工业机器人控制系统的基本原理

1、。工业机器人控制系统20世纪80年代以来，由于微型计算机的发展，特别是功率半导体器件的出现，整个机器人的控制系统发生了巨大的变化，使得机器人控制器日益完善。它具有很好的人机界面、功能良好的编程语言、系统保护、状态监测和诊断功能。同时，机器人的操作更加简单，但控制精度和操作能力都得到了很大的提高。目前，机器人具有很强的通信能力，可以连接到各种网络(can总线、PROFIBUS或以太网)。机器人生产线已经形成。特别是，汽车的许多焊接生产线、油漆生产线和装配生产线都依赖机器人。特别是，控制系统已经从模拟控制转变为全数字控制。自20世纪90年代以来，计算机的性能和集成电路的集成度有了进一步的提高，使得

2、机器人控制系统的价格逐渐降低，同时计算能力也有了很大的提高。这样，过去只能由硬件实现的许多功能已经逐渐由软件完成。此外，机器人控制系统的可靠性从最初的几百小时增加到现在的60，000小时，几乎不需要维护。一、控制系统的基本原理和分类当工业机器人的控制器需要完成特定操作时，它需要执行以下操作：教学：接受机器人将通过计算机做的事情。也就是说，机器人的操作指令实际上是由人类发出的。计算：这部分实际上是由机器人控制系统中的计算机完成的。它通过获取的教学信息形成一个控制策略，然后根据该策略将其细化为各轴伺服运动的控制策略(也称为工作轨迹规划)。同时，计算机还负责整个机器人系统的管理，收集和处理各种信息。

3、因此，这部分是非常重要的核心部分。伺服驱动：通过机器人控制器的不同控制算法，将机器人控制策略转化为驱动信号，驱动伺服电机，实现机器人的高速高精度运动，完成指定的操作。反馈：机器人控制中的传感器在完成操作的过程中实时反馈机器人的运动状态、位置和姿态，并将信息反馈给控制计算机，使控制计算机能够实时监控整个系统的运行，及时做出各种决策。传感器伺服驱动控制计算机教学演示图1机器人人体控制系统基本原理图控制系统可以有四种不同的分类方法：控制运动模式、控制系统的信号类型、控制机器人的数量和人机交互。(1)按控制运动方式的分类可分为程序控制系统、自适应控制系统和组合控制系统。A.程序控制系统：大多数商用机器

4、人都属于这种控制系统，主要用于弧焊和喷涂机器人的运输、装配、点焊和轮廓控制等点对点控制。程序控制可以使每个关节的运动连续或离散。轮廓控制可以通过合成每个关节的连续运动来实现。点控制也可以用来实现不连续点的连续轮廓控制。B.自适应控制系统：自适应控制是根据环境的变化，对跟随的运动轨迹进行连续的控制。环境变化由传感器感知，即根据检测到的信息做出决定。这个决定是控制系统的核心问题。一定有非常复杂的计算方法。对环境的感知是实时的，需要高精度和高速处理。硬件逻辑很复杂。这种控制系统也是基于程序控制的，它只根据外部环境的变化及时修改原来的程序。目前，对这类智能机器人各种感觉的研究还处于探索阶段，特别是视觉

5、，它需要高度灵敏的视觉设备，能够处理和识别图像。c复合控制系统：具有程序控制和自适应控制两种功能。它具有利用基本上由工作性质和环境条件决定的已知信息来实现程序控制的功能。它还可以根据执行过程中工作条件的变化，改变控制过程，确保最佳的控制质量。因此，这是使用最广泛的控制系统。(2)按控制系统的信号形式分类：可分为连续控制系统和离散控制系统。贯穿系统每个环节的连续控制系统的输入/输出信号量是时间的连续函数。离散控制系统的全部或部分信号以离散形式出现，并产生所需的控制。通常，系统具有连续和离散的信息。根据某个阈值，这两种类型的信号被转换以实现这种控制。例如：弧焊控制：焊接电流的控制是连续控制。当发生

6、短路时，电源将立即切断，这是离散控制。b、生产线的加工部件由传送带运送到固定的加工位置，同时，信号就地发送，开始机器人控制程序的连续控制，从而从离散变为连续。通常，离散信号是继电器动作、脉冲或数字信号。(3)按控制机器人数量分类：可分为单机系统和群控系统。单机意味着控制系统只能自主控制机器。同时控制多个机器人的控制系统称为群控系统。群控系统也允许每个机器人有自己独立的控制系统，但每个机器人的控制系统必须接受整个控制系统的命令或系统之间有通信，以便所有机器人可以协调工作。事实上，群控系统是一个多层次的系统。每一级系统或模块应接受上一级系统发出的指令和任务命令，以便同级机器人执行上述命令，并将执行

