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控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分,它的作用相當(dāng)于人腦。擁有一個(gè)功能完善、靈敏可靠的控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人與設(shè)備協(xié)調(diào)動(dòng)作、共同完成作業(yè)任務(wù)的關(guān)鍵。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般由對(duì)其自身運(yùn)動(dòng)的控制和工業(yè)機(jī)器人與周邊設(shè)備的協(xié)調(diào)控制兩部分組成。
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1.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
機(jī)器人從結(jié)構(gòu)上講屬于一個(gè)空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu),其中各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的,為了實(shí)現(xiàn)末端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,需要多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào),其控制系統(tǒng)較普通的控制系統(tǒng)要復(fù)雜得多。
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機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下:
(1)機(jī)器人的控制是與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)的。在各種坐標(biāo)下都可以對(duì)機(jī)器人手足的狀態(tài)進(jìn)行描述,應(yīng)根據(jù)具體的需要對(duì)參考坐標(biāo)系進(jìn)行選擇,并要做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。經(jīng)常需要正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解,除此之外還需要考慮慣性力、外力(包括重力)和向心力的影響。
(2)即使是一個(gè)較簡(jiǎn)單的機(jī)器人,也至少需要3~5個(gè)自由度,比較復(fù)雜的機(jī)器人則需要十幾個(gè)甚至幾十個(gè)自由度。每一個(gè)自由度一般都包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu),它們必須協(xié)調(diào)起來(lái),組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。
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(3)由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和使機(jī)器人按照人的意志行動(dòng),甚至賦予機(jī)器人一定“智能”的任務(wù)。所以，機(jī)器人控制系統(tǒng)一定是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí),計(jì)算機(jī)軟件擔(dān)負(fù)著艱巨的任務(wù)。
(4)由于描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的是一個(gè)非線性數(shù)學(xué)模型,隨著狀態(tài)的改變和外力的變化,其參數(shù)也隨之變化,并且各變量之間還存在耦合。所以，只使用位置閉環(huán)是不夠的,還必須要采用速度甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中經(jīng)常使用重力補(bǔ)償、前饋、解耦或自適應(yīng)控制等方法。
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(5)由于機(jī)器人的動(dòng)作往往可以通過(guò)不同的方式和路徑來(lái)完成,所以存在一個(gè)“最優(yōu)”的問(wèn)題。對(duì)于較高級(jí)的機(jī)器人可采用人工智能的方法,利用計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫(kù),借助信息庫(kù)進(jìn)行控制、決策、管理和操作。根據(jù)傳感器和模式識(shí)別的方法獲得對(duì)象及環(huán)境的工況,按照給定的指標(biāo)要求,自動(dòng)地選擇最佳的控制規(guī)律。綜上所述,機(jī)器人的控制系統(tǒng)是一個(gè)與運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理密切相關(guān)的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。因?yàn)槠渚哂械奶厥庑?所以經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都不能照搬使用。到目前為止,機(jī)器人控制理論還不夠完整和系統(tǒng)。
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2.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能
工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等項(xiàng)目工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等項(xiàng)目的控制是工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù),其中有些項(xiàng)目的控制是非常復(fù)雜的。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能包括以下兩點(diǎn)：
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(1)示教再現(xiàn)功能。示教再現(xiàn)功能是指控制系統(tǒng)可以通過(guò)示教盒或手把手進(jìn)行示教,將動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)速度、位置等信息用一定的方法預(yù)先教給工業(yè)機(jī)器人,由工業(yè)機(jī)器人的記憶裝置將所教的操作過(guò)程自動(dòng)地記錄在存儲(chǔ)器中,當(dāng)需要再現(xiàn)操作時(shí),重放存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的內(nèi)容即可。如需更改操作內(nèi)容時(shí),只需重新示教一遍。
(2)運(yùn)動(dòng)控制功能。運(yùn)動(dòng)控制功能是指對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端操作器的位姿、速度、加速度等項(xiàng)目的控制。
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3.控制系統(tǒng)的組成
工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)由相應(yīng)的硬件和軟件組成。
(1)硬件。
硬件主要包括以下幾部分:
1)傳感裝置。可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中前者是用來(lái)感知其自身的狀態(tài)的,其作用是對(duì)工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度等進(jìn)行檢測(cè);后者是用來(lái)感知工作環(huán)境和工作對(duì)象狀態(tài)的,外部傳感器包括視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、滑覺(jué)等傳感器。
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2)控制裝置。一般由一臺(tái)微型或小型計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的接口組成。其作用是用來(lái)對(duì)各種感覺(jué)信息進(jìn)行處理,執(zhí)行控制軟件,并產(chǎn)生控制指令。
3)關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)部分。這部分的主要作用是以控制裝置的指令為依據(jù),按作業(yè)任務(wù)的要求驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。
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(2)軟件。
這里所說(shuō)的軟件,主要是指機(jī)器人的控制軟件。控制軟件由運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法和關(guān)節(jié)伺服控制算法及相應(yīng)的動(dòng)作程序組成。它可以使用所有的編程語(yǔ)言編制,但工業(yè)機(jī)器人控制軟件的主流是由通用語(yǔ)言模塊化而編制形成的專用工業(yè)語(yǔ)言。
4.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)各組成部分的名稱和作用
(1)控制計(jì)算機(jī)。控制計(jì)算機(jī)是控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)，一般使用微型計(jì)算機(jī)或微處理器。(2)示教盒。示教盒的作用是完成示教機(jī)器人工作軌跡、參數(shù)設(shè)定和所有的人機(jī)交互操作,它擁有獨(dú)立的CPU以及存儲(chǔ)單元,以串行通信方式與主計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互。
(3)操作面板。操作面板由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成,其功能是完成基本功能操作。
(4)磁盤(pán)存儲(chǔ)器。硬盤(pán)和軟盤(pán)存儲(chǔ)器等于存儲(chǔ)機(jī)器人工作程序的存儲(chǔ)器。
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(5)數(shù)字和模擬量輸入/輸出。該部分的作用是實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出功能。(6)打印機(jī)接口。打印機(jī)接口的作用是記錄需要輸出的各種信息。
(7))傳感器接口。傳感器接口是用于信息的自動(dòng)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制,一般為力覺(jué)、觸覺(jué)和視覺(jué)傳感器。
(8)軸控制器。軸控制器的作用是完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度的控制。
(9)輔助設(shè)備控制。輔助設(shè)備控制用來(lái)控制和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備,如手爪變位器等。
(10)通信接口。通信接口是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換的,一般有串行接口、并行接口等。
(11)網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)絡(luò)接口包括Ethernet接口和Fieldbus接口。
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1)Ethernet接口。通過(guò)Ethernet接口可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)或單臺(tái)機(jī)器人的直接PC通信,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到10Mb/s,并可直接在PC上用windows95或Windowsnt庫(kù)函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之后,支持TCP/P通信協(xié)議,還可通過(guò)Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個(gè)機(jī)器人控制器中。
2)Fieldbus接口。支持多種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)格,如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。
