工业机器人技术与应用课件

第三章工业机器人控制系统第三章工业机器人控制系统3.1工业机器人控制技术概述3.2工业机器人控制策略概述3.3工业机器人控制系统的体系架构3.4工业机器人控制系统硬件设计思考题第三章工业机器人控制系统3.1工业机器人控制技术概述第三章工业机器人控制系统【重点掌握】工业机器人控制系统的基本组成 工业机器人的位置控制 工业机器人的示教-再现控制方式 工业机器人驱动器【重点掌握】工业机器人控制系统的基本组成第三章工业机器人控制系统工业机器人控制系统类似于人类的大脑，是工业机器人的指挥中枢，支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度等)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出执行指令。工业机器人控制系统的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态、轨迹、操作顺序以及动作时间等事项。系统架构如图3-1所示。工业机器人控制系统类似于人类的大脑，是工业机器人的指挥第三章工业机器人控制系统图3-1系统架构图3-1系统架构第三章工业机器人控制系统对于复杂的控制项目，工业机器人的控制系统具有以下特性：(1)工业机器人的控制与其机构运动学和系统动力学存在着密不可分的关系，因而要使工业机器人的臂、腕及末端执行器等部位在空间具有准确无误的位姿，就必须在不同的坐标系中描述它们，并且随着基准坐标系的不同能做适当的坐标变换，同时要经常求解运动学和动力学问题。对于复杂的控制项目，工业机器人的控制系统具有以下特性：第三章工业机器人控制系统(2)描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，会随着工业机器人的运动及环境的变化而改变。又因为工业机器人往往具有多个自由度，所以引起其运动变化的变量不止一个，而且各个变量之间通常都存在耦合问题。这就使得工业机器人的控制系统不仅是一个非线性系统，而且是一个多变量系统。(3)对工业机器人臂、腕及末端执行器等部位的任一位姿都可以通过不同的方式和路径达到，因而工业机器人的控制系统还必须解决优化求解的问题。(2)描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性第三章工业机器人控制系统3.1工业机器人控制技术概述3.1.1工业机器人控制系统的基本原理机器人控制系统可以分成四部分：机器人及其感知器、环境、任务、控制器。3.1工业机器人控制技术概述3.1.1工业机器人控制第三章工业机器人控制系统机器人是由各种机构组成的装置，它通过感知器实现本体和环境状态的检测及信息互换，也是控制的最终目标；环境是指机器人所处的周围环境，包括几何条件、相对位置等，如工件的形状、位置、障碍物、焊接的几何偏差等；任务是指机器人要完成的操作，它要适当的程序语言来描述，并把它们存入控制器中，随着系统的不同，任务的输入可能是程序方式、文字、图形或声音方式等；控制器包括软件和硬件两大部分，相当于人的大脑，它是以计算机或者专用控制器运行程序的方式来完成给定任务的。机器人是由各种机构组成的装置，它通过感知器实现本体和环第三章工业机器人控制系统而为使工业机器人能够按照要求完成特定的作业任务，其控制系统需完成以下四个过程。(1)示教过程：通过工业机器人计算机系统可以接受的方式，告诉工业机器人去做什么，给工业机器人下达作业命令。(2)计算与控制过程：负责工业机器人整个系统的管理、信息的获取与处理、控制策略的定制以及作业轨迹的规划。这是工业机器人控制系统的核心部分。而为使工业机器人能够按照要求完成特定的作业任务，其控制第三章工业机器人控制系统(3)伺服驱动过程：根据不同的控制算法，将工业机器人的控制策略转化为驱动信号、驱动伺服电机等部分，实现工业机器人的高速、高精度运动，以便完成指定的作业。(4)传感与检测过程：通过传感器的反馈，保证工业机器人正确地完成指定作业，同时也将各种姿态信息反馈到工业机器人控制系统中，以便实时监控机器人整个系统的运行情况。(3)伺服驱动过程：根据不同的控制算法，将工业机器人第三章工业机器人控制系统要想工业机器人能够顺畅完成以上控制过程，对工业机器人的控制系统就会提出一些具体要求，即要求其具备一定的基本功能。(1)记忆功能。工业机器人的控制系统应当能够存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和生产工艺相关的信息。(2)示教功能。工业机器人的控制系统应当能够离线编程、在线示教、间接示教。其中，在线示教应当包括示教盒和导引示教两种。要想工业机器人能够顺畅完成以上控制过程，对工业机器人的第三章工业机器人控制系统(3)与外围设备联系功能。工业机器人的控制系统应当具备输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。(4)坐标设置功能。工业机器人的控制系统应当具有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。