(4.3.1)-4.3控制器工业机器人

第四章：机器人关键部件4.2控制器机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下：记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。机器人控制系统基本组成：1）控制计算机：控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。2）示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。3）操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。4）内置硬盘和可移去存储器：存储机器人工作程序的外围存储器。5）数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。6）打印机接口：记录需要输出的各种信息。7）传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。8）伺服控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。9）辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。第四章：机器人关键部件4.2控制器10）通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等；11）网络接口：与其他机器人以及上位管理计算机连接的Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。与其他设备连接的多种现场总线接口，如Devicenet、Profibus-DP、CAN、RemoteI/O、Interbus-s、M-NET等。控制系统基本组成第四章：机器人关键部件4.2控制器在机器人控制系统的硬件组成结构上，有三种形式：集中控制方式、主从控制方式、分散控制方式。目前用一台计算机实现全部控制功能的集中控制方式因其实时性差、难以扩展已经遭淘汰。现在大部分工业机器人都采用主从控制方式，智能机器人或传感机器人都采用分散控制方式。由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制，所以，目前的机器人控制系统在结构上大多数采用分层结构的微型计算机控制系统，通常采用的是两级计算机伺服控制系统。4.2.1机器人控制系统的分层结构第四章：机器人关键部件

机器人控制系统具体的工作过程是：主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手的运动参数，然后进行运动学、动力学和插补运算，最后得出机器人各个关节的协调运动参数。这些参数经过通信线路输出到伺服控制级作为各个关节伺服控制系统的给定信号。关节驱动器将此信号D/A转换后驱动各个关节产生协调运动，并通过传感器将各个关节的运动输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制，从而更加精确的控制机器人手部按作业任务要求的在空间的运动。在控制过程中，工作人员可直接监视机器人的运动状态，也可从显示器等输出装置上得到有关机器人运动的信息。此时，作为控制器部分的上位机中的PC机或小型机完成人机对话、数学运算、通信和数据存储，下位机中的单片机或运动控制器，完成伺服控制。作为传感器部分的内部传感器完成自身关节运动状态的检测；外部传感器完成外部环境参数变化的检测。4.2.2机器人控制系统工作过程第四章：机器人关键部件在机器人控制系统的硬件组成结构上，现在大部分工业机器人都采用二级计算机控制。（1）一级控制一级控制的上位机一般由个人微机或小型计算机组成，其功能为：人机对话：人将作业任务给机器人，同时机器人将结果反馈回来，即人与机器人之间的交流。数学运算：机器人运动学、动力学和数学插补运算。通信功能：与下位机进行数据传送和相互交换。数据存储：存储编制好的作业任务程序和中间数据。（2）二级控制二级控制的下位机一般由单片机或运动控制器组成，其功能为：伺服驱动控制：接收上位机的关节运动参数信号和传感器的反馈信号，并对其进行比较，然后经过误差放大和各种补偿，最终输出关节运动所需的控制信号。二级控制的下位机一般由单片机或运动控制器组成，其功能为：伺服驱动控制：接收上位机的关节运动参数信号和传感器的反馈信号，并对其进行比较，然后经过误差放大和各种补偿，最终输出关节运动所需的控制信号。4.2.3机器人控制系统硬件组成第四章：机器人关键部件二级计算机控制4.2.3机器人控制系统硬件组成第四章：机器人关键部件（3）伺服系统伺服系统的核心是运动控制器，一般由数字信号处理器及其外围部件组成，可以实现高性能的控制计算，同步控制多个运动轴，实现多轴协调运动。应用领域包括机器人、数控机床等。（4）内部传感器内部传感器的主要目的是对自身的运动状态进行检测，即检测机器人各个关节的位移、速度和加速度等运动参数，为机器人的控制提供反馈信号。机器人使用的内部传感器主要包括位置、位移、速度和加速度等传感器。（5）外部传感器机器人要能在变化的作业环境中完成作业任务，就必须具备类似于人类对环境的感觉功能。将机器人用于对工作环境变化的检测的传感器称为外部传感器，有时也拟人的称为环境感觉传感器或环境感觉器官。目前，机器人常用的环境感觉技术主要有视觉、听觉、触觉、力觉等。4.2.3机器人控制系统硬件组成第四章：机器人关键部件机器人控制系统软件组成：（1）系统软件包括用于个人微机和小型计算机的计算机操作系统，用于单片机和