第6章 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)

目錄第一章工業(yè)機器人概論第二章工業(yè)機器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第三章工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)第四章工業(yè)機器人的動力系統(tǒng)第五章工業(yè)機器人的感知系統(tǒng)第六章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)第七章工業(yè)機器人編程與調(diào)試 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 主要內(nèi)容6 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成 掌握 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 掌握 6 3工業(yè)機器人常用的控制器 了解 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 6 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成工業(yè)機器人由主體 驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成 主體即機座和執(zhí)行機構(gòu) 包括臂部 腕部和手部 有的機器人還有行走機構(gòu) 大多數(shù)工業(yè)機器人有3 6個運動自由度 其中腕部通常有1 3個運動自由度 驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu) 用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作 控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號 并進(jìn)行控制 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)所要達(dá)到的功能 1 記憶功能存儲作業(yè)順序 運動路徑 運動方式 運動速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息 2 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 3 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 4 坐標(biāo)設(shè)置功能有關(guān)節(jié) 絕對 工具 用戶自定義四種坐標(biāo)系 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)所要達(dá)到的功能 5 人機接口示教盒 操作面板 顯示屏 6 傳感器接口位置檢測 視覺 觸覺 力覺等 7 位置伺服功能機器人多軸聯(lián)動 運動控制 速度和加速度控制 動態(tài)補償?shù)?8 故障診斷安全保護(hù)功能運行時系統(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 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成2 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成 1 控制計算機控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機構(gòu) 一般為微型機 微處理器有32位 64位等 如奔騰系列CPU以及其他類型CPU 2 示教盒示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定 以及所有人機交互操作 擁有自己獨立的CPU以及存儲單元 與主計算機之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互 3 操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 硬盤和軟盤存儲存儲機器人工作程序的外圍存儲器 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 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成2 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成 6 打印機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檢測 實現(xiàn)機器人柔順控制 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 通信接口實現(xiàn)機器人和其他設(shè)備的信息交換 一般有串行接口 并行接口等 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成2 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成 11 網(wǎng)絡(luò)接口1 Ethernet接口可通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機器人的直接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)及程序裝入各個機器人控制器中 2 Fieldbus接口支持多種流行的現(xiàn)場總線規(guī)格 如Devicenet ABRemoteI O Interbus s profibus DP M NET等 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成2 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成3 ABB工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成3 ABB工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本參數(shù) 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)分類 1 程序控制系統(tǒng)一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用 機器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡 2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)界條件變化時 為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì) 其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察 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)能隨時間和條件自動改變 3 人工智能系統(tǒng)無法編制運動程序 而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息 實時確定控制作用 驅(qū)動方式 參見工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng) 運動方式 參見工業(yè)機器人運動系統(tǒng) 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)分類 4 點位式機器人準(zhǔn)確控制末端執(zhí)行器的位姿 