(5)人机接口功能。工业机器人的控制系统应当具有示教盒、操作面板和显示屏。(6)传感器接口功能。工业机器人的控制系统应当具有位置检测、视觉、触觉、力觉等功能。(3)与外围设备联系功能。工业机器人的控制系统应当具第三章工业机器人控制系统(7)位置伺服功能。工业机器人的控制系统应当具有多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等功能。(8)故障诊断安全保护功能。工业机器人的控制系统应当具有运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障的自诊断功能。(7)位置伺服功能。工业机器人的控制系统应当具有多轴第三章工业机器人控制系统3.1.2工业机器人控制系统的基本组成工业机器人控制系统的基本组成如图3-2所示。图3-2工业机器人控制系统的基本组成3.1.2工业机器人控制系统的基本组成工业机器人第三章工业机器人控制系统各部分的功能与作用介绍如下：(1)控制计算机。它是工业机器人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，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。(2)示教器。它主要用来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换。(3)操作面板。它由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本的功能操作。各部分的功能与作用介绍如下：(1)控制计算机。第三章工业机器人控制系统(4)磁盘存储。它是用来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。它主要用于各种状态和控制命令的输入或输出。(6)打印机接口。它主要用来记录需要输出的各种信息。(7)传感器接口。它主要用于信息的自动检测，实现机器人的柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。(8)轴控制器。它主要用来完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。(4)磁盘存储。它是用来存储机器人工作程序的外围存储第三章工业机器人控制系统(9)辅助设备控制。它主要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。它主要用来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。(11)网络接口。网络接口可分成两种：一为 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10Mbit/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；二为Fieldbus接口，它支持多种流行的现场总线规格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。(9)辅助设备控制。它主要用于和机器人配合的辅助第三章工业机器人控制系统而工业机器人本体控制系统的基本单元又包括电动机、减速器、驱动电路、运动特性检测传感器、控制系统的硬件和软件。(1)电动机。作为驱动机器人运动的驱动力，常见的有液压驱动、气压驱动、直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。随着驱动电路元件的性能提高，当前应用最多的是直流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动。(2)减速器。减速器是为了增加驱动力矩，降低运动速度。目前，机器人常采用的减速器有RV减速器和谐波减速器。而工业机器人本体控制系统的基本单元又包括电动机、减速器第三章工业机器人控制系统(3)驱动电路。由于直流伺服电动机或交流伺服电动机的流经电流比较大，一般为几安培到几十安培，机器人电动机的驱动需要使用大功率的驱动电路，为了实现对电动机运动性能的控制，机器人常采用脉冲宽度调制(PWM)方式进行驱动。(4)运动特性检测传感器。机器人运动特性传感器用于检测机器人运动的位置、速度、加速度等参数，常见的传感器将在本书的第四章讨论。(3)驱动电路。由于直流伺服电动机或交流伺服电动机的第三章工业机器人控制系统(5)控制系统的硬件。机器人控制系统是以计算机为基础的，其硬件系统采用二级结构，第一级为协调级，第二级为执行级。协调级实现对机器人各个关节的运动、机器人和外界环境的信息交换等功能；能执行实现机器人各关节的伺服控制，获得机器人内部的运动状态参数等功能。(6)控制系统的软件。机器人控制系统软件实现对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换等功能。(5)控制系统的硬件。