機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)-課件 第9、10章 液壓驅(qū)動與控制、機(jī)器人視覺伺服技術(shù)

機(jī)器人伺服控制第九章液壓驅(qū)動與控制主要內(nèi)容contents9.1液壓驅(qū)動系統(tǒng)9.2機(jī)器人液壓驅(qū)動與控制實例液壓驅(qū)動與控制9.1液壓驅(qū)動系統(tǒng)利用液壓泵將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，通過液體壓力能的變化來傳遞能量，經(jīng)過各種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件(液壓缸或馬達(dá))把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而驅(qū)動工作機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動液體稱為工作介質(zhì)，一般為礦物油，它的作用和機(jī)械傳動中的傳送帶、鏈條和齒輪等傳動元件類似9.1液壓驅(qū)動系統(tǒng)液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)，常用于大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動1-油箱2-泵3-溢流閥4-換向閥5-液壓缸6-節(jié)流閥液壓驅(qū)動系統(tǒng)工作原理9.1.1液壓控制系統(tǒng)組成一般由指令元件、反饋檢測元件、比較元件、放大、轉(zhuǎn)換和控制元件、執(zhí)行元件及被控對象組成液壓控制系統(tǒng)組成框圖9.1.1液壓控制系統(tǒng)組成指令元件：按要求給出控制信號的元件，如計算機(jī)、PLC、指令電位器、單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)或其它電器等；反饋檢測元件：檢測被控制量，給出系統(tǒng)的反饋信號，如各種類型的傳感器9.1.1液壓控制系統(tǒng)組成比較元件：把具有相同形式和量綱的輸入控制信號與反饋信號加以比較，給出偏差信號比較元件不一定單獨(dú)存在，可以與指令元件反饋檢測元件及放大器組合在一起，由一個結(jié)構(gòu)元件完成9.1.1液壓控制系統(tǒng)組成放大、轉(zhuǎn)換和控制元件：將偏差信號放大，并作為能量形式轉(zhuǎn)換，變成液壓信號，去控制執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)等）運(yùn)動。一般是放大器、伺服閥、電液伺服閥，比例閥等執(zhí)行元件：直接對被控對象起作用的元件。如液壓缸、液壓馬達(dá)等被控對象：液壓系統(tǒng)的控制對象，一般是各類負(fù)載裝置液壓缸將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的、作直線往復(fù)運(yùn)動(或擺動運(yùn)動)的液壓執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。用它來實現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，動平穩(wěn)直線液壓缸9.1.1液壓控制系統(tǒng)組成液壓馬達(dá)又叫做旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)，是液壓系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式執(zhí)行元件旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)9.1.1液壓控制系統(tǒng)組成液壓閥單向閥：只允許油液向某一方向流動，而反向截止，也稱為止回閥單向閥9.1.1液壓控制系統(tǒng)組成液壓閥-換向閥滑閥式換向閥是靠閥芯在閥體內(nèi)作軸向運(yùn)動，而便相應(yīng)的油路接通或斷開的換向閥滑閥式換向閥換向原理9.1.1液壓控制系統(tǒng)組成液壓閥-換向閥機(jī)械換向閥用于機(jī)械運(yùn)動中，作為限位裝置限位換向機(jī)械換向閥9.1.1液壓控制系統(tǒng)組成液壓閥-換向閥電磁換向閥用于在電氣裝置或控制裝置發(fā)出換向命令時，改變流體方向、從而改變機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)三位四通電磁換向閥9.1.1液壓控制系統(tǒng)組成開環(huán)液壓控制和閉環(huán)液壓控制是液壓控制的兩類基本控制方式9.1.2液壓控制系統(tǒng)分類三種液壓控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)-用開關(guān)閥建構(gòu)的液壓控制系統(tǒng)9.1.2液壓控制系統(tǒng)分類電磁換向閥的閥芯有三個工作位置，左位、中位和右位?？梢钥刂朴吐返耐〝嗯c切換。對每一個閥口油路來說只有兩種狀態(tài)，即完全打開和完全關(guān)閉，所以電磁換向閥歸類于電磁液壓開關(guān)閥開環(huán)控制系統(tǒng)-用比例閥建構(gòu)的液壓控制系統(tǒng)9.1.2液壓控制系統(tǒng)分類比例液壓閥采用電信號控制閥芯進(jìn)行漸變移動，從而控制閥口開度漸變變化，調(diào)節(jié)比例液壓閥的壓降和流量等，并在一定程度上實現(xiàn)流量與控制信號間呈現(xiàn)比例變化閉環(huán)控制系統(tǒng)-用伺服閥建構(gòu)的液壓控制系統(tǒng)9.1.2液壓控制系統(tǒng)分類電液伺服閥是高性能液壓控制元件，具有很高的控制精度、很快的響應(yīng)速度，不足的是電液伺服閥價格很高閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)，不僅存在控制器對被控對象的前向控制作用，還存在被控對象對控制器的反饋作用開環(huán)液壓控制采用普通液壓閥和比例液壓閥的開環(huán)控制系統(tǒng)與液壓傳動系統(tǒng)有很大的技術(shù)重合，幾乎采用相同類型的液壓元件和液壓回路開環(huán)液壓控制系統(tǒng)性能主要由所用液壓元件的性能實現(xiàn)。開環(huán)系統(tǒng)精度取決于系統(tǒng)各個組成元件的精度，系統(tǒng)的響應(yīng)特性直接與各個組成元件的響應(yīng)特性有關(guān)液壓開環(huán)控制系統(tǒng)無法對外部干擾和內(nèi)部參數(shù)變化引起的系統(tǒng)輸出變化進(jìn)行抑制或補(bǔ)償9.1.2液壓控制系統(tǒng)分類開環(huán)液壓控制從系統(tǒng)設(shè)計方面看，開環(huán)液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制系統(tǒng)一定是穩(wěn)定的，因此系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)安裝等均相對容易，而且還可以借鑒液壓傳動系統(tǒng)的分析與設(shè)計經(jīng)驗。