工业机器人控制概述

工业机器人控制概述要点：本概述简要介绍了工业机器人的定义和发展，介绍了工业机器人控制的特性、功能、控制方法和控制系统的组成。比较了工业机器人目前使用的驱动功能(电动驱动器、液压驱动器等)，分析了工业机器人对工业机器人使用最广泛的电动执行器的特定应用要求。列出了工业机器人技术中常用的一些控制策略，如可变结构控制、自适应控制、强控制和智能控制。最后分析了全球控制器专利的分布，通过对当前机器人控制的各国开发的说明，讨论了工业机器人控制技术的发展趋势。关键词：工业机器人，控制，控制策略；发展趋势0.前言随着生产和技术的进步，人们必须和那个替代者一起完成一些人类不能完成或高质量不能完成的任务。另外，随着市场经济的发展，增加商品种类、改善质量、降低成本的要求越来越高，产品生产也从单一品种、大批量生产转变为多品种、小批量。机器人就是为了利用生产自动化和市场反应性创造更高的需求而出现的。international Federation of robotics(IFR)对自动机进行了以下定义：机器人是可以执行对人类有益的工作的半自动或完全自主的机器，应用于生产过程称为工业机器人，应用于特殊环境称为专用机器人(特殊机器人)，为家庭或直接服务工作人员称为(国内)服务机器人。这种广泛的理解是机器人自动化机器，不能理解为翻译人员之类的机器。国际标准化组织(ISO)对机器人的定义是：“机器人是具有多个轴的自动位置控制可编程多功能机器人，它可以通过可编程操作来操作各种材料、部件、工具和特殊设备，从而执行各种操作。”据ISO透露，工业机器人是工业领域的多关节机器人或多自由度机器人，是自动化任务的机械装置，是一种通过自身的动力和控制功能实现各种功能的机器。接受人类命令后，将按照设置的程序执行运动路径和操作。可以根据很多标准对机器人进行分类。根据发展水平，将机器人分为三代。第一代机器人是目前在生产中广泛使用的以“教育-再现”方式工作的机器人。第二代机器人是利用目前少量使用的特定检测装置获得的环境和操作者的简单信息进行反馈控制的机器人。第三代机器人具有可以推理判断的多种认识功能，是可以在再次未知的工作环境中独立操作的机器人。机器人也按功能分为工业机器人、远程控制机器人、智能机器人。工业自动机(用于工业自动化领域的机器人)通常以“教程-再现”的方式执行重复工作。远程控制机器人(Telerobot)是接受远程控制命令进行远距离工作的机器人，主要用于航空航天、海底、核酸业和真空等领域。智能机器人是属于第三代机器人的具有运动、识别、学习、适应、逻辑判断和人机功能的机器人。机器人领域的主要研究方向包括机器人机械结构设计、机器人传感器研究、机器人轨迹设计和计划、机器人运动学、动力学和控制、机器人奥诺狗语言、机器人视觉、听觉等系统研究、机器人智能研究等。1.工业机器人控制正如大脑是人类的灵魂和指挥中心，控制系统可以称为机器人的大脑。机器人的知觉、判断、推断是通过控制系统的输入、计算、输出实现的，所有的动作和动作都必须通过控制系统发出相应的指令来实现。工业机器人必须有功能良好、灵敏、可靠的控制装置，才能与周边设备协调动作，执行工作任务。工业机器人的控制系统大体上可以分为两种。一个是控制自己的动作，另一个是调整工业机器人和外围设备。1.1工业机器人控制系统特性工业机器人的结构要求对每个关节进行运动调整，以便独立实现各个关节的运动轨迹，因此工业机器人的控制更加复杂，如下所示：1)控制与机构运动学和力学密切相关。2)通常至少要有3-5个自由度。3)机器人控制系统必须是控制多个独立伺服系统的计算机控制系统。4)仅位置闭环是不够的，必须使用速度或加速度闭环。系统经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。(5)机器人的动作往往有不同的方式和路径可以做的“最佳”问题。结论机器人控制系统与运动学和力学原理相关，有耦合，是非线性的多变量控制系统。1.2工业机器人控制系统的主要功能工业机器人的控制系统主要集中在工作空间中控制工业机器人的运动位置、姿势和轨迹、操作顺序和运动时间，主要功能包括再生功能和运动控制功能。