机器人控制系统是以计算机为基础第三章工业机器人控制系统3.1.3工业机器人控制系统的主要特点工业机器人控制系统以机器人的单轴或多轴协调运动为控制目的，其控制结构要比一般自动机械的控制结构复杂得多。与一般伺服控制系统或过程控制系统相比，工业机器人的控制系统具有如下特点：(1)一个简单的机器人也至少有35个自由度，比较复杂的机器人有十几个，甚至有几十个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。3.1.3工业机器人控制系统的主要特点工业机器人控第三章工业机器人控制系统(2)传统的自动机械以自身的动作为控制重点，而工业机器人控制系统更看重机器人本身与操作对象的相互关系。例如，无论以多高的精度去控制机器人手臂，机器人手臂都首先要保证能够稳定夹持物体并顺畅操作该物体到达目的位置。(3)工业机器人的状态和运动的数学模型是一个非线性模型，因此，控制系统本质上是一个非线性系统，仅仅用位置闭环是不够的，还要利用速度闭环，甚至加速度闭环。例如，机器人的结构、所用传动件、驱动件等都会引起系统的非线性。(2)传统的自动机械以自身的动作为控制重点，而工业机第三章工业机器人控制系统(4)工业机器人通常是由多关节组成的一种结构体系，其控制系统因而也是一个多变量的控制系统。机器人各关节间具有耦合作用，具体表现为：某一个关节的运动会对其他关节产生动力效应，即每一个关节都会受到其他关节运动所产生扰动的影响。(5)工业机器人控制系统是一个时变系统，其动力学参数会随着机器人关节运动位置的变化而变化。(4)工业机器人通常是由多关节组成的一种结构体系，其第三章工业机器人控制系统3.2工业机器人控制策略概述3.2.1工业机器人控制策略简介1954年，美国学者G.C.Dovel提出关于实现机器自动化的示教-再现(teaching-playback)的概念，为工业机器人的诞生奠定了基础。1961年和1962年，美国Unimation公司和AMF公司将这个概念变成了现实，分别制作了世界上第一代工业机器人。3.2工业机器人控制策略概述3.2.1工业机器人控制第三章工业机器人控制系统1.变结构控制20世纪60年代，苏联学者Emelvanov提出了变结构控制的构想。20世纪70年代以来，变结构控制的构想经过Utkin、Itkis及其他学者的传播和研究，历经40多年的发展与完善已在国际范围内得到广泛重视，形成了一门相对独立的控制研究分支。1.变结构控制20世纪60年代，苏联学者Eme第三章工业机器人控制系统变结构控制方法对于系统参数的时变规律、非线性程度以及外界干扰等不需要精确的数学模型，只要知道它们的变化范围，就能对系统进行精确的轨迹跟踪控制。变结构控制方法设计过程本身就是一种解耦过程，因此在多输入、多输出系统中，多个控制器的设计可按各自的独立系统进行，其参数选择也不是十分严格。变结构控制方法对于系统参数的时变规律、非线性程度以及外第三章工业机器人控制系统2.自适应控制20世纪40年代末，学者们开始研究与讨论控制器参数的自动调节问题，人们用自适应控制来描述控制器对过程的静态和动态参数的调节能力。自适应控制的方法就是在运行过程中不断测量受控对象的特性，并根据测得的特征信息使控制系统按最新的特性实现闭环最优控制。从根本上看，自适应控制能认识环境的变化，并能自动改变控制器的参数和结构，自动调整控制作用，以保证系统达到满意的控制品质。2.自适应控制20世纪40年代末，学者们开始研第三章工业机器人控制系统自适应控制不是一般的系统状态反馈或系统输出反馈控制，而是一种比较复杂的反馈控制，即实时性要求十分严格，实现起来比较复杂。特别是当系统存在非参数不确定性时，自适应控制难以保证系统的稳定性。即使对于线性定常的控制对象，其自适应控制也是非线性时变反馈控制的。自适应控制不是一般的系统状态反馈或系统输出反馈控制，而第三章工业机器人控制系统3.鲁棒控制鲁棒控制(Robust Control)的研究始于20世纪50年代。1981年，Zames发表的著名论文可以看成是现代鲁棒控制特别是H控制的先驱。H控制理论是20世纪80年代开始兴起的一门新的现代控制理论，是为了改变近代控制理论过于数学化的倾向以适应工程实际的需要而诞生的，其设计思想的真髓是对系统的频域特性进行整形(Loopshaping)，而这种通过调整系统频率域特性来获得预期特性的方法，正是工程技术人员所熟悉的技术手段，也是经典控制理论的根本。在该篇论文里，Zames首次用明确的数学术语描述了H优化控制理论，他提出用传递函数阵的H范数来记述优化指标。3.鲁棒控制鲁棒控制(Robust Contr第三章工业机器人控制系统4.智能控制1977年，学者萨里迪斯首次提出了分层阶的智能控制结构。整个控制结构由上往下分为组织级、协调级和执行级三个层级。其控制程度由下往上逐级递减，而智能程度则由下往上逐级增加。根据机器人的任务分解，在面向设备的基础级(即执行级)上可以采用常规的自动控制技术，如PID控制、前馈控制等。在协调级和组织级，因存在着不确定性，控制模型方法往往无法建立或建立的模型不够精确，无法取得良好的控制效果。因此，需要采用智能控制方法，如模糊控制、神经网络控制、专家控制或集成智能控制。4.