開環(huán)液壓控制系統(tǒng)與液壓傳動系統(tǒng)具有較多的共性，區(qū)別主要是側(cè)重點(diǎn)有所不同開環(huán)液壓系統(tǒng)經(jīng)常用于控制精度要求不高，外部環(huán)境干擾較小，內(nèi)部參數(shù)變化不大，并且允許系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢的情況9.1.2液壓控制系統(tǒng)分類閉環(huán)液壓控制經(jīng)常采用電液伺服閥或直驅(qū)閥作控制元件也稱液壓反饋控制系統(tǒng)，依據(jù)反饋作用原理工作閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題，控制精度與動態(tài)響應(yīng)速度均需細(xì)致設(shè)計與調(diào)試，所以閉環(huán)系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試等均較為繁瑣采用閉環(huán)控制(反饋控制)方式，用精度相對不高、抗干擾能力相對不強(qiáng)的液壓元件有可能建構(gòu)控制精度高和抗干擾能力強(qiáng)的控制系統(tǒng)，或者在現(xiàn)有液壓元件性能的條件下，有可能利用閉環(huán)控制獲取更好的控制系統(tǒng)性能及控制效果9.1.2液壓控制系統(tǒng)分類早在第一次世界大戰(zhàn)前，液壓伺服控制已開始應(yīng)用于海軍艦艇中，作為操舵裝置到第二次世界大戰(zhàn)期間及以后，由于軍事的刺激，自動控制特別是武器和飛行器控制系統(tǒng)的研究得到進(jìn)一步的發(fā)展。液壓伺服控制因響應(yīng)快，精度高和功率一重量比大等特點(diǎn)而受到特別的重視。特別是近幾十年，由于整個工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，尤其是軍事和航空航天技術(shù)的發(fā)展，促使液壓伺服控制得到迅速發(fā)展9.1.3液壓伺服系統(tǒng)機(jī)械液壓伺服控制出現(xiàn)較早，用在飛機(jī)上作為液壓助力器，操縱飛機(jī)舵面40年代，首先在飛機(jī)上出現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng)。但該系統(tǒng)中的滑閥由伺服電動機(jī)驅(qū)動，作為電液轉(zhuǎn)換器。伺服電動機(jī)時間常數(shù)較大，這限制了電液伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。隨著超音速飛機(jī)的發(fā)展，要求伺服系統(tǒng)反應(yīng)速度越來越高，特別是像導(dǎo)彈控制，這就促進(jìn)了快速電液伺服控制系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展。50年代初，出現(xiàn)快速響應(yīng)的永磁力矩馬達(dá)，力矩馬達(dá)與滑閥結(jié)合，形成了電液伺服閥。50年代末，又出現(xiàn)了以噴嘴擋板閥作為第一級的電液伺服閥，進(jìn)一步提高了電液伺服閥的快速性9.1.3液壓伺服系統(tǒng)60年代，各種結(jié)構(gòu)的電液伺服閥相繼出現(xiàn)，其性能日趨完善。由于電液伺服閥和電子技術(shù)的發(fā)展，使電液伺服系統(tǒng)得到迅速的發(fā)展目前，液壓伺服系統(tǒng)特別是電液伺服系統(tǒng)已成為武器自動化和工業(yè)自動化的一個重要方面。凡是需要大功率、快速、精確反應(yīng)的控制系統(tǒng)，都已經(jīng)有了應(yīng)用在國防工業(yè)中，如飛機(jī)的操縱系統(tǒng)、導(dǎo)彈的自動控制系統(tǒng)、火炮操縱系統(tǒng)、坦克火炮穩(wěn)定裝置、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)和艦艇的操舵裝置等系統(tǒng)中在一般工業(yè)中，用于機(jī)床、冶煉、軋鋼、鑄鍛、動力、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、建筑機(jī)械、拖拉機(jī)、船舶等系統(tǒng)中9.1.3液壓伺服系統(tǒng)凡是采用液壓控制元件和液壓執(zhí)行元件，根據(jù)液壓傳動原理建立起來的伺服系統(tǒng)液壓伺服控制是復(fù)雜的液壓控制方式，液壓伺服控制系統(tǒng)是一種閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)也稱液壓隨動系統(tǒng)輸出量(位移、速度、力等)能夠自動地、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律9.1.3液壓伺服系統(tǒng)圖示為一液壓伺服系統(tǒng)原理圖，xi為閥芯位移(做為系統(tǒng)的輸入量)，xv缸體位移(做為系統(tǒng)的輸出量)，系統(tǒng)中閥體和缸體作成一體，構(gòu)成反饋連接系統(tǒng)中輸出位移能夠精確地復(fù)現(xiàn)輸入位移的變化，同時它輸入的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成很大的輸出力，因此也是一個功率放大裝置9.1.3液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)與一般的液壓傳動系統(tǒng)相比盡管同樣有液壓泵(能源)、液壓馬達(dá)或液壓缸執(zhí)行元件)和控制元件，但液壓伺服系統(tǒng)抗負(fù)載的剛度大，即輸出位移受負(fù)載變化的影響小，定位準(zhǔn)確，控制精度更高是一個跟蹤系統(tǒng)，被控制對象能自動跟蹤輸入信號并隨其變化而動作是一個信號放大系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出信號功率是系統(tǒng)的輸人信號功率的數(shù)倍甚至數(shù)千倍9.1.3液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)與一般的液壓傳動系統(tǒng)相比是一個負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)：被控制對象（或執(zhí)行元件）產(chǎn)生的輸出量（運(yùn)動量）必須經(jīng)檢測反饋元件輸回到比較元件，力圖抵消使被控制對象產(chǎn)生運(yùn)動的輸入信號，即力圖使偏差信號減小到零，從而形成一個負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)是一個誤差控制系統(tǒng)：執(zhí)行元件的運(yùn)動狀態(tài)只取決于輸入信號與反饋信號的偏差大小，而與其他無關(guān)。