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機器人控制系統(tǒng)概念

傳感器技術(shù) ? 來源:傳感器技術(shù) ? 作者:傳感器技術(shù) ? 2021-03-10 14:57 ? 次閱讀
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如果僅僅有感官和肌肉,人的四肢并不能動作。一方面是因為來自感官的信號沒有器官去接收和處理,另一方面也是因為沒有器官發(fā)出神經(jīng)信號,驅(qū)使肌肉發(fā)生收縮或舒張。同樣,如果機器人只有傳感器驅(qū)動器,機械臂也不能正常工作。原因是傳感器輸出的信號沒有起作用,驅(qū)動電動機也得不到驅(qū)動電壓和電流,所以機器人需要有一個控制系統(tǒng),用硬件和軟件組成一個的控制系統(tǒng)。

機器人控制系統(tǒng)的功能是接收來自傳感器的檢測信號,根據(jù)操作任務(wù)的要求,驅(qū)動機械臂中的各臺電動機就像我們?nèi)说幕顒有枰蕾囎陨淼母泄僖粯?,機器人的運動控制離不開傳感器。機器人需要用傳感器來檢測各種狀態(tài)。機器人的內(nèi)部傳感器信號被用來反映機械臂關(guān)節(jié)的實際運動狀態(tài),機器人的外部傳感器信號被用來檢測工作環(huán)境的變化。

所以機器人的神經(jīng)與大腦組合起來才能成一個完整的機器人控制系統(tǒng)。

機器人控制系統(tǒng)概念

機器人控制系統(tǒng)是指由控制主體、控制客體和控制媒體組成的具有自身目標(biāo)和功能的管理系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)意味著通過它可以按照所希望的方式保持和改變機器、機構(gòu)或其他設(shè)備內(nèi)任何感興趣或可變化的量。控制系統(tǒng)同時是為了使被控制對象達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)而實施的??刂葡到y(tǒng)使被控制對象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)。

機器人控制系統(tǒng)特點

機器人的控制技術(shù)是在傳統(tǒng)機械系統(tǒng)的控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,因此兩者之間并無根本的不同。但機器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處。其特點如下:

1、機器人控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個非線性系統(tǒng)。引起機器人非線性因素很多,機器人的結(jié)構(gòu)、傳動件、驅(qū)動元件等都會引起系統(tǒng)的非線性。

2、機器人控制系統(tǒng)是由多關(guān)節(jié)組成的一個多變量控制系統(tǒng),且各關(guān)節(jié)間具有耦合作用。具體表現(xiàn)為某一個關(guān)節(jié)的運動,會對其他關(guān)節(jié)產(chǎn)生動力效應(yīng),每一個關(guān)節(jié)都要受到其他關(guān)節(jié)運動所產(chǎn)生的擾動。因此工業(yè)機器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。

3、機器人系統(tǒng)是一個時變系統(tǒng),其動力學(xué)參數(shù)隨著關(guān)節(jié)運動位置的變化而變化。

4、較高級的機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測定和分析,采用計算機建立龐大的信息庫,用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管理和操作,按照給定的要求,自動選擇最佳控制規(guī)律。

機器人控制系統(tǒng)的基本要求

從使用的角度講,機器人是一種特殊的自動化設(shè)備,對其控制有如下要求:

1、多軸運動的協(xié)調(diào)控制,以產(chǎn)生要求的工作軌跡。因為機器人的手部的運動是所有關(guān)節(jié)運動的合成運動,要使手部按照規(guī)定的規(guī)律運動,就必須很好地控制各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)動作,包括運動軌跡、動作時序的協(xié)調(diào)。

2、較高的位置精度,很大的調(diào)速范圍。除直角坐標(biāo)式機器人外,機器人關(guān)節(jié)上的位置檢測元件通常安裝在各自的驅(qū)動軸上,構(gòu)成位置半閉環(huán)系統(tǒng)。此外,由于存在開式鏈傳動機構(gòu)的間隙等,使得機器人總的位置精準(zhǔn)度降低,與數(shù)控機床比,約降低一個數(shù)量級。但機器人的調(diào)速范圍很大,通常超過幾千。這是由于工作時,機器人可能以極低的作業(yè)速度加工工件;空行程時,為提高效率,又能以極高的速度移動。

