機(jī)器人控制系統(tǒng)概念與系統(tǒng)特點

如果僅僅有感官和肌肉，人的四肢并不能動作。一方面是因為來自感官的信號沒有器官去接收和處理，另一方面也是因為沒有器官發(fā)出神經(jīng)信號，驅(qū)使肌肉發(fā)生收縮或舒張。同樣，如果機(jī)器人只有傳感器和驅(qū)動器，機(jī)械臂也不能正常工作。原因是傳感器輸出的信號沒有起作用，驅(qū)動電動機(jī)也得不到驅(qū)動電壓和電流，所以機(jī)器人需要有一個控制系統(tǒng)，用硬件和軟件組成一個的控制系統(tǒng)。

機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能是接收來自傳感器的檢測信號，根據(jù)操作任務(wù)的要求，驅(qū)動機(jī)械臂中的各臺電動機(jī)就像我們?nèi)说幕顒有枰蕾囎陨淼母泄僖粯?，機(jī)器人的運(yùn)動控制離不開傳感器。機(jī)器人需要用傳感器來檢測各種狀態(tài)。機(jī)器人的內(nèi)部傳感器信號被用來反映機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實際運(yùn)動狀態(tài)，機(jī)器人的外部傳感器信號被用來檢測工作環(huán)境的變化。

所以機(jī)器人的神經(jīng)與大腦組合起來才能成一個完整的機(jī)器人控制系統(tǒng)。

機(jī)器人控制系統(tǒng)概念

機(jī)器人控制系統(tǒng)是指由控制主體、控制客體和控制媒體組成的具有自身目標(biāo)和功能的管理系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)意味著通過它可以按照所希望的方式保持和改變機(jī)器、機(jī)構(gòu)或其他設(shè)備內(nèi)任何感興趣或可變化的量。控制系統(tǒng)同時是為了使被控制對象達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)而實施的。控制系統(tǒng)使被控制對象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)。

機(jī)器人控制系統(tǒng)特點

機(jī)器人的控制技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此兩者之間并無根本的不同。但機(jī)器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處。其特點如下：

1、機(jī)器人控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個非線性系統(tǒng)。引起機(jī)器人非線性因素很多，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、傳動件、驅(qū)動元件等都會引起系統(tǒng)的非線性。

2、機(jī)器人控制系統(tǒng)是由多關(guān)節(jié)組成的一個多變量控制系統(tǒng)，且各關(guān)節(jié)間具有耦合作用。具體表現(xiàn)為某一個關(guān)節(jié)的運(yùn)動，會對其他關(guān)節(jié)產(chǎn)生動力效應(yīng)，每一個關(guān)節(jié)都要受到其他關(guān)節(jié)運(yùn)動所產(chǎn)生的擾動。因此工業(yè)機(jī)器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補(bǔ)償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。

3、機(jī)器人系統(tǒng)是一個時變系統(tǒng)，其動力學(xué)參數(shù)隨著關(guān)節(jié)運(yùn)動位置的變化而變化。

4、較高級的機(jī)器人要求對環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測定和分析，采用計算機(jī)建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳控制規(guī)律。

機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要求

從使用的角度講，機(jī)器人是一種特殊的自動化設(shè)備，對其控制有如下要求：

1、多軸運(yùn)動的協(xié)調(diào)控制，以產(chǎn)生要求的工作軌跡。因為機(jī)器人的手部的運(yùn)動是所有關(guān)節(jié)運(yùn)動的合成運(yùn)動，要使手部按照規(guī)定的規(guī)律運(yùn)動，就必須很好地控制各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)動作，包括運(yùn)動軌跡、動作時序的協(xié)調(diào)。

2、較高的位置精度，很大的調(diào)速范圍。除直角坐標(biāo)式機(jī)器人外，機(jī)器人關(guān)節(jié)上的位置檢測元件通常安裝在各自的驅(qū)動軸上，構(gòu)成位置半閉環(huán)系統(tǒng)。此外，由于存在開式鏈傳動機(jī)構(gòu)的間隙等，使得機(jī)器人總的位置精準(zhǔn)度降低，與數(shù)控機(jī)床比，約降低一個數(shù)量級。但機(jī)器人的調(diào)速范圍很大，通常超過幾千。這是由于工作時，機(jī)器人可能以極低的作業(yè)速度加工工件；空行程時，為提高效率，又能以極高的速度移動。

