第5章工業(yè)機(jī)器人控制

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

TechnologyofIndustryRobots北京聯(lián)合大學(xué)BeijingUnionUniversity章節(jié)安排2023年2月4日2第一章緒論第二章工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)第四章工業(yè)機(jī)器人靜力計(jì)算及動(dòng)力學(xué)分析第五章工業(yè)機(jī)器人控制第六章工業(yè)機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)第七章工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃與編程第八章工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用第五章工業(yè)機(jī)器人控制5.1機(jī)器人控制系統(tǒng)與控制方式5.2單關(guān)節(jié)機(jī)器人模型和控制5.3基于關(guān)節(jié)坐標(biāo)的控制5.4基于作業(yè)空間的伺服控制5.5機(jī)器人末端操作器的力/力矩控制2023年2月4日35.1機(jī)器人控制系統(tǒng)與控制方式

機(jī)器人控制的基本目的告訴機(jī)器人要做什么;機(jī)器人接受命令，并形成作業(yè)的控制策略;保證正確完成作業(yè);

通報(bào)作業(yè)完成情況。

2023年2月4日4機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成四大組成部分?執(zhí)行機(jī)構(gòu)?驅(qū)動(dòng)單元?控制系統(tǒng)?智能系統(tǒng)2023年2月4日5

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人完成工作任務(wù)的機(jī)械實(shí)體一般為“機(jī)械手臂+末端操作器”

機(jī)械手臂manipulator：一般為由桿件機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)組成的空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)常常進(jìn)一步細(xì)分為機(jī)座腰部臂部肩和肘腕部

末端操作器end-effector

：按作業(yè)用途定（是機(jī)器人完成特定作業(yè)的關(guān)鍵裝置）2023年2月4日6

驅(qū)動(dòng)單元

包括驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器：電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、DD電機(jī)）、氣缸、液壓缸、新型驅(qū)動(dòng)器。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：諧波傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、繩傳動(dòng)、各種齒輪傳動(dòng)及液力傳動(dòng)。運(yùn)動(dòng)件：機(jī)器人本體上的各運(yùn)動(dòng)體。2023年2月4日7

控制系統(tǒng)

一般由控制計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置和伺服控制器（servocontroller）組成

控制計(jì)算機(jī)：根據(jù)作業(yè)要求接受編程發(fā)出指令控制協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)并根據(jù)環(huán)境信息協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)

伺服控制器：控制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器使其按一定的速度加速度和軌跡要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)2023年2月4日8

智能系統(tǒng)

正在發(fā)展中智能機(jī)器人除運(yùn)動(dòng)機(jī)能外還有如下三種機(jī)能

感知機(jī)能：獲取外部環(huán)境信息以便進(jìn)行自我行動(dòng)決策和監(jiān)視的機(jī)能，視覺(jué)傳感器是當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn)

思維機(jī)能：求解問(wèn)題的認(rèn)識(shí)推理和判斷機(jī)能——人工智能

人—機(jī)通信機(jī)能：理解指示命令輸出內(nèi)部狀態(tài)與人進(jìn)行信息交換的機(jī)能2023年2月4日9機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)典型的機(jī)器人有5至6個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)伺服系統(tǒng)控制，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)要求各個(gè)伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。機(jī)器人的工作任務(wù)是使末端執(zhí)行器進(jìn)行空間點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)或軌跡運(yùn)動(dòng)。對(duì)于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算以及矩陣函數(shù)的逆運(yùn)算。機(jī)器人數(shù)學(xué)模型是多變量、非線性和變參數(shù)的復(fù)雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此機(jī)器人的控制中常使用前饋、補(bǔ)償、解耦、自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。較高級(jí)的機(jī)器人要求對(duì)環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測(cè)定和分析，采用計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫(kù)，用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求自動(dòng)選擇最佳控制規(guī)律。2023年2月4日1011機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能(1)伺服控制功能：主要是指機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等的控制。(2)運(yùn)算功能：包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題和逆問(wèn)題的運(yùn)算；連續(xù)軌跡控制機(jī)器人的直角坐標(biāo)軌跡插補(bǔ)和一些函數(shù)運(yùn)算。在高速度、高精度的機(jī)器人控制系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)還要完成機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型和復(fù)雜控制算法等運(yùn)算功能。(3)系統(tǒng)的管理功能

