機(jī)器人控制系統(tǒng)組成分類及要求

1、機(jī)器人控制系統(tǒng)一、 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)具有的特點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等項(xiàng)。其中有些項(xiàng)目的控制是非常復(fù)雜的，這就決定了工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：（1）工業(yè)機(jī)器人的控制與其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)有著密不可分的關(guān)系，因而要使工業(yè)機(jī)器人的臂、腕及末端執(zhí)行器等部位在空間具有準(zhǔn)確無(wú)誤的位姿，就必須在不同的坐標(biāo)系中描述它們，并且隨著基準(zhǔn)坐標(biāo)系的不同而要做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，同時(shí)要經(jīng)常求解運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題。（2）描述工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性模型，隨著工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及環(huán)境而改變。又因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人往往具有多個(gè)

2、自由度，所以引起其運(yùn)動(dòng)變化的變量不止個(gè)，而且各個(gè)變量之間般都存在耦合問題。這就使得工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)不僅是一個(gè)非線性系統(tǒng)，而且是一個(gè)多變量系統(tǒng)。（3）對(duì)工業(yè)機(jī)器人的任一位姿都可以通過不同的方式和路徑達(dá)到，因而工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)還必須解決優(yōu)化的問題。二、對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的一般要求機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于對(duì)操作機(jī)的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能如下： 記憶功能：存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。 示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。 與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。

3、 坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對(duì)、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。 人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。 傳感器接口：位置檢測(cè)、視覺、觸覺、力覺等。 位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。 三、 機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成（圖1）（1）控制計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)。一般為微型機(jī)、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。 （2）示教盒 示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機(jī)交互操作，擁有自己獨(dú)立的CPU以及存儲(chǔ)單元，與主計(jì)算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互。（3）操

4、作面板 由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。 （4）硬盤和軟盤存儲(chǔ)存 儲(chǔ)機(jī)器人工作程序的外圍存儲(chǔ)器。 （5）數(shù)字和模擬量輸入輸出 各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。 （6）打印機(jī)接口 記錄需要輸出的各種信息。 （7）傳感器接口 用于信息的自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。 （8）軸控制器 完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。 （9）輔助設(shè)備控制 用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。 （10）通信接口 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。 （11）網(wǎng)絡(luò)接口 1）Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)臺(tái)或單臺(tái)機(jī)器人的

5、直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫(kù)函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個(gè)機(jī)器人控制器中。 2）Fieldbus接口：支持多種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。 四、機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類 程序控制系統(tǒng)：給每一個(gè)自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)要求的空間軌跡。 自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的

6、觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變。 人工智能系統(tǒng)：事先無(wú)法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。 運(yùn)動(dòng)方式： 點(diǎn)位式。要求機(jī)器人準(zhǔn)確控制末端執(zhí)行器的位姿，而與路徑無(wú)關(guān)； 軌跡式。要求機(jī)器人按示教的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)。 控制總線： ·國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)總線控制系統(tǒng)。采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)總線作為控制系統(tǒng)的控制總線，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。 ·自定義總線控制系統(tǒng)。由生產(chǎn)廠家自行定義使用的總線作為控制系統(tǒng)總線。 編程方式： ·物理設(shè)置編程系統(tǒng)。由操作者設(shè)置固定

7、的限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)，停車的程序操作，只能用于簡(jiǎn)單的拾起和放置作業(yè)。 ·在線編程。通過人的示教來(lái)完成操作信息的記憶過程編程方式，包括直接示教（即手把手示教）模擬示教和示教盒示教。 ·離線編程。不對(duì)實(shí)際作業(yè)的機(jī)器人直接示教，而是脫離實(shí)際作業(yè)環(huán)境，生成示教程序，通過使用高級(jí)機(jī)器人，編程語(yǔ)言，遠(yuǎn)程式離線生成機(jī)器人作業(yè)軌跡。 五、機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機(jī)器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類。 ·集中控制方式：用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但實(shí)時(shí)性差，難以擴(kuò)展，其構(gòu)成框圖如圖2所示。 ·主從控制方式：采用主、從兩級(jí)處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。其構(gòu)成框圖如圖3所示。主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。 ·分散控制方式：按系