3、系統(tǒng)的靜差率要小，即要求系統(tǒng)具有較好的剛性。這是因為機(jī)器人工作時要求運(yùn)動平穩(wěn)，不受外力干擾，若靜差率大將形成機(jī)器人的位置誤差。

4、位置無超調(diào)，動態(tài)響應(yīng)快。避免與工件發(fā)生碰撞，在保證系統(tǒng)適當(dāng)響應(yīng)能力的前提下增加系統(tǒng)的阻尼。

5、需采用加減速控制。大多數(shù)機(jī)器人具有開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，其機(jī)械剛度很低，過大的加減速度會影響其運(yùn)動平穩(wěn)性，運(yùn)動啟停時應(yīng)有加減速裝置。通常采用勻加減速指令來實現(xiàn)。

6、各關(guān)節(jié)的速度誤差系數(shù)應(yīng)盡量一致。機(jī)器人手臂在空間移動，是各關(guān)節(jié)聯(lián)合運(yùn)動的結(jié)果，尤其是當(dāng)要求沿空間直線或圓弧運(yùn)動時。即使系統(tǒng)有跟蹤誤差，仍應(yīng)要求各軸關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的速度放大系數(shù)盡可能一致，而且在不影響穩(wěn)定性的前提下，盡量取較大的數(shù)值。

7、從操作的角度看，要求控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，盡量降低對操作者的要求。因此，在大部分的情況下，要求控制器的設(shè)計人員完成底層伺服控制器設(shè)計的同時，還要完成規(guī)劃算法，而把任務(wù)的描述設(shè)計成簡單的語言格式由用戶完成。

8、從系統(tǒng)的成本角度看，要求盡可能地降低系統(tǒng)的硬件成本，更多的采用軟件伺服的方法來完善控制系統(tǒng)的性能。

機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能要求

1、記憶功能：存儲作業(yè)順序、運(yùn)動路徑、運(yùn)動方式、運(yùn)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。

5、人機(jī)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(jī)器人多軸聯(lián)動、運(yùn)動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補(bǔ)償?shù)取?/p>

8、故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)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。

機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要種類

控制系統(tǒng)的任務(wù)，是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序、以及從傳感器反饋回來的信號，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成的運(yùn)動和功能。假如機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。

根據(jù)控制運(yùn)動的形式可分為點位控制和軌跡控制。

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)組成

1、控制計算機(jī)：控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮中心機(jī)構(gòu)。

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，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機(jī)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(jī)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。

6、打印機(jī)接口：記錄需要輸出的各種信息。

7、傳感器接口：用于信息的自動檢測，實現(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)實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機(jī)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(jī)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。

機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式

集中控制系統(tǒng)

用一臺計算機(jī)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(kuò)展，在早期的機(jī)器人中常采用這種結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成框圖，如圖所示。

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。

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(kuò)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；由于機(jī)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。

主從控制方式

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。其構(gòu)成框圖，如圖所示。

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(kuò)展性較差，維修困難。

分散控制方式

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(kuò)展，可實現(xiàn)智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖所示。

其主要思想是“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(jī)器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式。

兩級分布式控制系統(tǒng)

通常由上位機(jī)、下為機(jī)和網(wǎng)絡(luò)組成。上位機(jī)可以進(jìn)行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法，下位機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)細(xì)分、控制優(yōu)化等的研究和實現(xiàn)。上位機(jī)和下位機(jī)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(jī)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(jī)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)。

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。

機(jī)器人控制系統(tǒng)分類

1、程序控制系統(tǒng)：給每一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。

2、自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時，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(jī)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)：事先無法編制運(yùn)動程序，而是要求在運(yùn)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。

4、點位式控制系統(tǒng)：要求機(jī)器人準(zhǔn)確控制末端執(zhí)行器的位姿，而與路徑無關(guān)。

5、連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)：要求機(jī)器人按示教的軌跡和速度運(yùn)動。

6、控制總線：國際標(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)：由生產(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：物理設(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)。

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，包括直接示教模擬示教和示教盒示教。

10、離線編程：不對實際作業(yè)的機(jī)器人直接示教，而是脫離實際作業(yè)環(huán)境，示教程序，通過使用高級機(jī)器人，編程語言，遠(yuǎn)程式離線生成機(jī)器人的作業(yè)軌跡。

審核編輯 ：李倩