①方便的人機(jī)交互功能。②具有對(duì)外部環(huán)境(包括作業(yè)條件)的檢測(cè)和感覺(jué)功能。⑤系統(tǒng)的監(jiān)控與故障診斷功能。2023年2月4日1112機(jī)器人控制方法的分類

根據(jù)不同的分類方法，機(jī)器人控制方式可以有不同的分類。下圖是一種常用的分類方法。從總體上，機(jī)器人的控制方式可以分為動(dòng)作控制方式和示教控制方式。按照被控對(duì)象來(lái)分，可以分為位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制等等。

無(wú)論是位置控制或速度控制，從伺服反饋信號(hào)的形式來(lái)看，又可以分為基于關(guān)節(jié)空間的伺服控制和基于作業(yè)空間(手部坐標(biāo))的伺服控制。2023年2月4日12132023年2月4日13142023年2月4日1415機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能組成

記憶功能：存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。

示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。

與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。

坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對(duì)、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。

人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。

傳感器接口：位置檢測(cè)、視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等

位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?/p>

故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。2023年2月4日1516

機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

（1）控制計(jì)算機(jī)

控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)。一般為微型機(jī)、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU；（2）示教盒

示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機(jī)交互操作，擁有自己獨(dú)立的CPU以及存儲(chǔ)單元，與主計(jì)算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互；（3）操作面板

由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作；（4）硬盤(pán)和軟盤(pán)存儲(chǔ)存儲(chǔ)機(jī)器人工作程序的外圍存儲(chǔ)器；（5）數(shù)字和模擬量輸入輸出

各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出；（6）打印機(jī)接口

記錄需要輸出的各種信息；（7）傳感器接口

用于信息的自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制，一般為力覺(jué)、觸覺(jué)和視覺(jué)傳感器；（8）軸控制器

完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制；（9）輔助設(shè)備控制

用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等；（10）通信接口

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等；（11）網(wǎng)絡(luò)接口。2023年2月4日1617

機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖2023年2月4日1718

機(jī)器人的軌跡控制機(jī)械手由初始點(diǎn)(位置和姿態(tài))運(yùn)動(dòng)到終止點(diǎn)經(jīng)過(guò)的空間曲線稱為路徑。軌跡規(guī)劃方法一般是在機(jī)器人初始位置和目標(biāo)位置之間用多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并產(chǎn)生一系列“控制設(shè)定點(diǎn)”。路徑端點(diǎn)一般是在笛卡兒坐標(biāo)中給出的。如果需要某些位置的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，則可調(diào)用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題求解程序，進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換。在給定的兩端點(diǎn)之間，常有多條可能的軌跡。而軌跡控制就是控制機(jī)器人手端沿著一定的目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)。因此，目標(biāo)軌跡的給定方法和如何控制機(jī)器人手臂使之高精度地跟蹤目標(biāo)軌跡的方法是軌跡控制的兩個(gè)主要內(nèi)容。給定目標(biāo)軌跡的方式有示教再現(xiàn)方式和數(shù)控方式（離線編程）兩種。

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示教再現(xiàn)方式示教再現(xiàn)方式是在機(jī)器工作之前，讓機(jī)器人手端沿目標(biāo)軌跡移動(dòng)，同時(shí)將位置及速度等數(shù)據(jù)存入機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)中。在機(jī)器人工作時(shí)再現(xiàn)所示教的動(dòng)作，使手端沿目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)。示教時(shí)使機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的方法有兩種：一種是用示教盒上的控制按鈕發(fā)出各種運(yùn)動(dòng)指令；另一種是操作者直接用手抓住機(jī)器人手部，使其手端按目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)。軌跡記憶再現(xiàn)的方式有點(diǎn)位控制(PTP)和連續(xù)路徑控制(CP)。點(diǎn)位控制主要用于點(diǎn)焊作業(yè)、更換刀具或其他工具等情況。連續(xù)路徑控制主要用于弧焊、噴漆等作業(yè)。2023年2月4日1920

