工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本原理

1、.工業(yè)機器人控制系統(tǒng) 20世紀80年代以后，由于微型計算機的發(fā)展，特別是電力半導體器件的出現(xiàn)，使整個機器人的控制系統(tǒng)發(fā)生了很大的變化，使機器人控制器日趨完善。具有非常好的人機界面，有功能完善的編程語言和系統(tǒng)保護，狀態(tài)監(jiān)控及診斷功能。同時機器人的操作更加簡單，但是控制精度及作業(yè)能力卻有很大的提高。目前機器人已具有很強的通信能力，因此能連接到各種網絡（CANBUS、PROFIBUS或ETHERNET）。形成了機器人的生產線。特別是汽車的焊接生產線、油漆生產線、裝配生產線很多都是靠機器人工作的。特別是控制系統(tǒng)已從模擬式的控制進入了全數(shù)字式的控制。 90年代以后，計算機的性能進一步提高，集成電路（IC

2、）的集成度進一步的提高，使機器人的控制系統(tǒng)的價格逐漸降低，而運算的能力卻大大提高，這樣，過去許多用硬件才能實現(xiàn)的功能也逐漸地使用軟件來完成。而且機器人控制系統(tǒng)的可靠性也由最早幾百小時提高到現(xiàn)在的6萬小時，幾乎不需要維護。一、 控制系統(tǒng)基本原理及分類工業(yè)機器人的控制器在要求完成特定作業(yè)時，需要做下述幾件事：示教：通過計算機來接受機器人將要去完成什么作業(yè)。也就是給機器人的作業(yè)命令，這個命令實質上是人發(fā)出的。計算：這一部分實際上就是機器人控制系統(tǒng)中的計算機來完成的，它通過獲得的示教信息要形成一個控制策略，然后再根據這個策略（也稱之為作業(yè)軌跡的規(guī)劃）細化成各軸的伺服運動的控制的策略。同時計算機還要擔負

3、起對整個機器人系統(tǒng)的管理，采集并處理各種信息。因此，這一部分是非常重要的核心部分。伺服驅動：就是通過機器人控制器的不同的控制算法將機器人控制策略轉化為驅動信號，驅動伺服電動機，實現(xiàn)機器人的高速、高精度運動，去完成指定的作業(yè)。反饋：機器人控制中的傳感器對機器人完成作業(yè)過程中的運動狀態(tài)、位置、姿態(tài)進行實時地反饋，把這些信息反饋給控制計算機，使控制計算機實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行情況，及時做出各種決策。傳 感 器伺 服 驅 動控 制 計 算 機示 教 圖1 機 器 人 控 制 基 本 原 理 圖控制系統(tǒng)可以有四種不同分類方法：控制運動方式、控制系統(tǒng)信號類型、控制機器人的數(shù)目以及人機的相互關系等分類。（1

4、）、按控制運動方式進行分類可分為程序控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)和組合控制系統(tǒng)。A、 程序控制系統(tǒng)：絕大多數(shù)商品機器人是屬于這種控制系統(tǒng)，主要用于搬運、裝配、點焊等點位控制，以及弧焊、噴涂機器人的輪廓控制。程序控制可以使各關節(jié)的運動是連續(xù)的，也可以是離散的，通過各個關節(jié)的連續(xù)運動的合成，實現(xiàn)輪廓控制，也可用點位控制，用不連續(xù)的點位實現(xiàn)連續(xù)輪廓控制。B、 自適應控制系統(tǒng)：自適應是根據環(huán)境的變化，不斷地給出后續(xù)運動軌跡的控制。環(huán)境的變化是通過傳感器來感知，也就是根據檢測到的信息來決策。這個決策是控制系統(tǒng)中的核心問題。要有很復雜的計算方法。對環(huán)境的感知是實時的，要求是高精度和高速度的運算處理。硬件邏輯復

5、雜。這一類控制系統(tǒng)也是以程序控制為基礎，僅是根據外界環(huán)境的變化來及時修改原有的程序。目前對于這一類智能機器人的各種感覺的研究尚處于探索階段，特別是視覺，要求靈敏度高的視覺裝置且可對圖象處理和識別能力。C、 組合控制系統(tǒng)：它兼有程序控制和自適應控制兩種功能，它具有利用已知的基本上由工作性質和環(huán)境條件決定的信息實現(xiàn)程序控制，還可以在執(zhí)行過程中根據工作條件的變化而改變控制過程并保證最佳的控制品質。所以，這是應用最廣的控制系統(tǒng)。（2）、按控制系統(tǒng)的信號形式分類：可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)貫穿系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入/輸出信號量是時間的連續(xù)函數(shù)。離散控制系統(tǒng)全部或部分信號是以離散形式出現(xiàn)和產

