工业机器人控制系统的基本原理

工业机器人控制系统的

基本原理

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工业机器人控制系统

20世纪80年代以后，由于微型计算机的发展，特别是电力半导体器件的出现，使整个机器人的控制系统发生了很大的变化，使机器人控制器日趋完善。具有非常好的人机界面，有功能完善的编程语言和系统保护，状态监控及诊断功能。同时机器人的操作更加简单，但是控制精度及作业能力却有很大的提高。目前机器人已具有很强的通信能力，因此能连接到各种网络（CAN—BUS、PROFIBUS或ETHERNET）。形成了机器人的生产线。特别是汽车的焊接生产线、油漆生产线、装配生产线很多都是靠机器人工作的。特别是控制系统已从模拟式的控制进入了全数字式的控制。

90年代以后，计算机的性能进一步提高，集成电路（IC）的集成度进一步的提高，使机器人的控制系统的价格逐渐降低，而运算的能力却大大提高，这样，过去许多用硬件才能实现的功能也逐渐地使用软件来完成。而且机器人控制系统的可靠性也由最早几百小时提高到现在的6万小时，几乎不需要维护。

一、控制系统基本原理及分类

工业机器人的控制器在要求完成特定作业时，需要做下述几件事：

示教：通过计算机来接受机器人将要去完成什么作业。也就是给机器人的作业命令，这个命令实质上是人发出的。

计算：这一部分实际上就是机器人控制系统中的计算机来完成的，它通过获得的示教信息要形成一个控制策略，然后再根据这个

策略（也称之为作业轨迹的规划）细化成各轴的伺服运动的控制的策略。同时计算机还要担负起对整个机器人系统的管理，采集并处理各种信息。因此，这一部分是非常重要的核心部分。

伺服驱动：就是通过机器人控制器的不同的控制算法将机器人控制策略转化为驱动信号，驱动伺服电动机，实现机器人的高

速、高精度运动，去完成指定的作业。

反馈：机器人控制中的传感器对机器人完成作业过程中的运动状态、位置、姿态进行实时地反馈，把这些信息反馈给控制计算机，使控制计算机实时监控整个系统的运行情况，及时做出各种决策。

图1 机器人控制基本原理图

控制系统可以有四种不同分类方法：控制运动方式、控制系统信号类型、控制机器人的数目以及人机的相互关系等分类。

（1）、按控制运动方式进行分类可分为程序控制系统、自适应控制系统和组合控制系统。

A、程序控制系统：绝大多数商品机器人是属于这种控制系统，主

要用于搬运、装配、点焊等点位控制，以及弧焊、喷涂机器人的轮廓控制。

程序控制可以使各关节的运动是连续的，也可以是离散的，通过各个关节的连续运动的合成，实现轮廓控制，也可用点位控制，用不连续的点位实现连续轮廓控制。

B、自适应控制系统：自适应是根据环境的变化，不断地给出后续

运动轨迹的控制。环境的变化是通过传感器来感知，也就是根据检测到的信息来决策。这个决策是控制系统中的核心问题。要有很复杂的计算方法。对环境的感知是实时的，要求是高精度和高速度的运算处理。硬件逻辑复杂。

这一类控制系统也是以程序控制为基础，仅是根据外界环境的变化来及时修改原有的程序。目前对于这一类智能机器人的各种感觉的研究尚处于探索阶段，特别是视觉，要求灵敏度高的视觉装置且可对图象处理和识别能力。

C、组合控制系统：它兼有程序控制和自适应控制两种功能，它具

有利用已知的基本上由工作性质和环境条件决定的信息实现程序控制，还可以在执行过程中根据工作条件的变化而改变控制过程并保证最佳的控制品质。所以，这是应用最广的控制系统。（2）、按控制系统的信号形式分类：可分为连续控制系统和离散控制系统。连续控制系统贯穿系统各环节的输入/输出信号量是时间的连续函数。离散控制系统全部或部分信号是以离散形式出现和产生所需要的控制。通常系统既有连续又有离散的信息，根据一个一定的阀值来进行两类信号的转换实现这种控制。

例如：

a、弧焊控制：对焊接电流的控制是连续控制，当发生短路时，立刻切断电源这又是离散控制。

b、生产线加工部件由传送带送到固定加工位置，同时发出到位信号，用来启动机器人控制程序的连续控制，从而由离散到连续。一般离散信号是继电器的动作，脉冲或数字信号。

（3）、根据控制机器人的数目分类：可分为单机系统和群控系统。

单机就是指控制系统仅对本机进行自主的控制。集中或分散的或两者结合的，同时控制多个机器人的控制系统称之为群控系统。群控系统也容许每个机器人有自己独立的控制系统，但每一个机器人的控制系统要接受总的控制系统的命令，或在系统之间有通信，以便能使所有机器人协调工作。

实际上群控系统是一个多级系统，每一级系统或者模块要接受上一级系统下达的指令与任务命令，使本级机器人执行上述的命令，并要向上一级反馈执行的结果的信息。

（4）、按人机关系分类：自动控制系统完全自治操作，操作人员不必干予。但有一些系统要求部分控制功能由操作人员来完成。

二、计算机控制系统

计算机控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。

集中控制就是用一台功能较强的计算机实现全部控制功能，这是早期机器人来用的一种结构。因为当时计算机造价较高，当时机

器人功能也不多，所以采用这种方案来控制还是比较经济的，也是可以实现的。但由于计算非常复杂，所以控制的速度就很慢。

目前由于对机器人的功能要求愈来愈多，且控制的精度愈来愈高，集中控制已不可能满足这些要求，所以采用主从式控制和分布式控制，70年代的MOTORMAN弧焊机器人就是属于这种结构。