數(shù)控方式數(shù)控方式與數(shù)控機(jī)床的控制方式一樣，是把目標(biāo)軌跡用數(shù)值數(shù)據(jù)的形式給出。這些數(shù)據(jù)是根據(jù)工作任務(wù)的需要設(shè)置的。無(wú)論是采用示教再現(xiàn)方式還是用數(shù)值方式，都需要生成點(diǎn)與點(diǎn)之間的目標(biāo)軌跡。此種目標(biāo)軌跡要根據(jù)不同的情況要求生成。但是也要遵循一些共同的原則。例如，生成的目標(biāo)軌跡應(yīng)是實(shí)際上能實(shí)現(xiàn)的平滑的軌跡；要保證位置、速度及加速度的連續(xù)性。保證手端軌跡、速度及加速度的連續(xù)性，是通過(guò)各關(guān)節(jié)變量的連續(xù)性實(shí)現(xiàn)的。2023年2月4日2021位置和力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有力反饋的控制系統(tǒng)如圖其工作過(guò)程為：機(jī)器人開(kāi)始工作時(shí)，機(jī)器人手端(或安裝在手臂端部的工具)按指令要求沿目標(biāo)軌跡和給定速度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)手端與環(huán)境接觸時(shí)，安裝在機(jī)器人上的接觸傳感器或力傳感器感覺(jué)到接觸的發(fā)生。機(jī)器人控制程序按新的自然約束和人工約束來(lái)執(zhí)行新的控制策略，即位置與力的混合控制。2023年2月4日215.2單關(guān)節(jié)機(jī)器人模型和控制機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要要求歸納如下：①快速性。電動(dòng)機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短。②啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大。③控制特性的連續(xù)性和直線性。④調(diào)速范圍寬。能使用于1:1000至1:10000的調(diào)速范圍。⑤體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。⑥能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受過(guò)載。222023年2月4日22驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率范圍一般為0.1~10kW。工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所采用的電動(dòng)機(jī)，可細(xì)分為以下幾種：①交流伺服電動(dòng)機(jī)。包括同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)等。②直流伺服電動(dòng)機(jī)。包括小慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)、大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。③步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。包括永磁感應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。232023年2月4日23直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理直流電機(jī)由永磁鋼構(gòu)成的定子、繞有線圈的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)向器及電刷等構(gòu)成。當(dāng)電流通過(guò)電刷和轉(zhuǎn)向器流過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，這時(shí)轉(zhuǎn)子成為一個(gè)電磁鐵，在轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生吸引力或推斥力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由電刷和轉(zhuǎn)向器來(lái)切換電流方向，使電機(jī)按同一方向旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)負(fù)載做功。2023年2月4日24直流電機(jī)的特征

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制及效率高等十分優(yōu)良的特性。但是，由于有電刷和換向器，在其壽命、噪聲等方面必然存在不足。為了克服這一缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)研制出了無(wú)刷直流電機(jī)。在進(jìn)行位置控制和速度控制時(shí)，需要使用轉(zhuǎn)速傳感器，實(shí)現(xiàn)位置、速度負(fù)反饋的閉環(huán)控制方式。2023年2月4日25

直流電機(jī)的基本特性由圖可知直流電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電流成比例。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí)電流為最大值，同時(shí)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩），隨著轉(zhuǎn)速的升高，線圈的反電動(dòng)勢(shì)相應(yīng)增大，電流逐漸減小，轉(zhuǎn)矩也隨之變小。2023年2月4日26直流電機(jī)的線性控制也可稱為電阻控制方式。在電機(jī)與電源之間插入晶體三極管，這個(gè)晶體三極管相當(dāng)于一個(gè)可變電阻器，也就相當(dāng)于控制了加于電機(jī)上的電壓，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。晶體管工作于不飽和區(qū)，基本上與低頻功率放大器的電路結(jié)構(gòu)相同2023年2月4日27直流電機(jī)的PWM控制