當(dāng)偏差信號為零時，執(zhí)行元件不動；當(dāng)偏差信號為正(負(fù))時，執(zhí)行元件正(反)向運(yùn)動；當(dāng)偏差信號絕對值增大(減小)時，執(zhí)行元件輸出的力和速度增大(減小)9.1.3液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作快，換向迅速與機(jī)電系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，固有頻率通常較高液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積和重量遠(yuǎn)小于相同功率的機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和重量隨著功率的增加液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和重量的增加遠(yuǎn)比機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加的慢，前者主要靠增大液體流量和壓力來增加功率，雖然動力機(jī)構(gòu)的體積和重量也會因此增加一些，但可以采用高強(qiáng)度和輕金屬材料來減少體積和重量液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動平穩(wěn)、抗干擾能力強(qiáng)，特別是低速性能好，而機(jī)電系統(tǒng)的傳遞平穩(wěn)性較差，而且易受到電磁波等各種外干擾的影響液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速范圍廣，功率增益高9.1.3液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)缺點(diǎn)液壓信號傳遞速度慢不易進(jìn)行校正，而電信號則是按光速來傳遞信息，而且易于綜合和校正液壓伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高，因而成本高液體的體積彈性模數(shù)隨溫度和混入油中的空氣含量而變漏油是液壓系統(tǒng)的弱點(diǎn)，它不僅污染環(huán)境，而且容易引發(fā)火災(zāi)。液壓油易受污染，并可造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)堵塞9.1.3液壓伺服系統(tǒng)按照控制系統(tǒng)各組成元件的線性情況分類按照控制系統(tǒng)是否包含非線性組成元件，液壓控制系統(tǒng)可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)按照控制系統(tǒng)各組成元件中控制信號的連續(xù)情況分類按照控制系統(tǒng)中控制信號是否均為連續(xù)信號，液壓控制系統(tǒng)可以分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)按照被控物理量分類位置控制、速度控制、力控制和其它物理量控制系統(tǒng)9.1.4液壓伺服系統(tǒng)分類按照液壓控制元件或控制方式分類可分為閥控系統(tǒng)（節(jié)流控制方式）和泵控系統(tǒng)（容積控制方式）進(jìn)一步按照液壓執(zhí)行元件分類，閥控系統(tǒng)可分為閥控液壓缸系統(tǒng)和閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)；泵控系統(tǒng)可分為泵控液壓缸系統(tǒng)和泵控液壓馬達(dá)系統(tǒng)按照信號傳遞介質(zhì)分類機(jī)械液壓控制系統(tǒng)、電氣液壓控制系統(tǒng)等9.1.4液壓伺服系統(tǒng)分類9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)通過使用電液伺服閥，將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動力由電液伺服閥構(gòu)成的伺服系統(tǒng)稱為電液伺服系統(tǒng)電液伺服閥已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。我國70年代開始批量生產(chǎn)QDY系列和DY系列電液伺服閥QDY系列伺服閥屬于干式力矩馬達(dá)噴嘴擋板滑閥式力反饋伺服，該系列電液伺服閥性能質(zhì)量都非常過關(guān)，應(yīng)用較多DY系列伺服閥是動圈雙級滑閥式伺服閥，冶金礦山行業(yè)用的較多9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)通過使用電液伺服閥，將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動力由電液伺服閥構(gòu)成的伺服系統(tǒng)稱為電液伺服系統(tǒng)電液伺服閥已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。我國70年代開始批量生產(chǎn)QDY系列和DY系列電液伺服閥QDY系列伺服閥屬于干式力矩馬達(dá)噴嘴擋板滑閥式力反饋伺服，該系列電液伺服閥性能質(zhì)量都非常過關(guān)，應(yīng)用較多DY系列伺服閥是動圈雙級滑閥式伺服閥，冶金礦山行業(yè)用的較多9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液伺服閥：力矩馬達(dá)和液壓放大器組成力矩馬達(dá)組成由一對永久磁鐵1、導(dǎo)磁體2和4、銜鐵3、線圈5和內(nèi)部懸置擋板7及彈簧管6等組成液壓放大器組成前置放大器：前置放大級是一個雙噴嘴擋板閥，它主要由擋板7、噴嘴8、節(jié)流孔10和濾油器11組成功率放大器：功率放大級主要由滑閥9和擋板下部的反饋彈簧片組成9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液伺服閥：力矩馬達(dá)和液壓放大器組成力矩馬達(dá)工作原理磁鐵把導(dǎo)磁體磁化成N、S極，形成磁場銜鐵和擋板固連由彈簧支撐位于導(dǎo)磁體中間。擋板下端球頭嵌放在滑閥中間凹槽內(nèi)線圈無電流時，力矩馬達(dá)無力矩輸出，擋板處于兩噴嘴中間；當(dāng)輸入電流通過線圈使銜鐵3左端被磁化為N極，右端為S極，銜鐵逆時針偏轉(zhuǎn)彈簧管彎曲產(chǎn)生反力矩，使銜鐵轉(zhuǎn)過θ角。