《机器人技术与应用》第5章-机器人控制系统

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1、机电工程学院1 机电工程学院机电工程学院 机器人技术与应用机器人技术与应用 第5章 机器人控制系统 机电工程学院2 5 5 1 1 控制系统概述控制系统概述 机器人控制系统机器人控制系统 机器人的机器人的大脑大脑 决定机器人决定机器人功能和性能功能和性能的主要因素的主要因素 工业机器人工业机器人控制技术的主要任务控制技术的主要任务 控制它在工作空间中的控制它在工作空间中的 运动位置运动位置 姿态和轨迹姿态和轨迹 操作顺序操作顺序 动作的时间等动作的时间等 机机 器器 人人 机械系统机械系统 执行机构执行机构驱动系统驱动系统控制系统控制系统感知系统感知系统 基基座座 固定或移动 固定或移动 手部

2、手部 腕部腕部 臂部臂部 腰部腰部 电驱动装置电驱动装置 液压驱动装置液压驱动装置 气压驱动装置气压驱动装置 处理器处理器 关节伺服控制器关节伺服控制器 内部传感器内部传感器 外部传感器外部传感器 机电工程学院3 1 机器人控制系统的基本功能机器人控制系统的基本功能 记忆功能记忆功能 可存储作业顺序可存储作业顺序 运动路径运动路径 运动方式运动方式 运运 动速度动速度 与生产工艺有关的信息与生产工艺有关的信息 示教功能示教功能 可可离线离线编程编程 在线在线示教示教 示教盒示教盒 导引示教两种导引示教两种 间接间接示教示教 与外围设备联系功能与外围设备联系功能 I OI O 通信通信 网络网络

3、 同步同步等接口等接口 坐标设置功能坐标设置功能 关节关节 绝对绝对 工具工具 自定义自定义4 4种坐标系种坐标系 人机接口人机接口 示教盒示教盒 操作面板操作面板 显示屏显示屏 传感器接口传感器接口 位置检测位置检测 视觉视觉 触觉触觉 力觉等接口力觉等接口 位置伺服功能位置伺服功能 可实现机器人可实现机器人多轴联动多轴联动 运动运动控制控制 速速 度和加速度度和加速度控制控制 动态补偿动态补偿等功能等功能 故障诊断故障诊断 安全保护功能安全保护功能 系统运行时系统运行时 可实现可实现实时状实时状 态监视态监视 系统故障状态下的系统故障状态下的安全保护和故障自诊断安全保护和故障自诊断 5 5

4、 1 1 控制系统概述控制系统概述 机电工程学院4机电工程学院 2 机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成 5 5 1 1 控制系统概述控制系统概述 1 控制计算机控制计算机 控制系统的调度指挥机构 一般为微型机 微处理器有控制系统的调度指挥机构 一般为微型机 微处理器有 32位 位 64位等 如奔腾系列位等 如奔腾系列CPU以及其他类型以及其他类型CPU 2 示教盒示教盒 示教机器人的工作轨迹和参数设定示教机器人的工作轨迹和参数设定 以及所有人机交互操作以及所有人机交互操作 拥有自己独立的拥有自己独立的CPU以及存储单元以及存储单元 与主计算机之间以串行通信方式实与主计算机之间以串行通信方

5、式实 现信息交互 现信息交互 3 操作面板操作面板 由各种操作按键 状态指示灯构成由各种操作按键 状态指示灯构成 只完成基本功能操作 只完成基本功能操作 4 硬盘和软盘存储硬盘和软盘存储 存储机器人工作程序的外围存储器 存储机器人工作程序的外围存储器 5 数字和模拟量输入输出数字和模拟量输入输出 各种状态和控制命令的输入或输出 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 记录需要输出的各种信息 记录需要输出的各种信息 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 觉 触觉和视觉传感

6、器 8 轴控制器轴控制器 完成机器人各关节位置 速度和加速度控制 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用于和机器人配合的辅助设备控制 如手爪变位器等 如手爪变位器等 10 通信接口通信接口 实现机器人和其他设备的信息交换 一般有串行接口 并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 行接口等 11 网络接口网络接口 Ethernet接口 接口 Fieldbus接口 接口 机电工程学院5机电工程学院 机器人控制系统组成框图机器人控制系统组成框图 机电工程学院6 3 机器人控制的关键技术与机器人示教机器人控制的关键技

