教学工业机器人位置伺服控制系统分析
机器人视觉伺服系统
机器人视觉伺服系统主要由图像采集设备、图像处理单元、目标识别与定位模块 、伺服控制器和机器人执行机构等部分组成。
02
视觉伺服系统的关键技术
图像获取
相机选择
根据应用需求选择合适的相机类 型，如CCD或CMOS，以及相应 的分辨率。
照明条件
确保足够的照明以获得清晰、对 比度高的图像，并考虑使用红外 或紫外光谱的特殊照明。
图像处理
预处理
包括噪声去除、对比度增强和图像缩放等，以提高图像质量 。
特征提取
利用算法检测和提取图像中的关键特征，如边缘、角点或纹 理。
目标识别与跟踪
目标检测
利用模式识别和机器学习技术检测图像中的目标物体。
目标跟踪
连续帧间跟踪目标，处理目标运动、遮挡等问题。
姿态估计与控制
姿态估计
通过分析图像特征和相机参数，计算 机器人与目标之间的相对姿态。
拓展应用领域
将机器人视觉伺服系统应用到更多领域，如 医疗、农业、工业等。
未来趋势
深度学习技术
利用深度学习技术提高机器人视觉伺 服系统的识别和分类能力。
多模态融合
将图像信息与其他传感器信息融合， 提高机器人视觉伺服系统的感知能力 。
强化学习
利用强化学习技术训练机器人视觉伺 服系统，使其能够自主适应不同环境 和任务。
特点
具有高精度、高速度和高可靠性的特 点，能够实现快速、准确的视觉伺服 控制，提高机器人作业的自动化和智 能化水平。
工作原理
工作流程
图像采集
机器人视觉伺服系统的工作流程主要包括 图像采集、图像处理、目标识别与定位、 伺服控制等步骤。
通过相机等图像采集设备获取目标物体的 图像。
图像处理
伺服控制知识点总结
伺服控制知识点总结一、基本概念1. 伺服系统伺服系统是由伺服执行元件、位置传感器、控制器和电源组成的控制系统。
其中，伺服执行元件一般为电机，位置传感器用于检测电机的位置，控制器用于根据传感器的反馈信号控制电机的运动，电源用于为电机提供动力。
2. 伺服电机伺服电机是一种能够根据外部控制信号精确控制位置、速度和力的电机。
常见的伺服电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进伺服电机等。
3. 位置传感器位置传感器用于检测伺服电机的位置，并将检测到的位置信息反馈给控制器。
常见的位置传感器有编码器、光栅尺、霍尔传感器等。
4. 控制器控制器是伺服系统中的核心部件，其主要功能是根据传感器的反馈信号计算出电机的控制指令，并将指令输出给电机驱动器。
5. 电机驱动器电机驱动器接收控制器输出的控制指令，通过控制电机的电源电压和频率来控制电机的转速和扭矩。
二、伺服控制原理1. 闭环控制伺服控制采用闭环控制的原理，即通过不断地检测输出和反馈，在控制过程中校正误差，从而实现精确的位置、速度和力控制。
在闭环控制系统中，控制器通过比较实际输出和期望输出之间的差距，不断调整控制指令，使输出逐渐趋近期望值。
2. PID控制PID控制是伺服控制中常用的一种控制算法，即比例、积分、微分控制算法的组合。
比例控制用于根据误差的大小调整控制输出；积分控制用于消除持续的误差；微分控制用于预测误差的变化趋势，并及时做出调整。
PID控制算法可以根据实际情况进行调整，适用于各种伺服控制场景。
3. 伺服控制系统的设计伺服控制系统的设计需要考虑多个因素，包括伺服系统的要求、控制器的选择、传感器的选择、电机的选择、控制算法的选择等。
在设计伺服控制系统时，需根据实际情况权衡各种因素，从而达到满足控制要求并尽可能减小成本的目标。
三、伺服控制应用领域1. 工业自动化在工业自动化领域，伺服控制被广泛应用于各种生产设备的位置和速度控制，如注塑机、包装机、数控机床等。
伺服控制可以实现快速、稳定、精确的运动控制，提高生产效率和产品质量。
伺服系统简介介绍
受控对象
被控制的设备或系统， 可以是机械系统、电气 系统或其他系统。
伺服系统的分类
按受控对象
可分为位置伺服系统、速度伺服系统和力伺 服系统等。
按控制方式
可分为开环伺服系统和闭环伺服系统。
按执行器类型
可分为电动伺服系统、气动伺服系统和液压 伺服系统等。
02
01
按应用领域
可分为数控机床、机器人、航空航天、自动 化生产线等领域的伺服系统。
04
03
02 伺服系统的工作原理
伺服系统的工作原理
• 伺服系统是一种能够精确控制运动和速度的控制系 统。它广泛应用于各种工业自动化设备中，如数控 机床、机器人、印刷机等。
伺服系统的应用场景
03
工业自动化
01
数控机床
伺服系统用于数控机床的精密加工，提高加工精度和效 率。
02
生产线自动化
伺服系统用于生产线自动化，实现生产过程的精确控制 和优化。
能。
自动驾驶
伺服系统用于自动驾驶汽车的导航 和控制，实现精确的路径规划和避 障。
悬挂系统控制