6、生所需要的控制。通常系統(tǒng)既有連續(xù)又有離散的信息，根據一個一定的閥值來進行兩類信號的轉換實現(xiàn)這種控制。例如：a、弧焊控制：對焊接電流的控制是連續(xù)控制，當發(fā)生短路時，立刻切斷電源這又是離散控制。b、生產線加工部件由傳送帶送到固定加工位置，同時發(fā)出到位信號，用來啟動機器人控制程序的連續(xù)控制，從而由離散到連續(xù)。一般離散信號是繼電器的動作，脈沖或數(shù)字信號。（3）、根據控制機器人的數(shù)目分類：可分為單機系統(tǒng)和群控系統(tǒng)。單機就是指控制系統(tǒng)僅對本機進行自主的控制。集中或分散的或兩者結合的，同時控制多個機器人的控制系統(tǒng)稱之為群控系統(tǒng)。群控系統(tǒng)也容許每個機器人有自己獨立的控制系統(tǒng)，但每一個機器人的控制系統(tǒng)要接受總的

7、控制系統(tǒng)的命令，或在系統(tǒng)之間有通信，以便能使所有機器人協(xié)調工作。實際上群控系統(tǒng)是一個多級系統(tǒng)，每一級系統(tǒng)或者模塊要接受上一級系統(tǒng)下達的指令與任務命令，使本級機器人執(zhí)行上述的命令，并要向上一級反饋執(zhí)行的結果的信息。（4）、按人機關系分類：自動控制系統(tǒng)完全自治操作，操作人員不必干予。但有一些系統(tǒng)要求部分控制功能由操作人員來完成。二、 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)有三種結構：集中控制、主從控制和分布式控制。集中控制就是用一臺功能較強的計算機實現(xiàn)全部控制功能，這是早期機器人來用的一種結構。因為當時計算機造價較高，當時機器人功能也不多，所以采用這種方案來控制還是比較經濟的，也是可以實現(xiàn)的。但由于計算非常

8、復雜，所以控制的速度就很慢。目前由于對機器人的功能要求愈來愈多，且控制的精度愈來愈高，集中控制已不可能滿足這些要求，所以采用主從式控制和分布式控制，70年代的MOTORMAN弧焊機器人就是屬于這種結構。一級計算機（一級機）為主機，擔當系統(tǒng)管理，機器人語言的編譯和人機接口功能，同時也利用它的運算能力完成坐標變換，軌跡插補，并定時地把運算結果作為關節(jié)運動的增量值送到公共內存，供二級計算機（二級機）讀取它。二級機完成全部關節(jié)位置的數(shù)字控制，它從公共內存中讀取給定值，也把各關節(jié)的實際位置值送回到公共內存中去，供一級機使用。公共內存是容量為幾KB的雙口RAM或普通靜態(tài)RAM加上總線控制邏輯電路組成。由于

9、功能分散，控制質量較集中式控制明顯提高。這類系統(tǒng)的控制速率較快，一般可達到15ms，即每隔15ms刷新一次給定，并實現(xiàn)位置控制一次。這類系統(tǒng)在兩個CPU之間僅通過公共的內部存貯器來交換信息，這種耦合是很松散的，因此采用這種方式來耦合更多的CPU是很能困難的?，F(xiàn)代機器人控制系統(tǒng)中幾乎無例外地采用分布式結構，由上一級主控計算機負責整個系統(tǒng)管理以及坐標變換和軌跡的插補運算。下一級由多個微處理器組成，每一個微處理器控制一個關節(jié)運動，它們并行的完成控制任務，因而提高了工作速度和處理能力。這些微處理器與主控級聯(lián)系是通過總線形式緊密耦合。計算機控制系統(tǒng)的基本結構（1）、電源部件： 電源為三相交流電源和內部電