晶體三極管作為一個(gè)開(kāi)關(guān)，使加到電機(jī)上電壓的ON與OFF的時(shí)間比（占空比，dutytatio）發(fā)生變化，從而控制電機(jī)電壓的平均值。由于三極管工作于飽和狀態(tài)，幾乎不消耗功率，因此PWM控制方式比較經(jīng)濟(jì)。但由于電機(jī)供電電壓處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此會(huì)有噪聲、振動(dòng)以及電刷、換向器損傷等問(wèn)題。2023年2月4日28步進(jìn)電機(jī)的分類

PM型(PermanentMagnet)VR型(VariableReluctance)HB型（HyBrid）2023年2月4日29PM型步進(jìn)電機(jī)的工作原理轉(zhuǎn)子為圓筒形永磁鋼，定子位于轉(zhuǎn)子的外側(cè)。定子線圈中流過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生定子磁場(chǎng)。定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間相互作用，產(chǎn)生吸引力或排斥力從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。步距角為90°或45°。

2023年2月4日30VR型步進(jìn)電機(jī)的工作原理轉(zhuǎn)子由齒輪狀的低碳鋼構(gòu)成。轉(zhuǎn)子在通電相定子磁場(chǎng)的作用下，旋轉(zhuǎn)到磁阻為最小的位置。通常使用的步距角為0.9°、1.8°及3.6°等。2023年2月4日31HB型步進(jìn)電機(jī)的工作原理是VR型和PM型的復(fù)合型步進(jìn)電機(jī)，能獲得與VR型相同的很小的步距角。因具有較大轉(zhuǎn)矩而得到廣泛應(yīng)用2023年2月4日32步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性2023年2月4日33步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路單極型驅(qū)動(dòng)方式和雙極型驅(qū)動(dòng)方式兩類。單極型驅(qū)動(dòng)方式為標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)方式，電路構(gòu)成較為簡(jiǎn)單。雙極型驅(qū)動(dòng)方式與單極型驅(qū)動(dòng)方式相比，可以產(chǎn)生2倍的轉(zhuǎn)矩，但驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜。應(yīng)根據(jù)控制對(duì)象的不同，適當(dāng)選擇不同的驅(qū)動(dòng)方式。2023年2月4日34單極型驅(qū)動(dòng)方式定子線圈中流過(guò)電流進(jìn)行磁場(chǎng)切換時(shí)，線圈的中點(diǎn)與兩端點(diǎn)之間，無(wú)論哪一邊都只流過(guò)一個(gè)方向的電流2023年2月4日35雙極型驅(qū)動(dòng)方式定子線圈的中點(diǎn)不接線。定子線圈中通過(guò)電流進(jìn)行磁場(chǎng)切換時(shí)，線圈兩端所加電壓作正、負(fù)切換，從而使線圈中電流方向改變。與單極型驅(qū)動(dòng)方式相比，可以產(chǎn)生2倍的轉(zhuǎn)矩，因此電機(jī)效率較高2023年2月4日36交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

