4自由度電液伺服控制機(jī)械手力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4自由度電液伺服控制機(jī)械手力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),4自由度電液伺服控制機(jī)械手力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),自由度,伺服,控制,節(jié)制,機(jī)械,手力,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第一章 緒 論 1.1 課題背景 遙操作機(jī)器人技術(shù)是二十世紀(jì)六十年代發(fā)展起來(lái)的重要課題之一，在工業(yè)、海洋開(kāi)發(fā)、醫(yī)療等領(lǐng)域中取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。遙操作機(jī)器人已成為人類的得力助手，美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、日本等國(guó)紛紛開(kāi)展遙控機(jī)器人的研究，并已取得了良好的應(yīng)用效果，顯示了它在技術(shù)領(lǐng)域的巨大作用。我國(guó)于八十年代末開(kāi)始遙控機(jī)器人的研制，并已取得了階段性進(jìn)展。遙操作機(jī)器人主要應(yīng)用于人們難以靠近的高溫、高壓、強(qiáng)輻射、窒息等極限環(huán)境。其工作原理是，操作者處于安全處，通過(guò)力反饋操縱桿操作現(xiàn)場(chǎng)工作的機(jī)器人，機(jī)器人上安裝有攝像頭及抓取力和工作阻力的傳感器，根據(jù)操縱手柄上的反饋力，操作者可以判斷出被抓取物的軟硬以及工作阻力的大小，視頻系統(tǒng)將作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的圖像傳回到操作者面前的屏幕上，為操作者提供視覺(jué)反饋，這種具有高度臨場(chǎng)感提示的操作方式與單純依靠從現(xiàn)場(chǎng)傳來(lái)的視覺(jué)圖像而進(jìn)行的遙控操作相比，可大大提高工作效率，將在未來(lái)?yè)岆U(xiǎn)及特殊領(lǐng)域的工作中發(fā)揮其得天獨(dú)厚的和無(wú)可替代的作用。 遙操作機(jī)器人（Telerobot）是指在人的操作下能在人難以接近或?qū)θ擞泻Φ沫h(huán)境中，完成比較復(fù)雜操作的一種遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)。遙控機(jī)器人系統(tǒng)一般需具有以下4種功能：操作功能、感知功能、通訊功能和決策功能。自從遙控操作機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，就得到廣泛的關(guān)注，尤其在核工業(yè)等危險(xiǎn)場(chǎng)所得到廣泛使用。目前典型的遙控機(jī)器人系統(tǒng)由下述幾部分組成：主-從機(jī)械手、運(yùn)動(dòng)載體監(jiān)視觀察系統(tǒng)及傳感器系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)等，復(fù)雜一點(diǎn)的還具有主-從遙操作和半自主遙操作兩種工作方式，如圖1-1所示。工業(yè)機(jī)器人的最早研究開(kāi)始于二十世紀(jì)四十年代后期，那時(shí)美國(guó)橡樹嶺和阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室就已開(kāi)始實(shí)施計(jì)劃，研制遙控式機(jī)械手，用于搬運(yùn)放射性材料。這些系統(tǒng)是“主-從”型的，用于準(zhǔn)確地“模仿”操作員手和臂的動(dòng)作。主機(jī)械手由操作員進(jìn)行引導(dǎo)做一連串動(dòng)作，而從機(jī)械手盡可能準(zhǔn)確地模仿主機(jī)械手的動(dòng)作，后來(lái)機(jī)械耦合主-從機(jī)械手的動(dòng)作加入力反饋，使操作員能夠感覺(jué)到從機(jī)械手與其環(huán)境之間產(chǎn)生的力。二十世紀(jì)五十年代中期，機(jī)械手的機(jī)械耦合被電和液壓裝置取代，如通用電氣公司的“巧手人”和通用制造廠的“怪物”I型機(jī)器人。主-從機(jī)械手出現(xiàn)之后不久，很快就開(kāi)始研究能自主、重復(fù)操作的更復(fù)雜的系統(tǒng)。 圖1-1 典型遙控機(jī)器人工作方式 在二十世紀(jì)五十年代中期，喬治·C·德沃爾研制出了一套“編程的關(guān)節(jié)式傳送裝置”。它是一個(gè)機(jī)械手，其操作可被編程，而且可按照程序指令所確定的動(dòng)作步驟順序工作。對(duì)這一原理，德沃爾和約瑟夫·F·恩格爾伯格進(jìn)行了更深入的研究，從而產(chǎn)生了由Unimation公司于1959年推出的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。它的關(guān)鍵是計(jì)算機(jī)與機(jī)械手配合使用，從而成為一臺(tái)可“示教”而自動(dòng)完成各種任務(wù)的機(jī)器人?，F(xiàn)在的遙操作機(jī)器人與50多年前第一臺(tái)主-從機(jī)械手有了很大的不同，它與臨場(chǎng)感技術(shù)結(jié)合在一起使得機(jī)器人與人有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，能夠恰到好處地發(fā)揮出機(jī)器人與人各自的特長(zhǎng)，機(jī)器人代替人去危險(xiǎn)或人不可能到達(dá)的區(qū)域去工作，而人的判斷能力和決策水平又明顯地提高了系統(tǒng)的整體智能水平，這使操作人員操縱遙控機(jī)器人能夠完成未知或變化環(huán)境下的精確操作任務(wù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的遙控機(jī)器人的研究逐漸發(fā)展起來(lái)，改變了互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)男畔⒅皇侨祟愐曈X(jué)和聽(tīng)覺(jué)可以感知的文字、圖像和聲音等信息的局面，使互聯(lián)網(wǎng)成為人類動(dòng)作行為的載體，從而可實(shí)現(xiàn)人類操作功能的延伸。 八十年代對(duì)智能機(jī)器人的研究表明，由于受到機(jī)構(gòu)、控制、人工智能和傳感技術(shù)水平的限制，發(fā)展能在未知或復(fù)雜環(huán)境下工作的全自主式智能機(jī)器人是目前難以達(dá)到的目標(biāo)。隨著空間技術(shù)、海洋技術(shù)和原子能技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，迫切需要大量工作在危險(xiǎn)和危害人體健康環(huán)境下的高級(jí)機(jī)器人。許多機(jī)器人學(xué)研究者認(rèn)為，目前的研究重點(diǎn)應(yīng)從全自主式轉(zhuǎn)向交互技術(shù)（尤其是在非確定性環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人），這樣更具現(xiàn)實(shí)意義。所謂交互技術(shù)包括機(jī)器人與人的交互和機(jī)器人與環(huán)境的交互。機(jī)器人與人的交互可以由人實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在非確定環(huán)境中難以做到的規(guī)劃和決策，而機(jī)器人則可在人所不能到達(dá)的環(huán)境中進(jìn)行靈巧作業(yè)。機(jī)器人與非確定環(huán)境的交互，是機(jī)器人對(duì)環(huán)境感知的問(wèn)題，由傳感器采集環(huán)境信息，再將環(huán)境信息傳輸給操作人員，達(dá)到有效反饋和精確遙控的目的。這實(shí)際上是將人的智能與機(jī)器人的精細(xì)作業(yè)結(jié)合起來(lái)，使機(jī)器人在人所不易達(dá)到的環(huán)境（如核環(huán)境、空間、危險(xiǎn)化工、炸藥、海底、制藥等）代替人進(jìn)行智能、靈巧作業(yè)，完成許多人類無(wú)法勝任的工作。在這一形勢(shì)下，伴隨“臨場(chǎng)感”概念的提出，人們將臨場(chǎng)感技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)中，創(chuàng)建并開(kāi)展機(jī)器人遙操作中的臨場(chǎng)感控制技術(shù)的研究。 臨場(chǎng)感，美國(guó)學(xué)者稱之“Telepresence”，而日本學(xué)者稱之“Tele-existence”?！癟elepresence”側(cè)重于遠(yuǎn)地環(huán)境在操作者周圍的再現(xiàn)，“Tele-existence”側(cè)重于操作者在遠(yuǎn)地環(huán)境中的再現(xiàn)（由類人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)）。雖然兩者的側(cè)重點(diǎn)不同，但其本質(zhì)和概念是相同的，即將遠(yuǎn)地從機(jī)器人感知到的機(jī)器人和環(huán)境的交互信息以及環(huán)境的信息（包括視覺(jué)的、聽(tīng)覺(jué)的、力覺(jué)的、觸覺(jué)的和運(yùn)動(dòng)覺(jué)的等信息），實(shí)時(shí)地、真實(shí)地反饋給操作者，使操作人員產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，從而有效地感知環(huán)境及控制從機(jī)器人完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)。 