教育再现控制的主要内容主要是教育记忆方法和教育编程方法。这里的教学方法有多种，集中教学方式是同时处理位置、速度、操作顺序等的方式，分离教程是在教学位置后行动的同时区分教学位置、速度、操作顺序等的方式。使用半导体内存设备的工业机器人可以大大增加内存容量，尤其是使用高度复杂的操作过程的记忆，可以无限地增加内存容量。工业机器人的运动控制是在工业机器人的末端效应器从一点移动到另一点的同时，对其位置的控制。速度和加速度的控制，通常通过控制关节运动来实现。关节运动控制通常包括两个阶段。第一步是完成关节运动伺服命令，将工作区中末端效应器的位置和姿势的运动转换为表示为关节变量的时间序列或表示为随时间变化的关节变量的函数。第二步是接头运动的伺服控制。也就是说，跟踪执行第一步创建的接头变量伺服命令。1.3工业机器人控制方法工业自动机的控制方法可根据工作任务分为“点控制方法”(point control method)、“连续轨迹控制”(CP)和“力”(equivalent)控制方法外壳智能控制。点控制方法仅控制工业机器人末端效应器工作空间中特定规定离散点的姿势。控制时，只有工业机器人必须快速准确地实现相邻点之间的运动，对于到达目标点的轨迹，没有明确定位精度和运动时间作为主要指标。这种孔加工方式易于实现，但精度不高，一般用于上下、处理等只要求目标点的工作。连续轨迹控制是工业机器人末端效应器在工作空间中的连续控制位置，根据预定轨迹和速度在特定精度要求内严格移动，速度控制，轨迹平滑运动平稳。主要技术指标是末端效应器姿态的轨迹跟踪精度和稳定性。力(力矩)控制在像装配一样的工作室中使用，除了精确定位外，还需要适当的力(力矩)才能工作，此控制基本上类似于伺服控制原理，但是输入量反馈量是力(力矩)信号。智能控制是通过传感器获取周围环境的知识，并根据自己错误的知识库做出决定，环境适应性强，自学能力强，智能控制技术伴随着人工神经网络、遗传算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。1.4工业机器人驱动器1.4.1驱动器驱动器是将能量(电力、液压能量等)转换为机械能以启动机器人的每个关节的设备，通常包括步进电动机驱动器、直流电动机驱动器、交流电动机驱动器、液压驱动器、气动驱动器等。步进电动机是将输入脉冲信号转换为相应角度位移的旋转电动机，可实现高精度角度控制。步进电机很变态哦，反馈控制，电路简单，直接控制数字信号，所以和微型计算机连接很容易。静止保持扭矩，保持方便，但工作效率上容易引起误报，也有发生振荡现象的情况。直流电动机是使用直流电源的电动机，使用简单，只需将电动机端子连接到直流电源即可工作。具有优秀的控制特性。作为控制电动机，直流电动机的启动转矩大、小、质量轻、扭矩和速度容易、效率高。无刷直流电动机需要速度传感器，以在寿命和噪音方面控制刷直流电动机、无刷直流电动机、位置控制和速度控制中的位置、速度负反馈的闭环控制。为了变更直流马达的速度和扭矩，可以变更电源电压、控制马达速度、变更电枢电流来调整马达扭矩。工业机器人中使用的伺服电动机传统上使用直流伺服电动机，逐渐被交流伺服电动机取代，最大的优点是直流伺服电动机没有机械接触部分，无需维护。液压驱动器有液压缸、液压马达、摆动马达等，液压驱动器由于工作压力高，可以实现小型化，作为操作介质工作，装置的润滑性和防锈性能好，通过控制流量调节速度和整流装置改造运动防锈功能，可以通过压力控制实现无极控制。气动驱动器类似于液压驱动器，包括气缸、气动电动机和摆动气动驱动器。气动驱动器结构简单、尺寸小、价格便宜，对环境没有特殊要求，维护简单，易于配置系统。除了上述常用驱动器外，用于机器人的新驱动器也越来越多，例如超声波驱动器、磁致伸缩驱动器、几何记忆金属驱动器、静电驱动器等。1.4.2工业机器人的关节电驱动主要要求电动执行器在工业机器人中应用最广，机器人主要对速度快、启动力矩惯性、控制特性、速度控制范围、运行条件等联接驱动器有要求，一般需要综合分析工作特性和系统要求，选择合适的驱动器。