而與路徑無關(guān) 5 軌跡式機器人按示教的軌跡和速度運動 6 控制總線標(biāo)準(zhǔn)總線控制系統(tǒng) 采用國際標(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 7 自定義總線控制系統(tǒng)產(chǎn)廠家自行定義使用的總線作為控制系統(tǒng)總線 8 編程方式設(shè)置編程系統(tǒng)由操作者設(shè)置固定的限位開關(guān) 實現(xiàn)起動 停車的程序操作 只能用于簡單的拾起和放置作業(yè) 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)分類 9 在線編程通過人的示教來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 10 離線編程不對實際作業(yè)的機器人直接示教 而是脫離實際作業(yè)環(huán)境 生成示教程序 通過使用高級機器人 編程語言 遠(yuǎn)程式離線生成機器人作業(yè)軌跡 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為以下三類 1 集中控制系統(tǒng) CentralizedControlSystem 用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能 結(jié)構(gòu)簡單 成本低 但實時性差 難以擴展 在早期的機器人中常采用這種結(jié)構(gòu) 基于PC的集中控制系統(tǒng)里 充分利用了PC資源開放性的特點 可以實現(xiàn)很好的開放性 多種控制卡 傳感器設(shè)備等都可以通過標(biāo)準(zhǔn)PCI插槽或通過標(biāo)準(zhǔn)串口 并口集成到控制系統(tǒng)中 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為以下三類 1 集中控制系統(tǒng) CentralizedControlSystem 集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是 硬件成本較低 便于信息的采集和分析 易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制 整體性與協(xié)調(diào)性較好 基于PC的系統(tǒng)硬件擴展較為方便 其缺點也顯而易見 系統(tǒng)控制缺乏靈活性 控制危險容易集中 一旦出現(xiàn)故障 其影響面廣 后果嚴(yán)重 由于工業(yè)機器人的實時性要求很高 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計算 會降低系統(tǒng)實時性 系統(tǒng)對多任務(wù)的響應(yīng)能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突 此外 系統(tǒng)連線復(fù)雜 會降低系統(tǒng)的可靠性 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為以下三類 2 主從控制系統(tǒng)采用主 從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能 主CPU實現(xiàn)管理 坐標(biāo)變換 軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等 從CPU實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作控制 主從控制方式系統(tǒng)實時性較好 適于高精度 高速度控制 但其系統(tǒng)擴展性較差 維修困難 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為以下三類 3 分散控制系統(tǒng) DistributeControlSystem 按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊 每一個模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略 各模式之間可以是主從關(guān)系 也可以是平等關(guān)系 這種方式實時性好 易于實現(xiàn)高速 高精度控制 易于擴展 可實現(xiàn)智能控制 是目前流行的方式 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為以下三類 3 分散控制系統(tǒng) DistributeControlSystem 主要思想是 分散控制 集中管理 即系統(tǒng)對其總體目標(biāo)和任務(wù)可以進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)和分配 并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù) 整個系統(tǒng)在功能 邏輯和物理等方面都是分散的 所以DCS系統(tǒng)又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng) 這種結(jié)構(gòu)中 子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設(shè)備構(gòu)成的 各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)等相互通訊 分布式控制結(jié)構(gòu)提供了一個開放 實時 精確的機器人控制系統(tǒng) 分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為以下三類 3 分散控制系統(tǒng) DistributeControlSystem 兩級分布式控制系統(tǒng) 通常由上位機 下為機和網(wǎng)絡(luò)組成 上位機可以進(jìn)行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法 下位機進(jìn)行插補細(xì)分 控制優(yōu)化等的研究和實現(xiàn) 上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調(diào)工作 這里的通訊總線可以是RS 232 RS 485 EEE 488以及USB總線等形式 現(xiàn)在 以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為機器人提供了更快速 穩(wěn)定 有效的通訊服務(wù) 尤其是現(xiàn)場總線 它應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場 在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向多結(jié)點數(shù)字通信 從而形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS FiledbusControlSystem 從系統(tǒng)論的角度來說 工業(yè)機器人作為工廠的生產(chǎn)設(shè)備之一 也可以歸納為現(xiàn)場設(shè)備 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為以下三類 3 分散控制系統(tǒng) DistributeControlSystem 分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于 系統(tǒng)靈活性好 控制系統(tǒng)的危險性降低 采用多處理器的分散控制 有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行 提高系統(tǒng)的處理效率 縮短響應(yīng)時間 對于具有多自由度的工業(yè)機器人而言 集中控制對各個控制軸之間的藕合關(guān)系處理得很好 