以主－從機(jī)器人為核心的臨場(chǎng)感遙操作系統(tǒng)可以在非確定性環(huán)境下(空間、深海、輻射、戰(zhàn)場(chǎng)等)進(jìn)行復(fù)雜的操縱作業(yè)(如航天器的裝配、維修)，操作者的操縱質(zhì)量與對(duì)“從環(huán)境”信息(如力覺(jué)、視覺(jué)等)的真實(shí)獲得能力密切相關(guān)。借助于遙控操作系統(tǒng)提供力覺(jué)臨場(chǎng)感，可以使操作者真實(shí)地感覺(jué)到機(jī)器人與被操作物體的動(dòng)態(tài)相互作用，就像操作者自己的手臂在操作物體一樣，使操作者完成復(fù)雜精密的作業(yè)。由于臨場(chǎng)感技術(shù)可極大地提高遙操作機(jī)器人的作業(yè)能力，美國(guó)、日本、德國(guó)等技術(shù)先進(jìn)國(guó)家相繼投入了大量的力量從事臨場(chǎng)感技術(shù)和臨場(chǎng)感系統(tǒng)的研究，并在臨場(chǎng)感的理論分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)評(píng)估、實(shí)驗(yàn)研究及系統(tǒng)研制等方面都取得了不少有價(jià)值的研究成果。 我國(guó)“863”計(jì)劃中，智能機(jī)器人主題已將臨場(chǎng)感技術(shù)列為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。近年來(lái)，我國(guó)逐漸開(kāi)展了對(duì)臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的理論與試驗(yàn)研究，構(gòu)造了初步的實(shí)驗(yàn)裝置，并先后多次作了研究成果報(bào)道。清華大學(xué)已完成一套用于駕駛THMR-Ⅱ型智能車的臨場(chǎng)感系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有立體視覺(jué)臨場(chǎng)感、聽(tīng)覺(jué)臨場(chǎng)感，采用無(wú)線通訊，作用距離5km，車速3.6km/h。 很顯然，臨場(chǎng)感技術(shù)是一門多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)的集成，該技術(shù)對(duì)非確定性環(huán)境下工作的第三代機(jī)器人有十分重要的意義，越來(lái)越受到各國(guó)的重視。21世紀(jì)各國(guó)競(jìng)相開(kāi)發(fā)海底、地下資源和宇宙空間，我國(guó)要想在此領(lǐng)域中占有一席之地，無(wú)疑需要加緊對(duì)臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，而且這可以為以后研制全自主式智能機(jī)器人積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，因而研究具有臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人，無(wú)論對(duì)太空、原子能、深海等具體應(yīng)用，還是對(duì)我國(guó)趕超世界尖端技術(shù)均有十分重要的意義。 力覺(jué)臨場(chǎng)感是臨場(chǎng)感技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容，是指將遠(yuǎn)地從機(jī)械手與環(huán)境的相互作用力通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)反饋到本地操作者處，使操作者操作操縱桿時(shí)產(chǎn)生身臨其境的力覺(jué)感受。理想的力覺(jué)臨場(chǎng)感系統(tǒng)能使操作者產(chǎn)生直接觸摸、移動(dòng)、擠壓遠(yuǎn)地環(huán)境目標(biāo)物體的感覺(jué),就好像在工作現(xiàn)場(chǎng)一樣。在沒(méi)有力反饋的遙控操作系統(tǒng)中，機(jī)器人嚴(yán)格按照操作者的指令運(yùn)動(dòng),機(jī)械手的實(shí)際位置與指令位置的誤差會(huì)帶來(lái)較大的不必要的接觸力和力矩，因此這種系統(tǒng)很難保證機(jī)械手的安全和可靠性。研究表明具有力反饋的遙操作，使得操作人員能立即獲得作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總體印象，將會(huì)極大地提高操作人員的感知能力，能夠更有效、更準(zhǔn)確地完成各種復(fù)雜任務(wù)，可以使作業(yè)時(shí)間減少40%。完美的力覺(jué)臨場(chǎng)感要求從機(jī)器人跟蹤主機(jī)器人的位置信息，主機(jī)器人跟蹤從機(jī)器人與環(huán)境的接觸力，即力覺(jué)臨場(chǎng)感系統(tǒng)是透明的。近年來(lái)，在遙操作機(jī)器人領(lǐng)域?qū)ατX(jué)臨場(chǎng)感相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類操縱器進(jìn)行了大量研究，取得了很多成果，出現(xiàn)了一些商用的力反饋手套、力反饋操縱桿、力反饋筆、基于力反饋的鼠標(biāo)等具有力覺(jué)反饋的操縱操縱桿是遙操作系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，是操作者感知環(huán)境并對(duì)遠(yuǎn)端從機(jī)器人進(jìn)行控制的重要媒介,起到人機(jī)接口的作用。如何提供有效的力覺(jué)反饋和位置控制是操縱桿研究的關(guān)鍵。 從操作者的角度來(lái)看，操縱桿是一種人機(jī)接口，它的作用可以歸結(jié)為：(1)操作者手臂運(yùn)動(dòng)的測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)人手的測(cè)量結(jié)果作為控制從機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)指令。(2)力覺(jué)臨場(chǎng)感中力的發(fā)生源，操作者根據(jù)感受到的力覺(jué)信息來(lái)理解、判斷從機(jī)械手與環(huán)境作用的狀況，決定下一步的工作方法?，F(xiàn)有的力反饋操縱器結(jié)構(gòu)大體可以分為串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式、并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式和復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，此外，根據(jù)主－從機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是否相似可分為同構(gòu)式和異構(gòu)式，一般主要由操縱器本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、信息檢測(cè)與控制系統(tǒng)等幾部分組成。 迄今，絕大多數(shù)遙控機(jī)器人的主手和從手采用同構(gòu)方式。由于主手和從手的機(jī)械結(jié)構(gòu)相同，不需要作運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的變換。因此，該系統(tǒng)并不需要計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和控制，只需要一些簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路。但該主手的適用范圍較小、只能對(duì)應(yīng)單一的同構(gòu)從手；在操作空間上，同構(gòu)形式的主手需要足夠的空間來(lái)覆蓋從手的操作空間，因此在操作靈活性上又暴露了其必然的缺陷。與具有“復(fù)制品”主手的傳統(tǒng)主-從機(jī)器人相比，異構(gòu)式機(jī)械手設(shè)計(jì)較為困難,主-從手的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確,控制算法比較復(fù)雜,但其運(yùn)動(dòng)形式靈活多樣,因而更適合于現(xiàn)代機(jī)器人智能化的需要。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的操縱桿以同構(gòu)式為主。采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)的力反饋主手各構(gòu)件關(guān)系明確，運(yùn)動(dòng)控制算法比較簡(jiǎn)單；相比之下，并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以對(duì)平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)行解耦，有利于提高運(yùn)動(dòng)精度，而且具有機(jī)構(gòu)剛度大，承載能力高的特點(diǎn)，因此，并聯(lián)操縱桿在機(jī)器人遙操作領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。 通信時(shí)延是臨場(chǎng)感遙控作業(yè)系統(tǒng)的重要因素。遙控作業(yè)系統(tǒng)中由于時(shí)延的存在會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定并使其操作性能下降。因此，它一直是研究者致力解決的問(wèn)題。近幾年的研究表明，通過(guò)構(gòu)建虛擬環(huán)境及仿真機(jī)器人，操作者面向圖形機(jī)器人進(jìn)行遙操作，可以較好地解決遙控作業(yè)系統(tǒng)中的時(shí)延問(wèn)題。