1)快速从电动机获得命令信号到完成命令所需的操作状态之间的时间必须很短。响应指令信号的时间越短，电气伺服系统的灵敏度越高，响应性能越快，一般以伺服电动机的机电时间常数大小说明伺服电动机的快速响应性能。2)启动扭矩惯性比大对于驱动载荷，机器人所需的伺服电动机的启动扭矩大，惯性矩小。3)控制特性的连续性和正交性随着控制信号的变化，电动机的转速可以持续变化，有时旋转速度必须与控制信号成正比或近似成正比。4)速度调节范围广可用于1: 1000到10000的速度调节范围。5)小尺寸、小质量、短轴大小(6)能承受苛刻的运行条件，非常频繁的前后运行，能在短时间内承受超负荷。目前工业机器人广泛使用高启动扭矩、大扭矩、低惯性交叉、直流伺服马达，因此一般负载在1000N以下的工业机器人大多使用电动伺服驱动系统。使用的接头驱动电动机主要是交流伺服电动机、步进电动机和直流伺服电动机。其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机(DD)均使用位置闭环控制，通常用于高精度高速机器人驱动系统。步进电机驱动系统大部分适用于精度高、速度要求不高的小型简单机器人开环系统。交流伺服电动机由于电子整流和无转换火花，在易燃易爆环境中得到了广泛应用。速度传感器使用更多速度发电机和旋转变压器。位置传感器使用光电码盘和旋转变压器。近年来，外国机器人制造商使用集成光电位置传感器，与位置和速度检测器、刹车、减速机制一起配置伺服电动机驱动设备。1.5工业机器人控制系统图1是完整的欧洲冠农业机器人控制系统的基本配置，如图所示，是工业机器人控制系统的基本配置，这种基本配置可以分为硬件和软件两类。图1工业机器人控制系统配置图其中硬件主要由用于检测工业机器人每个关节的位置、速度和加速度的检测装置，即用于检测自身状态的内部传感器组成。该外部传感器是视觉、力量、触觉、听觉、滑感等传感器，使工业机器人能够识别工作环境和工作对象的状态。控制装置。控制装置是处理各种感官信息，运行控制软件生成控制命令。通常由小型或小型计算机及其界面组成。关节伺服驱动器部分，该部分主要根据控制单元的指令，根据操作工作的要求驱动各关节运动。软件部分主要是指包含运动轨迹规划算法和关节伺服控制算法及其运动程序的控制软件。控制软件可以用任何语言准备。2.控制策略工业机器人是一个非常复杂的多输入多输出非线性系统，具有时间变化、强耦合和非线性动态特性，导致了控制复杂性。由于测量和建模的不准确、载荷变化和外部扰动等不确定性，很难构建工业机器人的准确完整的运动模型。此外，在高速运动的情况下，机器人的非线性动态效果非常重要，因此现有的独立伺服PID控制算法在高速和有效负载变化时难以满足性能要求，实际的工业机器人系统中存在参数不确定性、非参数不确定性和工作环境的干扰，使强大的先进控制技术成为实现工业机器人高速高精度控制的主要方法。目前应用于工业机器人的控制方法有自适应控制、变结构控制、现代强控制等。2.1自适应控制自适应控制的方法是在执行过程中持续测量受控对象的特性。也就是说，基于测量的特性信息，控制系统根据最新特性实现闭环最优控制，从而使整个系统始终获得满意的控制性能。自适应控制识别环境变化，自动改变控制器的参数和结构，自动调整控制功能，确保系统获得满意的控制质量。自适应控制不是一般的系统状态反馈或系统输出反馈控制，而是更复杂的反馈控制，自适应控制的实时要求更严格，实现更复杂，参数突变经常破坏整个系统的稳定性。参数的收敛特性通常需要充分持续的激励条件，并且该条件实际上很难满足，因此经常与其他算法一起使用。换句话说，应用强自适应控制方法和修改后的自适应方法，提高了非参数不确定性的系统鲁棒性。2.2滑膜可变结构控制滑模变结构控制是一种特殊的非线性控制方法，通过恒定控制体积切换，使系统状态沿滑模面滑动，从而确保参数扰动和外部干扰的完全可变性或不变性。变结构控制方法不需要系统参数的时变规律、非线性程度和外部干涉等精确的数学模型，只要知道相应的变化范围，就可以对系统进行精确的轨迹跟踪控制。变结构控制方法设计过程本身就是解耦过程，因此在多输入多输出系统中，多控制器设计可以根据每个单独的系统进