感應(yīng)電機(jī)（inductionmotor）同步電機(jī)（synchronousmotor）無(wú)刷直流電機(jī)（brushlessDCmotor）2023年2月4日37感應(yīng)電機(jī)（inductionmotor）感應(yīng)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均由鐵心線圈構(gòu)成，可分為單相電機(jī)或三相電機(jī)。轉(zhuǎn)子鐵心是硅鋼片疊壓而制成，由定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。定子線圈稱為一次線圈，轉(zhuǎn)子線圈稱為二次線圈。由于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量輕、慣性小，因此響應(yīng)速度非?？臁?023年2月4日38同步電機(jī)（synchronousmotor）同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子由永久磁鋼成磁極，定子與感應(yīng)電機(jī)一樣由鐵心線圈構(gòu)成，可分為單相同步電機(jī)和三相同步電機(jī)兩種。這種永磁同步電機(jī)可以做得很小，因此響應(yīng)速度很快，其主要應(yīng)用于中功率以下的工業(yè)機(jī)器人中2023年2月4日39無(wú)刷直流電機(jī)霍爾元件或旋轉(zhuǎn)編碼器等構(gòu)成的位置傳感器和逆變器（inverter）取代了直流電機(jī)的電刷和換向器部分。無(wú)刷直流電機(jī)具有與普通直流電機(jī)相同的特性，并且不需要維護(hù)，噪聲小。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，所以快速響應(yīng)性能好。轉(zhuǎn)子磁極采用永久磁鋼，沒(méi)有勵(lì)磁損耗，提高了電機(jī)的工作效率。2023年2月4日40無(wú)刷直流電機(jī)的控制電路

由霍爾元件和晶體三極管構(gòu)成的逆變器電路。其中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由霍爾元件控制三極管導(dǎo)通，按順序反復(fù)給線圈勵(lì)磁，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。2023年2月4日41液壓驅(qū)動(dòng)器液壓缸

液壓馬達(dá)2023年2月4日42液壓缸工作原理

高壓油從A口進(jìn)入缸體內(nèi)并推動(dòng)活塞，排油側(cè)的油通過(guò)B口排出，這樣在活塞兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，使活塞向前移動(dòng)；如果從B口供油，從A口排油，則活塞將向相反方向移動(dòng)。2023年2月4日43液壓馬達(dá)（徑向活塞式）

工作時(shí)，各活塞和曲軸通過(guò)連桿連接起來(lái)，與曲軸連接的旋轉(zhuǎn)閥門(mén)把從A口進(jìn)入的壓力油依次共給各個(gè)活塞，受液壓驅(qū)動(dòng)的活塞推動(dòng)曲軸產(chǎn)生力矩；另一側(cè)的B口為排油口，如果從B口供油，則液壓馬達(dá)向相反方向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)A口變?yōu)榕庞涂凇?023年2月4日44擺動(dòng)式液壓馬達(dá)由兩個(gè)在機(jī)殼內(nèi)滑動(dòng)的葉片、與葉片固聯(lián)的軸及兩塊靴狀瓦等構(gòu)成。當(dāng)從A口供油時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)軸上的通路也同時(shí)向另一側(cè)的腔內(nèi)供油，排油腔內(nèi)的油由B口排出，這時(shí)液壓馬達(dá)向順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)葉片碰到制動(dòng)器時(shí)，液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)從B口供油時(shí)，A口為排油口，液壓馬達(dá)則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。2023年2月4日45氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器

氣缸

氣馬達(dá)

兩種方式：(1)氣缸內(nèi)供給壓縮空氣，使活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由活塞桿將動(dòng)力傳出，帶動(dòng)機(jī)械做功。(2)向機(jī)體的封閉腔內(nèi)供給壓縮空氣，帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，從而獲得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2023年2月4日46單向驅(qū)動(dòng)氣缸

從A口供給壓縮空氣，推動(dòng)活塞前進(jìn)，使活塞桿上產(chǎn)生推力；當(dāng)停止供給壓縮空氣后，依靠?jī)?nèi)部安裝的彈簧力使活塞復(fù)位。2023年2月4日47雙向驅(qū)動(dòng)氣缸

從A口供給壓縮空氣，推動(dòng)活塞移動(dòng)，排氣室的壓縮空氣從B口排出。從而使活塞桿上產(chǎn)生推力，向前運(yùn)動(dòng)。若從B口供給壓縮空氣，從A口排出空氣，則使活塞向后移動(dòng)。2023年2月4日48徑向活塞式氣動(dòng)馬達(dá)