10、源兩大部分組成繼電接觸器鐵磁穩(wěn)壓器整流、濾波穩(wěn)壓電路電壓分配器5伏報警信號報警繼電器送到伺服系統(tǒng)，作為高壓交流電的電源 三相交流電源保險絲降壓變壓器送到直流系統(tǒng)，作為交流電源110伏/24伏+15伏 24伏交流5伏 三相交流電源首先提供給變壓器（也不能沒有變壓器）轉換或控制器各檔電壓的電源，伺服驅動系統(tǒng)，直流電源，繼電接觸器操作電源。三相交流電源有如下保護：過載保護、短路保護，并有濾波器來吸收浪涌電壓。并有時采用電子（或者是鐵磁的）穩(wěn)壓器對電源進行穩(wěn)壓。報警是直流電路的過壓、過載保護，這時自動切除直流電源。防止故障擴大。直流電源多為±5V、±12V、±15V、24

11、V等種類的直源，目前較多的為+5伏及24伏，其他已少見。它們有熔絲保護，當集成電路短路，電容出現(xiàn)擊穿，或三極管基極與發(fā)射極短路均靠這個熔絲保護，所以熔絲要注意電流值。（2）、計算機系統(tǒng) 主CPU：整個系統(tǒng)的管理，數(shù)據處理和軌跡運算。 協(xié)處理器：協(xié)助主CPU數(shù)值的處理和提高實時性能。 從處理器：機器人各關節(jié)的運動控制。 I/O處理器：控制外部存貯器。ROM中主要是引導程序，程序系統(tǒng)監(jiān)控程序，診斷程序以及一般不變的參數(shù)。RAM中主要存放從硬盤中裝入的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)控制程序，語言編輯，調試和修改的信息，用戶編寫的運動控制程序，傳感器檢測信息。存貯空間分配根據實際需要，由CPU提供可尋址空間以及初始化

12、條件來決定。一般把操作系統(tǒng)，機器人語言解釋程序，用戶運動程序，一般軟件工具都存放在硬盤中，在需要時，從中取入。（3）、伺服控制系統(tǒng)采用計算機控制的伺服系統(tǒng)將計算機的速度，位置指令轉化為機器人的各關節(jié)的驅動信號，它是一個三環(huán)系統(tǒng)，即電流環(huán)、速度環(huán)與位置環(huán)，由光電子編碼器反饋回來的信號作為位置及速度的檢測，與給定信號進行比較，進行誤差校正。（4）、傳感/檢測部件常用的傳感/檢測部件包括有限位開關，壓力，加速度，速度，溫度等信號，其中的模擬信號須經放大整形，再經過A/D轉換器后轉換為數(shù)字信號，然后送入計算機進行存貯或處理，對于觸覺、聽覺和視覺等更高級的傳感/檢測設備，需要更精確的檢測手和復雜的識別和

13、處理算法，通常也由一個單獨的微處理器對信息進行處理。 （5）、人機交互部件工業(yè)機器人有多種人機交互的通信手段，用于編程和顯示的鍵盤，示教盒等，它們都是通過RS-232C串行接口與系統(tǒng)CPU遠程通信。液晶顯示器及鍵盤有單獨的微處理器進行處理，其中ROM存放示教盒本身的操作監(jiān)控程序和通訊處理程序。RAM是用以存放通信顯示和掃描鍵盤的采樣數(shù)據。（6）、接口部件主要是主計算機系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)，外部設備的工作環(huán)境通信聯(lián)系通道。磁盤、CRT、鍵盤、打印機等，標準外設與計算機的通信都是通過計算機內的標準接口進行的。與伺服系統(tǒng)通信則是采用專用接口，將主CPU的運動命令的位置數(shù)據轉換成頻率和數(shù)量的脈沖。還要采用一些帶有A/D或D/A接口。（7）、軟件系統(tǒng)管理程序或實時操作系統(tǒng)；用以對整個機器人控制系統(tǒng)的軟件進行任務的調度和管理，以滿足機器人控制的實時性能。系統(tǒng)控制程序：根據用戶編制的運動控制程序解釋執(zhí)行，進行運動執(zhí)行的插補運算，各坐標位置和速度的分配，外部事件的響應與處理，實時信息和出錯信息的處理和顯示。運動控制程序，這是由用戶特定的機器人語言編制的運動控制程序，在運動控制程序中，通過語句（或指令）指定機器人的工作方式、運動軌跡、運動速度、坐標位置、定