智能控制1977年，学者萨里迪斯首次提出了第三章工业机器人控制系统5.模糊控制模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，它是一种以模糊制集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的计算机数字控制技术。1965年，美国控制论学者L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年，他给出了模糊逻辑控制的定义和相关定理。1974年，学者E.H.Mamdani首次根据模糊控制语句组成模糊控制器，并将它应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得了成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。5.模糊控制模糊逻辑控制(Fuzzy Log第三章工业机器人控制系统一般说来，模糊控制器主要包括四部分：(1)模糊化。其主要作用是选定模糊控制器的输入量，并将其转换为系统可识别的模糊量，具体又包含以下三步：第一，对输入量进行满足模糊控制需求的处理；第二，对输入量进行尺度变换；第三，确定各输入量的模糊语言取值和相应的隶属度函数。(2)规则库。根据人类专家的经验建立模糊规则库。模糊规则库包含众多的控制规则，这是从实际控制经验过渡到模糊控制器的关键步骤。一般说来，模糊控制器主要包括四部分：(1)模糊第三章工业机器人控制系统(3)模糊推理。其主要作用是实现基于知识的推理决策。(4)解模糊。其主要作用是将推理得到的控制量转化为控制输出。实际上，“模糊”是人类感知万物，获取知识，进行思维推理、决策实施的重要特征。“模糊”比“清晰”拥有的信息量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。(3)模糊推理。其主要作用是实现基于知识的推理决策。第三章工业机器人控制系统6.神经网络控制神经网络控制是指在控制系统中，应用神经网络技术，对难以精确建模的复杂非线性对象进行神经网络模型辨识，或作为控制器，或进行优化计算，或进行推理处置，或进行故障诊断，或同时兼有上述多种功能。6.神经网络控制神经网络控制是指在控制系统中，第三章工业机器人控制系统神经网络控制由于具有上述优点而越来越受到人们的重视。常见的神经网络控制结构包括：(1)参数估计自适应控制系统；(2)内模控制系统；(3)预测控制系统；(4)模型参考自适应控制系统；(5)变结构控制系统。需要指出的是，神经网络控制存在自学习的问题，当环境发生变化时，原来的映射关系不再适用，需要重新训练网络。神经网络控制目前还没有一个比较系统的方法来确定网络的层数和每层的节点数，仍然需要依靠经验和试凑方式来解决。神经网络控制由于具有上述优点而越来越受到人们的重视。常第三章工业机器人控制系统3.2.2工业机器人控制方式简介根据分类方法的不同，工业机器人的控制方式也有所不同。从总体上看，工业机器人的控制方式可以分为动作控制方式和示教控制方式。但若按被控对象来分，则工业机器人的控制方式通常分为位置控制、速度控制、力矩控制、力和位置混合控制等。工业机器人控制方式如图3-3所示。3.2.2工业机器人控制方式简介根据分类方法的不同第三章工业机器人控制系统图3-3工业机器人控制方式图3-3工业机器人控制方式第三章工业机器人控制系统3.2.3工业机器人的位置控制方式工业机器人的位置控制方式可分为点位(Point To Point，PTP)控制和连续轨迹(Continuous Path，CP)控制两种方式，如图3-4所示。其目的是使机器人各关节实现预先规划的运动，保证工业机器人的末端执行器能够沿预定的轨迹可靠运动。3.2.3工业机器人的位置控制方式工业机器人的位置第三章工业机器人控制系统图3-4工业机器人的点位控制与连续轨迹控制方式(a)PTP控制方式 (b)CP控制方式图3-4工业机器人的点位控制与连续轨迹控制方式(a)P第三章工业机器人控制系统3.2.4工业机器人的速度控制工业机器人在进行位置控制的同时，有时候还需要进行速度控制，使机器人按照给定的指令，控制运动部件的速度，实现加速、减速等一系列转换，以满足运动平稳，定位准确等要求。这就如同人的抓举过程，要经历宽拉、高抓、支撑、抓举等一系列动作一样，不可一蹴而就，从而以最精简省力的方式，将目标物平稳、快速地托举至指定位置。为了实现这一要求，机器人的行程要遵循一定的速度变化曲线。图3-5所示为机器人行程的速度-时间曲线。3.2.4工业机器人的速度控制工业机器人在进行位置第三章工业机器人控制系统图3-5机器人行程的速度-时间曲线图3-5机器人行程的速度-时间曲线第三章工业机器人控制系统3.2.5工业机器人的力(力矩)控制方式对于从事喷涂、点焊、搬运等作业的工业机器人，一般只要求其末端执行器(焊枪、手爪等)沿某一预定轨迹运动。运动过程中，机器人的末端执行器始终不与外界任何物体相接触，这时只需对机器人进行位置控制即可完成预定作业任务。而对那些应用于装配、加工、抛光、抓取物体等作业的机器人来说，工作过程中要求其手与作业对象接触，并保持一定的压力。