工业机器人的控制系统与应用

       控制系统是工业机器人的重要组成部分，它的作用相当于人脑。拥有一个功能完善、灵敏可靠的控制系统是工业机器人与设备协调动作、共同完成作业任务的关键。工业机器人的控制系统一般由对其自身运动的控制和工业机器人与周边设备的协调控制两部分组成。

       1.工业机器人控制系统的特点

       机器人从结构上讲属于一个空间开链机构,其中各个关节的运动是独立的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关节的运动协调,其控制系统较普通的控制系统要复杂得多。

机器人控制系统的特点如下:

       (1)机器人的控制是与机构运动学和动力学密切相关的。在各种坐标下都可以对机器人手足的状态进行描述,应根据具体的需要对参考坐标系进行选择,并要做适当的坐 标变换。经常需要正向运动学和反向运动学的解,除此之外还需要考虑惯性力、外力( 包括重力)和向心力的影响。

       (2)即使是一个较简单的机器人,也至少需要 3~5 个自由度，比较复杂的机器人则需要十几个甚至几十个自由度。每一个自由度一般都包含一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。

       (3)由计算机来实现多个独立的伺服系统的协调控制和使机器人按照人的意志行动,甚至赋予机器人一定“智能”的任务。所以，机器人控制系统一定是一个计算机控制系统。同时，计算机软件担负着艰巨的任务。

       (4)由于描述机器人状态和运动的是一个非线性数学模型,随着状态的改变和外力的变化,其参数也随之变化,并且各变量之间还存在耦合。所以，只使用位置闭环是不够的,还必须要采用速度甚至加速度闭环。系统中经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。

       (5)由于机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成,所以存在一个“最优”的问题。对于较高级的机器人可采用人工智能的方法,利用计算机建立庞大的信息库,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,按照给定的指标要求,自动地选择最佳的控制规律。 综上所述,机器人的控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。因为其具有的特殊性，所以经典控制理论和现代控制理论都不能照搬使用。到目前为止，机器人控制理论还不够完整和系统。

       2.工业机器人控制系统的主要功能

       工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等项目 工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等项目的控制是工业机器人控制系统的主要任务，其中有些项目的控制是非常复杂的。工业机器人控制系统的主要功能包括以下两点：

       (1)示教再现功能。示教再现功能是指控制系统可以通过示教盒或手把手进行示教,将动作顺序、运动速度、位置等信息用一定的方法预先教给工业机器人，由工业机器人的记忆装置将所教的操作过程自动地记录在存储器中，当需要再现操作时，重放存储器中存储的内容即可。如需更改操作内容时，只需重新示教一遍。

       (2)运动控制功能。运动控制功能是指对工业机器人末端操作器的位姿、速度、加速度等项目的控制。

       3.控制系统的组成

       工业机器人的控制系统由相应的硬件和软件组成。

       (1)硬件。

       硬件主要包括以下几部分:

       1)传感装置。可分为内部传感器和外部传感器。其中前者是用来感知其自身的状 态的,其作用是对工业机器人各关节的位置、速度和加速度等进行检测；后者是用来感知工作环境和工作对象状态的，外部传感器包括视觉、力觉、触觉、听觉、滑觉等传感器。

       2)控制装置。一般由一台微型或小型计算机及相应的接口组成。其作用是用来对各种感觉信息进行处理，执行控制软件，并产生控制指令。

       3)关节伺服驱动部分。这部分的主要作用是以控制装置的指令为依据,按作业任务的要求驱动各关节运动。

       (2)软件。

       这里所说的软件，主要是指机器人的控制软件。控制软件由运动轨迹规划算法和关节伺服控制算法及相应的动作程序组成。它可以使用所有的编程语言编制，但工业机器人控制软件的主流是由通用语言模块化而编制形成的专用工业语言。

       4.工业机器人控制系统各组成部分的名称和作用

       (1)控制计算机。控制计算机是控制系统的调度指挥机构，一般使用微型计算机或 微处理器。 

       (2)示教盒。示教盒的作用是完成示教机器人工作轨迹、参数设定和所有的人机交 互操作，它拥有独立的 CPU 以及存储单元,以串行通信方式与主计算机实现信息交互。

       (3)操作面板。操作面板由各种操作按键、状态指示灯构成,其功能是完成基本功能操作。

       (4)磁盘存储器。硬盘和软盘存储器等于存储机器人工作程序的存储器。

       (5)数字和模拟量输入/输出。该部分的作用是实现各种状态和控制命令的输入或输出功能。

       (6)打印机接口。打印机接口的作用是记录需要输出的各种信息。

       (7)传感器接口。传感器接口是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。轴控制器的作用是完成机器人各关节位置、速度和加速度的控制。

       (9)辅助设备控制。辅助设备控制用来控制和机器人配合的辅助设备，如手爪变位器等。

       (10)通信接口。通信接口是用来实现机器人和其他设备的信息交换的，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 接口。

       ·Ethernet 接口。

       通过 Ethernet 接口可以实现多台或单台机器人的直接PC通信,数据传输速率可达到10Mb/s,并可直接在PC 上用 Windows95或 Windows nt库函数进行应用程序编程之后,支持 TCP/P 通信协议,还可通过 Ethernet 接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。

       ·Fieldbus 接口。

       支持多种流行的现场总线规格,如 Device net、ABRemote I/O、