伺服系统用于悬挂系统的控制，提 高车辆的行驶平顺性和稳定性。
04 伺服系统的优势与挑战
伺服系统的优势与挑战
• 伺服系统是一种被广泛应用于各种工业和商业领域的控制系 统。它通过接收输入信号，并利用内部的电子和机械部件来 控制输出运动，以满足特定的应用需求。伺服系统具有高精 度、高速度、高可靠性等优点，但也面临着一些挑战。
升级的工业应用需求。
03
5G技术的应用
5G技术为工业互联网的发展带来了新的机遇。未来的伺服系统将更加
注重与5G技术的融合，以实现更高效、更稳定的生产和制造。
工业机器人控制系统的设计与实现
工业机器人控制系统的设计与实现工业机器人是现代工业生产中不可或缺的装备之一，其高效、精准的工作能力为工业生产带来了巨大的提升和改善。
而工业机器人控制系统则是实现机器人自动化操作的核心，它能够对机器人进行准确、稳定的控制和指令，使得机器人能够按照设定的任务进行操作。
本文将详细介绍工业机器人控制系统的设计与实现。
首先，需求分析是工业机器人控制系统设计的基础。
在需求分析阶段，需要明确机器人的工作环境、任务要求以及运行效率等方面的要求。
对于不同类型的工业机器人，其控制系统的需求也会有所不同，比如针对装配任务的机器人需要具备较高的精度和稳定性，而针对搬运任务的机器人则需要具备较高的速度和负载能力。
其次，架构设计是工业机器人控制系统设计的重要环节。
架构设计包括了机器人控制器和机器人执行部分的设计。
机器人控制器主要负责接收、处理和分析外部输入信号，并生成相应的控制指令。
而机器人执行部分则负责将控制指令转化为实际的机器人动作。
在架构设计中，需要考虑控制器和执行部分之间的通信方式和接口标准，以及控制器的实现方式（如单片机或嵌入式系统）和执行部分的动力结构（如电机驱动系统）等。
最后，硬件实现是工业机器人控制系统设计的最后一步。
硬件实现包括了选取适当的传感器装置和执行元件，以及搭建控制器和执行部分的硬件电路。
传感器的选择要根据机器人的任务要求和工作环境来确定，比如需要高精度定位时可以采用视觉传感器或激光测距传感器，需要力控制时可以选用力传感器等。
执行元件的选择要根据机器人的负载和速度要求来确定，比如需要高速运动时可以选择步进电机，需要高负载能力时可以选择伺服电机等。
控制器和执行部分的硬件电路的设计要根据控制算法的要求和硬件接口的标准来进行，同时要考虑硬件实现的成本和实用性。
综上所述，工业机器人控制系统的设计与实现涉及了多个关键环节，包括需求分析、架构设计、控制算法设计和硬件实现等。
在设计阶段，需要全面考虑机器人的工作环境、任务要求和性能指标，以实现机器人的高效、精准操作。
工业机器人交流伺服调速原理
工业机器人交流伺服调速原理1. 介绍工业机器人是一种能够自动执行各种任务的机械设备。
为了更好地控制机器人的运动，提高其运动精度和稳定性，通常会采用伺服调速系统来实现对机器人关节的精确控制。
本文将详细介绍与工业机器人交流伺服调速原理相关的基本概念和原理。
2. 伺服系统基本原理伺服系统是一种能够根据输入信号精确控制输出位置、速度或力量的闭环控制系统。
它由传感器、控制器和执行器组成。
传感器用于测量输出位置、速度或力量，并将其转换为电信号输入到控制器中。
控制器根据输入信号与设定值之间的差异，计算出输出信号，并发送给执行器。
执行器接收到输出信号后，通过驱动装置将机械部件移动到指定位置、以指定速度或施加指定力量。
伺服系统的基本原理是通过不断地比较测量值与设定值之间的差异，对输出进行调整，使得差异趋近于零，从而实现对位置、速度或力量的精确控制。
3. 交流伺服调速系统交流伺服调速系统是一种常用于工业机器人的伺服系统。
它由交流电动机、编码器、控制器和功率放大器组成。
交流电动机是伺服系统的执行器，通过转换电能为机械能来驱动机械部件进行运动。
编码器用于测量电动机输出轴的位置和速度，并将其转换为脉冲信号输入到控制器中。
控制器根据输入信号与设定值之间的差异，计算出输出信号，并发送给功率放大器。
功率放大器接收到输出信号后，将其放大，并传递给交流电动机，从而实现对电动机的精确控制。
4. 交流伺服调速原理交流伺服调速原理基于闭环反馈控制。
它通过不断地比较编码器测量值与设定值之间的差异，对输出进行调整，使得差异趋近于零，从而实现对位置和速度的精确控制。
具体而言，交流伺服调速原理包括以下几个步骤：步骤1：传感器测量编码器测量电动机输出轴的位置和速度，并将其转换为脉冲信号。
这些脉冲信号输入到控制器中，作为测量值。
步骤2：设定值输入设定值是用户期望电动机输出轴的位置和速度。
设定值通过控制器的输入接口输入到控制器中。
步骤3：控制器计算控制器根据测量值和设定值之间的差异，计算出输出信号。
工业机器人的控制系统
