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机电传动控制个人课程报告

时间:2017-06-11 20:17:54      阅读:160      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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                                                                                                                    机械臂的机电传动控制研究

摘要

机械臂是机器人中的重要组成部分,作为执行机构,有着操作灵活、控制方便、不易受环境因素影响的特点,使得它在工业机器人、家用机器人中有很好的前景,能够极大的提高生产效率,带来良好的社会效益。然而,现如今在机械臂研究领域,人们发现:机械臂的难点主要是在运动控制、机械/电气以及安全功能三个方面。本文主要结合所学课程——《机电传动控制》来研究其电机传动控制的相关问题。

关键词:机械臂,电机,传动、控制

 

1. 机械臂的驱动电机

机械臂都是通过关节驱动来实现终点轨迹实现,而其电机主要采用:直流电机、伺服电机、直驱电机、步进电机。其中以步进电机和伺服电机应用较多。各种电机的优缺点和使用场合见表1-1所示[3]

1-1 各种机械臂用关节电机特点

电机类型

优点

缺点

应用场合

直流电机

结构简单

控制方便

良好的启动性能

调速性能好

寿命短

结构复杂

电流通常较大

体积较大

惯量高

较大型机械臂

流水线机械臂

伺服电机

可控性好

控制功率小

控制精度高

带有反馈装置

价格较高

小型机器人

步行机器人

空间机械臂

直驱电机

直接驱动

很高的分辨率

低速大扭矩

体积较大

价格较高

较大型机器臂

步进电机

良好的跟随性

简单可靠

动态响应快

调速范围宽

脉冲电源供电

存在震荡和失步

噪声和振动较大

功率与自重比小

迷宫机器人

巡线跟踪机器人

    从上表可以看出,各种电机的优缺点有差异,适应场所也有所不同。电机的选型是由需求来决定的,同时,对于电机的控制也随之形成。由于现有的机械臂都是多自由度的,有控制学理论知道,其控制难度增大。现如今较流行的机械臂研究是以模块化为基础的可重构机械臂系统,同时实现机械构造、电子系统、硬件结构、控制方式、软件实现等方面的重构。其中具体的技术就有:运动学解算、动力学解算、路径规划、任务规划、控制应用等。这些与我在大二加入的科创团队——足球机器人团队中的事项类似。我们团队所需要实现的运动要求是:通过视觉感应到小球的位置,然后踢球,这里还有一个比较大的难点——平衡。对于机器臂而言,大底板支撑,一般不会发生。机械组通过对整体的建模,以及运动学参数的确立,其他由控制组编程实现操作。         

2. 机械臂的驱动原理

    机械臂的控制原理可从开环、半闭环和闭环控制三方面考虑,开环控制中,只需要将预先设定的轨迹通过运动学、动力学方程求解转变成电机的输入控制(电压控制,可通过PWM直流斩波技术,或交流—直流技术来实现),这种由于电机的控制参数已经确定,但是当运动轨迹引起的速度变化比较复杂时,对电机的控制要求比较高,因此更适合小惯量的场合;半闭环控制中:是将驱动电机的输出角度作为反馈,适用于精度要求较高以及稳定要求较高的场所;而闭环控制,应用于精度非常高的场所,而这种就需要传感器的检测传感技术以及信号处理技术的高速性,减小延迟带来的滞后以及运动失真情况。而现如今对整体的自由度同时规划是非常困难的,因此更适合于模块化,同时也利用现如今较流行的遗传算法、机器学习、大数据等技术进行最优化设计来减小对电机的高要求[4]。具体控制图(这里我以普通永磁有刷直流电机为例,其原理为:电机两极的反电动势信号和转速成正比,通过A/D采集此信号,并在ARM微处理器中采用PID算法,输出PWM信号控制电机转速。)如下:

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2.1  驱动原理图

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2.2 PID反馈控制

通过查阅资料了解,其电机驱动控制器,也就是芯片控制,其采用的模式下列该种形式,如图2.3

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                       2.3 微处理原理图

