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1、工业机器人应用技术 机器人控制系统概述 1 机器人控制系统的分类与组成 2 机器人控制系统的结构与位置控制 3 机器人的力控制 4 机器人控制的示教再现 4 本模块主要介绍机器人的控制系统 内容包括机器人控制系统的特点 机器人控制系统的基本功能和控制方式 机器人控制系统的分类与组成 机器人控制系统的结构与位置控制 机器人控制的示教方式 关节运动的指令生成 控制软件与机器人示教实例 MOTOMANUP6机器人控制系统 学习完本模块的内容后 学生应能够了解机器人控制系统的特点 掌握机器人控制系统的控制功能与基本单元 掌握控制系统的种类 分类 能够运用这些知识解释机器人控制系统的技术内容 能够解读机
2、器人的控制框图 了解机器人控制系统的结构 熟悉机器人控制的示教方式 能够读懂控制机器人示教实例 具有实际操作MOTOMANUP6机器人示教控制系统的能力 学习单元一机器人的控制系统概述 多数机器人的结构是一个空间开链结构 各个关节的运动是相互独立的 为了实现机器人末端执行器的运动 需要多关节协调运动 因此 机器人控制系统与普通的控制系统比较 要复杂一些 具体来讲 机器人控制系统主要具有以下特点 1 机器人控制系统是一个多变量控制系统 即使简单的工业机器人也有3 5个自由度 比较复杂的机器人有十几个自由度 甚至几十个自由度 每个自由度一般包含一个伺服机构 多个独立的伺服系统必须有机地协调起来 例
3、如 机器人的手部运动是所有关节的合成运动 要使手部按照一定的轨迹运动 就必须控制各关节协调运动 包括运动轨迹 动作时序等多方面的协调 一 机器人控制系统的特点 2 运动描述复杂 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关 描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型 随着状态的变化 其参数也在变化 各变量之间还存在耦合 因此 仅仅考虑位置闭环是不够的 还要考虑速度闭环 甚至加速度闭环 在控制过程中 根据给定的任务 应当选择不同的基准坐标系 并做适当的坐标变换 求解机器人运动学正问题和逆问题 此外 还要考虑各关节之间惯性力 哥氏力等的耦合作用和重力负载的影响 因此 系统中还经常采用一些控制策略
4、如重力补偿 前馈 解耦或自适应控制等 一 机器人控制系统的特点 3 具有较高的重复定位精度 系统刚性好 除直角坐标机器人外 机器人关节上的位置检测元件不能安装在末端执行器上 而应安装在各自的驱动轴上 构成位置半闭环系统 但机器人的重复定位精度较高 一般为 0 1mm 此外 由于机器人运行时要求运动平稳 不受外力干扰 为此系统应具有较好的刚性 4 信息运算量大 机器人的动作住往可以通过不同的方式和路径来完成 因此存在一个最优的问题 较高级的机器人可以采用人工智能的方法 用计算机建立起庞大的信息库 借助信息库进行控制 决策管理和操作 根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况 按照给定的指标要
5、求 自动选择最佳的控制规律 一 机器人控制系统的特点 一 机器人控制系统的特点 6 工业机器人还有一种特有的控制方式 示教 再现控制方式 当要工业机器人完成某作业时 可预先移动工业机器人的手臂来示教该作业顺序 位置及其他信息 在此过程中把相关的作业信息存储在内存中 在执行任务时 依靠工业机器人的动作再现功能 可重复进行该作业 此外 从操作的角度来看 要求控制系统具有良好的人机界面 尽量降低对操作者的要求 因此 多数情况要求控制器的设计人员不仅要完成底层伺服控制器的设计 还要完成规划算法的编程 总之 工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学密切相关的 紧耦合的 非线性的多变量控制系统 随着实际工
6、作情况的不同 可以采用各种不同的控制方式 一 机器人控制系统的特点 一 机器人控制系统的特点 机器人控制系统是机器人的主要组成部分 用于控制操作机来完成特定的工作任务 其基本功能有示教 再现功能 坐标设置功能 与外围设备的联系功能 位置伺服功能 1 示教 再现功能 机器人控制系统可实现离线编程 在线示教及间接示教等功能 在线示教又包括示教盒示教和导引示教两种情况 在示教过程中 可存储作业顺序 运动路径 运动方式 运动速度及与生产工艺有关的信息 在再现过程中 能控制机器人按照示教的加工信息执行特定的作业 二 机器人控制系统的功能 2 坐标设置功能 一般的工业机器人控制器设置有关节坐标 绝对坐标
