小型示教机器人全数字控制器研究与开发

摘要

机器人示教是一种应用广泛的机器人控制方法。传统机器人的示教多是采用示教盒示教，该示教方式存在着示教过程繁琐、示教效率低等问题。本文提出并实现了一种通过实时计算并补偿示教过程中各关节的重力矩和摩擦力矩实现机器人手把手直接示教的新方法。全文的主要工作内容如下:
　　1)针对机器人直接示教和复现的设计目标以及拟定的3R型机器人试验验证平台的控制需求，规划设计了基于DSP和FPGA的、集机器人控制和电机驱动为一体的集成化机器人控制器硬件平台，在FPGA内部完成了控制系统所需的各功能接口模块以及电流环PI调节器模块的开发，有效降低了DSP的运算负荷，为小型机器人的示教、复现控制提供了低成本、高集成、全数字化的解决方案。
　　2)提出了采用直接力矩控制方式平衡各关节的重力矩和摩擦力矩实现机器人直接示教控制的新思路，开展了直接示教的算法研究，设计了一套完整的重力及摩擦力的自测量方案，并给出了该套自测量方案的工程实现思路，并开展了示教控制试验，验证了本文所提出的基于直接力矩控制的示教新思路的可行性和有效性。
　　3)为提高示教轨迹复现精度，开展了机器人位置伺服控制算法的研究，通过理论分析和实验验证，确定了系统最终选用的PID+速度前馈+扰动观测器+改进型加速度前馈的位置控制算法，并开展了轨迹跟踪控制和示教复现实验，获得了较好的轨迹复现控制精度。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 机器人概述

1．2 机器人的示教和复现

1．2．1 机器人的示教

1．2．2 机器人的轨迹复现

1．3 常见机器人示教技术

1．3．1 示教盒示教

1．3．2 主从式示教

1．4 机器人的直接示教

1．4．1 功率级脱离示教

1．4．2 伺服级接通示教

1．5 位置控制系统的组成

1．5．1 电流环

1．5．2 速度环

1．5．3 位置环

1．6 本文研究内容和组织结构

1．6．1 本文研究内容

1．6．2 文章的组织架构

第二章 控制系统总体规划

2．1 控制方案规划

2．1．1 直接示教方案规划

2．1．2 轨迹复现方案规划

2．2 控制器的需求分析

2．3 控制器硬件规划

2．3．1 主控单元

2．3．2 电机驱动单元

2．3．3 编码器反馈接口

2．3．4 开关量输入输出接口

2．3．5 存储器

2．4 控制器软件规划

2．4．1 示教软件规划

2．4．2 轨迹复现软件规划

2．5 本章小结

第三章 控制器硬件电路设计

3．1 控制器硬件架构设计

3．2 电源电路设计

3．3 DSP相关电路设计

3．4 FPGA相关电路设计

3．5 电机驱动电路设计

3．6 电枢电流检测电路设计

3．7 编码器反馈电路设计

3．8 其余辅助电路设计

3．9 本章小结

第四章 FPGA内部各功能模块开发

4．1 FPGA简介

4．2 基于FPGA的直流伺服电机电流环控制器设计

4．2．1 电流环控制器的总体设计

4．2．2 模数转换器控制模块

4．2．3 PI运算器

4．2．4 PWM产生逻辑

4．2．5 桥臂控制信号产生逻辑

4．2．6 死区产生逻辑

4．2．7 电流环响应实验

4．3 编码器反馈信号的处理模块设计

4．4 其余辅助电路各相关功能模块设计

4．4．1 DSP外部总线接口的时序电路设计

4．4．2 显示控制电路

4．4．3 锁相环

4．5 本章小结

第五章 直接示教算法研究

5．1 机器人关节的受力分析

5．2 重力矩及摩擦力矩的自测量方案

5．3 测量方案的工程实现

5．3．1 电枢电流近似输出转矩

5．3．2 测量实验及方案改进

5．4 直接示教的软件实现

5．5 示教实验

5．6 本章小结

第六章 位置伺服控制算法研究

6．1 PID控制算法简介

6．1．1 PID算法原理

6．1．2 数字PID原理

6．2 前馈控制

6．2．1 前馈控制原理

6．2．2 速度及加速度的常规前馈方案

6．2．3 速度及加谏摩的改讲犁前馈方案

6．3 扰动观测技术在位置控制中的应用

6．3．1 扰动观测器的基本原理

6．3．2 含有扰动观测器的位置控制器设计

6．4 位置控制算法验证实验

6．4．1 位置控制算法对比实验

6．4．2 位置复现实验

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文