電流越大θ角就越大，力矩馬達(dá)把輸入電信號轉(zhuǎn)換為力矩信號輸出9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液伺服閥：力矩馬達(dá)和液壓放大器組成前置放大級工作原理壓力油經(jīng)濾油器和節(jié)流孔流到滑閥左、右兩端油腔和兩噴嘴腔，由噴嘴噴出，經(jīng)閥9中部流回油箱力矩馬達(dá)無輸出信號時，擋板不動，滑閥兩端壓力相等。當(dāng)矩馬達(dá)有信號輸出時，擋板偏轉(zhuǎn)，兩噴嘴與擋板之間間隙不等，致使滑閥兩端壓力不等，推動閥芯移動9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液伺服閥：力矩馬達(dá)和液壓放大器組成功率放大級工作原理當(dāng)前置放大級有壓差信號使滑閥閥芯移動時，主油路被接通滑閥位移后的開度正比于力矩馬達(dá)輸入電流，則閥的輸出流量和輸入電流成正比；當(dāng)輸入電流反向時，輸出流量也反向滑閥移動同時，擋板下端的小球亦隨同移動，使擋板彈簧片產(chǎn)生彈性反力，阻止滑閥繼續(xù)移動；擋板變形又使它在兩噴嘴間的位移量減小，實現(xiàn)了反饋9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液伺服閥：力矩馬達(dá)和液壓放大器組成功率放大級工作原理當(dāng)滑閥上的液壓作用力和擋板彈性反力平衡時，滑閥便保持在這一開度上不再移動輸入電流為0時，閥芯在反饋桿的反力矩作用下回到中位，伺服閥處于不工作狀態(tài)。因此，電液伺服閥是精確控制輸出流量的閥，輸出流量的大小與輸入電流的大小成正比9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)QDY的基本組成9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)模擬伺服系統(tǒng)全部信號都是連續(xù)的模擬量，模擬伺服系統(tǒng)重復(fù)精度高，但分辨能力較低(絕對精度低)精度在很大程度上取決于檢測裝置精度，另外模擬式檢測裝置精度一般低于數(shù)字式檢測裝置。所以模擬伺服系統(tǒng)分辨能力低于數(shù)字伺服系統(tǒng)模擬伺服系統(tǒng)中微小信號容易受到噪聲和零漂的影響、因此當(dāng)輸入信號接近或小于輸入端的噪聲和零漂時，就不能進(jìn)行有效的控制模擬電液控制系統(tǒng)9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)數(shù)字伺服系統(tǒng)在數(shù)字伺服系統(tǒng)中，全部信號或部分信號是離散參量數(shù)字伺服系統(tǒng)又分為全數(shù)字伺服系統(tǒng)和數(shù)字-模擬伺服系統(tǒng)兩種數(shù)字電液控制系統(tǒng)9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的動力元件分為閥控式和泵控式兩種基本型式，但采用的指令裝置、反饋測量裝置和放大、校正的電子部件不同，就構(gòu)成了不同的系統(tǒng)1—反饋放大器2—機(jī)架3—液壓缸4—電子伺服放大器5—電液伺服閥6—粘性阻力負(fù)載7—慣性負(fù)載9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的動力元件分為閥控式和泵控式兩種基本型式，但采用的指令裝置、反饋測量裝置和放大、校正的電子部件不同，就構(gòu)成了不同的系統(tǒng)9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液位置伺服控制系統(tǒng)該系統(tǒng)控制工作臺的位置，使之按照指令電位器給定的規(guī)律變化指令電位器將滑臂的位置指令xg轉(zhuǎn)換成電壓ug。工作臺位置xf由反饋電位器檢測，轉(zhuǎn)換成電壓uf兩個電位器接成橋式回路，電橋的輸出電壓△u＝ug－uf＝k(xg－xf)，k為電位器增益當(dāng)工作臺位置xf與指令位置xg一致時，xf＝xg，即△u＝09.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液位置伺服控制系統(tǒng)電液伺服閥處于零位，沒有流量進(jìn)出系統(tǒng)，工作臺不動當(dāng)指令電位器向右移動一個位移△u＝k△xg,經(jīng)放大去控制電液伺服閥，輸出壓力油推動工作臺右移，同時使工作臺位移增加，當(dāng)增量為△u＝xf＋△xf－xg－△xg＝0，工作臺重新停止9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液位置伺服控制系統(tǒng)系統(tǒng)是一個電量反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)其工作原理方塊圖如下9.1.5電液伺服控制系統(tǒng)電液速度伺服控制系統(tǒng)測速發(fā)電機(jī)：將輸出轉(zhuǎn)換為反饋電壓信號Uf,是反饋裝置9.1.6電液比例控制系統(tǒng)電液比例控制技術(shù)是介于普通液壓閥的開關(guān)控制技術(shù)和電液伺服控制技術(shù)之間的控制方式比例控制技術(shù)主要表現(xiàn)在三個方面采用了壓力、流量、位移、動壓等反饋及電校正手段，提高了閥的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)，這些標(biāo)志著比例控制設(shè)計原理已經(jīng)完善比例技術(shù)與插裝閥已經(jīng)結(jié)合，誕生了比例插裝技術(shù)以比例控制泵為代表的比例容積元件的誕生，進(jìn)一步擴(kuò)大了比例控制技術(shù)的應(yīng)用9.1.6電液比例控制系統(tǒng)比例閥的工作原理和類型按主要功能分類，分為壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥、比例復(fù)合控制閥電液比例閥的組成9.1.6電液比例控制系統(tǒng)比例閥的工作原理和類型比例控制的核心是比例閥。比例閥的輸入單元是電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，它將輸入信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械量。轉(zhuǎn)換器有伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)、力馬達(dá)和力矩馬達(dá)、比例電磁鐵等形式常用的比例閥大都采用比例電磁鐵，比例電磁鐵根據(jù)電磁原理設(shè)計，能使其產(chǎn)生的機(jī)械量（力或力矩和位移）與輸入電信號（電流）的大小成比例，再連續(xù)地控制液壓閥閥芯的位置，進(jìn)而實現(xiàn)連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)的壓力、方向和流量1—推桿