這方面以往研究焦點(diǎn)的一個(gè)主要方面是集中在虛擬環(huán)境和虛擬手的幾何學(xué)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模以及消除建模誤差上。當(dāng)然，這也是目前及今后研究的重要方面。但這有兩個(gè)不足：一是以往的虛擬模型與真實(shí)環(huán)境和機(jī)器人的各種特性相比過(guò)于簡(jiǎn)化了，今后在方面還要做大量的工作；二是對(duì)于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境則無(wú)法精確建模。針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，美國(guó)斯坦福大學(xué)的Rosenberg提出了所謂“虛擬夾具（Virtual Fixtures）”的方法，不需要對(duì)環(huán)境建立虛擬模型則可以解決遙作系統(tǒng)的時(shí)延及力反饋問(wèn)題。這些“虛擬夾具”是一些加在遠(yuǎn)地工作空間各端面的抽象的傳感器數(shù)據(jù)，并且僅與操作者交互。它們可以與遠(yuǎn)地工作空間的被操作對(duì)象那樣占據(jù)同樣的物理空間，而又沒(méi)有幾何上或物理上的約束。后來(lái)，Rosenberg又把“虛擬夾具”用來(lái)提高“插銷入孔”遙控任務(wù)的性能。他把可塑性“夾具板”置于戴有頭盔式顯示器（HMD）的操作者的前面。操作者的位置輸入由外骨架裝置給定，而當(dāng)與“虛擬板（不可視）”交互時(shí)，操作者就會(huì)感覺(jué)到反饋力。 綜上所述，自二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，遙操作機(jī)器人技術(shù)已逐步進(jìn)入廣泛的實(shí)用化階段，主要的研究方向從主-從遙控機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面轉(zhuǎn)向提高系統(tǒng)的人機(jī)交互能力。在目前的技術(shù)條件下，機(jī)器人要達(dá)到完全自主是困難的，因此在機(jī)器人與人的關(guān)系上，機(jī)器人系統(tǒng)不應(yīng)完全把人排斥在外，特別是那些操作過(guò)程難以預(yù)知的工作或?qū)ε及l(fā)事件的處理，需要借助于人的智能才能完成。由于有了臨場(chǎng)感的幫助，使人可直觀地參與現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化要求大為降低，從而可以勝任目前尚不易檢測(cè)和難以自動(dòng)控制的作業(yè)，通過(guò)人機(jī)的合理分工，就可以極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)和降低系統(tǒng)成本。另一方面在主-從遙控機(jī)器人控制策略方面的研究還不充分，力覺(jué)臨場(chǎng)感的保真度和系統(tǒng)的可操縱性一直未達(dá)到令人滿意程度的情況下。研制和開(kāi)發(fā)具有臨場(chǎng)感的主-從遙控機(jī)器人系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1.2.1 設(shè)計(jì)要求 （1）設(shè)計(jì)4自由度電液伺服控制機(jī)械手力控制系統(tǒng)，最大抓取重量100㎏，最大回轉(zhuǎn)角度135°，俯仰和擺動(dòng)角度60°； （2）控制系統(tǒng)各組成元件選擇，參數(shù)的設(shè)定； （3）分析簡(jiǎn)歷被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，以開(kāi)環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)力反饋控制（使用位置－位置伺服控制實(shí)現(xiàn)力反饋，并區(qū)別被抓取物體的剛度）； （4）分析雙向伺服控制系統(tǒng)算法。提出使用于本系統(tǒng)的雙向伺服力反饋控制算法； （5）由控制算法編制控制程序，由計(jì)算機(jī)作為控制器實(shí)現(xiàn)力反饋。 1.2.2 工作內(nèi)容 （1）掌握液壓伺服控制遙操作工程機(jī)器人的力控制形式； （2）掌握機(jī)器手的液壓伺服控制系統(tǒng)，放大控制單元、安裝各種傳感器； （3）理解電氣部分元件，驅(qū)動(dòng)電路及傳感器檢測(cè)電路。 第二章 四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 新興的工業(yè)機(jī)器人都是以關(guān)節(jié)坐標(biāo)直接編制程序的。開(kāi)發(fā)比較高級(jí)的機(jī)器人程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，要求具有按照笛卡爾坐標(biāo)系規(guī)定工作任務(wù)的能力。物體在工作空間內(nèi)的位置以及機(jī)器人手臂的位置，都是以某個(gè)確定的坐標(biāo)系來(lái)描述的；而工作任務(wù)則是以某個(gè)中間坐標(biāo)系（如附于手臂端部的坐標(biāo)系）來(lái)規(guī)定的。 由笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)描述工作任務(wù)時(shí)，必須把上述規(guī)定變換為一系列能夠由手臂驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)位置。確定手臂位置和姿態(tài)的各關(guān)節(jié)位置的解答，就是運(yùn)動(dòng)方程的求解。本章將研究利用坐標(biāo)變換的方法，通過(guò)設(shè)置主－從手各連桿坐標(biāo)系，確定各連桿的齊次變換矩陣D-H(Denavit-Hartenberg)坐標(biāo)變換矩陣，從而建立從手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)描述方程。這是進(jìn)一步研究遙操作機(jī)器人實(shí)時(shí)控制以及機(jī)械手三維圖形仿真的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 2.1 四自由度機(jī)械手連桿的幾何參數(shù) 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的是手臂各連桿間的位移關(guān)系、速度關(guān)系和加速度關(guān)系。機(jī)器人操作臂可以看作為一個(gè)開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈，它由一系列連桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的。開(kāi)鏈的一端固定在基座上，另一端是自由的，安裝著末端執(zhí)行器，用以操作物體，完成各種作業(yè)。關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致連桿的運(yùn)動(dòng)，使抓手到達(dá)所需的位姿。 四自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。 圖2-1 四自由度機(jī)械手 為了研究操作臂各連桿之間的位移關(guān)系，可在每個(gè)連桿上固接一個(gè)坐標(biāo)系，然后描述這些坐標(biāo)系間的關(guān)系。Denavit和Hartenberg提出一種通用的方法，用一個(gè)4×4的齊次變換矩陣來(lái)描述相鄰兩連桿的空間關(guān)系，從而推導(dǎo)出“手抓坐標(biāo)系”相對(duì)“參考系”的等價(jià)齊次變換矩陣，建立操作臂的運(yùn)動(dòng)方程。 該機(jī)械手是由四個(gè)連桿和四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成的，每個(gè)關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度?；Q為連桿0，不包含在這四個(gè)連桿之內(nèi)。連桿1與基座由關(guān)節(jié)1相連接；連桿2與連桿1通過(guò)關(guān)節(jié)2相連接，依此類推。如圖2-2所示，抓手與連桿4固接，基座固定不動(dòng)。連桿的功能在于保持其兩端的關(guān)節(jié)軸線具有固定的幾何關(guān)系，連桿的特征也是由這兩條軸線規(guī)定的。如圖2所示，連桿是由關(guān)節(jié)軸線和i 的公法線長(zhǎng)度和夾角所規(guī)定的。和分別稱為連桿的長(zhǎng)度和扭角。的指向規(guī)定為從軸線繞公垂線轉(zhuǎn)至軸線i 。兩軸線平行時(shí), ＝0°；兩軸線相交時(shí)，，這時(shí)指向不定。 除基座及末端桿件外，其余每個(gè)桿件均有兩個(gè)關(guān)節(jié)，i號(hào)桿件與號(hào)桿件相連接的關(guān)節(jié)稱為i號(hào)桿件的下關(guān)節(jié)，另一關(guān)節(jié)稱為i號(hào)桿件的上關(guān)節(jié)。下關(guān)節(jié)的編號(hào)為i，上關(guān)節(jié)的編號(hào)為。相鄰兩連桿i和由關(guān)節(jié)i相連，因此關(guān)節(jié)軸線i有兩條公法線和它垂直，每條公法線代表一條連桿，代表連桿；代表連桿i。兩條公法線和之間的距離稱為兩條連桿之間的偏置；和之間的夾角稱為兩條連桿之間的關(guān)節(jié)角。和都帶有正負(fù)號(hào)。表示與軸線i 的交點(diǎn)到與軸線i 的交點(diǎn)間的距離，沿軸線i測(cè)量；表示與之間夾角，繞軸線i由到測(cè)量。 圖2-2 連桿連接描述 圖2–1 所示機(jī)械手，其連桿參數(shù)見(jiàn)表2–1。 