多关节位置控制是指考虑各关节之间的相互影响而对每一个关节分别设计的控制器。 但是若多个关节同时运动，则各个运动关节之间的力或力矩会产生相互作用，因而又不 能运用单个关节的位置控制原理。要克服这种多关节之间的相互作用，必须添加补偿， 即在多关节控制器中，机器人的机械惯性影响常常被作为前馈项考虑。
（6） 打印机接口。打印机接口用于打印记录需要输出的各种信息。 （7） 传感器接口。传感器接口用于信息的自动检测，实现机器人的柔顺 控制等。一般为力觉、触觉和视觉传感器。
（8） 轴控制器。用于完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 （9） 辅助设备控制。用于控制机器人的各种辅助设备，如手爪变位器等。 （10） 通信接口。用于实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接 口、并行接口等。
总之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学密切相关的、 紧耦合的、非线性的多变量控制系统。
4.1.2 工业机器人控制系统的功能
(1)示教-再现功能。机器人控制系统可实现离线编程、在线示教及间接示教等 功能，在线示教又包括通过示教器进行示教和导引示教两种情况。在示教过程中， 可存储作业顺序、运动方式、运动路径和速度及与生产工艺有关的信息。在再现过 程中，能控制机器人按照示教的加工信息自动执行特定的作业。
4.1.4 工业机器人控制系统的组成
工业机器人控制系统的组成，主要包括： （1） 控制计算机。它是控制系统的调度指挥机构，一般为微型机和可 编程逻辑控制器（PLC）。 （2） 示教编程器。示教机器人的工作轨迹、参数设定和所有人机交互 操作拥有自己独立的CPU及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现 信息交互。 （3） 操作面板。操作面板由各种操作按键和状态指示灯构成，能够完 成基本功能操作。 （4） 磁盘存储。存储工作程序中的各种信息数据。 （5） 数字量和模拟量输入/输出。数字量和模拟量输入/输出是指各种状 态和控制命令的输入或输出。
工业机器人控制系统的特点及基本功能
工业机器人控制系统的特点及基本功能1. 引言1.1 概述工业机器人作为现代工业自动化的重要组成部分，在生产制造中扮演着关键的角色。
而工业机器人的控制系统是实现其精确运动控制和高效自动化的核心。
本文将介绍工业机器人控制系统的特点及其基本功能，以便更好地理解和应用这一技术。
1.2 文章结构本文主要包括五个部分：引言、工业机器人控制系统的特点、工业机器人控制系统的基本功能、其他相关特点和功能介绍、结论。
通过对这些内容的解析，读者将对工业机器人控制系统有更全面的认识。
1.3 目的文章旨在讨论和阐述工业机器人控制系统在现代生产制造中所具有的特点和基本功能，以帮助读者深入了解这一领域并提升其应用能力。
通过详细介绍每个部分的内容，读者将能够清晰地了解工业机器人控制系统，并在实践中灵活运用这些知识。
以上是文章“1. 引言”部分内容，请根据需要进行调整补充。
2. 工业机器人控制系统的特点2.1 开放性和可编程性工业机器人控制系统具有开放性和可编程性的特点。
开放性指的是这一系统能够与其他设备进行连接，并且能够通过编程来实现各种操作和功能。
工业机器人通常配备了多种接口，如以太网、RS232等，可以与其他设备进行通信和数据交换。
而可编程性则表明该系统可以根据需要进行编程和定制，以适应不同生产任务的要求。
2.2 自动化程度高工业机器人控制系统是一种高度自动化的控制系统。
它能够执行复杂的运动路径规划、精确的位置定位、力量控制等操作，并且能够根据预设条件和算法自主地完成各项任务。
这种高自动化程度使得工业机器人在生产过程中能够取代繁重、危险或需要高精度操作的工作。
2.3 精确性和重复性要求高工业机器人控制系统对精确性和重复性有较高要求。
在很多生产领域，尤其是需要对产品进行装配、焊接、喷涂等操作时，工业机器人需要能够准确地定位和操作，并保证每次操作的结果一致。
因此，工业机器人控制系统需要具备高精度的运动控制能力，以及对传感器数据进行实时处理和反馈控制能力。
伺服系统在工业机器人的应用
伺服系统在工业机器人的应用工业机器人有4大组成部分，分别为本体、伺服、减速器和控制器。
而其中，工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。
一般情况下，对于交流伺服驱动器，可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现位置控制、速度控制、转矩控制等多种功能。
伺服系统(servomechanism)又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。
伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。
广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。
狭义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量(输出量)是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量(输入量)作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。
伺服系统的结构组成机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
伺服系统组成原理框图1、比较环节比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。
2、控制器控制器通常是计算机或PID(比例、积分和微分)控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。
3、执行环节执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。
机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。
4、被控对象被控对象指被控制的物件，例如一个机械手臂，或是一个机械工作平台。
5、检测环节检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
·26·
教学工业机器人位置伺服控制系统分析
[摘要]本文详细介绍了直流电机驱动的五关节工业机器人的位置伺服系统的原理,并阐述了其工作过程。
该系统以旋转变压器为反馈元件构成闭环相位比较式的数字伺服系统,其调相器根据输入指令形成相位超前或滞后电压与反馈电压进行相位比较达到工业机器人关节位置控制的目的。
[关键词]工业机器人;数字伺服系统;旋转变压器;调相器
[Abstract ]In this p a p er ,the p rinci p le of a p osition servo control s y stem of automaton has been discussed in detail .The p hase com p arin g di g ital drive 's feedback com p onent is revolvin g -transformer ,b y which a closed loo p control method comes into bein g .Accordin g to com -mands ,a leading orlagging phase voltage ,which compares with feedback signal ,is formed in the phase modulator to control the industry robot system .
[Ke y words ]industry robot ;servo control system ;revolving -transformer ;phase modulator
◆邓巍
韩庆瑶
黄靖
华北电力大学机械系
1工业机器人组成与特点
本文介绍的工业机器人由工业机器人主体,电气控制柜,控制接口装置及PC 机组成。
如图1所示:PC 机完成键盘示教,轨迹插补等功能;控制接口装置
将上位机数据转换为伺服系统所需要的数据类型;电气控制柜及各个关节的力矩电机、旋转变压器完成对工业机器人的闭环伺服控制;工业机器人的主体共有五个关节及一个手爪,采用同步齿形带和齿轮传动。
工业机器人的伺服系统决定着工业机器人计算机控制系统的工作方式。
下面对伺服控制系统的结构与伺服控制过程进行分析和研究。
2脉冲列输入的相位比较式的数字伺服系统
根据信号的输入方式不同,数字伺服系统主要有两大类:一类是脉冲列输入方式的伺服系统;另一类是数值指令输入方式的伺服系统。
输入脉冲列伺服控制系统对运动的位置、速度、加速度的控制都是由脉冲列的输入实现。
脉冲的个数对应伺服电机输出轴的转角;脉冲频率的高低,对应于电动机转速的高低;脉冲频率的变化率对应于电动机加速度变化。
脉冲列输入方式的伺服系统中有一类相位比较式的伺服系统,其特点是反馈元件采用相位工作方式,伺服系统把指
令信号和反馈信号变成某个载波信号的相位,然后进行二者相位比较,得到实际位置与给定位置的偏差Δθ。