2—銷釘

3—線圈

4—銜鐵9.1.6電液比例控制系統(tǒng)比例電磁鐵的類型按照工作原理力控制型：行程短，只有1.5mm，輸出力與輸入電流成正比，常用在比例閥的先導(dǎo)控制級上行程控制型：由力控制型加負(fù)載彈簧共同組成，電磁鐵輸出的力通過彈簧轉(zhuǎn)換成輸出位移，輸出位移與輸入電流成正比，工作行程3mm，線性度好，可以用在直控式比例閥上位置調(diào)節(jié)型：銜鐵的位置由閥內(nèi)的傳感器檢測后，發(fā)出一個閥內(nèi)反饋信號，在閥內(nèi)進(jìn)行比較后重新調(diào)節(jié)銜鐵的位置，閥內(nèi)形成閉環(huán)控制，精度高，銜鐵的位置與力無關(guān)，在精度上幾乎可以和伺服閥相比，國際上不少著名公司生產(chǎn)的比例閥都采用這種結(jié)構(gòu)9.1.6電液比例控制系統(tǒng)比例控制系統(tǒng)有直接比例控制和電液比例控制，本質(zhì)上與伺服系統(tǒng)控制相似根據(jù)有無反饋分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制比例閥控液壓缸或馬達(dá)系統(tǒng)可以實現(xiàn)速度、位移、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的控制開環(huán)比例控制系統(tǒng)職能圖

9.1.6電液比例控制系統(tǒng)比例控制系統(tǒng)閉環(huán)比例控制系統(tǒng)職能圖9.1.6電液比例控制系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)與比例伺服系統(tǒng)的比較9.1.7電液數(shù)字控制系統(tǒng)增量式電液數(shù)字閥采用脈沖數(shù)字調(diào)制演變而成的增量控制方式，以步進(jìn)電機(jī)作為電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動液壓閥芯工作，因此又稱為步進(jìn)式數(shù)字閥增量式數(shù)字閥控制系統(tǒng)工作原理圖9.1.7電液數(shù)字控制系統(tǒng)增量式電液數(shù)字閥采用脈沖數(shù)字調(diào)制演變而成的增量控制方式，以步進(jìn)電機(jī)作為電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動液壓閥芯工作，因此又稱為步進(jìn)式數(shù)字閥增量式電液數(shù)字流量閥結(jié)構(gòu)1—步進(jìn)電機(jī)；2—滾珠絲桿；3—節(jié)流閥閥芯；4—閥套；5—連桿；6—零位移傳感器9.1.7電液數(shù)字控制系統(tǒng)脈寬調(diào)節(jié)（PWM）式高速開關(guān)數(shù)字閥脈寬調(diào)節(jié)式高速開關(guān)數(shù)字閥（簡稱高速開關(guān)數(shù)字閥）的控制信號是一系列幅值相等、而在每一周期內(nèi)寬度不同的脈沖信號脈寬調(diào)節(jié)式高速開關(guān)數(shù)字閥控制系統(tǒng)工作原理9.1.7電液數(shù)字控制系統(tǒng)脈寬調(diào)節(jié)（PWM）式高速開關(guān)數(shù)字閥高度開關(guān)式數(shù)字控制閥有二位二通和二位三通兩種，兩者又各有常開和常閉兩類，為了減少泄露和提高壓力，閥芯一般采用球閥或者錐閥結(jié)構(gòu)，也有采用噴嘴擋板閥1-線圈錐閥芯；2-銜鐵；3、8-推桿；

