控制系統是工業機器人的重要組成部分,它的作用相當于人腦。擁有一個功能完善、靈敏可靠的控制系統是工業機器人與設備協調動作、共同完成作業任務的關鍵。工業機器人的控制系統一般由對其自身運動的控制和工業機器人與周邊設備的協調控制兩部分組成。

1.工業機器人控制系統的特點

機器人從結構上講屬于一個空間開鍊機構,其中各個關節的運動是獨立的,為了實現末端點的運動軌迹,需要多關節的運動協調,其控制系統較普通的控制系統要複雜得多。

機器人控制系統的特點如下:

(1)機器人的控制是與機構運動學和動力學密切相關的。在各種坐标下都可以對機器人手足的狀态進行描述,應根據具體的需要對參考坐标系進行選擇,并要做适當的坐 标變換。經常需要正向運動學和反向運動學的解,除此之外還需要考慮慣性力、外力( 包括重力)和向心力的影響。

(2)即使是一個較簡單的機器人,也至少需要 3~5 個自由度,比較複雜的機器人則需要十幾個甚至幾十個自由度。每一個自由度一般都包含一個伺服機構,它們必須協調起來,組成一個多變量控制系統。

(3)由計算機來實現多個獨立的伺服系統的協調控制和使機器人按照人的意志行動,甚至賦予機器人一定“智能”的任務。所以,機器人控制系統一定是一個計算機控制系統。同時,計算機軟件擔負着艱巨的任務。

(4)由于描述機器人狀态和運動的是一個非線性數學模型,随着狀态的改變和外力的變化,其參數也随之變化,并且各變量之間還存在耦合。所以,隻使用位置閉環是不夠的,還必須要采用速度甚至加速度閉環。系統中經常使用重力補償、前饋、解耦或自适應控制等方法。

(5)由于機器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成,所以存在一個“最優”的問題。對于較高級的機器人可采用人工智能的方法,利用計算機建立龐大的信息庫,借助信息庫進行控制、決策、管理和操作。根據傳感器和模式識别的方法獲得對象及環境的工況,按照給定的指标要求,自動地選擇最佳的控制規律。綜上所述,機器人的控制系統是一個與運動學和動力學原理密切相關的、有耦合的、非線性的多變量控制系統。因為其具有的特殊性,所以經典控制理論和現代控制理論都不能照搬使用。到目前為止,機器人控制理論還不夠完整和系統。

2.工業機器人控制系統的主要功能

工業機器人在工作空間中的運動位置、姿态和軌迹、操作順序及動作的時間等項目 工業機器人在工作空間中的運動位置、姿态和軌迹、操作順序及動作的時間等項目的控制是工業機器人控制系統的主要任務,其中有些項目的控制是非常複雜的。工業機器人控制系統的主要功能包括以下兩點:

(1)示教再現功能。示教再現功能是指控制系統可以通過示教盒或手把手進行示教,将動作順序、運動速度、位置等信息用一定的方法預先教給工業機器人,由工業機器人的記憶裝置将所教的操作過程自動地記錄在存儲器中,當需要再現操作時,重放存儲器中存儲的内容即可。如需更改操作内容時,隻需重新示教一遍。

(2)運動控制功能。運動控制功能是指對工業機器人末端操作器的位姿、速度、加速度等項目的控制。

3.控制系統的組成

工業機器人的控制系統由相應的硬件和軟件組成。

(1)硬件。

硬件主要包括以下幾部分:

1)傳感裝置。可分為内部傳感器和外部傳感器。其中前者是用來感知其自身的狀 态的,其作用是對工業機器人各關節的位置、速度和加速度等進行檢測;後者是用來感知工作環境和工作對象狀态的,外部傳感器包括視覺、力覺、觸覺、聽覺、滑覺等傳感 器。

2)控制裝置。一般由一台微型或小型計算機及相應的接口組成。其作用是用來對各種感覺信息進行處理,執行控制軟件,并産生控制指令。

3)關節伺服驅動部分。這部分的主要作用是以控制裝置的指令為依據,按作業任務的要求驅動各關節運動。

(2)軟件。

這裡所說的軟件,主要是指機器人的控制軟件。控制軟件由運動軌迹規劃算法和關節伺服控制算法及相應的動作程序組成。它可以使用所有的編程語言編制,但工業機器人控制軟件的主流是由通用語言模塊化而編制形成的專用工業語言。

4.工業機器人控制系統各組成部分的名稱和作用

(1)控制計算機。控制計算機是控制系統的調度指揮機構，一般使用微型計算機或 微處理器。(2)示教盒。示教盒的作用是完成示教機器人工作軌迹、參數設定和所有的人機交 互操作,它擁有獨立的 CPU 以及存儲單元,以串行通信方式與主計算機實現信息交互。

(3)操作面闆。操作面闆由各種操作按鍵、狀态指示燈構成,其功能是完成基本功能操作。

(4)磁盤存儲器。硬盤和軟盤存儲器等于存儲機器人工作程序的存儲器。

(5)數字和模拟量輸入/輸出。該部分的作用是實現各種狀态和控制命令的輸入或輸出功能。(6)打印機接口。打印機接口的作用是記錄需要輸出的各種信息。

(7))傳感器接口。傳感器接口是用于信息的自動檢測,實現機器人柔順控制,一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。

(8)軸控制器。軸控制器的作用是完成機器人各關節位置、速度和加速度的控制。

(9)輔助設備控制。輔助設備控制用來控制和機器人配合的輔助設備,如手爪變位器等。

(10)通信接口。通信接口是用來實現機器人和其他設備的信息交換的,一般有串行接口、并行接口等。

(11)網絡接口。網絡接口包括 Ethernet 接口和 Fieldbus 接口。

1)Ethernet 接口。通過 Ethernet 接口可以實現多台或單台機器人的直接PC通信,數據傳輸速率可達到 10Mb/s,并可直接在PC 上用 Windows95或 Windows nt庫函數進行應用程序編程之後,支持 TCP/P 通信協議,還可通過 Ethernet 接口将數據及程序裝入各個機器人控制器中。

2) Fieldbus 接口。支持多種流行的現場總線規格,如 Device net、ABRemote I/O、 Interbus-s、 profibus-DP、M-NET 等。

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