表2-1 四自由度連桿機(jī)器人的連桿參數(shù) 關(guān)節(jié)i （°） （㎜） （°） （㎜） 1 L1=350 90 0 2 L2=2014 0 0 3 L3=1400 0 0 4 L4=620 0 0 2.2 機(jī)械手的連桿坐標(biāo)系 為了確定機(jī)器人各桿件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在各桿件上分別固接一個(gè)坐標(biāo)系。我們采用把桿件坐標(biāo)系固定在每個(gè)桿件的上關(guān)節(jié)處的辦法，與基座固接的坐標(biāo)系記為{0}，第i 桿件的坐標(biāo)系{i}設(shè)置于i+1號(hào)關(guān)節(jié)上，并固定與i 桿件上，坐標(biāo)系{i}與桿件i 無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如圖2-3所示，i 桿件坐標(biāo)系{i}的系固定在i 桿件的上關(guān)節(jié)i+1 處，它的原點(diǎn)在關(guān)節(jié)i+1 的軸線上；軸與關(guān)節(jié)i+1 的軸線重合；軸是桿件長(zhǎng)度的延長(zhǎng)線；軸的方向由右手坐標(biāo)系的原則決定。同樣，我們也將桿件i-1 的坐標(biāo)系{i-1}設(shè)置在桿件i-1的上關(guān)節(jié)i 的軸線處。 在機(jī)器人坐標(biāo)系中，機(jī)械手各桿件參數(shù)和關(guān)節(jié)變量描述如下： 是繞軸（按右手規(guī)則）由軸轉(zhuǎn)向軸的關(guān)節(jié)角； 是繞第（i-1）坐標(biāo)系的原點(diǎn)到軸和軸的交點(diǎn)沿軸的距離； 是從軸到軸沿軸的偏置距離； 是繞軸（按右手規(guī)則）由軸轉(zhuǎn)向軸的偏轉(zhuǎn)角。 圖2-3 異構(gòu)從手坐標(biāo)系 2.3 四自由度機(jī)械手的動(dòng)力學(xué) 機(jī)器人操作臂系統(tǒng)裝置本質(zhì)上是由一系列連桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈。原則上機(jī)器人操作臂為復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)耦合系統(tǒng)。動(dòng)力學(xué)研究的是物體的運(yùn)動(dòng)和受力之間的關(guān)系。機(jī)器人操作臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有兩個(gè)問(wèn)題需要解決，動(dòng)力學(xué)正問(wèn)題―根據(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩或力，計(jì)算操作臂的運(yùn)動(dòng)（關(guān)節(jié)位移、速度和加速度）；動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題―已知軌跡運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)位移、速度和加速度，求出所需的關(guān)節(jié)力矩或力。 研究機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的目的是多方面的。動(dòng)力學(xué)正問(wèn)題與操作臂的仿真研究有關(guān)，逆問(wèn)題是為了實(shí)時(shí)控制的需要。要控制運(yùn)動(dòng)軌跡和動(dòng)態(tài)模型仿真，都要以動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，以其達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)性能和最優(yōu)指標(biāo)。由于動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)計(jì)算的復(fù)雜性，在實(shí)時(shí)控制時(shí)，都要作某些簡(jiǎn)化假設(shè)。 分析機(jī)器人操作的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，主要采用以下兩種理論： （1）動(dòng)力學(xué)基本理論，包括牛頓－歐拉方程 （2）拉格朗日力學(xué)，特別是二階拉格朗日方程 由于第一種分析方法較復(fù)雜，需求得加速度，并消去各內(nèi)作用力，適合較簡(jiǎn)單的問(wèn)題。而拉格朗日功能平衡法只需求得速度，不必求內(nèi)作用力，本研究中使用第二種方法求解機(jī)器臂的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。同時(shí)，由于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究的是機(jī)器人操作臂各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力或力矩與關(guān)節(jié)位移、速度和加速度之間的關(guān)系，所以在實(shí)際問(wèn)題中，我們一般不考慮機(jī)器人末端執(zhí)行自由度，對(duì)于本系統(tǒng)，即不考慮從機(jī)器人抓手自由度。 第三章 機(jī)械手電液伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)組成 該液壓控制系統(tǒng)主要有：油箱、手爪液壓缸、小臂液壓缸、大臂液壓缸、機(jī)座液壓缸、三位四通電液換向閥、單向閥、壓力表、蓄能器、伺服控制閥、直動(dòng)式溢流閥、壓力開(kāi)關(guān)、表用管接頭、濾油器等。 3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.2.1 機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)回路主要元件及其型號(hào)選擇 1.油箱：選用BEX-250型，a×b×c為1800×1100×800。 2.粗濾油器：在液壓系統(tǒng)中防止油中的雜質(zhì)顆粒進(jìn)入液壓元件中，防止堵塞單向閥，電磁換向閥等，起到保護(hù)作用。該液壓系統(tǒng)選用網(wǎng)式濾油器，型號(hào)為WU-630×180F，過(guò)濾精度180μ，流量630L/min，通徑80㎜，總高為302㎜，直徑為118㎜。這種濾油器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)性能好，過(guò)濾精度較低。 3.變量泵：變量泵選用CB-D32型齒輪泵。額定排量33.6ml/r，額定壓力10MPa，最高140MPa，轉(zhuǎn)速1800rpm，最高2400rpm，驅(qū)動(dòng)功率20.5kW，重 量13.5㎏。該泵屬于中高壓齒輪泵。它采用雙金屬固定側(cè)板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)沖擊性負(fù)荷適應(yīng)性較好。適用于工程機(jī)械等液壓系統(tǒng)中。 4.電動(dòng)機(jī)：該液壓系統(tǒng)選擇GB2-6D-5型。電壓380V，采用三相交流電。 5.直動(dòng)式溢流閥選用DBD型，其最大壓力范圍2.5～63MPa，額定流量330L/min，公稱通徑6～30㎜。 6.單向閥：?jiǎn)蜗蜷y選用A-Ha32L型。公稱通徑32㎜，額定壓力32MPa，額定流量200L/min。主出油路單向閥保證液壓缸油不倒流，以保護(hù)液壓泵正常工作，保證液壓缸的壓力回路的壓力不變。在液壓缸超出額定壓力的情況下保證液壓泵不受到損壞。而回油路單向閥是保證液壓泵的油不會(huì)從回油路進(jìn)入液壓缸。從而保證液壓缸正常工作。 7.表用管接頭：選用擴(kuò)口式壓力表接頭GB5645.1-85標(biāo)準(zhǔn)。管接頭的參數(shù)根據(jù)液壓系統(tǒng)所用的油管來(lái)選擇。 8.壓力開(kāi)關(guān)：選用KF-L8/20E型號(hào)，壓力表開(kāi)關(guān)用于切斷油路和壓力表的連接，或者調(diào)節(jié)其開(kāi)口大小起阻尼作用，減緩壓力表急劇抖動(dòng)，防止損壞。 通 徑8㎜，壓力35MPa。 9.細(xì)濾油器：選用XU-J250×80F型，通徑50㎜，流量250L/min，壓力16MPa，過(guò)濾精度80μ。 10.蓄能器：蓄能器的作用是用來(lái)儲(chǔ)存和釋放液體壓力能的裝置，它能夠在短期內(nèi)大量供油，維持系統(tǒng)壓力，吸收沖擊壓力或液壓泵的脈動(dòng)壓力。該液壓回路蓄能器選用活塞式蓄能器，型號(hào)為HXQ-B6.3D。氣體容積6.3L，最高工作壓力17.0MPa，耐壓25.5MPa，重量51㎏。 11.壓力表：壓力表選用YWZ-150T。 12.三位四通電液換向閥：從動(dòng)端在抓取物體時(shí)，即機(jī)械手在動(dòng)作過(guò)程當(dāng)中通過(guò)改變液壓油的流向來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓缸的前后運(yùn)動(dòng)，該設(shè)計(jì)選用一個(gè)三位四通電液換向閥，該滑閥型號(hào)為4WEH32E50/OF6AW220-50型?；y額定流量1.0L/min，電源電壓220V，頻率50Hz，工作環(huán)境溫度50℃?；y的換向由伺服閥控制器來(lái)調(diào)節(jié)，通過(guò)滑閥的換向來(lái)改變機(jī)械手液壓缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而改變機(jī)械手的動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手預(yù)定的功能。 13.液壓缸的選擇：液壓缸選用工程用液壓缸。其型號(hào)為HSGL01-63/35BHEZ2。該液壓缸缸蓋聯(lián)接方式為外螺紋聯(lián)接，液壓缸直 徑 為63㎜，活塞桿直徑35㎜，活塞桿采用整體式活塞桿，壓力等級(jí)為H級(jí)，安裝方式采用耳環(huán)型安裝，緩沖裝置采用閥緩沖。