4、7-先導(dǎo)級球閥；5、6-功率級球閥力矩馬達(dá)驅(qū)動的球閥式二位二通高速開關(guān)數(shù)字閥結(jié)構(gòu)圖9.1.8發(fā)展趨勢集成化、數(shù)字化、微型化、超大型化和超重型化插裝等新型安裝方式的液壓元件獲得廣泛應(yīng)用，多個多種功能的液壓控制閥可安裝到一個油路塊上實現(xiàn)復(fù)雜功能，體現(xiàn)了集成化發(fā)展趨勢電子技術(shù)特別是總線技術(shù)發(fā)展，促使液壓技術(shù)向數(shù)字方向發(fā)展。液壓閥內(nèi)部嵌入含電子控制的電子電路，液壓控制閥可接收數(shù)字信號，并可通過計算機(jī)程序來改變液壓控制閥的性能，實現(xiàn)數(shù)字化補(bǔ)償?shù)裙δ苄虏牧虾托录夹g(shù)的發(fā)展及在液壓控制領(lǐng)域應(yīng)用促使新型液壓控制元件研制出來。特別是體積小、性能高的液壓元件。液壓元件小型化和微型化為液壓控制技術(shù)在更廣泛領(lǐng)域應(yīng)用創(chuàng)造了條件，如機(jī)器人、醫(yī)療器械、運(yùn)動機(jī)械9.1.9應(yīng)用案例F1賽車中應(yīng)用液壓控制技術(shù)伺服閥、電磁鐵、燃油調(diào)節(jié)器及液壓缸DDV閥與動力轉(zhuǎn)向閥9.1.9應(yīng)用案例材料力學(xué)實驗機(jī)大功率、材料試驗加載大多采用了液壓控制9.1.9應(yīng)用案例四自由度飛行模擬器重負(fù)荷、高動態(tài)四個自由度四個作動器9.1.9應(yīng)用案例四個自由度分別由四個電液伺服作動器驅(qū)動每個作動器都構(gòu)成一個電液伺服系統(tǒng)四自由度飛行模擬器9.1.9應(yīng)用案例超大型地震臺具有8個液壓伺服作動器實現(xiàn)6個自由度控制頻率響應(yīng)非常高9.1.9應(yīng)用案例飛機(jī)控制系統(tǒng)9.1.9應(yīng)用案例機(jī)器人機(jī)械手伸縮運(yùn)動伺服系統(tǒng)以伸縮伺服系統(tǒng)為例主要由電液伺服閥1、液壓缸2、活塞桿帶動的機(jī)械手臂3、齒輪齒條機(jī)構(gòu)4、電位器5、步進(jìn)電動機(jī)6和放大器7等元件組成9.2實例分析機(jī)械手伸縮運(yùn)動伺服系統(tǒng)以伸縮伺服系統(tǒng)為例主要由電液伺服閥1、液壓缸2、活塞桿帶動的機(jī)械手臂3、齒輪齒條機(jī)構(gòu)4、電位器5、步進(jìn)電動機(jī)6和放大器7等元件組成工作原理由數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖信號，使步進(jìn)電機(jī)帶動電位器5的動觸頭順時針轉(zhuǎn)過一定的角度θi，使動觸頭偏離電位器中位，產(chǎn)生微弱電壓u1，經(jīng)放大器7放大成u2后輸入電液伺服閥1的控制線圈，產(chǎn)生一定的開口量9.2實例分析機(jī)械手伸縮運(yùn)動伺服系統(tǒng)以伸縮伺服系統(tǒng)為例主要由電液伺服閥1、液壓缸2、活塞桿帶動的機(jī)械手臂3、齒輪齒條機(jī)構(gòu)4、電位器5、步進(jìn)電動機(jī)6和放大器7等元件組成工作原理此時壓力油以流量q流經(jīng)閥的開口進(jìn)入缸左腔，缸右腔油經(jīng)伺服閥回油箱，活塞連同機(jī)械手手臂一起向右移動，行程為xv當(dāng)電位器中位和觸頭重合時，輸出電壓為零，閥口關(guān)閉，手臂移動停止。手臂移動行程決定于脈沖數(shù)量，速度決定于脈沖頻率當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)反向脈沖時，步進(jìn)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動，手臂縮回9.2實例分析四足機(jī)器人四足機(jī)器人采用液壓缸-伺服閥驅(qū)動單元，通過NI-PXI硬件平臺驅(qū)動缸閥單元來控制機(jī)器人12個主動關(guān)節(jié)為了便于設(shè)計和維修，腿部和集成閥塊都采用模塊化設(shè)計9.2實例分析四足機(jī)器人9.2實例分析機(jī)身由12根空心管和4塊肋板通過圓螺母連接而成，材料為航空鋁合金7075，肋板采用鏤空結(jié)構(gòu)，厚度為10mm，機(jī)身兩端的兩塊鋁板用于安裝側(cè)擺液壓缸，腿安裝在肋板上的側(cè)板軸承座上為了提高運(yùn)動穩(wěn)定性，把放大器和安裝了伺服閥的集成閥塊單元安裝在了機(jī)身中部，這樣可以減少運(yùn)動過程中質(zhì)心相對于幾何中心的位置變化四足機(jī)器人9.2實例分析腿由髖部、大腿、小腿三段組成，材料為航空鋁合金7075

液壓缸通過兩端的球軸承和銷安裝在各段腿之間，關(guān)節(jié)處采用旋轉(zhuǎn)軸連接并安裝了角度傳感器銷和軸采用階梯形式小腿桿采用中空圓柱形式，其與足之間還安裝了三維力傳感器，用于測量足端受力為了抗沖擊和防止著地時的滑動，在球形足底外面包裹了一層橡膠腿部結(jié)構(gòu)圖

四足機(jī)器人-液壓驅(qū)動系統(tǒng)9.2實例分析由泵站、油箱、過濾器、蓄能器、伺服閥放大器，伺服閥，液壓缸，油管等構(gòu)成伺服液壓缸及連接耳軸四足機(jī)器人-液壓驅(qū)動系統(tǒng)9.2實例分析由泵站、油箱、過濾器、蓄能器、伺服閥放大器，伺服閥，液壓缸，油管等構(gòu)成伺服閥及伺服閥放大器四足機(jī)器人-液壓驅(qū)動系統(tǒng)9.2實例分析由泵站、油箱、過濾器、蓄能器、伺服閥放大器，伺服閥，液壓缸，油管等構(gòu)成集成閥塊四足機(jī)器人9.2實例分析缸閥驅(qū)動單元動力學(xué)模型：采用伺服閥（圓柱滑閥）和液壓缸（非對稱）作為液壓動力單元來驅(qū)動腿部各個關(guān)節(jié)ps

