绳索牵引机器人的控制.pdf

上海交通大学第25期PRP学生研究论文

摘要
多足步行机器人在民用、工业、国防中具有重要应用价值，伺服控制技术是其中的
关键技术。本项目研究了机器人的柔顺力控制，设计并搭建了模拟实验台，通过编程使
嵌入式PC向驱动器发送指令进而控制两个伺服电机转动，根据传感器反馈的数据调节
电机转动速度，通过调节两电机转速使连线张力逐渐达到预设值的算法并对实验结果进
行了分析和总结。
关键词：机器人，伺服电机，柔顺力，控制
ABSTRACT
Multileggedwalkingrobotshaveimportantapplicationvalueincivil,
industrialandthedefence.Servocontroltechnologyisoneofthekey
technologies.Thisprojectwhichsendsthecommandtothedrivestocontrolthe
rotationofthetwomotorsbytheembeddedPCstudiedthecontrolofthecompliant
forceofrobots,designedandconstructedthesimulationtestbench.The
algorithmlettheembeddedPCadjustthevelocityofthetwomotorsbythe
feedbackdatacollectedbythesensorsothatthetensionreachthedesigned
number.Thenanalyzeandconcludethesolutionoftheexperiment.
Keywords:robot,servomotor,softpower,control
1.绪论

机器人在自动化控制中有着极其重要的作用，随着科技不断进步，人们对于机器人
的研究日渐深入，机器人的功能也越来越多，目前在生产自动中工业机器人已有广泛应
用。虽然机器人功能越来越强大，但是目前阶段的机器人与人的在智能化上的差距还有
很大的差距。目前工业上的机器人大都只能按照事先编写好的程序运行，但是外界环境
很容易发生变化，机器人如何在环境变化的前提下适应所发生的变化对于机器人的研究
来说显得格外重要。
机器人研究中,核心矛盾之一为：机器人在特定接触环境操作时对可以产生任意作
用力柔性的高要求和机器人在自由空间操作时对位置伺服刚度及机械结构刚度的高要
求之间的矛盾，机器人能够对接触环境顺从的这种能力即为柔顺性。
机器人的柔顺性又分为主动柔顺性和被动柔顺性。机器人的被动柔顺性是指机器人
在外部作用力下能够凭借自身的一些柔顺装置来对外部作用力顺从；机器人的主动柔顺
性是指机器人通过传感器等测量装置传达的反馈信息用一定的策略去主动控制力。机器
人主动柔顺控制是新兴智能制造的一项关键技术，也是柔性装配自动化中的难点。机器
人具有柔顺性，即对工作环境具有一定的自适应能力和顺从能力。本课题研究主要是通
过构造电动伺服控制系统来完成的。
电动伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是位置或者是速度，它的
根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、
连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。由伺服电路、伺服电机、机械传动机构及
执行部件组成。电动伺服控制系统按原理可以分为开环系统、闭环系统、半闭环系统。
开环伺服系统：开环伺服系统的输入系统的信号不受输出信号影响的控制系统，由
于没有检测反馈装置，系统中各个部分的误差都合成为系统的位置误差，所以其精度较
低，但稳定性最好。
上海交通大学第25期PRP学生研究论文

开环伺服系统
闭环伺服系统：闭环伺服系统输出量直接或间接反馈到输入端。其特点是精度较高，
但系统的结构较复杂、成本高，还存在系统稳定性的问题。

闭环伺服系统
半闭环伺服系统：半闭环伺服系统集二者优势于一身，半闭环控制系统的精度比开
环系统的精度要高，其稳定性也闭环控制系统高。

半闭环伺服系统
柔顺力的控制集众多学科于一身，它的研究可以解决不少难题，对机器人柔顺力的
研究在21世纪的今天存在着良好的理论价值，在实际工程项目中也有重要意义，机器
人柔顺力的研究在实际中应用领域广泛，具有很好的发展前景。
2.硬件设计

2.1系统总体设计
系统总体设计为：以倍福公司生产的嵌入式PC-CX2040作为主站。CX2040安装在
DIN导轨上，采用多核处理器和模块化PC和I/O接口，具有很高的灵活性，可模块
化扩展的嵌入式控制器采用坚固耐用的金属外壳。CX2040采用的通讯方式是EtherCAT,
EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场