7、工具坐标及用户坐标4种坐标系 用户可根据作业要求选用不同的坐标系并进行坐标系之间的转换 3 与外围设备的联系功能 机器人控制器设置有输入 输出接口 通信接口 网络接口和同步接口 并具有示教盒 操作面板及显示屏等人机接口 此外 还具有多种传感器接口 如视觉 触觉 接近觉 听觉 力觉 力矩 传感器等多种传感器接口 4 位置伺服功能 机器人控制系统可实现多轴联动 运动控制 速度和加速度控制 力控制及动态补偿等功能 在运动过程中 还可以实现状态监测 故障诊断下的安全保护和故障自诊断等功能 二 机器人控制系统的功能 点到点控制方式用于实现点的位置控制 其运动是由一个给定点到另一个给定点 而点与点之间的轨
8、迹却无关紧要 因此 这种控制方式的特点是只控制工业机器人末端执行器在作业空间中某些规定的离散点上的位姿 控制时只要求工业机器人快速 准确地实现相邻各点之间的运动 而对达到目标点的运动轨迹则不做任何标记 如自动插件机 在贴片机上安插元件 点焊 搬运 装配等作业 这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间 控制方式比较简单 但要达到较高的定位精度则较难 三 机器人的控制方式 三 机器人的控制方式 三 机器人的控制方式 三 机器人的控制方式 三 机器人的控制方式 学习单元二机器人控制系统的分类与组成 一 机器人控制系统的分类 图5 1机器人控制系统的分类 图5 2机器人控制系统组成框图 二
9、 机器人控制系统的组成 1 控制计算机 控制计算机是控制系统的调度指挥机构 一般为微型机 微处理器分为32位 64位等 如奔腾系列CPU等 2 示教编程器 示教机器人的工作轨迹 参数设定和所有人机交互操作拥有自己独立的CPU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 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 磁盘存储 机器人主要用存储机器人工作程序的外围存储器来存储程序 二 机器人控制系统的组成 10 通信接口 通信接口用于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 网络接口包括Ethernet接口和Fieldbus
10、接口 Ethernet接口 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10Mb s 可直接在PC上用Windows库函数进行应用程序编程 支持TCP IP通信协议 通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中 Fieldbus接口 Fieldbus接口支持多种流行的现场总线规格 如Devicenet ABRemoteI O Interbus s profibus DP M NET等 二 机器人控制系统的组成 5 数字量和模拟量输入 输出 数字量和模拟量输入 输出指各种状态和控制命令的输入或输出 6 打印机接口 打印机接口用于记录需要输出的
11、各种信息 7 传感器接口 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 轴控制器 轴控制器用于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 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 二 机器人控制系统的组成 学习单元三机器人控制系统的结构与位置控制 集中控制方式用一台计算机实现全部控制功能 结构简单 成本低 但实时性差 难以扩展 在早期的机器人中常采用这种结构 其构成框图如图5 3所示 一 机器人控制系统的结构 图5 3集中控制方式的构成框图 在基于计算机的集中控制系统中 充分利用了计算机资源开放性的特点 可以实现很好的开放性
