【《机械臂的控制系统结构图综述》3200字】

机械臂的控制系统结构图综述1.1臂部节点硬件需求分析直流电机驱动是机器人手臂执行的动力，当整个控制系统只采用位置闭环仍不能满足要求时，控制节点的首要任务是与直流电机驱动电路连接，完成电机的转速调整，以便更好地实现旋转角度的位置闭环控制。与单个电机控制器不同，搭载在机器人上的电机控制器不仅要完成自身的闭环控制任务，还必须与其他控制器协调动作，因此需要多个电机控制器构成一个“神经”网络。网络范围内的控制节点必须在统一命令下协调移动因此，控制节点的另一个功能是完成与大脑的信息交互，接受大脑的控制指令，回到关节节点的当前状态。手臂控制节点和DC电机驱动电路只能根据整体空间规划直接安装在机器人的手臂上。在移除由电机和传动机构占据的空间之后，控制电路和驱动电路剩下的空间极其有限，在手臂上安装电路板后，电源线和信号线有足够的空间，因此，臂部控制节点的电路设计以在确保性能的同时，尽可能减小基板的面积，尽可能减小空间布线的难度为原则。减少控制电路板占用空间的一个好方法是使用一个控制节点来控制多个电机。然而，对所采用的控制芯片的软硬件资源的要求增加了很多。在硬件上，控制芯片需要足够的I/O资源来控制多个电机。在软件上，控制节点不是孤立的电动机控制系统，它需要与机器的大脑实时交互，根据大脑的指令调整控制策略，保证机器人全身运动的协调。同时，控制芯片的运算速度必须足够快，完成多个电机的控制算法。各电机的控制需要多条信号线，如果控制节点远离电机，接线问题会给系统整体的设计带来很多问题，如果各控制节点控制一个电机，将控制节点安装在电机附近所需的接线最小，则用一个控制节点控制一个关节上的两个电机，可以节省空间，减少接线。图2-2机器人手臂控制系统硬件结构图1.2控制系统的要求（1）稳定性稳定性是指系统在受到外在作用后，恢复其动态过程振动趋势和平衡的能力，据悉，如果干扰作用于系统，系统的输出量将偏离其稳定值，此时如果系统有可能因反馈系统而恢复或接近原始值，则系统是稳定的。（2）高速性高速性是指系统输出偏离规定输入时，系统消除偏差的速度。（3）准确性准确性是指转换过程后输出与给定输入之间的偏差，也称为静态偏差或稳态误差，它也是衡量系统工作性能的重要指标。上述三个指标是控制系统的基本要求，即要求系统“稳定、高速、准确”。但是，这些参数通常需要在同一系统内发生冲突。这需要根据具体的监测目标和指标要求注意其中的一些指标，也需要注意总体协调。1.3控制系统的基本结构（1）按控制方式分类1）集中控制系统在基于PC机的集中控制系统中，通过PC机资源的包容性，能够完成优良的开放性。通过标准PCI插槽或标准串口和并口，将各种控制卡和传感器设备集成到控制系统中。集中控制系统的优点是硬件成本低，易于信息采集和分析，实现系统的最优控制，具有良好的完整性和协调性，扩展了基于PC的系统硬件REF_Ref27049\r\h【12】。它也有很多缺点，如系统控制过程不敏捷，容易发现风险。一旦出现故障，后果会变得严重；由于工业机器人的高实时性要求，在计算大量数据时，系统的实时性会下降，系统对多任务的响应性也会与系统的实时性发生冲突。而且，系统结构较为复杂，可靠性不高。其控制结构框图如图2-3所示。图2-3集中控制系统框图2）主从控制系统主控制器件部分用于实现系统的整体控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和自我诊断以及所有关节的运动控制，其构成框图如图2-4所示。主从控制系统可提供更好的实时性能，以实现高精度、高速的控制，但系统可扩展性和维护问题较低。图2-4主从控制系统框图3）分布式控制系统由系统的性质和模式，可以将系统管理分为多个模块，每个模块有不同的控制任务，每种模式可以是主从或对等的。这种方法具有较好的实时性，容易控制速度高、精度高的系统，扩展性能强，是现在常用的方式。其控制框图如图2-5所示。