該型號(hào)液壓缸的速度比，其中A1和A2為活塞兩側(cè)有效面積。其工作壓力為16MPa，推力為49.88kN，拉力為34.48kN。最大行程為800㎜。 3.2.2 四自由度遙操作機(jī)械手液壓回路 該系統(tǒng)為四自由度機(jī)械手，液壓系統(tǒng)采用四個(gè)工程用液壓缸表示四個(gè)自由度，其液壓原理圖如圖3-1所示。 圖3-1 機(jī)械手液壓回路 1-油箱 2-粗濾油器 3-變量泵 4-電動(dòng)機(jī) 5-直動(dòng)式溢流閥 6-單向閥 7-表用管接頭 8-壓力開(kāi)關(guān) 9-細(xì)濾油器 10-蓄能器 11-壓力表 12-三位四通電液換向閥 13-液壓缸 該機(jī)械手操作系統(tǒng)均是液壓驅(qū)動(dòng)。對(duì)于機(jī)械手分別用四個(gè)液壓缸來(lái)控制其四個(gè)自由度；整個(gè)機(jī)械手液壓系統(tǒng)由液壓站、油路、電液比例換向閥、閥控制器和液壓缸組成，具體如圖3-1所示。 系統(tǒng)中選用電液伺服閥作為主手的伺服控制元件，主要是因?yàn)樗欧y響應(yīng)比較快，控制精度較高，主手的動(dòng)態(tài)反應(yīng)特性直接影響到遙操作性能的好壞。而從機(jī)械手則選用電液比例閥作為伺服控制元件，主要是考慮到從手的作業(yè)環(huán)境一般比較惡劣，在實(shí)際應(yīng)用中除了中位有死區(qū)外，其穩(wěn)態(tài)特性已與伺服閥不相上下，并且比例閥的制造成本和維護(hù)費(fèi)用較低。電液比例控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是充分利用液壓控制與電器控制的長(zhǎng)處。即在功率傳遞方面利用液壓傳動(dòng)的大功率、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，在信號(hào)處理方面利用電氣信號(hào)的處理運(yùn)算方便的優(yōu)點(diǎn)。并且可以對(duì)被控液壓參數(shù)的大小進(jìn)行電氣遙控和無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)換，從而使整個(gè)液壓系統(tǒng)的控制水平得以大大提高。 第四章 機(jī)械手齒輪與鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 機(jī)械手的主手和從手在抓取物體和釋放物體的時(shí)候會(huì)不斷的進(jìn)行閉合-張開(kāi)-閉合-張開(kāi)的過(guò)程。為了保證在這些過(guò)程當(dāng)中兩手張開(kāi)的角度和大小一樣，我們選用支持圓柱齒輪傳動(dòng)，并且傳動(dòng)比為1。這樣就能充分保證兩手爪張開(kāi)閉合的一致性。由于機(jī)械手在工作的過(guò)程中所抓取的重量哈物體的大小是隨機(jī)的，所以要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。 4.1.1 齒輪材料、熱處理、精度等級(jí)、齒輪齒數(shù) 考慮到兩個(gè)齒輪承受力比較大，傳遞功率較大，并且要求結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長(zhǎng)，從而主、從手齒輪都選用40MnB，并進(jìn)行表面淬火，齒面硬度選48～55HRC。在此四自由度機(jī)械手當(dāng)中，由于齒輪采用的是對(duì)稱布置，對(duì)稱載荷分布較均勻，故齒輪精度選為8級(jí)精度。由于傳動(dòng)比選兩個(gè)齒輪的齒數(shù)為。 4.1.2 按齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 在該機(jī)械手設(shè)計(jì)中由于齒輪轉(zhuǎn)速低，故采用開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，開(kāi)式齒輪傳動(dòng)其主要失效形式是齒面磨損，由于對(duì)磨損尚無(wú)成熟的計(jì)算方法，故只能按彎曲強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。 有公式 ， （4-1） 確定式中個(gè)項(xiàng)數(shù)值：其中 式中：---使用系數(shù)，由于載荷均勻平穩(wěn)，故由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可查， ---動(dòng)載系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， ---齒向載荷分布系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， ---齒間載荷分配系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， ---轉(zhuǎn)矩，；為單個(gè)機(jī)械手所承受的力，本設(shè)計(jì)中單個(gè)機(jī)械手所承受的最大力為；為力作用方向與齒輪軸線的垂直距離，此次取， ---端面重合度，，對(duì)于直齒圓柱齒輪，分度圓螺旋角， ---重合度系數(shù)，， ---尺寬系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， ---齒形系數(shù)，一個(gè)無(wú)量綱系數(shù)，只與輪齒的齒廓形狀有關(guān)，而與齒的大小（模數(shù)）無(wú)關(guān)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， ---應(yīng)力修正系數(shù)，與齒數(shù)和變位系數(shù)有關(guān)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， ---彎曲強(qiáng)度的壽命系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， ---齒輪的彎曲疲勞極限，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， ---彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)，對(duì)通用齒輪和多數(shù)的工業(yè)應(yīng)用齒輪，（失效概率為）， ---許用彎曲應(yīng)力，。 將確定后的各項(xiàng)數(shù)值代入設(shè)計(jì)公式（4-1）得 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 則有：齒輪的直徑； 中心矩； 齒輪寬度；即主、從爪齒輪齒寬為。 4.1.3 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 （4-2） 式中：---彈性系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， ---節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，是考慮節(jié)點(diǎn)處齒廓曲率對(duì)接觸應(yīng)力影響的系數(shù)， 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， ---齒數(shù)比，此處， ---接觸疲勞強(qiáng)度重合度系數(shù)，按不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得， ---許用接觸應(yīng)力，為該齒輪的接觸疲勞極限，為接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)，一般設(shè)計(jì)時(shí)，?。ㄊЦ怕蕿椋┌床辉试S出現(xiàn)點(diǎn)蝕查得, 從而，將確定的各項(xiàng)數(shù)值代入接觸強(qiáng)度校核公式（4-2）得： 。 從而可知該齒輪滿足接觸疲勞強(qiáng)度。 4.1.4 齒輪精度設(shè)計(jì) 選擇齒輪精度檢測(cè)指標(biāo)為：?jiǎn)蝹€(gè)齒距偏差、齒距累積總偏差、齒廓總偏差、螺旋線總偏差和齒厚偏差。 齒輪材料為40MnB，線膨脹系數(shù)℃。按選擇的8級(jí)精度，查齒輪公差表可得： ，，， 齒厚偏差計(jì)算： 有機(jī)械原理得知，分度圓弦齒高公稱值： 分度圓弦齒厚公稱值： 計(jì)算齒厚上偏差： 由公式 而 。（因） 則 查齒輪基節(jié)極限偏差，。 則 ， 查有關(guān)齒輪公查表，齒輪中心距極限偏差。 從而齒厚上偏差 查齒輪齒圈徑向跳動(dòng) ， 齒厚公差： 從而齒厚下偏差 該四自由度機(jī)械手齒輪建模圖型見(jiàn)附錄Ⅱ所示。 4.2 鍵聯(lián)接強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 在該四自由度機(jī)械手中齒輪與軸采用普通平鍵連接。尺寸鍵寬b×鍵高h(yuǎn)×鍵長(zhǎng)L為12×8×50。對(duì)于平鍵連接其主要失效形式有：較弱零件工作面被壓潰（靜連接）、磨損（動(dòng)連接）、鍵的剪斷（一般極少出現(xiàn)）。因此，對(duì)于普通平鍵連接只需進(jìn)行擠壓強(qiáng)度計(jì)算。擠壓強(qiáng)度條件公式 (4-3) 式中：---轉(zhuǎn)矩，； ---軸的直徑，； ---鍵與輪轂接觸高度，； ---鍵的工作長(zhǎng)度，A型鍵； ---鍵的公稱長(zhǎng)度； b---鍵的寬度； ---鍵、軸、輪轂中較弱材料的許用擠壓應(yīng)力，查表得； 將各數(shù)值代入公式（5-3）中得： 故該軸采用單鍵連接其擠壓強(qiáng)度達(dá)不到要求。從而要采取措施來(lái)達(dá)到要求。 當(dāng)普通平鍵連接不能滿足強(qiáng)度要求時(shí)；可以采取下列措施： 1）采用兩個(gè)平鍵連接，相隔180°布置，考慮到載荷分布不均勻，按1.5倍單鍵鍵長(zhǎng)計(jì)算連接的強(qiáng)度。 