7、术与机器人示教 5 5 1 1 控制系统概述控制系统概述 1 机器人控制的关键机器人控制的关键技术技术 开放性模块化的控制系统体系结构开放性模块化的控制系统体系结构 采用分布式采用分布式CPUCPU计算机结构计算机结构 包括机器人控制器包括机器人控制器 RC RC 运动控运动控 制器制器 MC MC 光电隔离光电隔离I OI O控制板控制板 传感器处理板传感器处理板 编程示教盒等编程示教盒等 模块化与层次化的控制器软件系统模块化与层次化的控制器软件系统 基于实时操作系统基于实时操作系统 RTOS RTOS 多任务多任务 分层和模块化结构设计分层和模块化结构设计 机器人的故障诊断与安全维护技术机

8、器人的故障诊断与安全维护技术 通过各种信息通过各种信息 对机器人故障进行诊断及维护对机器人故障进行诊断及维护 以保证机器人以保证机器人 的安全性的安全性 网络化机器人控制器技术网络化机器人控制器技术 由单台机器人工作站向机器人生产线发展由单台机器人工作站向机器人生产线发展 机器人联网技术机器人联网技术 机电工程学院7 3 机器人控制的关键技术与机器人示教机器人控制的关键技术与机器人示教 5 5 1 1 控制系统概述控制系统概述 2 机器人示教机器人示教 对机器人的示教对机器人的示教 定义定义 在机器人代替人作业时在机器人代替人作业时 必须预先对机器人发出指示必须预先对机器人发出指示 规定机器人

9、进行应该完成的动作和作业的具体内容规定机器人进行应该完成的动作和作业的具体内容 此过程此过程 又称为又称为对机器人的编程对机器人的编程 让机器人实现指定动作让机器人实现指定动作 必须赋予它各种信息 必须赋予它各种信息 机器人动作顺序的信息及外围设备的协调信息 机器人动作顺序的信息及外围设备的协调信息 与机器人工作时的附加条件信息 与机器人工作时的附加条件信息 与机器人具体作业任务及相关工艺要求有关与机器人具体作业任务及相关工艺要求有关 机器人的位置和姿态信息机器人的位置和姿态信息 机器人示教的重点机器人示教的重点 机电工程学院8 3 机器人控制的关键技术与机器人示教机器人控制的关键技术与机器人

10、示教 5 5 1 1 控制系统概述控制系统概述 2 机器人示教机器人示教 位置和姿态位置和姿态示教的两种方式 示教的两种方式 1 直接示教直接示教 即通常所说的即通常所说的 手把手示教手把手示教 由人直接搬动机器人的手臂对机由人直接搬动机器人的手臂对机 器人进行示教器人进行示教 如示教盒示教或操作杆示教等如示教盒示教或操作杆示教等 可以选择在不同坐可以选择在不同坐 标系下示教标系下示教 2 离线示教离线示教 脱离实际作业环境生成示教数据脱离实际作业环境生成示教数据 不要求机器人实际产生运动不要求机器人实际产生运动 间接地对机器人进行示教间接地对机器人进行示教 即即离线编程离线编程 位姿示教位姿

11、示教 用实际机器人进行示教 脱离机器人进行示教 用实际机器人进行示教 脱离机器人进行示教 直接示教 遥控示教 直接示教 遥控示教 离线示教虚拟示教离线示教虚拟示教 机电工程学院9 3 机器人控制的关键技术与机器人示教机器人控制的关键技术与机器人示教 5 5 1 1 控制系统概述控制系统概述 典型的微型计算机控制系统框图典型的微型计算机控制系统框图 D A转换器D A转换器 A D转换器A D转换器 被控对象执行器 输出量 被控参数 被控对象执行器 输出量 被控参数 控制器控制器 微型计算机微型计算机 输入量 给定值 输入量 给定值 被控制对象被控制对象 检测系统检测系统 早期工业机器人的控制早