主要策略是“分散控制、集中处理”，系统可以综合协调分配其整体目标和任务进行的程度，在功能、逻辑和物理上，整个系统是分散的，因此，集散控制系统也被称为分布式控制系统。在这样的结构中，控制器和不同的被控对象或设备组成了子系统，并通过网络相互连接。分布式控制体系组成了一个包容、实时、准确的机器人控制系统，分布式控制系统广泛采用两级控制模式。图2-5分布式控制系统框图分布式控制系统的优点在于：系统具有高灵活度，这就能降低控制系统的风险。多处理器分散控制有利于系统功能的并行执行，提高系统的管理效率，降低响应时间。（2）按有无反馈分类根据有无反馈分类，控制系统可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。1）开环控制系统开环控制系统是系统通道不存在反馈环节的控制系统，如图2-6所示，此系统仅受输人量、控制量和控制对象影响；单向传输信号，输出在整个控制过程中不会影响系统的控制，所以没有抗干扰能力。开环控制系统的优点是简易、稳定。开环控制系统的部件特性稳定且噪声小时，可以保持一定的准确度。它的缺点是控制精度较低，对系统的干扰无自动调整能力。图2-6开环控制系统示意图2）闭环控制系统带有反馈回路的控制系统称为闭环控制系统。控制系统的输出和输入之间有反馈电路，输出会直接影响控制。如图2-7所示，输出端和输入端之间有反馈电路，作为反馈检测的一部分，系统由偏差控制，所以具有抗干扰的能力。该系统的优点是对外部扰动和参数变化不敏感，精度高，不管出现什么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值，闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差。它的缺点是系统性能分析与设计比较困难，存在稳定、超调和振荡等问题。图2-7闭环控制系统示意图3）复合控制系统复合控制系统是在闭环控制回路的基础上附加一个输人信号或动作用的顺馈通路，可以提高系统的控制精度。如图2-8所示，它是开环控制和闭环控制相结合的控制系统。图2-8复合控制系统示意图（3）按系统线性特征分类根据系统的线性特性，控制系统可分为线性控制系统和非线性控制系统。1）线性控制系统线性控制系统是指系统中所有环节的输入输出都呈线性关系，满足叠加定理和齐次性原理的控制系统。2）非线性控制系统非线性控制系统是指系统中至少有一个环节的输入输出呈非线性关系，不满足叠加定理和齐次性原理的控制系统。非线性控制系统一般存在死区、间隙和饱和特性。一个典型的机械臂控制系统，主要由上位计算机、运动控制器、驱动器、电动机、执行机构和反馈装置构成，如图2-9所示。图2-9机器人控制系统基本结构（1）上位计算机上位计算机负责整个系统管理，以及实现运动特性的计算、各关节的运动、轨迹规划和机器人与外界环境的信息交换等功能，协调着整个系统的运作。（2）运动控制器运动控制器主要负责上位机的数据处理和伺服反馈，并将处理后的数据传输给驱动器。这样来控制机器人的各个关节器件，由此得到机器人内部的运动性能指标。（3）驱动器驱动器是用于控制电动机的控制器，变频器作用于普通交流电动机，是伺服系统的一部分，用于控制伺服电动机的运动特性。（4）电动机伺服电动机是一种数字化控制的电动机，能够将电能转换为机械能，用于机器人机械臂的定位控制。（5）执行机构实现特定任务的工作装置称为执行机构。（6）反馈装置反馈装置即检测装置，用于检测机器人系统信号偏差及对象特性的变化，并依此来控制机器人系统行为及消除误差。1.4控制系统特点（1）与装置的运动学和动力学联系密切因为机器人手臂的定位可以用坐标系来表示，所以需要选择不同的参考坐标系进行适当的坐标变换。（2）多变量控制一个机器臂通常具有3个以上自由度，而比较复杂的机器人(如双臂机器人)甚至有十几个自由度，每个自由度通常包括一个伺服系统。它们还必须能够保持协调，从而形成了一个多变量控制系统。（3）计算机