2）若輪轂允許加寬，可適當(dāng)增加鍵長(zhǎng)。但應(yīng)注意當(dāng)鍵過(guò)長(zhǎng)時(shí)，載荷沿鍵長(zhǎng)分布不均勻性將加大，通常鍵長(zhǎng)不宜超過(guò)（1.6～1.8）d 。 3）如有可能增大軸徑，則可另選剖面尺寸較大的鍵。 4）若承載能力相差太大或有其他要求時(shí)，可考慮采用花鍵連接。 對(duì)于該機(jī)械手，考慮到整體尺寸的大小和整個(gè)機(jī)械手的重量，對(duì)單鍵連接達(dá)不到要求我們采取第一條措施，在軸的相隔180°的兩個(gè)方向上安裝兩個(gè)普通平鍵。則進(jìn)一步校核： 經(jīng)計(jì)算后校核得到該措施滿足設(shè)計(jì)要求。 第五章 機(jī)械手力信號(hào)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 雙向伺服控制理論 雙向控制是指主手和從手間的運(yùn)動(dòng)和力覺(jué)信息的交互反饋控制。主－從手的位置控制是利用主手檢測(cè)人的操作動(dòng)作，并把操作動(dòng)作傳遞給從手系統(tǒng)。如果只是把主手的位置信息傳遞到從手進(jìn)行控制，而從手不向主手傳遞信息的伺服稱為單向伺服。如果同時(shí)把從手的力、位置信息傳遞到主手，讓操作員能感到從手與環(huán)境的交互作用，這種伺服稱為雙向伺服控制。單向伺服的方法，在從手不接觸被操作物體，僅在自由空間動(dòng)作時(shí)工作得很好。當(dāng)從手因環(huán)境的約束不能自由動(dòng)作，這時(shí)主－從手之間會(huì)產(chǎn)生很大位置偏差（通常主手在工作空間并不受環(huán)境約束），在從手一側(cè)將產(chǎn)生過(guò)大的作用力。顯然，在抓取易破損或其它不能承受很大作用力的物體時(shí)，不能采用這種單向伺服控制方法而必須采用雙向伺服控制的方法。因?yàn)樗哂袑氖謧?cè)發(fā)生的力定性或定量地傳遞給主手側(cè)這種功能，使得操作者能夠感覺(jué)到從手與被操作物體之間相互作用力的大小，從而提高操作性能。雙向伺服控制原理圖可以用圖5-1表示。 在理想的情況下，雙向伺服控制應(yīng)使操作者感受到的力成比例等于從手受到被操作對(duì)象的作用力,同時(shí)從手位置Xs 成比例等于主手的位置。這就是所謂的力和位置完全透明。 圖5-1 雙向伺服控制原理圖 在雙向伺服控制理論的實(shí)際應(yīng)用中，往往是根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合和力矩、位移的檢測(cè)條件進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。常用的有力直接反饋型、力偏差反饋型以及對(duì)稱型雙向伺服系統(tǒng)，同時(shí)，在此基礎(chǔ)上綜合考慮提高主－從遙操作位置跟隨反應(yīng)速度，改善操縱性能，提出了并列型和改進(jìn)并列型雙向伺服控制算法。 對(duì)于上面五種雙向伺服控制算法，其中力直接反饋型和對(duì)稱型主要針對(duì)可以自由操縱的主手（比如力反饋游戲操縱桿等）。我們所研究的主手，由于采用液壓驅(qū)動(dòng)，伺服閥的結(jié)構(gòu)特性決定了主手若想產(chǎn)生動(dòng)作，必須引入人手的操縱力信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)閥芯位移，從而能夠間接“推動(dòng)”主手。因此我們將采用力偏差反饋型、并列型以及改進(jìn)并列型作為主－從雙向伺服控制策略。 由前面分析可知力偏差反饋型、并列型以及改進(jìn)并列型雙向控制策略比較適合主－從手均采用液壓驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)，其算法如下： 1、力偏差反饋型：， 。 2、并列型： 3、改進(jìn)并列型： 5.2 實(shí)驗(yàn)方案 首先先測(cè)取機(jī)械手抓取物體和不抓取物體時(shí)的壓力信號(hào),然后將該壓力信號(hào)進(jìn)行一系列的信號(hào)處理，最后經(jīng)由計(jì)算機(jī)校核之后傳達(dá)給操縱手柄,使人在遠(yuǎn)程控制的情況下能感知到機(jī)械手抓取物體時(shí)所需要的力,就像是在實(shí)際環(huán)境中工作一樣,使操作者能夠很清晰的感覺(jué)到觸摸、移動(dòng)、擠壓等。有了力反饋的操縱系統(tǒng)，使得操作人員能立即獲得作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總體印象，將會(huì)極大地提高操作人員的感知能力，能夠更有效、更準(zhǔn)確地完成各種復(fù)雜任務(wù)，可以使作業(yè)時(shí)間減少40%。力反饋系統(tǒng)主-從遙操作的總體實(shí)驗(yàn)方案如圖5-2所示。 圖5-2 主-從遙操作實(shí)驗(yàn)方案 考慮到臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的主手是采用液壓驅(qū)動(dòng)這一實(shí)際情況，首先采用傳統(tǒng)的力偏差型雙向伺服控制策略，對(duì)其控制效果進(jìn)行了試驗(yàn)分析，然后在此基礎(chǔ)上為提高系統(tǒng)反應(yīng)速度，改善操縱性能，采用上文提出的并列型和改進(jìn)并列型算法，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)上述算法進(jìn)行綜合比較，驗(yàn)證了在采用液壓驅(qū)動(dòng)主手的主－從遙操作系統(tǒng)中，改進(jìn)并列型算法是一種比較有效的雙向伺服控制策略。系統(tǒng)由一主手液壓伺服子系統(tǒng)和一從手液壓伺服子系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。 5.3 力反饋控制系統(tǒng) 由于該設(shè)計(jì)只設(shè)計(jì)測(cè)量從手系統(tǒng)（即四自由度機(jī)械手）的力，所以對(duì)于主手系統(tǒng)的電路先暫時(shí)不處理。而四自由度機(jī)械手力反饋系統(tǒng)框圖如圖5-3所示。 圖5-3 四自由度機(jī)械手力反饋系統(tǒng)框圖 該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)力測(cè)量，系統(tǒng)所需元件主要有：液壓泵站、機(jī)械手液壓缸、應(yīng)變式壓力傳感器、位移傳感器、儀用放大器、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、濾波器，A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器等。 此系統(tǒng)框圖原理：由壓力傳感器測(cè)量出來(lái)的電流信號(hào)（表示的是壓力值），經(jīng)過(guò)儀用放大器將信號(hào)放大，再由濾波電路進(jìn)行低通濾波，得到的是頻率和幅值較穩(wěn)定的信號(hào)，但是此時(shí)信號(hào)仍是壓力信號(hào)，而該實(shí)驗(yàn)是為了得到機(jī)械手力的信號(hào)，所以需要經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成力信號(hào)，并且此時(shí)輸出的力信號(hào)為比較穩(wěn)定的電壓信號(hào)。最后再把此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī)校核、D/A轉(zhuǎn)換，最后輸入操縱手柄由操作者控制機(jī)械手動(dòng)作。 5.4 信號(hào)采集與處理 5.4.1 壓力傳感器型號(hào)選擇 該設(shè)計(jì)所選用的壓力傳感器為擰在液壓缸頭部側(cè)面的應(yīng)變式壓力傳感器。該傳感器選用中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第七零一研究所生產(chǎn)的PTF-2型防爆壓力傳感器。其主要技術(shù)指標(biāo)如表5-1。 表5-1 PTF-2 型壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo) 測(cè)量范圍 0～0.6,1,1.6,2,5,10,15,20,25,30,35,40 MPa 輸出信號(hào) 0～10mA、4～20mA 基本誤差 ±0.2、±0.3、±0.5 %F.S 線性誤差L ±0.2、±0.3、±0.5 %F.S 回程誤差H ±0.2、±0.3、±0.5 %F.S 重復(fù)性R ±0.2、±0.3、±0.5 %F.S 工作溫度 -30～+60 ℃ 溫度補(bǔ)償范圍 -30～+60 ℃ 零點(diǎn)溫度影響 ±0.3 %F.S/10℃ 輸出溫度影響 ±0.3 %F.S/10℃ 激勵(lì)電壓 24 VDC 絕緣電阻 1000 MΩ/100VDC 零點(diǎn)輸出 < 0.1mA、4±0.1mA 安全過(guò)負(fù)荷率 120 %F.S 該應(yīng)變式壓力傳感器如圖5-4所示。 圖5-4 應(yīng)變式壓力傳感器外形圖 5.4.2 應(yīng)變式壓力傳感器電橋電路分析 如圖5-5所示為該應(yīng)變式壓力傳感器電橋電路。 圖5-5 力傳感器電橋電路 橋臂電阻R1、R2、R3、R4分別表示粘貼在彈性體上應(yīng)變片的等效電阻，RD表示連接在對(duì)角線ab間的負(fù)載（此處為放大器）等效輸入電阻，在對(duì)角線cd間連接的是供橋電源電壓U。因此流經(jīng)負(fù)載電阻RD的電流ID為 負(fù)載電阻RD兩端電壓, 當(dāng)時(shí)，,橋路平衡。若橋路等效輸入電阻極大，即可認(rèn)為,則有,取,當(dāng)電阻變化很小，即，則上式可簡(jiǎn)化為, 靈，（i=1～４），則上式可表示為，即橋路輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。 