3.2.5工业机器人的力(力矩)控制方式对于从事喷第三章工业机器人控制系统1.以位移控制为基础的力控制系统以位移控制为基础的力控制方式，是在位置闭环之外再加上一个力的闭环。在这种控制方式中，力传感器检测输出力，并与设定的力目标值进行比较，力值的误差经过力/位移变化环节转换成目标位移，参与位移控制。这种控制方式构成的控制系统框图如图3-6所示。1.以位移控制为基础的力控制系统以位移控制为基第三章工业机器人控制系统图3-6以位移控制为基础的力控制系统框图图3-6以位移控制为基础的力控制系统框图第三章工业机器人控制系统2.以广义力控制为基础的力控制系统以广义力控制为基础的力控制方式是在力闭环的基础上再加上位置闭环。通过传感器检测机器人手部的位移，经过位移/力变化环节转换为入力，再与力的设定值合成之后作为力控制的给定量。这种控制方式的特点在于可以避免小的位移变化引起过大的力变化，对机器人手部具有保护作用。2.以广义力控制为基础的力控制系统以广义力控制第三章工业机器人控制系统3.以位控为基础的力/位混合控制系统工业机器人在从事装配、抛光、轮廓跟踪等作业时，要求其末端执行器与工件之间建立并保持接触。为了成功进行这些作业，必须使机器人具备同时控制其末端执行器和接触力的能力。目前，正在使用的大多数工业机器人基本上都是一种刚性的位置伺服机构，具有很高的位置跟踪精度，但它们一般都不具备力控制能力，缺乏对外部作用力的柔顺性，这一点极大限制了工业机器人的应用范围。3.以位控为基础的力/位混合控制系统工业机器人在从第三章工业机器人控制系统3.2.6工业机器人的示教-再现控制方式示教-再现(Teaching-Playback)控制是工业机器人的一种主流控制方式。为了让工业机器人完成某种作业，首先由操作者对机器人进行示教，即教机器人如何去做。在示教过程中，机器人将作业时的运动顺序、位置、速度等信息存储起来，在执行生产任务时，机器人可以根据这些存储的信息再现示教的动作。3.2.6工业机器人的示教-再现控制方式示教-再现第三章工业机器人控制系统1.直接示教该示教方式是操作者使用安装在工业机器人手臂末端的操作杆(Joystick)，按给定运动顺序示教动作内容，机器人自动把作业时的运动顺序、位置和时间等数值记录在存储器中，生产时再依次读出存储的信息，重复示教的动作过程。采用这种方法通常只能对位量和作业指令进行示教，而运动速度需要通过其他方法来确定。1.直接示教该示教方式是操作者使用安装在工业机第三章工业机器人控制系统2.间接示教该示教方式是采用示教器进行示教。操作者先通过示教器上的按键操纵完成空间作业轨迹点及有关速度等信息的示教，然后通过操作盘用机器人语言进行用户工作程序的编辑，并存储在示教数据区。再现时，控制系统自动逐条取出示教命令与位置数据进行解读、运算并作出判断，将各种控制信号送到相应的驱动系统或端口，使机器人忠实地再现示教动作。2.间接示教该示教方式是采用示教器进行示教。操第三章工业机器人控制系统3.3工业机器人控制系统的体系架构3.3.1集中式控制系统集中式控制系统(Centralized Control System，CS)是利用一台微型计算机实现机器人系统的全部控制功能，在早期的工业机器人中常采用这种控制系统架构。在基于PC的集中式控制系统里，充分利用了PC资源开放性的特点，可以实现很好的开放性，即多种控制卡、传感器设备等都可以通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中，使用起来十分方便。多关节机器人集中式控制系统结构图如图3-7所示。3.3工业机器人控制系统的体系架构3.3.1集中式控第三章工业机器人控制系统图3-7多关节机器人集中式控制系统结构图图3-7多关节机器人集中式控制系统结构图第三章工业机器人控制系统3.3.2分布式控制系统分布式控制系统(Distribute Control System，DCS)的主要宗旨是分散控制，集中管理，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务。整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的，所以DCS又称为集散控制系统或分散控制系统。DCS的优点在于：集中监控和管理，管理和现场分离，管理更加综合化和系统化。3.3.2分布式控制系统分布式控制系统(Dist第三章工业机器人控制系统由于分散控制，可使控制系统各功能模块的设计、装配、调试、维护等工作相互独立，系统控制的危险性分散了，可靠性提高了，投资也减小了；采用网络通信技术，可根据需要增加以微处理器为核心的功能模块，使DCS具有良好的开放性、扩展性。在DCS的架构中，子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的，各个子系统之间通过网络相互通信。所以，DCS为工业机器人提供了一个开放、实时、精确的控制系统。由于分散控制，可使控制系统各功能模块的设计、装配、调试、维第三章工业机器人控制系统DCS通常采用两级控制方式，并由上位机、下位机和网络组成，如图3-8所示。