教案工业机器人基础第6章03.docx

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教案工业机器人基础第6章03

第六章机器人控制系统

6.4机器人控制系统的结构

【内容提要】

本课主要学习机器人控制系统结构、基本功能、基本组成、分层结构、硬件组成、软件组成、示教再现、川安机器人的结构等内容。

知识要点：

✓伺服控制系统的基本结构、功能和组成

✓伺服控制系统的分层结构

✓伺服控制系统的示教再现

✓川安机器人的结构

重点：

✓机器人控制系统的基本结构

✓机器人控制系统工作过程

难点：

✓机器人控制的示教再现

关键字：

✓机器人控制系统结构、工作过程、示教再现

【本课内容】

6.4机器人控制系统结构

一般的伺服控制系统包括伺服执行元件（伺服电动机）、伺服运动控制器、功率放大器（又称为伺服驱动器）、位置检测元件等。

伺服运动控制器的功能是实现对伺服电动机的运动控制，包括力、位置、速度等的控制。

某些机器人系统把各个轴的伺服运动控制器和功率放大器集成组装在控制柜内，如MOTOMAN机器人，这样实际上相当于由一台专用计算机控制。

6.4.1机器人控制系统的基本组成

1机器人控制系统的基本功能

机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下。

记忆功能：

存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。

示教功能：

离线编程，在线示教，间接示教。

在线示教包锤示教盒和导引示教两种。

扩展功能：

输入/输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。

坐标设置：

有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。

人机接口:

示教盒、操作面板、显示屏。

传感器接口:

位置检测、视觉、力觉等。

位置伺服功能:

机器人多轴联动、运动控制、速度控制、加速度控制、动态补偿等。

故障诊断安全保护功能:

运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护相故障自诊断。

2机器人控制系统的基本组成

机器人控制系统的组成，如图6.20所示。

1）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32位、64位

等。

2）示教盒:

示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人杌交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，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:

由各种操作按键、状态指示灯构成，只能完成简单功能操作。

4）磁盘存储:

存储机器人工作程序的存储器。

5）输入/输出:

各种状态和控制命令的输入或输出。

6）打印机接口:

记录需要输出的各种信息。

图6.20机器人控制系统的组成

7）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）伺服控制器:

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：

用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。

10）通信接口:

实现机器人和其他设各的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。

11）网络接口:

与其他机器人以及上位管理计算机连接的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lOMbit/s，可直接在PC上用Windows库函数进行应用程序编程之后，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。

6.4.2机器人控制系统的基本结构

一个典型的机器人运动控制系统，主要由上位计算机、运动控制器、驱动器、电动机、执行机构和反馈装置构成，如图6.21所示。

图6.21机器人控制系统的基本结构

工业机器人控制系统的基本结构常有PLC的运动控制、PC和运动控制卡的运动控制、PC的运动控制。

1基于PLC的运动控制

图6.22PLC的运动控制

1）利用PLC的某些输出端口使用脉冲输出指令来产生脉冲驱动电动机，同时使用通用

I/O或者计数部件来实现电动机的闭环位置控制。

2）使用PLC外部扩展的位置模块来进行电动机的闭环位置控制。

2基于PC和运动控制卡的运动控制

运动控制器以运动控制卡为主，工控PC只提供插补运算和运动指令，运动控制卡完成速度控制和位置控制，如图6.23所示。

图6.23PC和运动控制卡的运动控制

3PC的运动控制

图6.24为完全采用PC的全软件形式的机器人系统，在高性能工业PC（配备专为工业应用而开发的主板）的硬件平台上，可通过软件程序实现PLC功能，实现机器人需要的逻辑控制和运动控制。

图6.24PC的运动控制

通过高速的工业总线进行PC与驱动器的实时通信，能显著地提高机器人的生产效率和灵活性。

不过，在提供灵活的应用平台的同时，也大大提高了开发难度和延长了开发周期由于其结构的先进性，这种结构代表了未来机器人控制结构的发展方向。

6.4.3机器人控制系统的分层结构

在机器人控制系统的硬件组成结构上，有三种形式:

集中控制方式、主从控制方式和分散控制方式。

目前用一台计算机实现全部控制功能的集中控制方式因其实时性差、难以扩展已经遭到淘汰，现在大部分工业机器人都采用主从控制方式，智能机器人或传感机器人都采用分散控制方式，由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制，所以，目前的机器人控制系统在结构上大多数采用分层结构的微型计算机控制系统，通常采用的是两级计算机伺服控制系统。