由應(yīng)變片構(gòu)成的力測(cè)量電路在無(wú)作用力時(shí)橋路應(yīng)處于平衡狀態(tài)。但是實(shí)際電阻應(yīng)變片的阻值不可避免地存在誤差，導(dǎo)線電阻、接觸電阻等因素都會(huì)造成電橋測(cè)量電路處于非平衡狀態(tài)，產(chǎn)生非線性誤差。因而需要有預(yù)調(diào)平衡電路，使測(cè)量橋路在無(wú)力作用時(shí)輸出為零。 5.4.3 儀用放大器 由于應(yīng)變片橋路輸出的電流信號(hào)在毫伏級(jí)的水平上，十分微弱（該應(yīng)變式壓力傳感器輸出電流為0～10mA）。無(wú)法直接供給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理；同時(shí)微弱模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中，容易受到干擾，引起信號(hào)失真。為此，引入前置放大電路及穩(wěn)壓電源作為力信號(hào)采集電路。力信號(hào)前置放大電路的放大器采用儀用放大器INA114，在一般應(yīng)用時(shí)只需外接一只普通電阻Rg就可得到任意增益。一般增益根據(jù)外接電阻的阻值可達(dá)到1000。該儀用放大器具有高輸入阻抗，高共模抑制比等優(yōu)點(diǎn)。該放大器的供電電源為18V直流電源。本系統(tǒng)的信號(hào)放大倍數(shù)約為1000倍。如圖5-6所示為INA114的基本接法。圖5-7為INA114的電路結(jié)構(gòu)。 圖5-6 INA114電路基本接法 圖5-7 INA114的電路結(jié)構(gòu) 5.4.4 濾波電路 由于各種不確定外界干擾（如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、阻間電容耦合等）的存在，使得放大后的力信號(hào)中極易摻雜進(jìn)高頻噪聲信號(hào)；同時(shí)，當(dāng)從手抓取大剛度物體時(shí)，力信號(hào)瞬間變化沖擊很劇烈，容易導(dǎo)致從手甚至主手發(fā)生振蕩，成為系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要因素。因此，有必要將采集回來(lái)的力傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)二階系統(tǒng)進(jìn)行低通濾波處理。 該系統(tǒng)所選用的低通濾波電路如圖5-8所示。 圖5-8 低通濾波電路 低通濾波器允許在其截止頻率以下的頻率成分通過(guò)，而高于此頻率的頻率成分被衰減。此低通濾波電路的截止頻率為66HZ。計(jì)算過(guò)程如下。 ， ， 則， 經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù), 則由截止頻率對(duì)應(yīng)于幅值衰減-3dB的點(diǎn)，即幅頻特性值等于，并把，代入傳遞函數(shù)H(S)可得，從而計(jì)算出。 5.4.5 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的作用是把由濾波器出來(lái)的穩(wěn)定壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成力信號(hào)，并把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由于該實(shí)驗(yàn)是四自由度的，故選用6通道的應(yīng)變儀就足夠了。該實(shí)驗(yàn)所選的動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀為北戴河電子儀器廠生產(chǎn)的CS-1A信號(hào)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀。 5.4.6 集成穩(wěn)壓電源 該設(shè)計(jì)的集成穩(wěn)壓電源是為應(yīng)變式壓力傳感器提供輸入電壓而設(shè)計(jì)的。PTF-2型壓力傳感器要求的輸入電壓是24V直流電源。故該穩(wěn)壓電源必須能滿足壓力傳感器的電壓要求。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路圖如圖5-9所示。 圖5-9 集成穩(wěn)壓電源 變壓器的選擇： 由于該集成穩(wěn)壓電路所輸出的最大電壓為30V，所以集成穩(wěn)壓電源需要的供電電壓要比最大輸出電壓大3V以上，但是也不能太大。在該設(shè)計(jì)中選用的供W7805使用的電壓為35V。即。而變壓器降壓后的電壓經(jīng)過(guò)單相橋式全波整流電路后電壓進(jìn)一步降為，與的關(guān)系為：，從而,則取=40V，而，從而變壓器主副線圈匝數(shù)之比。根據(jù)此線圈匝數(shù)之比選取變壓器型號(hào)。因此該變壓器選用SG系列的，其主要技術(shù)指標(biāo)如表5-2。 該電路采用的是把直流電先由整流電路變成直流電，然后在經(jīng)過(guò)一系列變壓，是得輸出電壓U0滿足壓力傳感器的電壓。穩(wěn)壓電源選用W7805，中間經(jīng)放大器F007變壓。由電路圖可求出輸出電壓U0變化范圍。 表5-2 SG系列變壓器主要技術(shù)指標(biāo) 單相 三相 輸入輸出電壓 <500V 容量 0.5～100kVA 1～500kVA 溫升 <60℃ 耐壓 絕緣電阻 由電路圖可知該電路是輸出電壓可調(diào)的電路，圖中的運(yùn)算放大器起電壓跟隨作用，采用單電源運(yùn)算放大器，起電源電壓就是穩(wěn)定電路的輸入電壓。運(yùn)算放大器具有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻，當(dāng)電位器Rp滑動(dòng)端處于最上端時(shí)，,而滑動(dòng)端處于最下端時(shí)，。因此穩(wěn)壓電路輸出電壓的范圍是： 從而代入電路圖中的電阻阻值可得： 即 由計(jì)算可知該電路電壓滿足該設(shè)計(jì)所用應(yīng)變式壓力傳感器的輸入電壓。 5.5 壓力傳感器完整電路 將以上所有電路及電器元件聯(lián)接起來(lái)便可以組成測(cè)量機(jī)械手抓取物體時(shí)壓力的電路圖。其電路圖如圖5-10所示。 圖5-10 壓力傳感器測(cè)力電路 由圖5-2及圖5-10可得該壓力傳感器測(cè)量力電路為開(kāi)環(huán)控制電路。通過(guò)電路圖可以看出，由集成穩(wěn)壓電源構(gòu)成的穩(wěn)壓電路為應(yīng)變式壓力傳感器PTF-2型提供24V直流電源，從壓力傳感器出來(lái)的壓力電流信號(hào)經(jīng)過(guò)INA114儀用放大器進(jìn)行放大處理，放大的壓力電流信號(hào)再經(jīng)過(guò)濾波電路的低通濾波濾去過(guò)高的頻率信號(hào)，最后出來(lái)的壓力電流信號(hào)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀CS-1A轉(zhuǎn)換成力的電壓信號(hào)。將此穩(wěn)定的力電壓信號(hào)和位移模擬信號(hào)相加送入A/D傳感器、計(jì)算機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器。最后出來(lái)的控制信號(hào)送入操縱手柄進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。 第六章 機(jī)械手力信號(hào)電氣電路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.1 電氣原理方案設(shè)計(jì) 在該系統(tǒng)中，主要由單片機(jī)控制整個(gè)電路來(lái)控制伺服裝置進(jìn)而控制機(jī)械手液壓系統(tǒng)，最終控制機(jī)械手手爪的運(yùn)動(dòng)。其主要問(wèn)題是整個(gè)芯片的選擇。 控制圖中用8031作為主控制器，電氣圖的四個(gè)輸出端分別與四個(gè)伺服閥控制器相連，當(dāng)伺服閥控制器接到信號(hào)后，電磁換向閥通電導(dǎo)通，從而使液壓油進(jìn)入油缸，推動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的閉合。在液壓缸上裝壓力傳感器，用來(lái)檢測(cè)液壓缸進(jìn)出油時(shí)的壓力，反饋給操作者，最后由操作者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行機(jī)械手的下一個(gè)動(dòng)作。 6.2 電氣元件的選擇 （1）單片機(jī)：在該系統(tǒng)中選用由Inter公司生產(chǎn)的8031單片機(jī)。它由微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、4個(gè)并行8位I/O接口、一個(gè)串行口、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、終端系統(tǒng)、特殊功能寄存器（SFR）組成。微處理器（CPU）由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成。 （2）A/D轉(zhuǎn)換器：該設(shè)計(jì)為四自由度機(jī)械手，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求和精度要求較高，且由應(yīng)變式壓力傳感器采集信號(hào)并處理后傳來(lái)的是±5V的雙極性模擬輸入信號(hào)。故選用AD574轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，轉(zhuǎn)換精度0.05%，轉(zhuǎn)換位數(shù)12位，可直接與各種典型的8位或16位微處理器相連，支持±5V模擬輸入，片內(nèi)有時(shí)鐘電路、基準(zhǔn)電源電路和雙片雙極性電路，無(wú)需附加邏輯接口電路就可獨(dú)立完成A/D轉(zhuǎn)換功能；內(nèi)部設(shè)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器和各種輸入輸出控制電路，很容易與微處理器配接，故選用AD574A作為A/D轉(zhuǎn)換器。 （3）采樣保持器：選用LF398采樣/保持器。 （4）多路模擬輸入開(kāi)關(guān)：由于該系統(tǒng)力有4條力信號(hào)輸入，而每次只能有一個(gè)信號(hào)被送入8031單片機(jī)，故選用八選一模擬輸入開(kāi)關(guān)4051。 其功能如表6-1所示。 （5）D/A轉(zhuǎn)換器：選用具有雙向緩沖輸入寄存器和有關(guān)聯(lián)的控制線的DAC1230，可與8位微處理器直接連線，無(wú)需添加任何接口。DAC1230內(nèi)部具有8位輸入鎖存器和4位輸入鎖存器，所以在與8031連接時(shí)不用外接擴(kuò)展芯片，直接將8031的數(shù)據(jù)輸出線接到DAC1230的8根數(shù)據(jù)線上即可。 表6-1 4051功能表 輸入 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通位置 INH 1 0 0 0 0X?XCOM 0 0 0 1 1X?XCOM 0 0 1 0 2X?XCOM 0 0 1 1 3X?XCOM 0 1 0 0 4X?XCOM 0 1 0 1 5X?XCOM 0 1 1 0 6X?XCOM 0 1 1 1 7X?XCOM 1 × × × 高阻狀態(tài) （6）運(yùn)算放大器：由參考電壓源和輸出運(yùn)算放大電路組成。為了滿足D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)于參考電壓的高要求和方便地改變輸出模擬電壓范圍，需要配置相應(yīng)的參考電壓源。參考電壓源電路如圖6-1所示，其中主要由2DW7C型溫度補(bǔ)償穩(wěn)壓二極管保證參考電壓的穩(wěn)定，參考電壓。D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量為電流量，需要通過(guò)一個(gè)反相輸入的運(yùn)算放大器才能轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，如圖6-2所示，LF356即起到這種作用。在這種情況下，模擬輸出電壓與輸入數(shù)字量A和參考電壓的關(guān)系為： （0A<1） （6-1） 且要使電壓輸出為雙極性，還需后接一個(gè)反相輸入加法運(yùn)算電路，其電路圖如圖6-2所示，如前所述，參考電壓，故該電路輸出的模擬電壓為： （0A<1） （6-2） 所以可以得到V的模擬輸出電壓。 圖6-1 參考電源電壓 圖6-2 運(yùn)算放大器電路 （7）地址鎖存器：選用74LS373。74LS373是一種帶有三態(tài)門的8D鎖存器。其功能如表6-2所示。74LS373用作地址鎖存器時(shí)，首先應(yīng)使三態(tài)門的使能信號(hào)為低電平，這時(shí)，當(dāng)G端輸入為高電平時(shí)，鎖存器輸出狀態(tài)和輸入端狀態(tài)相同；當(dāng)G端從高電平返回到低電平時(shí)，輸入端的數(shù)據(jù)鎖入Q0~Q7的８位鎖存器中。 表6-2 74LS373功能表 G D Q 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 × 不變 1 × × 高阻態(tài) （8）譯碼器：由于該系統(tǒng)有多片芯片，所以選用74LS138型譯碼器。它有8根地址選擇信號(hào)線輸出，可同時(shí)連接8個(gè)芯片。 （9）靜態(tài)RAM：選用6264型SRAM，它有28個(gè)引腳，具有13位的地址輸入線，有8位雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。其管腳圖如圖6-3。 圖6-3 6264管腳圖 其中A0～A12即為13位的地址輸入線，D0～D7為8位雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。其操作方式如表6-3。 表6-3 6264操作方式 D0～D7 讀 0 0 1 數(shù)據(jù)輸出 寫 0 1 0 數(shù)據(jù)輸入 維持 1 任意 任意 高阻態(tài) (10)程序存儲(chǔ)器EPROM：該系統(tǒng)選用2764型EPROM程序存儲(chǔ)器。2764管腳圖如圖6-4所示。 圖6-4 2764管腳圖 A0～A12為13根地址線，可尋址8K字節(jié)；D0～D7為數(shù)據(jù)輸出線；為片選線；為數(shù)據(jù)輸出選通線；為編程脈沖輸入端；是編程電源；是主電源。2764EPROM芯片是8K字節(jié)的紫外線擦除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V供電，工作電流為75mA，維持電流為35mA，讀出時(shí)間最大為250ns。 6.3 PID控制算法 PID控制器是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的一種調(diào)節(jié)器，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于整定，并在長(zhǎng)期應(yīng)用中已積累了豐富的參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)。由于控制對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價(jià)進(jìn)行模型辯識(shí)，而且往往不能得到預(yù)期的效果，而采用PID控制并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線參數(shù)整定，可得到較為滿意的控制效果。另外隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PID數(shù)字控制算法可以在計(jì)算機(jī)上很簡(jiǎn)單地得到實(shí)現(xiàn)，而且由于軟件實(shí)現(xiàn)的靈活性，PID數(shù)字算法可以引入各種參數(shù)整定算法而更加完善。所以盡管現(xiàn)代控制理論已經(jīng)得到長(zhǎng)足發(fā)展，但在目前PID控制由于它自身的優(yōu)點(diǎn)仍然是得到最廣泛應(yīng)用的基本控制方式。PID控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示。 式中：比例控制系數(shù)，積分控制常數(shù)，微分控制常數(shù)。 參數(shù)、、 的大小對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定特性有很大的影響。比例控制常數(shù)加大，使系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，速度加快。偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，當(dāng)太大時(shí)，系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，加大，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制常數(shù)偏小系統(tǒng)將不穩(wěn)定，振蕩次數(shù)較多，太大積分作用對(duì)系統(tǒng)性能影響減小。積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。微分控制常數(shù)可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，但其偏大、偏小時(shí)，超調(diào)量都較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。所以只有參數(shù)、、合適時(shí)，系統(tǒng)才可以得到滿意的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定特性。表6-5列出P、I、D 參數(shù)增大對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響。 表6–1 各調(diào)節(jié)器對(duì)性能指標(biāo)的影響 調(diào)節(jié)器 上升時(shí)間 超調(diào)量 過(guò)渡時(shí)間 靜差 P增大 減小 增大 上升時(shí)間 減小 I增大 減小 增大 減小 消除 D增大 影響不大 減小 減小 影響不大 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)成本的下降，越來(lái)越多的控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作為控制器使用。采用計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)字校正裝置，效果比連續(xù)式校正裝置好，且由軟件實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)律易于改變，控制靈活。采樣信號(hào)，特別是數(shù)字信號(hào)的傳遞可以有效地抵制噪聲，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。采用計(jì)算機(jī)作為控制核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)通過(guò)A/D數(shù)據(jù)采集卡采樣反饋?zhàn)兞?，并?jì)算誤差和控制量，再通過(guò)D/A 變換后輸出，使被控對(duì)象輸出量跟隨設(shè)定值。數(shù)字PID 控制算式有位置型、增量型、速度型等形式，其共同點(diǎn)是比例、積分和微分