上位机可以进行不同的轨迹规划和运行不同的控制算法，下位机进行插补细分、控制优化等的实现。上位机和下位机通过通信总线相互协调工作，这里的通信总线可以是RS-232、RS-485、EE-488以及USB总线等形式。DCS通常采用两级控制方式，并由上位机、下位机和网络组第三章工业机器人控制系统图3-8机器人分布式控制系统结构图图3-8机器人分布式控制系统结构图第三章工业机器人控制系统3.4工业机器人控制系统硬件设计3.4.1工业机器人控制系统硬件架构1.工业机器人控制系统硬件子系统的组成工业机器人控制系统的硬件子系统主要由以下几个部分组成：(1)传感装置。这类装置主要用以检测工业机器人各关节的位置、速度和加速度等，即用于感知工业机器人本身的状态，可称为内部传感器；而外部传感器就是所谓的视觉、力觉、触觉、听觉等传感器，它们可使工业机器人感知工作环境和工作对象的状态。3.4工业机器人控制系统硬件设计3.4.1工业机器人第三章工业机器人控制系统(2)控制装置。这类装置主要用以处理各种感觉信息，执行控制软件、产生控制指令，一般由一台微型或小型计算机及相应的接口组成。(3)关节伺服驱动部分。这部分主要是根据控制装置的指令，按作业任务的要求驱动工业机器人各关节运动。(2)控制装置。这类装置主要用以处理各种感觉信息，执第三章工业机器人控制系统2.工业机器人控制系统硬件结构的类型按控制方式的不同，工业机器人控制系统的硬件结构通常分为以下四类：(1)集中控制方式。在这种控制方式中，用一台功能较强的计算机实现工业机器人全部的控制功能。集中控制方式框图如图3-9所示，结构简単，成本低廉，但实时性差，扩展性弱。在早期的工业机器人中，如Hero-I、Rolo-I等就采用这种控制结构，因其控制过程中需要进行许多计算(如坐标变换)，所以这种控制结构的工作速度较慢。2.工业机器人控制系统硬件结构的类型按控制方式第三章工业机器人控制系统图3-9集中控制方式框图图3-9集中控制方式框图第三章工业机器人控制系统(2)主从控制方式。在这种控制方式中，采用主、从两级处理器实现工业机器人的全部控制功能。其中，主CPU负责实现管理、机器人语言编译和人机接口功能，同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补和系统自诊断等任务，并定时地将运算结果作为关节运动的增量送到控制系统的公用内存，供二级CPU读取；从CPU则实现机器人所有关节的位置数字控制，这种控制方式的实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修比较困难。(2)主从控制方式。在这种控制方式中，采用主、从两级第三章工业机器人控制系统(3)分布控制方式。目前，工业机器人普遍采用这种上、下位机二级分布控制结构(其构成框图如图3-9所示)，在这种控制方式中，上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多个CPU组成，每个CPU控制一个关节的运动，这些CPU与主控计算机是通过总线形式的紧耦合联系的。(3)分布控制方式。目前，工业机器人普遍采用这种上、第三章工业机器人控制系统(4)并行处理结构。并行处理技术是提高计算速度的一个重要而有效的手段，它能满足工业机器人控制的实时性要求。关于机器人控制器的并行处理技术，人们研究较多的是机器人运动学和动力学的并行算法及其实现途径。(4)并行处理结构。并行处理技术是提高计算速度的一个第三章工业机器人控制系统目前，工业机器人运动控制器常采用MCU+DSP+FPGA的架构模式，其中，作为MCU核心的STM32单片机负责接收示教器发送的轨迹起始点、结束点、速度函数以及空间轨迹等信息，而系统的轨迹规划算法和软件功能则由DSP和FPGA协同工作予以实现。DSP与FPGA采用外部存储器总线(EMIFA)联系，在FPGA上实现控制伺服驱动器的逻辑接口功能，从而控制机器人各个关节的运动方式。采用这种控制结构的机器人控制系统的结构框图如图3-10所示。目前，工业机器人运动控制器常采用MCU+DSP+第三章工业机器人控制系统图3-10并行控制系统结构框图图3-10并行控制系统结构框图第三章工业机器人控制系统3.4.2工业机器人驱动器1.工业机器人对电动伺服驱动系统的要求工业机器人的电动伺服驱动系统利用机器人的各个电动机(以下简称电机)产生所需的力矩和力，直接或间接驱动机器人本体以获得机器人的各种运动。对用于工业机器人关节驱动的电机来说，通常会要求其具有最大功率质量比和扭矩惯量比、高启动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。机器人末端执行器(手爪)尤应采用体积和质量尽可能小的电机。当机器人系统要求快速响应时，伺服电机必须具有较高的可靠性和稳定性，并具有较大的短时过载能力。这是伺服电机在工业机器人中得到妥善应用的先决条件。3.4.2工业机器人驱动器1.工业机器人对电动伺第三章工业机器人控制系统工业机器人对关节驱动电机的主要要求可归纳如下：(1)响应速度要快。