1机器人控制系统工作过程

机器人控制系统具体的工作过程是:

主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手的运动参数，然后进行运动学、动力学和插补运算，最后得出机器人各个关节的协调运动参数。

如图6.25所示。

图6.25机器人控制系统工作过程

这些参数经过通信线路输出到伺服控制级作为各个关节伺服控制系统的给定信号。

关节驱动器将此信号经D-A转换后驱动各个关节产生协调运动，并通过传感器将各个关节的运动输出信号反馈回伺服控制级计算机，形成局部闭环控制，从而更加精确地控制机器人手部按作业任务要求在空间运动，

在控制过程中，工作人员可直接监视机器人的运动状态，也可从显示器等输出装置上得到有关机器人运动的信息.此时，作为控制器部分的上位机中的PC或小型机完成人机对话、数学运算、通信和数据存储，下位机中的单片机或运动控制器，完咸伺服控制，作为传感器部分的内部传感器完成自身关节运动状态的检测:

外部传感器完成外部环境参数孪化的检测。

2机器人控制系统的硬件组成

在机器人控制系统的硬件组成结构上，现在大部分工业机器人都采用二级计算机控制。

第一级担负系统监控、作业管理和实时插补任务，由于运算工作量大，数据多，所以大都采用16位以上微型计算机或小型机。

第一级运算结果作为伺服位置信号，控制第二级。

第二级为各关节的伺服系统，有两种可能方案:

采用一台微型计算机控制高速脉冲发生器；使用几个单片机分别控制几个关节运动，如图6.26所示。

图6.26机器人控制系统的硬件组成结构

（l）一级控制

一级控制的上位机一般由个人计算机或小型计算机组成，其功能如下。

人机对话:

人将作业任务给机器人，同时机器人将结果反馈回来，即人与机器人之间的交流。

数学运算:

包括机器人运动学、动力学和数学插补运算。

通信功能:

与下位机进行数据传送和相互交换。

数据存储:

存储编制好的作业任务程序和中间数据。

（2）二级控制

二级控制的下位机一般由单片机或运动控制器组成，其功能为:

接收上位机的关节运动参数信号和传感器的反馈信号，并对其进行比较，然后经过误差放大和各种补偿，最终输出关节运动所需的控制信号。

（3）伺服系统

伺服系统的核心是运动控制器，一般由数字信号处翟器及其外围部件组成，可以实现高性能的控制计算，同步控制多个运动轴，实现多轴协调运动，应用领域包括机器人、数控机床等。

（4）内部传感器

内部传感器的主要目的是对自身的运动状态进行检测，即检测机器人各个关节的位移、速度和加速度等运动参数，为机器人的控制提供反馈信号，机器人使用的内部传感器主要包括位置、位移、速度和加速度等传感器。

（5）外部传感器

机器人要能在变化的作业环境中完咸作业任务，就必须具备类似于人类对环境的感觉功能将机器人用于对工作环境变化检测的传感器称为外部传感器，有时也拟人地称为环境感觉传感器或环境感觉器官。

目前，机器人常用的环境感觉技术主要有视觉、听觉、触觉、力觉等。

3机器人控制系统的软件组成

（l）系统软件

系统软件包括用子个人计算机和小型计算机的计算机操作系统，用于单片机和运动控制器的系统初始化程序等，

（2）应用软件

应用软件包括用于完成实施动作解释的执行程序，用于运动学、动力学和插补程序的运算软件，用于作业任务程序、编制环境程序的编程软件和用于实时监视、故障报警等程序的监控软件等。

6.4.5机器人控制的示教再现

示教人员将机器人作业任务中要求手的运动预先教给枞器人，在示教的过程中，机器人控制系统就将关节运动状态参数存储在存储器中。

当需要机器人工作时，机器人的控制系统就调用存储器中存储的各项数据，驱动关节运动，使机器人再现示教过的手的运动，由此完成要求的作业任务。

如图6.27所示。

图6.27机器人控制的示教再现

1示教方式

机器人示教的方式种类繁多，总的可以分为集中示教方式和分离示教方式，

（1）集中示教方式

将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数同时进行示教的方式称为集中示教方式，示教一次即可生咸关节运动的伺服指令。

（2）分离示教方式

将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数分开单独迸行示教的方式称为分离示教方式，一般需要示教多次才可生成关节运动的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。

（3）点对点控制

当对用点位控制的点焊、搬运机器人进行示教时，可以分开编制程序，且能进行辑、修改等工作，但是机器人手部在作曲线运动而且位置精度要求较高时，示教点数就会较多，示教时间就会拉长，且在每一个示教点处都要停止和启动，因此很难进行速度的控制。

