -球型关节3 DOF ( Variables -柔性杆：质量轻、不易损坏图示的伺服电机系统集成了光学编码z 刚体相对于坐标系{B }的姿态z 固联坐标系{E }相对于坐标系{B }的姿态z {E }的3个单位主矢量n ，o 和a 在坐标系{B }中矢量组成的矩阵表示⎥⎥⎥⎤⎢⎢⎢⎡=y By B yB x Bx B xB BE a o n a o n R ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=z By B x B B n n n n ⎥⎤⎢⎡=B x B Bo o o ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=z B y B x B B a a a a X E{E },O EY EZ Ea o n p ZB p pE p pB p E{B}中X E 的方向矢量{B}中Z E 的方向矢量坐标系之间的旋转——空间物体姿态(orientation)的描述两两相互正交Rotation matrix1=⋅=⋅=⋅=⋅=⋅=⋅n a a o o n a a o o n n []⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=100010001T T T T T T T T T T T T T a a o a n a a o o o n o a n o n n n a o n a o n R R B E B E 坐标旋转矩阵性质坐标旋转矩阵是正交矩阵参照坐标系X E{E },O EY EZ Eaon pZ B p pE p pB p ER BEB p⎥⎥⎥⎦⎤θθs 0矢量P在两个坐标系上的投影关系③3D情况下两坐标系之间既有旋转，也有平移任意点在坐标系{B}和{E}的位姿关系为B B E Bp E p E=+p R p p 111BB BEp EE p T ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦p Rp p 04x1的向量表示3维空间的点，称为点的齐次坐标X E{E },O EY EZ Eaonp ZB p pE p pB p EHomogeneous transformation matrix111BB BEp EE p T ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦p R p p 0任意点在坐标系{B}和{E}的位姿关系为Homogeneous transformation matrixRotation matrix Position vectorX E{E },O EY EZ Eaonp ZB p pE p pB p E矢量P在两个坐标系上的投影关系③3D情况下两坐标系之间既有旋转，也有平移BB E Bp Ep E=+p R p p任意点在坐标系{B}和{E}的位姿关系为X E{E },O EY EZ Eaonp ZB p pE p pB p E⎥⎥⎥⎥⎤⎢⎢⎢⎢⎡⎥⎥⎥⎥⎤⎢⎢⎢⎢⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡1z E y E x E E Bz BzBzB E By B y B yB x E Bx B x B x B p B p p p o a o n o a o n o a o n y p 矢量P在两个坐标系上的投影关系Homogeneous transformation matrix③3D情况下两坐标系之间既有旋转，也有平移BB E Bp Ep E=+p R p p（参考坐标系为{B}）:驱动力矩控制关节运动工作空间的受力的运动间运动的关系的运动学正逆解。
机械手的控制模板.pptx
rd r 0
Jq 0, h 0
rd r J(q d q)
τ JT K d (q d q)
J
3.4 机械手的位置控制
3.4.2 动态控制
M(q)q h(q, q ) f
τ Mˆ (q)u hˆ (q,q ) τˆ f
u qd K D (q d q ) K P (qd q)
2019-11-9
谢谢聆听
23
Robotics控制
3.4 机械手的位置控制
（2）关节角加速度可以检出的场合
mq dq md q dd (q qd ) kd (q qd )
(m md )q (d dd )q kd (qd q) dd qd
md m
qd 0
(d dd )q kd (qd q)
机械手的控制
Control of Robotic Manipulator
3.1 机械人系统的构成
3.2 传递函数和方框图
3.3 PID控制
3.4 机械手的位置控制
3.5 机械手的力控制
3.6 其他控制方式简介
2019-11-9
谢谢聆听
1
Robotics控制
3.1 机械人系统的组成
3.1.1 机械人系统示意
qm (s)
K s(Ts 1)
K P (qmd
(s)
qm (s))
K D sqm (s)
GC (
2019-11-9
s)
qm (s) qmd (s)
s2
第三章 sec1机械手的控制(2010)