电机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应当短一些。响应指令信号的时间越短，电机伺服系统的灵敏性就越高，快速响应性能也就越好，一般是以伺服电机的电时间常数的大小来说明伺服电机快速响应的性能。(2)启动转矩惯量比要大。在驱动负载的情况下，要求机器人伺服电机的启动转矩大，转动惯量小。(3)控制特性的连续性和直线性要好。随着控制信号的变化，电机的转速要能连续变化，且转速与控制信号要成正比或近成正比。工业机器人对关节驱动电机的主要要求可归纳如下：(第三章工业机器人控制系统(4)调速范围要宽。机器人伺服电机的调速范围要大一些，能适应不同的工作需求。(5)体积和质量要小，轴向尺寸要短。机器人伺服电机的体积与质量应当尽量小一些，可改善机器人的结构与动力特性，其轴向尺寸也要短一点，有利于减小安装空间。(6)要能经受得起苛刻的运行条件。要求机器人伺服电机可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受大的过载。(4)调速范围要宽。机器人伺服电机的调速范围要大一些第三章工业机器人控制系统2.减速器的类型减速器在机械传动领域是连接动力源和执行机构的一种中间装置，它通过输入轴上的小齿轮与输出轴上的大齿轮进行啮合传动，把电动机或内燃机输出的高转速进行减速，并传递更大的转矩。目前已成熟定型并标准化生产的减速器主要有圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、行星减速器、行星齿轮减速器、RV减速器、摆线针轮减速器和谐波减速器等。2.减速器的类型减速器在机械传动领域是连接动力第三章工业机器人控制系统20世纪80年代以来，在航空航天、机器人和医疗器械等新兴产业因快速发展而产生的强劲需求牵引下，传递功率大、运转噪声低、结构紧凑、传动平稳的高性能精密减速器得到普遍应用，其应用领域不断拓展，如图3-11所示。其中，RV减速器和谐波减速器是精密减速器中的佼佼者。20世纪80年代以来，在航空航天、机器人和医疗器械等新第三章工业机器人控制系统图3-11精密减速器的应用领域图3-11精密减速器的应用领域第三章工业机器人控制系统(1)RV减速器。Rot-Vector减速器(简称RV减速器，其内部结构和外观如图3-12所示)是在摆线针轮传动基础上发展起来的，它具有二级减速和中心圆盘支承结构。RV减速器自1986年投入市场以来，因其传动比大、传动效率高、运动精度好、回差小、振动低、刚性大和可靠性突出等优点成为高品质机器人的“御用”减速器。(1)RV减速器。Rot-Vector减速器(简称第三章工业机器人控制系统图3-12工业机器人精密减速器布置图3-12工业机器人精密减速器布置第三章工业机器人控制系统(2)谐波减速器。谐波减速器由谐波发生器、柔轮和刚轮三部分组成。其工作原理为：谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形，然后通过柔轮与刚轮的啮合进行减速并传递动力。按照结构形式的不同，谐波发生器可分为凸轮式、滚轮式和偏心盘式三种。谐波减速器的优点在于：外形轮廓小、零件数目少、传动比大(单机传动比可达到504000)、传动效率高(可达92%96%)。(2)谐波减速器。谐波减速器由谐波发生器、柔轮和刚轮第三章工业机器人控制系统(3)行星减速器。行星减速器是一种由三个行星轮围绕一个太阳轮旋转而组成的传递转速和转矩的减速装置，它具有结构紧凑、运转平稳、体积小、重量轻、噪声低、承载能力高，使用寿命长等优点，可实现功率分流、多齿啮合，其性价比较高，广泛应用于各种工业场合。(3)行星减速器。行星减速器是一种由三个行星轮围绕一第三章工业机器人控制系统3.4.3工业机器人关节伺服电机的选择1.伺服电机的初选选择电机，首先要考虑电机必须能够提供负载所需要的瞬时转矩和转速，就安全角度而言，就是能够提供克服峰值所需要的功率。其次，当电机的工作周期可以与其发热时间常数相比较时，必须考虑电机的热定额的问题，通常以负载的均方根功率作为确定电机发热功率的基础。3.4.3工业机器人关节伺服电机的选择1.伺服电第三章工业机器人控制系统如果要求电机在峰值下以峰值转速驱动负载，则电机功率可按下式估算：(3-1)式中，Pm电机功率，W；LP负载峰值力矩，Nm；LP负载峰值转速，rad/s；传动装置的效率，初步估算时取0.70.9；如果要求电机在峰值下以峰值转速驱动负载，则电机功率可按第三章工业机器人控制系统电机长期连续地工作在变载荷之下时，比较合理的是按负载均方根功率估算电机功率：(3-2)式中，MLr负载均方根力矩，Nm；Lr负载均方根转速，rad/s；电机长期连续地工作在变载荷之下时，比较合理的是按负载均第三章工业机器人控制系统估算Pm后就可选取电机，使其额定功率Pr满足下式：PrPm (3-3)初选电机后，一系列技术数据，如额定转矩、额定转速、额定电压、额定电流、转子转动惯量等，均可在产品目录中直接查得或经过计算求得。估算Pm后就可选取电机，使其额定功率Pr满足下式：第三章工业机器人控制系统2.