一级计算机（一级机）为主机，担当系统管理，机器人语言的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，并定时地把运算结果作为关节运动的增量值送到公共内存，供二级计算机（二级机）读取它。

二级机完成全部关节位置的数字控制，它从公共内存中读取给定值，也把各关节的实际位置值送回到公共内存中去，供一级机使用。公共内存是容量为几KB的双口RAM或普通静态RAM加上总线控制逻辑电路组成。由于功能分散，控制质量较集中式控制明显提高。这类系统的控制速率较快，一般可达到15ms，即每隔15ms 刷新一次给定，并实现位置控制一次。

这类系统在两个CPU之间仅通过公共的内部存贮器来交换信息，这种耦合是很松散的，因此采用这种方式来耦合更多的CPU是很能困难的。

现代机器人控制系统中几乎无例外地采用分布式结构，由上一级主控计算机负责整个系统管理以及坐标变换和轨迹的插补运算。下一级由多个微处理器组成，每一个微处理器控制一个关节运动，

它们并行的完成控制任务，因而提高了工作速度和处理能力。这些微处理器与主控级联系是通过总线形式紧密耦合。

计算机控制系统的基本结构

（1）、电源部件：

电源为三相交流电源和内部电源两大部分组成

制器各档电压的电源，伺服驱动系统，直流电源，继电接触器操作电源。三相交流电源有如下保护：过载保护、短路保护，并有滤波器来吸收浪涌电压。并有时采用电子（或者是铁磁的）稳压器对电源进行稳压。报警是直流电路的过压、过载保护，这时自动切除直流电源。防止故障扩大。

直流电源多为±5V、±12V、±15V、24V等种类的直源，目前较多的为+5伏及24伏，其他已少见。它们有熔丝保护，当集成电路短路，电容出现击穿，或三极管基极与发射极短路均靠这个熔丝保护，所以熔丝要注意电流值。

（2）、计算机系统

主CPU：整个系统的管理，数据处理和轨迹运算。

协处理器：协助主CPU数值的处理和提高实时性能。

从处理器：机器人各关节的运动控制。

I/O处理器：控制外部存贮器。

ROM中主要是引导程序，程序系统监控程序，诊断程序以及一般不变的参数。

RAM中主要存放从硬盘中装入的操作系统，系统控制程序，语言编辑，调试和修改的信息，用户编写的运动控制程序，传感器检测信息。存贮空间分配根据实际需要，由CPU提供可寻址空间以及初始化条件来决定。一般把操作系统，机器人语言解释程序，用户运动程序，一般软件工具都存放在硬盘中，在需要时，从中取入。

（3）、伺服控制系统

采用计算机控制的伺服系统将计算机的速度，位置指令转化为机器人的各关节的驱动信号，它是一个三环系统，即电流环、速度环与位置环，由光电子编码器反馈回来的信号作为位置及速度的检测，与给定信号进行比较，进行误差校正。

（4）、传感/检测部件

常用的传感/检测部件包括有限位开关，压力，加速度，速度，温度等信号，其中的模拟信号须经放大整形，再经过A/D转换器后转换为数字信号，然后送入计算机进行存贮或处理，对于触觉、听觉和视觉等更高级的传感/检测设备，需要更精确的检测手和复杂的识别和处理算法，通常也由一个单独的微处理器对信息进行处理。

（5）、人机交互部件

工业机器人有多种人机交互的通信手段，用于编程和显示的键盘，示教盒等，它们都是通过RS-232C串行接口与系统CPU远程通信。液晶显示器及键盘有单独的微处理器进行处理，其中ROM存放示教盒本身的操作监控程序和通讯处理程序。RAM是用以存放通信显示和扫描键盘的采样数据。

（6）、接口部件

主要是主计算机系统与伺服系统，外部设备的工作环境通信联系通道。磁盘、CRT、键盘、打印机等，标准外设与计算机的通信都是通过计算机内的标准接口进行的。与伺服系统通信则是采用专用接口，将主CPU的运动命令的位置数据转换成频率和数量的脉冲。还要采用一些带有A/D或D/A接口。

（7）、软件系统

管理程序或实时操作系统；用以对整个机器人控制系统的软件进行任务的调度和管理，以满足机器人控制的实时性能。系统控制程序：根据用户编制的运动控制程序解释执行，进行运动执行的插补运算，各坐标位置和速度的分配，外部事件的响应与处理，实时

信息和出错信息的处理和显示。运动控制程序，这是由用户特定的机器人语言编制的运动控制程序，在运动控制程序中，通过语句（或指令）指定机器人的工作方式、运动轨迹、运动速度、坐标位置、定时/计数及输入/输入通信要求，程序控制路径的选择等信息，在系统控制程序的解释下执行。

机器人控制器是使机器人执行各种操作的核心部分，分析机器人控制器的组成及工作原理，是更好地使用机器人进行工作的基础。因此深入研究控制原理及控制程序是很有必要的。