工作時(shí)，各活塞與曲軸由連桿連接，與轉(zhuǎn)軸為一體的旋轉(zhuǎn)閥門(mén)把從A口進(jìn)入的壓縮空氣一次供給各活塞；由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的活塞推動(dòng)曲軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，另一側(cè)的B口作為排氣口；若從B口供給壓縮空氣，則氣動(dòng)馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)A口變?yōu)榕艢饪凇?023年2月4日49擺動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行裝置（葉片式）

在機(jī)殼內(nèi)側(cè)滑動(dòng)的葉片、與葉輪相連的軸及限位器等構(gòu)成。工作時(shí)，從A口供給壓縮空氣，推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，在軸上產(chǎn)生力矩，排氣室的壓縮空氣從B口排出，轉(zhuǎn)軸向順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，葉輪碰到限位器后停止；若從B口供給壓縮空氣，則氣動(dòng)馬達(dá)向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)2023年2月4日50擺動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行裝置（齒條齒輪式）

由氣缸、在缸體內(nèi)滑動(dòng)的兩個(gè)活塞、位于兩活塞之間的齒條及轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。工作時(shí)，從A口供給壓縮空氣，推動(dòng)活塞A，通過(guò)齒條齒輪副在齒輪軸上產(chǎn)生力矩，排氣室的壓縮空氣從B口排出，轉(zhuǎn)軸順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，當(dāng)活塞B碰到端蓋停止時(shí)，轉(zhuǎn)軸也停止轉(zhuǎn)動(dòng)；若從B口供給壓縮空氣，則轉(zhuǎn)軸向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。2023年2月4日51新型的驅(qū)動(dòng)器

超聲波驅(qū)動(dòng)器磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器形狀記憶金屬驅(qū)動(dòng)器靜電驅(qū)動(dòng)器2023年2月4日52超聲波驅(qū)動(dòng)器通過(guò)超聲波使壓電體振動(dòng)，在定子表面產(chǎn)生行波，驅(qū)動(dòng)與它接觸的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而得到力矩的電機(jī)。這種電機(jī)不需要減速機(jī)構(gòu)就能夠得到大的轉(zhuǎn)矩、在電源關(guān)斷的狀態(tài)下也有保持力、響應(yīng)速度快、能夠進(jìn)行高精度的速度控制和位置控制、無(wú)噪音、無(wú)磁場(chǎng)產(chǎn)生、體積小、重量輕。2023年2月4日53超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意

由與壓電體連接的定子和與定子表面加壓接觸的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。2023年2月4日54超聲波電機(jī)的原理

施加與壓電體相位不同的大于20kHz的交流電壓，產(chǎn)生超聲波的振動(dòng)，與壓電體連接的金屬是彈性體，它隨著超聲波的振動(dòng)而變形。這種變形是彈性體表面的起伏向一個(gè)方向連續(xù)的行進(jìn)，使彈性體的表面形成行波。在彈性體表面形成的行波的各頂點(diǎn)與轉(zhuǎn)子接觸的同時(shí)按橢圓曲線運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子隨著橢圓形的運(yùn)動(dòng)，向與定子表面產(chǎn)生的行波的反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。2023年2月4日55磁致伸縮驅(qū)動(dòng)

鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變，其長(zhǎng)度和體積都要發(fā)生微小的變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。研究發(fā)現(xiàn)，TbFe2、SmFe2、DyFe2、HoFe2、TbDyFe2（鋱鐵、釤鐵、鏑鐵、鈥鐵、鋱鏑鐵）等稀土－鐵系化合物不僅磁致伸縮值高，而且居里點(diǎn)高于室溫，室溫磁致伸縮值為1000～2500×10-6，是傳統(tǒng)磁致伸縮材料如鐵、鎳等的10～100倍，這類材料被稱為稀土超磁致伸縮材料，已經(jīng)用于制造微型電機(jī)。2023年2月4日56形狀記憶金屬是一種專利合金，在達(dá)到特定溫度時(shí)縮短大約4％。通過(guò)改變合金的成分可以設(shè)計(jì)合金的轉(zhuǎn)變溫度，但標(biāo)準(zhǔn)樣品都將溫度設(shè)在90?C左右。這種線的主要缺點(diǎn)在于它的總應(yīng)變僅發(fā)生在一個(gè)很小的溫度范圍內(nèi)，因此除了在開(kāi)關(guān)情況下以外，要精確控制它的拉力很困難，同時(shí)也很難控制位移。