   正如前面所看到的,在ARM中对电机的控制中,控制器不是直接给出终点位置参数,因为这样可能导致比例向过大,产生震荡,甚至损坏电机。这也验证前面所提高的逐步优化问题。通知,通过阅读文献发现,机械臂领域可以借鉴电动汽车领域的双电机驱动控制[2]。一个电机执行控制动作,另一个进行控制。是否可以将机器臂的一个关于加上两个两个电机以及行星轮,来实现更加精确的控制,当然另一方面,机械传动机构越多,控制系统约复杂,对各机械部件的精度要求越高,而对于目前的机器臂研究水平来说,还处于初期阶段,更加面向的是代替劳动力的普通生产动作,这也可能是在机械结构上没有太大改进的原因。

3. 电机的驱动指标

    前面的原理中已经提到了电机的驱动电路,是通过PWM控制两端的电压来改变力矩,从而使机械臂运动。这里的驱动性能指标有以下几点:

1.输出电流和电压范围。它决定电路能驱动多大功率的电机;

2.效率。高的效率意味着节省电源,也会减少驱动电路的发热;

3.对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离,防止有高电压大电流进入主控电路;

4.对电源的影响。电压电流冲击都会影响电流的使用寿命;

5.可靠性。控制信号不影响驱动电路的安全性。

例如下图中的机械臂伺服控制模块图3.1知,驱动电路都是要经过微处理器处理然后通过PWM、运放电路再作用于电路,这就要求未处理器高校的运算性能[1]

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             3.1 机械伺服控制模块

    其技术难点主要在:电机的锁定好,这需要电机自身的惯量小,而提供的力矩又比较大,对于在机器臂关节中的电机,它做好只作为力矩的提供者,而其他不影响,这样对机构本身的刚度影响不大,而且对于动力学计算式也不会太复杂,为了使锁定性能好,我们可以通过强磁场来控制(对于交流电机而言),对于直流,脉冲可能是最好的选择,这样步进电机本身的步距角就会影响精度,归根到底,机械本身的精度是影响最后的轨迹的效果,现有的控制理论以及十分丰富了。

4. 控制方案

    由于现如今已经有很多像PID控制、鲁棒控制、自适应控制、变结构控制等相关理论,整体而言都是设定目标点、通过动力学、运动学得到各电机的初步控制参数,再通过运动过程中的PID纠正,来达到目标点[6]。而这里我想:既然机械轨迹具有很多的重复性,直接通过物联网技术、通过对大数据的处理、不断进行机械学习、迭代运算最后得到更好的结果。在Scaglia Indeva官网中我们可到,机械手中都以快、准来宣传,其中主要是采用几次保护措施作为辅助,而对于电机传动本身提及的很少。

5. 总结

机电传动控制作为机械装备领域中的大脑,它扮演着越来越重要的角色。像本文所介绍机械臂,它涉及多自由度问题,对我们现如今的动力学、运动学要求更高,系统更加复杂,对于该类结构,其产品的优化需要控制理论支撑、工业水平支撑甚至是现如今的机械学习等优化设计,也需要现如今微处理系统的突破等等。机电传动控制作为专业课很好的将实际问题展现在我们面前,也让我们认识到机电控制的美好前景,值得我们去探索。

 

参考文献

[1].刘洋.单马达驱动多关节机械臂的关键技术研究D.武汉:华中科技大学,2009

[2].黄喜平.电动对接装置机械臂设计和电机驱动研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007

[3].王宏源.机械臂关节用永磁无刷直流电动机的研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006

[4].左仲海.模块化机械臂运动学和动力学快速建模研究D.北京:北京邮电大学,2015

[5].张羽,李雁斌.一种新颖电机控制方法及其在机械臂控制中的应用J.微机电,2008

[6].赵志超.基于迭代学习的6-DOF机械臂轨迹跟踪控制研究D.沈阳:沈阳大学,2013

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原文地址:http://www.cnblogs.com/ExtendingKnowledge/p/6985923.html

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