第5章.工业机器人控制系统.ppt

**第5章工业机器人控制系统*5工业机器人控制系统5.1工业机器人控制系统的基本架构典型的工业机器人是具有六个自由度的关节型机器人。从控制的角度来说，工业机器人是一个典型的强耦合、非线性系统，控制难度大。本章主要介绍工业机器人控制系统的基本原理，系统组成和各部分的主要功能。工业机器人控制系统构成要素工业机器人控制系统的作用是根据用户的输入指令对机器人本体进行操作和控制，完成各项作业的各种动作。控制系统性能在很大程度上决定了机器人的性能。一个良好的控制系统要有灵活、方便的操作方式，多种形式的运动控制方式和安全可靠性。构成机器人控制系统的要素主要有人机接口、控制器、驱动器、传感器系统。*5工业机器人控制系统5.1.1集中控制5.1工业机器人控制系统的基本架构集中控制架构集中控制在控制系统中使用一个控制器实现全部控制功能。控制器收集从机器人各个关节、各个附加传感器传送来的位置、角度等信息，通过控制器处理后，计算机器人下一步的动作。优点：系统结构简单，成本低。缺点：计算工作量大，运行速度慢；系统高度集中，风险也高度集中，在系统出现故障时，整个系统瘫痪，使用维修不太方便。*5工业机器人控制系统5.1.2主从控制5.1工业机器人控制系统的基本架构主从控制的主要特征是使用主、从两个CPU进行控制。与集中控制相比，增加了一个CPU控制板专门完成机器人的各个轴的伺服控制算法。主CPU用于计算坐标变换、轨迹生成以及系统自诊断等功能，从CPU用于机器人所有关节的伺服控制。主从控制架构优点：系统实时性较好，适于高精度、高速度控制。缺点：系统扩展性较差，维修困难。*5工业机器人控制系统5.1.3分布控制5.1工业机器人控制系统的基本架构分布控制工业机器人的分布控制系统采用上、下两级控制器实现系统的全部控制功能。上一级控制器负责整个系统管理以及坐标变换、轨迹插补和系统自诊断等功能；下一级控制器由多个微控制器（MCU）组成，每一个MCU控制一个关节运动，它们并行完成各个关节的伺服控制任务。上下级控制器之间通过总线进行通信。优点：每一个关节轴都由一个控制器处理，可即插即用；故障容易判断，使用维修方便；也有利于控制轴和传感器的扩展。缺点：成本比较高。*5工业机器人控制系统5.2.1工业机器人动作示教5.2工业机器人控制系统的技术原理工业机器人控制系统是一种典型的多关节实时运动控制系统，其基本结构如图5.5所示。下面结合图5.5具体分析工业机器人控制器的主要功能的实现过程。操作者通过人机接口向机器人发布作业、动作、运动之类的命令。示教盒：示教盒生成一系列的位置、速度、加速度时间序列，作为期望控制指令发送给伺服控制器，控制机器人关节或者末端执行器的运动。同时从图形界面显示的信息中了解机器人及周边环境的状态。机器人工作语言：可以在计算机中利用机器人编程仿真软件输入到机器人控制器中，完成对机器人的控制。手控器：对机器人进行实时运动控制的高级人机接口，具有6个自由度的运动输入功能和对机器人与环境作用力的感知和触觉功能。机器人实时跟踪手控器输入的位置、速度、加速度时间序列。手控器的力反馈机构能使得操作者感受到远地环境对远端机器人的作用力。*技术原理*5工业机器人控制系统5.2.2工业机器人内部插补及逆解算5.2工业机器人控制系统的技术原理目标轨迹生成模块和关节伺服控制模块的工作原理*5.2.2工业机器人内部插补及逆解算5.2工业机器人控制系统的技术原理运动轨迹的生成与输出值轨迹发生器按等时间段进行插补利用多项式逼近分离点序列产生连续轨迹运动轨迹按控制周期分割成时间序列*5.2.2工业机器人内部插补及逆解算5.2工业机器人控制系统的技术原理机器人机构的固有频率一般为1-50Hz，即周期为20-1000ms，为了避免产生共振，可以将控制周期Ts设为固有频率的1/10，即2-100ms作为大致目标开展设计。如果在此控制周期难以完成运动控制系统的计算，那么可以改在可能的控制周期内进行，然后向后续的伺服系统输出插补值。一般在第一级计算时（在总控制器进行）取Ts为10ms，在此期间要完成轨迹生成、插补运算和运动学逆解算，生成各关节角度在一个Ts内的角度，角速度等时间序列，并将其实时传送给第二级计算（即各个关节轴控制器），由各个关节轴控制器进行第二次插补，把Ts（10ms）分解成32等份，达到亚毫秒级，再进行伺服控制。*5.2.3工业机器人多