3、系統(tǒng)的靜差率要小,即要求系統(tǒng)具有較好的剛性。這是因為機器人工作時要求運動平穩(wěn),不受外力干擾,若靜差率大將形成機器人的位置誤差。

4、位置無超調(diào),動態(tài)響應(yīng)快。避免與工件發(fā)生碰撞,在保證系統(tǒng)適當(dāng)響應(yīng)能力的前提下增加系統(tǒng)的阻尼。

5、需采用加減速控制。大多數(shù)機器人具有開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),其機械剛度很低,過大的加減速度會影響其運動平穩(wěn)性,運動啟停時應(yīng)有加減速裝置。通常采用勻加減速指令來實現(xiàn)。

6、各關(guān)節(jié)的速度誤差系數(shù)應(yīng)盡量一致。機器人手臂在空間移動,是各關(guān)節(jié)聯(lián)合運動的結(jié)果,尤其是當(dāng)要求沿空間直線或圓弧運動時。即使系統(tǒng)有跟蹤誤差,仍應(yīng)要求各軸關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的速度放大系數(shù)盡可能一致,而且在不影響穩(wěn)定性的前提下,盡量取較大的數(shù)值。

7、從操作的角度看,要求控制系統(tǒng)具有良好的人機界面,盡量降低對操作者的要求。因此,在大部分的情況下,要求控制器的設(shè)計人員完成底層伺服控制器設(shè)計的同時,還要完成規(guī)劃算法,而把任務(wù)的描述設(shè)計成簡單的語言格式由用戶完成。

8、從系統(tǒng)的成本角度看,要求盡可能地降低系統(tǒng)的硬件成本,更多的采用軟件伺服的方法來完善控制系統(tǒng)的性能。

機器人控制系統(tǒng)的功能要求

1、記憶功能:存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。

2、示教功能:離線編程,在線示教,間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。

3、與外圍設(shè)備聯(lián)系功能:輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。

4、坐標(biāo)設(shè)置功能:有關(guān)節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。

5、人機接口:示教盒、操作面板、顯示屏。

6、傳感器接口:位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。

7、位置伺服功能:機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)取?/p>

8、故障診斷安全保護(hù)功能:運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。

機器人控制系統(tǒng)的主要種類

控制系統(tǒng)的任務(wù),是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序、以及從傳感器反饋回來的信號,支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成的運動和功能。假如機器人不具備信息反饋特征,則為開環(huán)控制系統(tǒng);若具備信息反饋特征,則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。

根據(jù)控制運動的形式可分為點位控制和軌跡控制。

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)組成

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1、控制計算機:控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮中心機構(gòu)。

2、示教盒:示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定,以及所有人機交互操作,擁有自己獨立的CPU以及存儲單元,與主計算機之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互。

3、操作面板:由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成,只完成基本功能操作。

4、硬盤和軟盤存儲存:儲機器人工作程序的外圍存儲器。

5、數(shù)字和模擬量輸入輸出:各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。

6、打印機接口:記錄需要輸出的各種信息。

7、傳感器接口:用于信息的自動檢測,實現(xiàn)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:完成機器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。

9、輔助設(shè)備控制:用于和機器人配合的輔助設(shè)備控制,如手爪變位器等。

10通信接口:實現(xiàn)機器人和其他設(shè)備的信息交換,一般有串行接口、并行接口等。

11、網(wǎng)絡(luò)接口

1)Ethernet接口:可通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機器人的直接PC通信,數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbit/s,可直接在PC上用windows庫函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之后,支持TCP/IP通信協(xié)議,通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)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(xiàn)場總線規(guī)格,如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式

集中控制系統(tǒng)

用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能,結(jié)構(gòu)簡單,成本低,但實時性差,難以擴展,在早期的機器人中常采用這種結(jié)構(gòu),其構(gòu)成框圖,如圖所示。

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基于PC的集中控制系統(tǒng)里,充分利用了PC資源開放性的特點,可以實現(xiàn)很好的開放性:多種控制卡,傳感器設(shè)備等都可以通過標(biāo)準(zhǔn)PCI插槽或通過標(biāo)準(zhǔn)串口、并口集成到控制系統(tǒng)中。