12、期工业机器人的控制主要是通过示教再现方式进行 控制主要是通过示教再现方式进行 控制 装置由凸轮 挡块 插销板 穿孔纸带 磁鼓 继电器等机装置由凸轮 挡块 插销板 穿孔纸带 磁鼓 继电器等机 电元器件构成 电元器件构成 2020世纪世纪8080年代以来 工业机器人年代以来 工业机器人主要使用 微型计算机控主要使用 微型计算机控 制系统 实现控制功能制系统 实现控制功能 机电工程学院10 3 机器人控制的关键技术与机器人示教机器人控制的关键技术与机器人示教 5 5 1 1 控制系统概述控制系统概述 微型计算机控制系统原理图微型计算机控制系统原理图 机电工程学院11 3 机器人控制的关键技术与机器人

13、示教机器人控制的关键技术与机器人示教 5 5 1 1 控制系统概述控制系统概述 在工业机器人控制中在工业机器人控制中 一般采用一般采用监督控制系统监督控制系统 Supervisory Supervisory ComputerComputer Control Control SCC SCC 用以实现计算量较大的用以实现计算量较大的轨迹规划轨迹规划 两 种两 种 不 同不 同 结构形式的结构形式的 SCCSCC系统 系统 SCC SCC 模拟模拟 调节器调节器 SCC DDCSCC DDC 直接数字控制直接数字控制 系统系统 监督控制系统监督控制系统 SCC SCC 框图框图 机电工程学院12机电

14、工程学院 监督控制系统监督控制系统 SCC DDC 工作原理工作原理 实际是两级计算机控制系统实际是两级计算机控制系统 上一级为上一级为SCCSCC 下一级为下一级为DDCDDC 采集数据经采集数据经AIAI DIDI送送DDCDDC的同时也送的同时也送SCCSCC SCCSCC根据采集的数据根据采集的数据 经过计算后获得最佳设定值传送给经过计算后获得最佳设定值传送给 DDCDDC DDCDDC对设定值和测量值进行比较对设定值和测量值进行比较 比较后的结果经比较后的结果经 AOAO DODO送出送出 对对系统系统进行控制进行控制 SCC 计 算 机 SCC 计 算 机 DDC 计 算 机 DD

15、C 计 算 机 输出通道输出通道 输入通道输入通道 被 控 对 象 被 控 对 象 系统系统要求要求 SCCSCC级级数据数据 处理能力强处理能力强 存存 储容量大储容量大 DDCDDC 级级 则则 需要需要实时性好实时性好 可靠性高可靠性高和和环境环境 适应性好适应性好 机电工程学院13机电工程学院 直接数字控制系统 Direct Digit Control DDC 管理命令 DDC微型机 报告 人工监管 给定值测量值 A D 多路开关 检测元件 D A 反多路开关 生产过程 一台微型机代替多个一台微型机代替多个 模拟调节器模拟调节器 可以同时控制多达十可以同时控制多达十 几个回路几个回路

16、可以实现复杂控制律可以实现复杂控制律 DDCDDC无法使生产过程处于最优状态无法使生产过程处于最优状态 SCCSCC属于优化控制属于优化控制 机电工程学院14机电工程学院 机器人示教过程机器人示教过程 机电工程学院15机电工程学院 PUMA560机器人控制系统机器人控制系统 监督控制系统监督控制系统 SCC DDCSCC DDC 机电工程学院16 与传统的自动机械控制与传统的自动机械控制没有本质不同没有本质不同 但更复杂但更复杂 是以是以 机器人单轴或多轴运动协调为目的机器人单轴或多轴运动协调为目的 机器人的控制与机构机器人的控制与机构运动学运动学和和动力学动力学密切相关密切相关 从控制观点看从控制观点看 机器人系统是一种典型的机器人系统是一种典型的冗余多变量非冗余多变量非 线性线性控制系统控制系统 同时又是同时又是复杂的耦合动态系统复杂的耦合动态系统 每个控每个控 制任务本身就是一个动力学任务制任务本身就是一个动力学任务 在实际研究中在实际研究中 往往把机器人控制系统简化为若干个往往把机器人控制系统简化为若干个低低 阶子系统阶子系统来描述来描述 5 5 1 1 控制系统概述控制系统概