7、结果信息反馈给上一级。(4)按人机关系分类：自动控制系统是完全自主的，操作者不必这样做。然而，一些系统需要操作员完成一些控制功能。二、计算机控制系统计算机控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。集中控制是用一台功能强大的计算机来实现所有的控制功能，这是早期机器人使用的一种结构。当时，计算机成本较高，机器人功能较少，采用这种方案进行控制比较经济可行。然而，由于计算非常复杂，控制速度非常慢。目前，由于对机器人的功能要求越来越高，控制精度也越来越高，集中控制已经不能满足这些要求，所以采用主从控制和分布式控制，20世纪70年代的MOTORMAN弧焊机器人就是属于这种结构。主计算机(prim

8、ary computer)是主计算机，负责系统管理、机器人语言编译和人机界面功能。同时，它还利用自身的运算能力完成坐标变换和轨迹插补，并定期将运算结果作为关节运动的增量值发送到公共存储器，供二级计算机(secondary computer)读取。辅助机器完成所有关节位置的数字控制。它从公共存储器中读取给定值，并将每个关节的实际位置值发送回公共存储器供主机器使用。公共存储器由双口随机存储器或普通静态随机存储器组成，容量为几千字节，外加总线控制逻辑电路。由于功能分散，与集中控制相比，控制质量明显提高。这类系统的控制速率相对较快，一般达到15毫秒，即每15毫秒刷新一次给定时间，实现一次位置控制。这种

9、系统只通过一个公共内存在两个中央处理器之间交换信息。这种耦合非常松散，因此很难以这种方式耦合更多的处理器。现代机器人控制系统几乎无一例外地采用分布式结构。上层主控计算机负责整个系统的管理、坐标转换和轨迹插补。下一级由多个微处理器组成，每个微处理器控制一个关节运动，它们并行完成控制任务，从而提高工作速度和处理能力。这些微处理器通过总线与主控制级紧密耦合。计算机控制系统的基本结构(1)电源组件：电源由三相交流电源和内部电源组成继电器接触器铁磁稳压器整流和滤波稳压电路分压器5伏报警信号报警信号继电器伺服系统，作为高压交流电的电源三相交流电源保险丝降压变压器被发送到DC系统。110伏/24伏作为交流电

10、源15伏24伏交流电-5伏首先向变压器(也不能没有变压器)提供三相交流电源，以转换或控制每个齿轮、伺服驱动系统、DC电源和继电器接触器操作电源的电压。三相交流电源有以下保护：过载保护、短路保护和吸收浪涌电压的滤波器。有时电子(或铁磁)电压调节器被用来稳定电源。报警是DC电路的过压和过载保护，然后DC电源自动切断。防止故障扩大。直流电源主要是5V、12V、15V、24V和其他类型的直流电源。目前，它们大多数是5V和24V，而其他的是罕见的。他们有保险丝保护。当集成电路短路时，电容器会击穿，或者三极管的基极和发射极被这个保险丝短路，所以保险丝应该注意电流值。(2)计算机系统主处理器：整个系统的管理

11、、数据处理和轨迹计算。协处理器：协助处理主要的中央处理器值，提高实时性能。从处理器：机器人每个关节的运动控制。输入输出处理器：控制外部存储器。只读存储器主要包含引导程序、程序系统监控程序、诊断程序和通常不变的参数。内存主要存储操作系统、系统控制程序、语言编辑、调试和修改信息、用户编写的运动控制程序和从硬盘加载的传感器检测信息。存储空间分配由中央处理器提供的可寻址空间和根据实际需要的初始化条件决定。一般来说，操作系统、机器人语言解释程序、用户动作程序和通用软件工具都存储在硬盘中，并在需要时被接收。(3)伺服控制系统采用计算机控制的伺服系统，将计算机的速度和位置指令转化为机器人各关节的驱动信号。它

12、是一个三环系统，即电流环、速度环和位置环。光电编码器反馈的信号用于检测位置和速度，与给定信号进行比较，并进行误差校正。(4)传感/检测部件常用的传感/检测元件包括诸如有限位置开关、压力、加速度、速度、温度等信号。模拟信号必须经过放大和整形，然后通过模数转换器转换成数字信号，然后送到计算机进行存储或处理。对于更先进的传感/检测设备，如触摸、听觉和视觉，需要更精确的检测手和复杂的识别和处理算法，信息通常由单独的微处理器处理。(5)人机交互组件工业机器人具有多种人机交互通信手段，如用于编程和显示的键盘、示教盒等。它们都通过RS-232C串行接口与系统中央处理器进行远程通信。液晶显示器和键盘有独立的微处理器进行处理，只读存储器存储教学箱本身的操作监控程序和通讯处理程序。内存用于存储通讯显示器和扫描键盘的采样数据。(6)、接口组件它主要是主计算机系统与伺服系统工作环境和外部设备之间的通信通道。磁盘、阴极射线管、键盘、打印机等。标准外设和计算机之间的通信是通过计算机中的标准接口来实现的。与伺服系统的通信使用专用的管理程序或实时操作系统；它用于调度和管理整个机器人控制系统软件的任务，以满足机器人控制的实时性。系统控制程序：根据用户编写的运动控制程序的解释和执行，运动执行的插值计算，坐标位置和速度的分布，外部事件的响应和处理，实时信息和误差