可以很簡單的進(jìn)行補償 但是 當(dāng)軸的數(shù)量增加到使控制算法變得很復(fù)雜時 其控制性能會惡化 而且 當(dāng)系統(tǒng)中軸的數(shù)量或控制算法變得很復(fù)雜時 可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的重新設(shè)計 與之相比 分布式結(jié)構(gòu)的每一個運動軸都由一個控制器處理 這意味著 系統(tǒng)有較少的軸間禍合和較高的系統(tǒng)重構(gòu)性 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 3ABB工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)1 ABB機器人系統(tǒng)運行平臺 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 3ABB工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)2 ABB機器人主控制器特點 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 3ABB工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)3 ABB機器人通信方式 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 完善的通信功能是ABB機器人控制系統(tǒng)的特點 其IRC5控制器的PCI擴展槽中可以安裝幾乎任何常見類型的現(xiàn)場總線板卡 包括滿足ODVA標(biāo)準(zhǔn)可使用眾多第三方裝置的單信道DeviceNet 支持最高速率為12Mbps的雙信道ProfibusDP以及可使用銅線和光纖接口的雙信道Interbus 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 3ABB工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)4 ABB機器人模塊化 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 控制模塊作為IRC5的心臟 自帶主計算機 能夠執(zhí)行高級控制算法 為多達(dá)36個伺服軸進(jìn)行MultiMove路徑計算 并且可指揮四個驅(qū)動模塊 控制模塊采用開放式系統(tǒng)架構(gòu) 配備基于商用Intel主板和處理器的工業(yè)PC機以及PCI總線 由于采用標(biāo)準(zhǔn)組件 用戶不必?fù)?dān)心設(shè)備淘汰問題 隨著計算機處理技術(shù)的進(jìn)步能隨時進(jìn)行設(shè)備升級 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 3ABB工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)5 ABB機器人可擴展性 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 3ABB工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)6 ABB機器人示教器 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 3ABB工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)7 ABB機器人基于PC的操作 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 3ABB工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)8 ABB機器人虛擬機器人技術(shù) 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6 2 3ABB工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)9 ABB機器人特色軟件包 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器工業(yè)機器人控制器可進(jìn)行多個任務(wù)操作 具有豐富的網(wǎng)絡(luò)通信功能 RS 232 RS 485 以太網(wǎng)通信功能 機器人動作與通信并行處理 無通信時間的浪費 生產(chǎn)效率更加提高 6 3 1工業(yè)機器人控制器功能 1 多任務(wù)功能 2 一臺機器人可進(jìn)行多個任務(wù)的操作 3 網(wǎng)絡(luò)功能 4 具有豐富的網(wǎng)絡(luò)通信功能 RS 232 RS 485 以太網(wǎng)通信功能 機器人動作與通信并行處理 無通信時間的浪費 生產(chǎn)效率更加提高 5 操作歷史記錄功能 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器6 3 1工業(yè)機器人控制器功能 6 可記錄機器人的工作情況 以便于機器人的管理和維護(hù) 7 海量存儲 8 大容量存儲器可存儲更多的程序和更多的歷史使用信息 9 用戶接口豐富 10 具有鼠標(biāo) 鍵盤 顯示器和USB接口 控制器可作為一臺電腦使用 方便用戶操作 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器6 3 2工業(yè)機器人常用控制器從世界上第一臺遙控機械手的誕生至今已有50年了 在這短短的幾年里 伴隨著計算機 自動控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步 機器人的發(fā)展已經(jīng)歷了3代 1 可編程的示教再現(xiàn)型機器人 2 基于傳感器控制具有一定自主能力的機器人 3 智能機器人 作為機器人的核心部分 機器人控制器是影響機器人性能的關(guān)鍵部分之一 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器6 3 2工業(yè)機器人常用控制器機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業(yè)任務(wù)的裝置 它是機器人的心臟 決定了機器人性能的優(yōu)劣 從機器人控制算法的處理方式來看 可分為串行 并行兩種結(jié)構(gòu)類型 1 串行處理結(jié)構(gòu)所謂的串行處理結(jié)構(gòu)是指機器人的控制算法是由串行機來處理 對于這種類型的控制器 從計算機結(jié)構(gòu) 控制方式來劃分 又可分為以下幾種 1 單CPU結(jié)構(gòu) 集中控制方式用一臺功能較強的計算機實現(xiàn)全部控制功能 在早期的機器人中 如Hero I Robot I等 就采用這種結(jié)構(gòu) 但控制過程中需要許多計算 如坐標(biāo)變換 因此這種控制結(jié)構(gòu)速度較慢 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器6 3 2工業(yè)機器人常用控制器串行處理結(jié)構(gòu) 2 二級CPU結(jié)構(gòu) 主從式控制方式一級CPU為主機 擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理 機器人語言編譯和人機接口功能 同時也利用它的運算能力完成坐標(biāo)變換 軌跡插補 并定時地把運算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運動的增量送到公用內(nèi)存 供二級CPU讀取 二級CPU完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制 這類系統(tǒng)的兩個CPU總線之間基本沒有聯(lián)系 