為泵站供油壓力，pt

為泵站回油壓力，A1、p1

、q1分別為無桿腔面積、壓力和流量（進(jìn)油為正），A2

、p2

、q2

分別為有桿腔面積、壓力和流量（出油為正）

Ml、Bl、Kl分別為等效的負(fù)載質(zhì)量、負(fù)載粘性阻尼系數(shù)和負(fù)載彈性系數(shù)四足機(jī)器人9.2實例分析缸閥驅(qū)動單元動力學(xué)模型：采用伺服閥（圓柱滑閥）和液壓缸（非對稱）作為液壓動力單元來驅(qū)動腿部各個關(guān)節(jié)缸閥驅(qū)動單元框圖模型

四足機(jī)器人9.2實例分析缸閥驅(qū)動單元動力學(xué)模型：采用伺服閥（圓柱滑閥）和液壓缸（非對稱）作為液壓動力單元來驅(qū)動腿部各個關(guān)節(jié)液壓力反饋校正位置控制系統(tǒng)框圖模型-等效化簡四足機(jī)器人9.2實例分析Adams-Simulink聯(lián)合仿真分析Adams模型

Simulink控制框圖-虛擬模型控制

機(jī)器人伺服控制第十章機(jī)器人視覺伺服技術(shù)機(jī)器人視覺伺服技術(shù)艙外維修作業(yè)空間實驗作業(yè)操作與監(jiān)視正常、可靠的視力是成功執(zhí)行各類任務(wù)的重要保障條件視覺的功能與意義機(jī)器人視覺伺服技術(shù)人眼視覺≠

人眼只有視，沒有覺

人眼工作依賴于它獨(dú)特的生理學(xué)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動機(jī)理以及神經(jīng)控制眼外肌及周邊解剖機(jī)構(gòu)眼內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)

眼球(Eyeball)3自由度轉(zhuǎn)動(3DOFduction)

瞳孔縮放(PupilContraction)

調(diào)節(jié)(Accommodation)

雙眼運(yùn)動(BinocularMovements)

掃視Saccadic

平滑追蹤Smoothpursuit

收斂Convergence

前庭動反射VOR機(jī)器人視覺伺服技術(shù)仿人眼(BionicEye)

MACEYE-II,2011MACEYE,2006機(jī)器人視覺伺服技術(shù)視覺調(diào)節(jié)(Accommodation)

機(jī)器人視覺伺服技術(shù)視覺調(diào)節(jié)(Accommodation)