集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是:硬件成本較低,便于信息的采集和分析,易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制,整體性與協(xié)調(diào)性較好,基于PC的系統(tǒng)硬件擴展較為方便。

其缺點也顯而易見:系統(tǒng)控制缺乏靈活性,控制危險容易集中,一旦出現(xiàn)故障,其影響面廣,后果嚴(yán)重;由于機器人的實時性要求很高,當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計算,會降低系統(tǒng)實時性,系統(tǒng)對多任務(wù)的響應(yīng)能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突;此外,系統(tǒng)連線復(fù)雜,會降低系統(tǒng)的可靠性。

主從控制方式

采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等:從CPU實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作控制。其構(gòu)成框圖,如圖所示。

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主從控制方式系統(tǒng)實時性較好,適于高精度、高速度控制,但其系統(tǒng)擴展性較差,維修困難。

分散控制方式

按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊,每一個模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略,各模式之間可以是主從關(guān)系,也可以是平等關(guān)系。這種方式實時性好,易于實現(xiàn)高速、高精度控制,易于擴展,可實現(xiàn)智能控制,是目前流行的方式,其控制框圖如圖所示。

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其主要思想是“分散控制,集中管理”,即系統(tǒng)對其總體目標(biāo)和任務(wù)可以進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)和分配,并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù),整個系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的,所以又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。

這種結(jié)構(gòu)中,子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設(shè)備構(gòu)成的,各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)等相互通訊。分布式控制結(jié)構(gòu)提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式。

兩級分布式控制系統(tǒng)

通常由上位機、下為機和網(wǎng)絡(luò)組成。上位機可以進(jìn)行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法,下位機進(jìn)行插補細(xì)分、控制優(yōu)化等的研究和實現(xiàn)。上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調(diào)工作,這里的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB總線等形式。

現(xiàn)在,以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為機器人提供了更快速、穩(wěn)定、有效的通訊服務(wù)。尤其是現(xiàn)場總線,它應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向多結(jié)點數(shù)字通信,從而形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于:系統(tǒng)靈活性好,控制系統(tǒng)的危險性降低,采用多處理器的分散控制,有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行,提高系統(tǒng)的處理效率,縮短響應(yīng)時間。

機器人控制系統(tǒng)分類

1、程序控制系統(tǒng):給每一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用,機器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。

2、自適應(yīng)控制系統(tǒng):當(dāng)外界條件變化時,為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì),其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察,再調(diào)整非線性模型的參數(shù),一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。

3、人工智能系統(tǒng):事先無法編制運動程序,而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息,實時確定控制作用。

4、點位式控制系統(tǒng):要求機器人準(zhǔn)確控制末端執(zhí)行器的位姿,而與路徑無關(guān)。

5、連續(xù)軌跡控制系統(tǒng):要求機器人按示教的軌跡和速度運動。

6、控制總線:國際標(biāo)準(zhǔn)總線控制系統(tǒng)。采用國際標(biāo)準(zhǔn)總線作為控制系統(tǒng)的控制總線,如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。

7、自定義總線控制系統(tǒng):由生產(chǎn)廠家自行定義使用的總線作為控制系統(tǒng)總線。

8、編程方式:物理設(shè)置編程系統(tǒng)。由操作者設(shè)置固定的限位開關(guān),實現(xiàn)起動,停車的程序操作,只能用于簡單的拾起和放置作業(yè)。

9、在線編程:通過人的示教來完成操作信息的記憶過程編程方式,包括直接示教模擬示教和示教盒示教。

10、離線編程:不對實際作業(yè)的機器人直接示教,而是脫離實際作業(yè)環(huán)境,示教程序,通過使用高級機器人,編程語言,遠(yuǎn)程式離線生成機器人的作業(yè)軌跡。

責(zé)任編輯:lq

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原文標(biāo)題:機器人的大腦——控制系統(tǒng)概述

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    柔性機器人和剛性機器人有什么區(qū)別?

    則由剛性桿及其關(guān)節(jié)連接構(gòu)成,運動自由度相對較少。控制方式:柔性機器人通常采用基于力和視覺感知的控制系統(tǒng),而剛性機器人則主要采用編程控制。應(yīng)用
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    柔性<b class='flag-5'>機器人</b>和剛性<b class='flag-5'>機器人</b>有什么區(qū)別?