第三章机械手的控制机械手系统的硬件构成层次化的控制结构机器人伺服控制基础位置控制与力控制机械手系统的硬件构成机器人系统构成示例机器人系统构成示例位置和力反馈传感器件：光学编码器、力传感器、CCD等控制器：基于PC或其他微处理器、或多处理器构成层次化的控制器机器人系统的主要机能①运动控制②示教再现③异常情况处理机器人系统构成示例信号的输出和驱动放大：输出可为数字或模拟信号；驱动放大多采用PWM技术z 控制策略：位置控制、力位混合控制（如拧螺丝，把力和运动分为两个相互正交的空间进行规划和控制）z 算法：PID、自适应、滑模、模糊控制等等机器人系统构成示例人机交互：通过示教盒监控和维护机器人①设定控制所需的各种参数；②显示机器人的位置、速度、力等信号；③在异常情况下中断系统运行控制器：一个DECLSI—11计算机和6个Rockwell6503微处理器组成的两级控制系统。
DECLSI—11计算机作为上级主控计算机监控下一级的6个Rockwell6503微处理器PUMA560机器人控制系统硬件结构DECLSI—11为监控计算机，主要机能：①人机交互：根据用户的VAL指令(VAL是Unimation 机器人程序语言)进行子任务调度；②控制6个6503微处理器：向用户通报各种出错信息；对VAL命令的分析、解释和解码。
一旦VAL命令被解码，各种内部子程序就被调用来完成调度和协调功能PUMA560机器人控制系统硬件结构LSI—11计算机功能模块：①正、逆运动学(工作空间和关节空间的相互变换等)。
②工作空间轨迹规划。
③关节插补，每隔28ms向每个关节传送位置更新值。
④从6503微处理器判明各运动关节运动状态。
PUMA560机器人控制系统硬件结构伺服层：核心是6503微处理器①每个微处理器控制一个关节。
双环控制，外环为位置环，每0.875 ms更新一次；内环由模拟器件组成，用以微分反馈。
PUMA560机器人控制系统硬件结构伺服层：②每个关节上装有一个增量式数码盘，检测关节角位移。
机械手操作说明书
操作说明机械手 操 作 说 明 书操作说明一， 简介：本设备主体部包括以下机构: 1, 上下伺服机械臂：1.5KW 三菱伺服；气动抓胎器；横走气缸； 2, 输送线：400W 三菱变频器及电机两台；检测用对射光电；定中气缸； 3，主要电气部件品牌及明细表：主要电气部件明细:序号 材料名称 1 PLC 2 触摸屏 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 伺服电机 伺服驱动器 输送电机用变频器 三相智能伺服变压器 开关电源 小型断路器 小型断路器 小型断路器 小型断路器 交流接触器 接近开关 电源滤波器 继电器 继电器端子座 超声波传感器 对射光电 材料规格 FX3U-48MT-001 DOP-B05S100 HF-SP152B MR-J3-200A FR-E740-0.4-CHT IST-C-045 NES-150-24 DZ47-60/3P/D16A DZ47-60/2P/D6A DZ47-60/2P/D10A DZ47-60/3P/D25A LC1-D1810M5C RN05-N(17*17) 3 米 PNF221-G-2A RJ2S-CL-D24 RJ2S-05B UB800-18GM40-E4-V1 PZ-G52N 用量 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2 2 1 5 1 8 8 1 4 单位 台 个 品牌 三菱 台达 三菱 三菱 三菱 三诺科技 台湾明纬 正泰 正泰 正泰 正泰 施耐德 台湾 RIKO 埃德 idec idec 倍加福 基恩士台 台 台台 台 个 个 个 个 个 个 个 个 个 个 对二， 操作说明： 2.1 操作前注意事项：机械手运行范围内不要有人员站立. 确认抓手用输入气源是否打开且压力达到 0.5MPa 及以上。
2.2 操作说明：2.2.1，简要说明：操作说明1，本系统人机操作画面，支持中英文两种语言方式。
操作者可以在进入系统后的初 始开机画面，选择指定的操作语言。
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第三章机械手的控制机械手系统的硬件构成
层次化的控制结构
机器人伺服控制基础
位置控制与力控制
机械手系统的硬件构成
机器人系统构成示例
机器人系统构成示例
位置和力反馈传感器件：光学编码器、力传感器、CCD等控制器：基
于PC或其他
微处理器、
或多处理器
构成层次化
的控制器
机器人系统的主要机能
①运动控制
②示教再现
③异常情况处理
机器人系统构成示例
信号的输出和驱动放大：输出可为数字或模拟信号；驱动放大多采用PWM技术
z 控制策略：位置控制、力位混合控
制（如拧螺丝，把力和运动分为两
个相互正交的空间进行规划和控制）
z 算法：PID、自适应、滑模、模糊
控制等等
机器人系统构成示例人机交互：通过示教盒监控和维护机器人
①设定控制所需的各种参数；
②显示机器人的位置、速度、力等信号；
③在异常情况下中断系统运行
控制器：一个DECLSI—11计算机和6个Rockwell6503微处理器组成的两级控制系统。
DECLSI—11计算机作为上级主控计算机监控下一级的6个
Rockwell6503微处理器
PUMA560机器人控制系统硬件结构DECLSI—11为监控计算机，主要机能：
①人机交互：根据用户的VAL指令(VAL是Unimation 机器人程序语言)进行子任务调度；
②控制6个6503微处理器：向用户通报各种出错信息；对VAL命令的分析、解释和解码。
一旦VAL命令被解码，各种内部子程序就被调用来完成调度和协调功能