脉冲列输入的相位比较式的数字伺服系统原理简单,可由硬件实现,能满足本文介绍的工业机器人的要求。
具体的系统原理图如图2所示。
3工业机器人的位置反馈元件
工业机器人的位置反馈元件采用了旋转变压器。
旋转变压器是应用电磁感应定律把位移量(包括角位移与线位移)转换成电量的一种传感器。
它具有两个平面形的矩形绕组,通过两个绕组的互感变化来检测其相互间运动的位置。
对于由旋转变压器组成的检测系统,可以采用不同的激磁方式,并对输出信号
·27·
图2脉冲比较相位伺服系统原理方块图
e =e s +e c =k v U m (sin
2πx T cos ωt -c os 2πx
T
sin ωt )=k v U m sin (ωt -2πx T
)=k v U m sin (
ωt -θ2)(1)
e s =-k v U m cos 2πx
T
sin ωt e c =-k v U m sin 2πx
T
cos ωt
θ
有不同的处理方法。
从激磁方式来说,可分为两大类:一类是以定子励磁,由转子取出感应信号;另一类以转子励磁,由定子取出感应电势信号。
目前在实际应用中多采用第二类方法。
根据对输出信号的不同处理方法,可把旋转变压器的检测系统分成幅值工作状态和相位工作状态。
相位工作状态是使用正弦波进行励磁,根据感应电势的相位来鉴别位移量的工作方式,习惯上称为鉴相型系统。
旋转变压器的转子分为正弦和余弦两相绕组。
鉴相型工作方式的特点是在转子的正弦余弦绕组上供给频率相同、振幅相等,但相位差90°的正弦电压作励磁电压。
两个绕组的励磁电压表示为:
u s =U m cos ωt u c =U m sin ωt
定子只有一相平面连续绕组,这时在定子上的感应电势分别为:
其中kv 为旋转变压器的电压传递系数,表示绕组
间处在最大互感耦合时,输出电压与输入电压的幅值比。
es 和ec 在定子中总的感应电势按叠加原理应为式中θ2=2πx
T。
感应电势的相位角θ2恰好是定子与转子的相对位移角,所以当θ2变化时,则感应电势随着
变化,这就是鉴相型工作方式的理论依据。
工业机器人伺服控制系统设计了一个相对分频器,它能
根据指令脉冲的情况输出一个相位超前或滞后
变化的电压,利用这样的电压去和定子的输出电压作相位比较。
当相对分频器输出电压的相位落后于定子输出电压相位时,相对分频器能在控制电路的控制下,把分频器输出电压的相位“往前赶”,达到于定子输出电压的相位差为零为止;反之,当分频器的输出电压的相位超前于定子输出电压相位时,则在控制电路的作用下,相对分频器输出电压的相位“向后移”,达到与定子输出电压的相位差变为零为止。
这时相对分频器的输出电压的相位恰好等于θ2。
旋转变压器用于定位控制时,将实际工作要求的位移值作为指令相位角θ1输入鉴相器,而用反映实际位移的相位角θ2来与θ1比较,当θ2θ1时,鉴相器便能将相位差Δθ=θ2-θ1鉴别出来,并把它变成模拟直流电压,经过放大后驱动伺服系统工作,使运动部件作相应的运动,以减少Δθ,直至使θ2=θ1为止,实现了定位控制的目的。
4旋转变压器测角单元在本伺服系统中的工作过程
旋转变压器测角单元在本伺服系统中的原理框图如图3所示。
将式(1)的模拟电压相位角θ转换为数字量,即A /D 转换过程,由鉴相器完成。
鉴相器主要由整形(A /D )、比相、鉴相与D /A 转换四部分电路组成,各阶段的波形图如4所示。
鉴相器输出的脉冲经计数器,
得到对应于机械角度的数字量。
已知本系统的激磁频率为400HZ ,填充脉冲频率为1.6MHZ ,则一个填充脉冲对应的关节运动角度为
Δθ=360
400HZ
1.6MHZ
=0.09°
也是系统的分辨率。
·28·
图3旋变系统原理框图
图4鉴相器内各级波形图
本伺服系统计数器的输入为串行脉冲,输出为并行12位数字量,经D /A 转换,输出相应的模拟电压。
机器人的伺服系统有两个输入端,脉冲输入端和
电平输入端。
每当脉冲输入端接到一个脉冲,力矩电机输出轴将沿正向(或反向)转一个恒定角度(0.09o )。
沿正向还是反向,取决于脉冲来到时电平输
入端的输入电平为高还是为低。
5总结
本文介绍了一种工业机器人伺服控制系统。
上位计算机输出指令,经控制接口装置输入伺服系统,完成对工业机器人运动轨迹和运动速度、加速度的控制。
运行结果证明脉冲列输入相位比较数字伺服系统工作可靠、稳定,在各种工业机器人的伺服控制系统中有广泛的应用前景。
参考文献
[1]贾伯年,俞朴.传感器技术[M ].南京:东南大学出
版社,1992
[2]孙迪生,王炎著.机器人控制技术[M ].北京:机械工业出版社,1997[3]王亭.基于单片机的轴角-数字转换电路的设计[J ].电子技术应用,1998,(1):19～20[4]周风余、肖海荣.高精度伺服控制系统位置检测单元的设计[J ].电气传动,2000,(3):33～37。