晶狀體(Crystalinelens)—人眼球內(nèi)的雙凸面柔性透明體，用于將光線屈光成像于視網(wǎng)膜上角膜(Cornea)—位于眼球前端，用于固定瞳孔、虹膜以及前端流體腔的透明體；其剛度較高，屈光度遠(yuǎn)大于晶狀體；懸韌帶(zonule)—眼球內(nèi)環(huán)晶狀體分布的連接其與睫狀肌的一縷縷纖維睫狀肌(CiliaryMuscle)—眼球的的環(huán)形滑肌組織，人眼調(diào)節(jié)的主要驅(qū)動力主要內(nèi)容contents10.2視覺伺服分類10.3視覺伺服控制需求10.1概述機(jī)器人視覺伺服技術(shù)10.5視覺伺服發(fā)展方向10.6實例分析10.4視覺伺服面臨的問題10.1概述機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)是機(jī)器視覺和機(jī)器人控制的有機(jī)結(jié)合，是一個非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，其內(nèi)容涉及圖象處理、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)、控制理論等研究領(lǐng)域隨著攝像設(shè)備性能價格比和計算機(jī)信息處理速度的提高，以及有關(guān)理論的日益完善，視覺伺服已具備實際應(yīng)用的技術(shù)條件，相關(guān)的技術(shù)問題也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)10.1概述上個世紀(jì)60年代，由于機(jī)器人和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始研究具有視覺功能的機(jī)器人。但在這些研究中，機(jī)器人的視覺與機(jī)器人的動作，嚴(yán)格上講是開環(huán)的。機(jī)器人的視覺系統(tǒng)通過圖像處理，得到目標(biāo)位姿，然后根據(jù)目標(biāo)位姿，計算出機(jī)器運(yùn)動的位姿，在整個過程中，視覺系統(tǒng)一次性地“提供”信息，然后就不參與過程了1973年，有人將視覺系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)，在這一時期把這一過程稱作視覺反饋(visualfeedback)1979年，Hill和Park提出了“視覺伺服”(visualservo)概念10.1概述很明顯，視覺反饋的含義只是從視覺信息中提取反饋信號，而視覺伺服則是包括從視覺信號處理，到機(jī)器人控制的全過程，所以視覺伺服比視覺反饋能更全面地反映機(jī)器人視覺和控制的有關(guān)研究內(nèi)容上個世紀(jì)80年以來，隨著計算機(jī)技術(shù)和攝像設(shè)備的發(fā)展，機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)的技術(shù)問題吸引了眾多研究人員的注意到了90年代，隨著計算機(jī)能力的增強(qiáng)和價格下降，以及圖像處理硬件和CCD攝像機(jī)的快速發(fā)展，機(jī)器視覺系統(tǒng)吸引了眾多研究人員的注意10.1概述例，在PackBot軍用智能機(jī)器人上，配有各類偵察探測模塊，可根據(jù)GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和實拍周圍場景生成地圖。日本科學(xué)家研究的蛇形救災(zāi)機(jī)器人頭部裝有針孔攝像機(jī)，可傳送回實時圖像數(shù)據(jù)，并成功參與了美國佛羅里達(dá)一次停車場崩塌救援行動PackBot軍用智能機(jī)器人日本的蛇形救災(zāi)機(jī)器人10.1概述最早基于視覺的機(jī)器人系統(tǒng)，采用靜態(tài)lookandmove形式。即先由視覺系統(tǒng)采集圖像并進(jìn)行相應(yīng)處理，然后通過計算估計目標(biāo)的位置來控制機(jī)器人運(yùn)動。這種操作精度直接與視覺傳感器、機(jī)械手及控制器的性能有關(guān)，這使得機(jī)器人很難跟蹤運(yùn)動物體到80年代，計算機(jī)及圖像處理硬件得到發(fā)展，使得視覺信息可用于連續(xù)反饋，于是提出了基于視覺的伺服(visualservoing)控制形式。這種方式可以克服模型(包括機(jī)器人、視覺系統(tǒng)、環(huán)境)中存在的不確定性，提高視覺定位或跟蹤的精度10.1概述直到上世紀(jì)末，哈工大、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)等研究單位才開始著手研究機(jī)器人的視覺伺服技術(shù)?！笆晃濉逼陂g，在視覺伺服技術(shù)方面取得突破性地進(jìn)展，研制了“蛟龍?zhí)査聶C(jī)器人”、“ALVLAB“、“CITAVT-IV“、“THMR-V“等智能機(jī)器人目前我國在機(jī)器人的自主導(dǎo)航方面都還落后于發(fā)達(dá)國家，因此我國對智能機(jī)器人的相關(guān)問題還需要進(jìn)一步深入研究10.1概述機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)(VisualServo)機(jī)器人運(yùn)動控制(MotionControl)機(jī)器視覺(MachinVision)“機(jī)器視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像，以獲得所需信息、用于控制機(jī)器人運(yùn)動的裝置?！盇SME定義計算機(jī)視覺(ComputerVision)X理解圖像信息10.1概述10.1概述10.1概述10.1概述10.1概述工業(yè)機(jī)器人Robot操作對象Object控制系統(tǒng)ControlUnit機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)組成典型工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)10.1概述機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)組成工業(yè)機(jī)器人Robot視覺系統(tǒng)VisionSensor操作對象Object控制系統(tǒng)ControlUnit視覺伺服控制系統(tǒng)10.1概述為什么需要視覺伺服控制？10.1概述機(jī)器人視覺伺服控制實現(xiàn)10.2視覺伺服分類按照攝像機(jī)的數(shù)目的不同單目視覺伺服系統(tǒng)、雙目視覺伺服系統(tǒng)以及多目視覺伺服系統(tǒng)按照機(jī)器人的空間位置或圖像特征基于位置的視覺伺服系統(tǒng)和基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)基于位置特征和圖像特征的混合視覺伺服（2.5D）系統(tǒng)按照攝像機(jī)放置位置的不同手眼系統(tǒng)(eyeinhand)和固定攝像機(jī)系統(tǒng)(eyetohand)按照采用閉環(huán)關(guān)節(jié)控制器的機(jī)器人，動態(tài)觀察-移動系統(tǒng)和直接視覺伺服10.2視覺伺服分類基于位置的視覺伺服系統(tǒng)(Position-BasedVisualServoing)利用相機(jī)的參數(shù)建立圖像信號與機(jī)器人的位置/姿態(tài)之間的映射關(guān)系，在伺服過程中，借助圖像信號提取機(jī)器人的位置/姿態(tài)信息，并將它們與目標(biāo)位置/姿態(tài)比較，形成閉環(huán)反饋控制10.2視覺伺服分類基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)(Image-BasedVisualServoing)將實時測量到的圖像信號與目標(biāo)位置/姿態(tài)的圖像信號直接進(jìn)行比較，利用所獲得的圖像誤差進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。根據(jù)不同的相機(jī)安裝方式，IBVS也有兩種不同的類型，(以電容插入PCB為例)，object(電容針腳)與target(孔洞)在圖中的位置變化與否也不一樣10.2視覺伺服分類手眼系統(tǒng)(eyeinhand)相機(jī)安裝在機(jī)械手上，與機(jī)械手位置相對固定；object電容綁定在tool上，相對于相機(jī)位置不變；target孔洞是圖像視野中要去的目標(biāo)位置，隨著機(jī)械手移動而改變固定攝像機(jī)系統(tǒng)(eyetohand)相機(jī)安裝在機(jī)械手外的固定位置object電容綁定在tool上，在相機(jī)所拍的圖片中位置是變化的terget孔洞是已經(jīng)確定了的目標(biāo)位置，因為相機(jī)位置固定，所以位置不變10.2視覺伺服分類手眼系統(tǒng)(eyeinhand)10.2視覺伺服分類固定攝像機(jī)系統(tǒng)(eyetohand)10.2視覺伺服分類基于位置特征和圖像特征的混合視覺伺服（2.5D）系統(tǒng)首先建立一張參照物圖像，通過圖像處理技術(shù)得到期望圖像特征的像素坐標(biāo)值，在視覺伺服系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，不斷從攝像機(jī)采集圖像進(jìn)行分析，得到實時圖像特征，然后將實時圖像特征與期望圖像特征進(jìn)行比對，得到兩視點(diǎn)間的單應(yīng)矩陣。將該矩陣分解，可以得到視覺傳感器的旋轉(zhuǎn)誤差和位置誤差，并通過控制器生成相應(yīng)的控制量，完成對機(jī)器人末端的平移和旋轉(zhuǎn)控制10.3視覺伺服控制需求第一層次第二層次第三層次機(jī)器人根據(jù)視覺系統(tǒng)反饋的0/1信息執(zhí)行固定動作機(jī)器人根據(jù)視覺系統(tǒng)反饋信息