PUMA560机器人控制系统硬件结构LSI—11计算机功能模块：
①正、逆运动学(工作空间和关节空间的相互变换等)。
②工作空间轨迹规划。
③关节插补，每隔28ms向每个关节传送位置更新值。
④从6503微处理器判明各运动关节运动状态。
PUMA560机器人控制系统硬件结构
伺服层：
核心是6503微处理器
①每个微处理器控制一个关节。
双环控制，外环为位置环，每0.875 ms更新一次；内环由模拟器件组成，用以微分反馈。
PUMA560机器人控制系统硬件结构
伺服层：
②每个关节上装有一个增量式数码盘，检测关节角位移。
PUMA560没有采用测速电机，而是通过关节位移的微分得到关节速度，进行速度反馈
PUMA560机器人控制系统硬件结构
伺服层：
③微处理机通过接口和D／A转换器发送直流电机的指令力矩。
通过直流功率放大器控制直流电动机的电枢电压，控制电动
机的运动。
PUMA560机器人控制系统硬件结构
伺服层功能模块：
①每28ms接收一次来自LSI－11计算机的轨迹设定值，针对关节位置的新值(路径段终点)和当前值(路径段起点)之间进行插补计算。
微处理器把28ms内关节期望运动角度分成32等分(步)，于是每一步的时间为0.875ms。
②更新由关节插补设定点（期望值）和数码盘反馈值（实际值）所得到的误差驱动信号。
③用D／A转换把误差驱动信号转换成电流，然后把电流传送到驱动关节的模拟伺服板上，驱动相应的关节运动。
PUMA560机器人控制系统硬件结构
PUMA机器人关节控制是比例积分微分控制(PID控制器)。
缺点：反馈增益是预先确定的常数，不随随实际载荷的变化而改变。
工业机器人是一个高度非线性系统。
惯性负载、关节间的耦合以及重力效应都随位姿变化而改变（why?），因而采用上述系统(带有恒定的反馈增益)控制非线性系统，动态性能是不够理想的。
如有些PUMA机器人操作臂在减速运动时带有明显的振动。
PUMA560机器人控制系统硬件结构
示教盒
示教盒是手动式的按
钮盒，是用户用来对
于机器人进行手动控
制和示教的设备。
PUMA560机器人控制系统硬件结构
终端
屏幕显示终端(CRT)和打印终端(TTY)。
通过标准的RS—232C接口与系统进行通讯。
用户通过屏幕终端编辑用户程序，对手臂进行示教以及与系统交换信息。
运行程序时，终端可与系统断开
PUMA560机器人控制系统硬件结构
软盘驱动器
PUMA560使用
145mm高密度双面
软磁盘，用来存储
VAL操作系统和用户
的程序及数据
机器人控制的软件结构
1. 控制方法与软件结构
机器人控制系统是机器人的“大脑”，其结构由所执行任务的复杂程度和机器人本身的硬件结构决定，随着对机器人智能化要求的提高，控制结构也日益复杂。
目前大多数机器人采用层次化控制结构(主任、组长…)。
另外，分布式人工智能在机器人控制中的应用也越来越广（任务承包制）
分布式结构
z将大的复杂系统构造成小的、相对独立的、彼此相互竞争和协作的系统，以完成智能化水平较高的任务；
z其核心是竞争与协调；
z多智能体技术。
智能机器人面临的任务常常具有不确定的特点，如环境和对象的不确定。
因此，实时运动规划能力非常重要。
运用多智能体的思想，建立一种具有多任务协调的实时运动规划机制是很好的选择；
机器人控制的基础
常用控制算法性能要求
控制算法
如参考输入含有阶跃函数时，误差微分值会无穷大，即控制器的输出中会包含脉冲函数
PID 控制
将微分作用只安排在反馈信号
上，构成PI-D 或P-D 控制算法
控制
在不存在扰动和噪声的情况下，基本PID和PI-D控制系统的输入输出闭环传递函数分别为
)()11(s G k s T p p D ++)11(k p +
sq m
(s
)
机械手的基本控制问题
机器人的位置控制
机器人的力控制
常用位置控制方案
忽略了操作臂的动力学特征，即关节动力学相互耦合的问题。
把耦合看成为关节受到的扰动。
但有些情况下。
如高速运动时，这些“扰动”太大了。
导致受控系统的参数变化十分显著，足以使常规的反馈控制策略失效。
表现为机械手动态特性的下降和振动。
常用位置控制方案
动态控制方案
考虑耦合和动力学影响的多关节闭环控制。
主要采用非线性补偿、解耦的控制思想。
控制结构分为前馈和反馈两部分，前馈用于补偿关节间的相互作用力和重力等；反馈用于计算校正力矩，补偿轨迹偏差。
如：计算力矩（基于模型）方法
借助于二阶质量－弹簧－阻尼系统来研究。
控制方法：基于模型控制+伺服控制
设计目标: 系统的参数（m、b和k）仅出现在基于模型控制部分，而伺服控制部分与这些参数无关。
系统动力学方程为
控制目标是期望的轨迹x d ，最理想的
控制算法
d d d kx x b x m f ++= 但参数往往不准确，上述方法不实
用。
f kx x b x
m =++
最简单的控制算法
但控制的品质不理想，尤其在高速下。
对于多刚体情况，这里
往往有速度的平方项和多刚体速度的耦合项，形成系统的非线性部分
()()v d d f k x
x k x x =−+−
伺服控制
系统
上例中，通过前馈简化了控制系统设计。
对于多刚体系统，方程的后两项是时变非线性项，采用诸如上例的前馈方法消去时变非线性项，把系统变成线性系统是一个可行的方法。
机器人控制的计算力矩方法就是这个原理
应用：设计一个机器人动态反馈控制的框图
f τq q h q
q M τ++=),()(
计算力矩控制方法。