2023年2月4日57靜電驅(qū)動(dòng)器在圖（b）中，表示了當(dāng)把電壓施加到定子的電極上時(shí)，在移動(dòng)子中會(huì)感應(yīng)出極性與其相反的電荷來(lái)；在圖（c）中，當(dāng)外加電壓變化時(shí)，因?yàn)橐苿?dòng)子上的電荷不能立即變化，所以由于電極的作用，移動(dòng)子會(huì)受到右上方向的合力作用，驅(qū)動(dòng)其向右方移動(dòng)。反復(fù)進(jìn)行上述操作，移動(dòng)子就會(huì)連續(xù)地向右方移動(dòng)。2023年2月4日585.3基于關(guān)節(jié)坐標(biāo)的控制軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面這些功能與運(yùn)動(dòng)控制沒(méi)有直接關(guān)系，絕大多數(shù)使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。邏輯處理機(jī)器人控制器中的PLC功能相對(duì)簡(jiǎn)單，一般使用CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)。2023年2月4日59軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制及伺服處理粗插補(bǔ)將由CPU負(fù)責(zé)，而細(xì)插補(bǔ)理所當(dāng)然由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。伺服算法部分由CPU實(shí)現(xiàn)，信號(hào)檢測(cè)等由硬件實(shí)現(xiàn)。輔助控制幾乎與硬件沒(méi)有任何關(guān)系，所以用CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理幾乎與硬件沒(méi)有任何關(guān)系，所以用CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)。2023年2月4日60機(jī)器人基本插補(bǔ)類型直線：必須支持圓?。罕仨氈С诌B續(xù)小線段：最好支持宏指令編程：最好支持專用曲線：根據(jù)需要NURBS曲線：終極要求2023年2月4日61

機(jī)器人插補(bǔ)技術(shù)插補(bǔ)器是機(jī)器人控制系統(tǒng)最核心的組件模塊。插補(bǔ)器算法分為兩個(gè)主要組成部分。軌跡插補(bǔ)算法和插補(bǔ)速度控制算法。軌跡插補(bǔ)算法用于確定機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)的軌跡。加減速控制算法用于確定機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)的速度。2023年2月4日62

插補(bǔ)技術(shù)難點(diǎn)復(fù)雜曲線的計(jì)算，如NURBS曲線。加減速控制，基本要求速度連續(xù)，最好加速度連續(xù)，終極要求加加速度連續(xù)，原因：驅(qū)動(dòng)的三閉環(huán)中最內(nèi)環(huán)是電流環(huán)或者叫做力矩環(huán)，該環(huán)直接影響的是加速度。誤差控制，插補(bǔ)概念本身就涉及誤差，一方面要盡量縮小誤差，另一方面要提高工作效率。插補(bǔ)段之間的圓滑過(guò)渡（PL），在適當(dāng)放棄精度的前提下保證速度連續(xù)，需要前瞻技術(shù)配合。機(jī)械間隙、變形等的補(bǔ)償。2023年2月4日63NURBS曲線——非均勻有理B樣條NURBS（Non-UniformRationalB-Spline，非均勻有理B樣條）曲線、曲面。

最核心的問(wèn)題是B樣條基函數(shù)的求解?；镜姆椒ㄊ峭ㄟ^(guò)迭代算法直接求解，計(jì)算量較大。另一種是基于Cox-deBoor算法的插補(bǔ)算法，該算法可避免迭代求解B樣條基函數(shù)，因此可極大的簡(jiǎn)化插補(bǔ)求解過(guò)程。2023年2月4日64