（4）连续轨迹控制

当对用连续轨迹（CP）控制的弧焊、喷漆机器人进行示教时，示教操作一旦开始就不能中途停止，必须不间断地进行到底，且在示教途中很难进行局部的修改。

示教时，可以是手把手示教，也可通过示教盒示教。

2记忆过程

在示教的过程中，机器人关节运动状态的变化被传感器检测到，经过转换，再通过变换装置送入控制系统，控制系统就将这些数据保存在存储器中，作为再现示教过的手的运动时所需要的关节运动参数数据。

如图6.28所示。

图6.28机器人控制示教的记忆过程

l）记忆速度:

取泱子传感器的检测速度、变换装置的转换速度和控制系统存储器的存储速度。

2）记忆容量:

取决于控制系统存储器的容量。

3运动控制

机器人的运动控制是指机器人手部在空间从一点移动到另一点的过程中或沿某一轨迹运动时，对其位姿、速度和加速度等运动参数的控制。

如图6.29所示。

图6.29机器人控制示教的运动控制

由机器人运动学可知，机器人手部的运动是由各个关节的运动引起的，所以控制机器人手部的运动实际上是通过控制机器人各个关节的运动实现的。

（1）控制过程

根据机器人作业任务中要求的手部运动，通过运动学逆解和数学插补运算得到机器人各个关节运动的位移、速度和加速度，再根据动力学正解得到各个关节的驱动力（矩）。

机器人控制系统根据运算得到的关节运动状态参数控制驱动装置，驱动各个关节产生运动，从而合成手在空间的运动，由此完成要求的作业任务。

（2）控制步骤

第一步:

关节运动伺服指令的生成，即将机器人手部在空间的位姿变化转换为关节变量随时间按某一规律变化的函数。

这一步一般可离线完咸。

第二步:

关节运动的伺服控制，即采用一定的控制算法跟踪执行第-步所生成的关节运动伺服指令，这是在线完成的。

6.4.6川安机器人的应用

MOTOMANUP6是日本安川公司MOTOMAN系列工业机器人中的一种,其运动控制系统采用专用的计算机控制系统.该计算机控制系统能完成系统伺服控制、操作台和示教盒控制、显示服务、自诊断、I/O通信控制、坐标变换、插补计算、自动加速和减速计算、位置控制、轨迹修正、多轴等脉冲分配、平滑控制原点减速点开关位置检测、反馈信号同步以及倍频、分频、分向控制等众多功能。

MOTOMANUP6机器人属于示教再现的工作方式。

示教，这个词是从机器人取代手工作业而来的，用机器人代替人进行作业时,必须预先对机器人发出指示,规定机器人进行应该完成的动作和作业的具体内容。

这个过程就称为对机器人的示教或对机器人的编程。

当然，在不同的设备上，都采用示教编程的方式，就是告诉机器要执行的步骤。

在示教和再现过程中,计算机控制系统均处于边计算边工作的状态，系统具有实时中断控制和多任务处理功能。

工作中数据的传输、当时的切换、过冲报警、升温报警等多种动作的处理都能随机发生。

控制系统封装成控制柜的形式,控制柜名称为YASNACXRC（以下简称XRC）,控制柜外形如图6.30所示,其正面有主电源开关、再现操作盒,示教编程器通过电缆连接于其上。

再现操作盒⊥主要设有再现时所必需的操作键和按钮,其外形和操作按钮如图6.31所示。

示教编程器上设有对机器人进行示教和编程所需的操作键,其结构如图6.32所示,

图6.30控制柜的外形

图6.31再现操作盒面板

图6.32示教编程器

示教编程器上部的液晶显示屏为通用显示区，用于菜单显示，以及机器人工作状态和工作程序的显示；下部为按键区域，有轴操作按键、数值按键、专用按键、手动速度按键、插补方式按键、光标按键、区域按键、选择按键、翻页按键以及回车按键等。

轴操作按键对机器人的6个轴进行操作（包括正方向和反方向），6个轴分别是关坐标系下的基本轴（S轴、L轴、U轴）和腕部轴（R轴、B轴、T轴），或者操作直角坐标系轴（X、Y、Z方向）的移动和腕部转动等。

【本课小结】

本课主要讲解了本课主要学习机器人控制系统结构、基本功能、基本组成、分层结构、硬件组成、软件组成、示教再现、川安机器人的结构等内容。