发热校核在一定转速下，负载的均方根力矩是与伺服电机处于连续工作时的热定额相对应的，因为电机的转矩与电流成正比或接近成正比，所以当负载力矩变动时，绕组电流Ic是变动的，而电机的发热量主要来自铜耗RI。假定有一等效稳恒电流Ie，它在时间T内产生的热量Qe与实际的变动电流在同一时间内产生的热量相等，即2.发热校核在一定转速下，负载的均方根力矩是与第三章工业机器人控制系统与等效电流对应的等效转矩Me为(3-6)电机转矩Mm与折算到电机轴上的负载力矩平衡，即，故(3-7)故(3-8)与等效电流对应的等效转矩Me为第三章工业机器人控制系统由此可见，负载的均方根力矩是与电机的热定额相对应的。为核对发热，要求电机额定转矩Mr满足下式：式(3-9)即为发热校核公式，该式也可用来直接按热定额选择电机。由此可见，负载的均方根力矩是与电机的热定额相对应的。第三章工业机器人控制系统3.转矩过载校核转矩过载校核的公式为3.转矩过载校核转矩过载校核的公式为第三章工业机器人控制系统4.电机的转矩特性1)直流伺服电机的转矩特性直流伺服电机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式直流伺服电机的磁场由励磁绕组产生；永磁式直流伺服电机的磁场由永磁体(永久磁铁)产生，其结构图如图3-13所示。4.电机的转矩特性1)直流伺服电机的转矩特性第三章工业机器人控制系统图3-13永磁式直流伺服电机图3-13永磁式直流伺服电机第三章工业机器人控制系统由于直流伺服电机的结构、原理与一般直流电机相似，故直流电机的一些基本关系式对它都适合，如电枢电压：由于直流伺服电机的结构、原理与一般直流电机相似，故直流第三章工业机器人控制系统对反电势有式中，Km电机反电势常数，Vs/rad。对反电势有式中，Km电机反电势常第三章工业机器人控制系统工业机器人技术与应用课件第三章工业机器人控制系统当控制电压Ue等于励磁电压Uc，即=1且转速m=0(堵转状态或启动状态)时，由上式可得式中，Ms为=1时堵转扭矩(启动扭矩)。当控制电压Ue等于励磁电压Uc，即=1且转速m第三章工业机器人控制系统当=1时，转矩Mm=0(即空载状态)，可得若令f为电机的阻尼系数，且则式(3-18)可写成式中，f是常数，因此其转速特征曲线是随不同而不同的一簇具有相同的斜率的直线。当=1时，转矩Mm=0(即空载状态)，可得第三章工业机器人控制系统2)交流伺服电机的转矩特性普通交流伺服电机常用的转子有鼠笼转子、空心杯子和永磁式转子三种。前两种伺服电机分别如图3-14和图3-15所示。2)交流伺服电机的转矩特性普通交流伺服电机常用第三章工业机器人控制系统图3-14鼠笼转子伺服电机(a)鼠笼式 (b)绕线式图3-14鼠笼转子伺服电机(a)鼠笼式 第三章工业机器人控制系统图3-15空心杯子伺服电机图3-15空心杯子伺服电机第三章工业机器人控制系统按电机理论，可将交流伺服电机的输出转矩归纳为如下形式：(3-23)式中，Mm电机输出转矩，Nm；m电机转子转速，rad/s；fa信号为时的电机阻尼系数，Nms。信号系数为控制电压Ue与励磁电压Uc的比值，即按电机理论，可将交流伺服电机的输出转矩归纳为如下形式：第三章工业机器人控制系统第三章工业机器人控制系统3)总传动比的选择电机要克服的负载力矩有两种典型情况：一种是峰值力矩，它对应于电机最严重的工作情况，一般在机器人关节电机启动时出现；另一种为均方根力矩，它对应于电机长期连续地在变负荷下工作的情况。3)总传动比的选择电机要克服的负载力矩有两种典第三章工业机器人控制系统(1)峰值力矩特性。折算到电机的负载峰值力矩为(1)峰值力矩特性。折算到电机的负载峰值力矩为第三章工业机器人控制系统(2)均方根力矩特性。折算到电机轴上的负载均方根力矩为(2)均方根力矩特性。折算到电机轴上的负载均方第三章工业机器人控制系统工业机器人技术与应用课件第三章工业机器人控制系统(4)“折算均方根力矩最小”的最佳总传动比。令由式(3-31)可得“折算均方根力矩最小”的最佳总传动比为(4)“折算均方根力矩最小”的最佳总传动比。令第三章工业机器人控制系统对应于一定的负载转速要求，当伺服电机与负载通过“折算峰值力矩最小”的总传动比进行匹配时，电机克服负载峰值力矩所消耗的功率最小；同样，当与通过“折算均方根力矩最小”的总传动比进行匹配时，电机克服负载均方根力矩所消耗的功率就最小。从这个意义上讲，最佳总传动比实现了功率的最佳传递，即实现了能量的最佳传递。对应于一定的负载转速要求，当伺服电机与负载通过“折算峰第三章工业机器人控制系统(1)工业机器人控制系统由哪几部分组成？(2)工业机器人控制系统都包含哪些基本功能？(3)工业机器人控制策略有哪些？各自在哪些控制细节方面有明显优势？(4)简述工业机器人位置控制、速度控制、力矩控制之间的区别与特点。(5)简述工业机器人的示教-再现控制方式的形式和特点。(6)简述工业机器人关节减速器的类型及其优缺点。(7)陈述工业机器人关节伺服电机的选型计算过程。思 考 题(1)工业机器人控制系统由哪几部分组成？(2)第三章工业机器人控制系统感感 谢谢感 谢102第三章工业机器人控制系统谢谢，精品课件资料搜集谢谢，精品课件资料搜集103