僅通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù) 是一個松耦合的關(guān)系 對采用更多的CPU進(jìn)一步分散功能是很困難的 日本于70年代生產(chǎn)的Motoman機器人 5關(guān)節(jié) 直流電機驅(qū)動 的計算機系統(tǒng)就屬于這種主從式結(jié)構(gòu) 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器6 3 2工業(yè)機器人常用控制器串行處理結(jié)構(gòu) 3 多CPU結(jié)構(gòu) 分布式控制方式目前 普遍采用這種上 下位機二級分布式結(jié)構(gòu) 上位機負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)管理以及運動學(xué)計算 軌跡規(guī)劃等 下位機由多CPU組成 每個CPU控制一個關(guān)節(jié)運動 這些CPU和主控機聯(lián)系是通過總線形式的緊耦合 這種結(jié)構(gòu)的控制器工作速度和控制性能明顯提高 但這些多CPU系統(tǒng)共有的特征都是針對具體問題而采用的功能分布式結(jié)構(gòu) 即每個處理器承擔(dān)固定任務(wù) 目前世界上大多數(shù)商品化機器人控制器都是這種結(jié)構(gòu) 控制器計算機控制系統(tǒng)中的位置控制部分 幾乎無例外地采用數(shù)字式位置控制 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器6 3 2工業(yè)機器人常用控制器2 并行處理結(jié)構(gòu) 3 多CPU結(jié)構(gòu) 分布式控制方式并行處理技術(shù)是提高計算速度的一個重要而有效的手段 能滿足機器人控制的實時性要求 從文獻(xiàn)來看 關(guān)于機器人控制器并行處理技術(shù) 人們研究較多的是機器人運動學(xué)和動力學(xué)的并行算法及其實現(xiàn) 1982年J Y S Luh首次提出機器人動力學(xué)并行處理問題 這是因為關(guān)節(jié)型機器人的動力學(xué)方程是一組非線性強耦合的二階微分方程 計算十分復(fù)雜 提高機器人動力學(xué)算法計算速度也為實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法如 計算力矩法 非線性前饋法 自適應(yīng)控制法等打下基礎(chǔ) 開發(fā)并行算法的途徑之一就是改造串行算法 使之并行化 然后將算法映射到并行結(jié)構(gòu) 一般有兩種方式 一是考慮給定的并行處理器結(jié)構(gòu) 根據(jù)處理器結(jié)構(gòu)所支持的計算模型 開發(fā)算法的并行性 二是首先開發(fā)算法的并行性 然后設(shè)計支持該算法的并行處理器結(jié)構(gòu) 以達(dá)到最佳并行效率 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器6 3 2工業(yè)機器人常用控制器2 并行處理結(jié)構(gòu)構(gòu)造并行處理結(jié)構(gòu)的機器人控制器的計算機系統(tǒng)一般采用以下方式 1 開發(fā)機器人控制專用VLSI設(shè)計專用VLSI能充分利用機器人控制算法的并行性 依靠芯片內(nèi)的并行體系結(jié)構(gòu)易于解決機器人控制算法中大量出現(xiàn)的計算 能大大提高運動學(xué) 動力學(xué)方程的計算速度 但由于芯片是根據(jù)具體的算法來設(shè)計的 當(dāng)算法改變時 芯片則不能使用 因此采用這種方式構(gòu)造的控制器不通用 更不利于系統(tǒng)的維護(hù)與開發(fā) 2 利用通用的微處理器利用通用微處理器構(gòu)成并行處理結(jié)構(gòu) 支持計算 實現(xiàn)復(fù)雜控制策略在線實時計算 如文獻(xiàn)中設(shè)計的系統(tǒng) 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器6 3 2工業(yè)機器人常用控制器3 機器人控制器存在的問題綜合起來 現(xiàn)有機器人控制器存在很多問題 如 1 開放性差局限于 專用計算機 專用機器人語言 專用微處理器 的封閉式結(jié)構(gòu) 封閉的控制器結(jié)構(gòu)使其具有特定的功能 適應(yīng)于特定的環(huán)境 不便于對系統(tǒng)進(jìn)行擴展和改進(jìn) 2 軟件獨立性差軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件 難以在不同的系統(tǒng)間移植 3 容錯性差由于并行計算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性 通訊及同步等內(nèi)在特點 控制器的容錯性能變差 其中一個處理器出故障可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器3 機器人控制器存在的問題 4 擴展性差目前 機器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級來改善和提高系統(tǒng)的性能 由于結(jié)構(gòu)的封閉性 難以根據(jù)需要對系統(tǒng)進(jìn)行擴展 如增加傳感器控制等功能模塊 5 缺少網(wǎng)絡(luò)功能現(xiàn)在幾乎所有的機器人控制器都沒有網(wǎng)絡(luò)功能 總起來看 前面提到的無論串行結(jié)構(gòu)還是并行結(jié)構(gòu)的機器人控制器都不是開放式結(jié)構(gòu) 無論從軟件還是硬件都難以擴充和更改 例如 商品化的Motoman機器人的控制器是不開放的 用戶難以根據(jù)自己需要對其修改 擴充功能 通常的做法是對其詳細(xì)解剖分析 然后對其改造 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器4 機器人控制器的展望針對結(jié)構(gòu)封閉的機器人控制器的缺陷 開發(fā) 具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化 標(biāo)準(zhǔn)化機器人控制器 是當(dāng)前機器人控制器的一個發(fā)展方向 近幾年 日本 美國和歐洲一些國家都在開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的機器人控制器 如日本安川公司基于PC開發(fā)的具有開放式結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)功能的機器人控制器 我國863計劃智能機器人主題也已對這方面的研究立項 工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 第6章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) 6 3工業(yè)機器人常用的控制器4 機器人控制器的展望開放式結(jié)構(gòu)機器人控制器是指 控制器設(shè)計的各個層次對用戶開放 用戶可以方便的擴展和改進(jìn)其性能 其主要思想是 1 利用基于非封閉式計算機平臺的開發(fā)系統(tǒng) 如Sun SGI PC s 有效利用標(biāo)準(zhǔn)計算機平臺的軟 硬件資源為控制器擴展創(chuàng)造條件 2 利用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng) 如Unix Vxwork和標(biāo)準(zhǔn)的控制語言 如C C 采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)和控制語言 從而可以改變各種專用機器人語言并存且互不兼容的局面 3 采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu) 使得為擴展