12、 多种控制卡 传感器设备等都可以通过标准PCI插槽或标准串口 并口集成到控制系统中 集中式控制系统的优点为 硬件成本较低 便于信息的采集和分析 易于实现系统的最优控制 整体性与协调性较好 其缺点为 系统控制缺乏灵活性 控制危险容易集中 一旦出现故障 其影响面广 后果严重 由于工业机器人的实时性要求很高 当系统进行大量数据计算时 会降低系统实时性 系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突 系统连线复杂 会降低系统的可靠性 一 机器人控制系统的结构 一 机器人控制系统的结构 图5 4主从控制方式的构成框图 一 机器人控制系统的结构 分布控制方式按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块 每一个
13、模块各有不同的控制任务和控制策略 各模式之间可以是主从关系 也可以是平等关系 这种方式实时性好 易于实现高速 高精度控制 易于扩展 可实现智能控制 是目前流行的方式 其控制框图如图5 5所示 其主要思想是 分散控制 集中管理 即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配 并通过子系统的协调工作来完成控制任务 整个系统在功能 逻辑和物理等方面都是分散的 所以DCS系统又称为集散控制系统或分散控制系统 在这种结构中 子系统由控制器 不同被控对象或设备构成 各个子系统之间通过网络等相互通信 分布式控制结构提供了一个开放 实时 精确的机器人控制系统 分布式系统中常采用两级控制方式 一 机器人控制系统
14、的结构 图5 5分散控制方式的控制框图 一 机器人控制系统的结构 两级分布式控制系统通常由上位机 下位机和网络组成 上位机可以进行不同的轨迹规划和算法控制 下位机用于进行插补细分 控制优化等 上位机和下位机通过通信总线相互协调工作 这里的通信总线可以是RS 232 RS 485 EEE 488及USB总线等形式 现在 以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速 稳定 有效的通信服务 尤其是现场总线 现场总线应用于生产现场 在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字通信 从而形成了新型的网络集成式全分布控制系统 现场总线控制系统 fieldbuscontrolsystem FCS 在工厂生产
15、网络中 将可以通过现场总线连接的设备统称为现场设备 仪表 从系统论的角度来说 工业机器人作为工厂的生产设备之一 也可以归纳为现场设备 在机器人系统中引入现场总线技术后 更有利于机器人在工业生产环境中的集成 一 机器人控制系统的结构 分布式控制系统的优点为 系统灵活性好 控制系统的危险性降低 采用多处理器的分散控制 有利于系统功能的并行执行 提高系统的处理效率 缩短响应时间 对于具有多自由度的工业机器人而言 集中控制对各个控制轴之间的耦合关系处理得很好 可以很简单地进行补偿 其缺点为 当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时 其控制性能会恶化 当系统中轴的数量或控制算法变得很复杂时 可能会导致系统
16、的重新设计 分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理 这意味着系统有较少的轴间耦合和较高的系统重构性 一 机器人控制系统的结构 机器人控制柜用于安装各种控制单元 进行数据处理及存储 并执行程序 是机器人系统的大脑 如图5 6所示 二 机器人典型控制柜系统 图5 6ABB工业机器人控制柜 1 灵活性强 IRC5控制器由一个控制模块和一个驱动模块组成 可选增一个过程模块以容纳定制设备和接口 如点焊 弧焊和胶合等 配备这3种模块的灵活型控制器完全有能力控制一台6轴机器人外加伺服驱动工件定位器及类似设备 若需增加机器人的数量 只需为每台新增机器人增装一个驱动模块 还可选择安装一个过程模块 最多可控制4台机器人在 MultiMove 模式下作业 各模块间只需要两根连接电缆 一根为安全信号传输电缆 另一根为以太网连接电缆 供模块间通信使用 模块连接简单易行 二 机器人典型控制柜系统 二 机器人典型控制柜系统 二 机器人典型控制柜系统 1 主电源开关 主电源开关是机器人系统的总开关 2 紧急停止按钮 在任何模式下 按下紧急停止按钮 机器人立即停止动作 要使机器人重新动作 必须使紧急停止按钮恢复至原
