工業機器人的控製係統與應用

       控製係統是工業(ye) 機器人的重要組成部分，它的作用相當於(yu) 人腦。擁有一個(ge) 功能完善、靈敏可靠的控製係統是工業(ye) 機器人與(yu) 設備協調動作、共同完成作業(ye) 任務的關(guan) 鍵。工業(ye) 機器人的控製係統一般由對其自身運動的控製和工業(ye) 機器人與(yu) 周邊設備的協調控製兩(liang) 部分組成。

       1.工業(ye) 機器人控製係統的特點

       機器人從(cong) 結構上講屬於(yu) 一個(ge) 空間開鏈機構,其中各個(ge) 關(guan) 節的運動是獨立的，為(wei) 了實現末端點的運動軌跡，需要多關(guan) 節的運動協調,其控製係統較普通的控製係統要複雜得多。

機器人控製係統的特點如下:

       (1)機器人的控製是與(yu) 機構運動學和動力學密切相關(guan) 的。在各種坐標下都可以對機器人手足的狀態進行描述,應根據具體(ti) 的需要對參考坐標係進行選擇,並要做適當的坐 標變換。經常需要正向運動學和反向運動學的解,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(ge) 較簡單的機器人,也至少需要 3~5 個(ge) 自由度，比較複雜的機器人則需要十幾個(ge) 甚至幾十個(ge) 自由度。每一個(ge) 自由度一般都包含一個(ge) 伺服機構，它們(men) 必須協調起來，組成一個(ge) 多變量控製係統。

       (3)由計算機來實現多個(ge) 獨立的伺服係統的協調控製和使機器人按照人的意誌行動,甚至賦予機器人一定“智能”的任務。所以，機器人控製係統一定是一個(ge) 計算機控製係統。同時，計算機軟件擔負著艱巨的任務。

       (4)由於(yu) 描述機器人狀態和運動的是一個(ge) 非線性數學模型,隨著狀態的改變和外力的變化,其參數也隨之變化,並且各變量之間還存在耦合。所以，隻使用位置閉環是不夠的,還必須要采用速度甚至加速度閉環。係統中經常使用重力補償(chang) 、前饋、解耦或自適應控製等方法。

       (5)由於(yu) 機器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成,所以存在一個(ge) “最優(you) ”的問題。對於(yu) 較高級的機器人可采用人工智能的方法,利用計算機建立龐大的信息庫,借助信息庫進行控製、決(jue) 策、管理和操作。根據傳(chuan) 感器和模式識別的方法獲得對象及環境的工況,按照給定的指標要求,自動地選擇最佳的控製規律。 綜上所述,機器人的控製係統是一個(ge) 與(yu) 運動學和動力學原理密切相關(guan) 的、有耦合的、非線性的多變量控製係統。因為(wei) 其具有的特殊性，所以經典控製理論和現代控製理論都不能照搬使用。到目前為(wei) 止，機器人控製理論還不夠完整和係統。

       2.工業(ye) 機器人控製係統的主要功能

       工業(ye) 機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡、操作順序及動作的時間等項目 工業(ye) 機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡、操作順序及動作的時間等項目的控製是工業(ye) 機器人控製係統的主要任務，其中有些項目的控製是非常複雜的。工業(ye) 機器人控製係統的主要功能包括以下兩(liang) 點：

       (1)示教再現功能。示教再現功能是指控製係統可以通過示教盒或手把手進行示教,將動作順序、運動速度、位置等信息用一定的方法預先教給工業(ye) 機器人，由工業(ye) 機器人的記憶裝置將所教的操作過程自動地記錄在存儲(chu) 器中，當需要再現操作時，重放存儲(chu) 器中存儲(chu) 的內(nei) 容即可。如需更改操作內(nei) 容時，隻需重新示教一遍。

       (2)運動控製功能。運動控製功能是指對工業(ye) 機器人末端操作器的位姿、速度、加速度等項目的控製。

       3.控製係統的組成

       工業(ye) 機器人的控製係統由相應的硬件和軟件組成。

       (1)硬件。

       硬件主要包括以下幾部分:

       1)傳(chuan) 感裝置。可分為(wei) 內(nei) 部傳(chuan) 感器和外部傳(chuan) 感器。其中前者是用來感知其自身的狀 態的,其作用是對工業(ye) 機器人各關(guan) 節的位置、速度和加速度等進行檢測；後者是用來感知工作環境和工作對象狀態的，外部傳(chuan) 感器包括視覺、力覺、觸覺、聽覺、滑覺等傳(chuan) 感器。

       2)控製裝置。一般由一台微型或小型計算機及相應的接口組成。其作用是用來對各種感覺信息進行處理，執行控製軟件，並產(chan) 生控製指令。

       3)關(guan) 節伺服驅動部分。這部分的主要作用是以控製裝置的指令為(wei) 依據,按作業(ye) 任務的要求驅動各關(guan) 節運動。

       (2)軟件。

       這裏所說的軟件，主要是指機器人的控製軟件。控製軟件由運動軌跡規劃算法和關(guan) 節伺服控製算法及相應的動作程序組成。它可以使用所有的編程語言編製，但工業(ye) 機器人控製軟件的主流是由通用語言模塊化而編製形成的專(zhuan) 用工業(ye) 語言。

       4.工業(ye) 機器人控製係統各組成部分的名稱和作用

       (1)控製計算機。控製計算機是控製係統的調度指揮機構，一般使用微型計算機或 微處理器。 

       (2)示教盒。示教盒的作用是完成示教機器人工作軌跡、參數設定和所有的人機交 互操作，它擁有獨立的 CPU 以及存儲(chu) 單元,以串行通信方式與(yu) 主計算機實現信息交互。

       (3)操作麵板。操作麵板由各種操作按鍵、狀態指示燈構成,其功能是完成基本功能操作。

       (4)磁盤存儲(chu) 器。硬盤和軟盤存儲(chu) 器等於(yu) 存儲(chu) 機器人工作程序的存儲(chu) 器。

       (5)數字和模擬量輸入/輸出。該部分的作用是實現各種狀態和控製命令的輸入或輸出功能。

       (6)打印機接口。打印機接口的作用是記錄需要輸出的各種信息。

       (7)傳(chuan) 感器接口。傳(chuan) 感器接口是用於(yu) 信息的自動檢測,實現機器人柔順控製，一般為(wei) 力覺、觸覺和視覺傳(chuan) 感器。

       (8)軸控製器。軸控製器的作用是完成機器人各關(guan) 節位置、速度和加速度的控製。

       (9)輔助設備控製。輔助設備控製用來控製和機器人配合的輔助設備，如手爪變位器等。

       (10)通信接口。通信接口是用來實現機器人和其他設備的信息交換的，一般有串行接口、並行接口等。

       (11)網絡接口。網絡接口包括 Ethernet 接口和 Fieldbus 接口。

       ·Ethernet 接口。

       通過 Ethernet 接口可以實現多台或單台機器人的直接PC通信,數據傳(chuan) 輸速率可達到10Mb/s,並可直接在PC 上用 Windows95或 Windows nt庫函數進行應用程序編程之後,支持 TCP/P 通信協議,還可通過 Ethernet 接口將數據及程序裝入各個(ge) 機器人控製器中。

       ·Fieldbus 接口。

       支持多種流行的現場總線規格,如 Device net、ABRemote I/O、