机器人控制系统相关知识详解
机器人控制系统相关知识详解
什么是机器人控制系统?如果仅仅有感官和肌肉，人的四肢还是不能动作。
一方面是因为来自感官的信号没有器官去接收和处理，另一方面也是因为没有器官发出神经信号，驱使肌肉发生收缩或舒张。
同样，如果机器人只有传感器和驱动器，机械臂也不能正常工作。
原因是传感器输出的信号没有起作用，驱动电动机也得不到驱动电压和电流，所以机器人需要有一个控制器，用硬件坨和软件组成一个的控制系统。
机器人控制系统的功能是接收来自传感器的检测信号，根据操作任务的要求，驱动机械臂中的各台电动机就像我们人的活动需要依赖自身的感官一样，机器人的运动控制离不开传感器。
机器人需要用传感器来检测各种状态。
机器人的内部传感器信号被用来反映机械臂关节的实际运动状态，机器人的外部传感器信号被用来检测工作环境的变化。
所以机器人的神经与大脑组合起来才能成一个完整的机器人控制系统。
机器人的运动控制系统包含哪些方面？执行机构~~伺服电机或步进电机；驱动机构~~伺服或者步进驱动器；控制机构一运动控制器，做路径和电机联动的算法运算控制：控制方式一有固定执行动作方式的，那就编好固定参数的程序给运动控制器；如果有加视觉系统或者其他传感器的，根据传感器信号，就编好不固定参数的程序给运动控制器。
机器人控制系统的基本功能控制机械臂末端执行器的运动位置（即控制末端执行器经过的点和移动路径）控制机械臂的运动姿态（即控制相邻两个活动构件的相对位置）控制运动速度（即控制末端执行器运动位置随时间变化的规律）控制运动加速度（即控制末端执行器在运动过程中的速度变化）控制机械臂中各动力关节的输出转矩：（即控制对操作对象施加的作用力）具备操作方便的人机交互功能，机器人通过记忆和再现来完成规定的任务使机器人对外部环境有检测和感觉功能。
工业机器人配备视觉、力觉、触觉等传感器进行测量、识别，判断作业条件的变化。
工业机器人控制系统工业机器人控制系统硬件结构控制器是机器人系统的核心，国外有关公司对我国实行严密封锁。
机器人控制系统介绍
机器人控制系统介绍
机器人控制系统是指对机器人进行设计、建模、分析、开发、测试以及实施等全方位控制的系统。
它是由控制器、运动控制器、相应的驱动电路、执行机构等组成的。
机器人控制系统的主要组成部分包括：运动控制器、传感器、执行器、机器视觉、通信总线、人机交互界面等。
其中，运动控制器是机器人最重要的组成部分之一，它直接控制机器人的各个关节，使其按照预设的轨迹运动。
控制器是机器人连续运动的关键，通常使用pid控制算法来实现高精度的运动控制。
除了所述的组成部分外，机器人控制系统还包括以下两个方面的内容：定位和控制。
在定位方面，机器人控制系统是通过传感器来获取机器人在空间位置、姿态和速度等相关信息，通过分析这些信息来调整机器人下一步的运动方向和速度，使其能够准确地达到目标位置。
在控制方面，机器人控制系统是通过控制器将运动控制指令传达给机器人的执行单元，控制机器人达到所需的运动方式。
1、提高机器人的操作精度和效率。
机器人控制系统可以使机器人的操作速度和精度达到很高的水平。
2、降低对人力的依赖。
有了机器人控制系统，机器人可以在不需要人工干预的情况下完成各种操作。
3、使机器人能够适应不同的环境和任务。
机器人控制系统的灵活性使得机器人可以处理不同的环境和任务，例如工厂自动化生产线、服务机器人、医疗机器人、军事机器人等。
总之，机器人控制系统是机器人技术中最重要的一个领域，也是当前机器人技术发展方向的核心之一。
通过机器人控制系统的不断改进和优化，机器人将会在制造、服务、医疗、军事等领域更为广泛地应用。
机器人控制系统
机器人控制系统随着科技的不断进步，机器人的应用越来越广泛，机器人控制系统成为了机器人技术中的重要一部分。
机器人控制系统是指通过集成电路、计算机和传感器等元器件，对机器人进行指令控制和数据处理的系统。
机器人控制系统的性能对机器人的行为、运动控制、感知和决策等方面均有重要影响，因此掌握机器人控制系统的原理和设计方法具有重要的意义。
本文将介绍机器人控制系统的基本原理、类型、结构组成和设计方法等方面的内容。
一、机器人控制系统的基本原理机器人控制系统的基本原理是通过计算机程序来控制机器人的动作和行为。
计算机程序是指由一系列指令组成的程序，可以实现对机器人的控制。
机器人控制系统中的传感器能够感知机器人的状态，将感知到的信息通过接口传输到计算机上，计算机将收到的信息进行处理，再将结果下达给执行器控制机器人的动作。
例如，可以通过编程实现机器人路径规划、障碍检测、姿态调整等动作。
二、机器人控制系统的类型根据机器人的应用场景和控制方式的不同，机器人控制系统可以分为三种类型：开环控制系统、闭环控制系统和开环闭环控制系统。
1、开环控制系统：又称为无反馈控制系统，其控制方式是将预设的控制命令发送到机器人，机器人按照预设的控制命令执行动作。
开环控制系统没有反馈传感器，不能感知机器人的状态，无法对机器人进行实时的调整和控制。
2、闭环控制系统：又称为反馈控制系统，它是在开环控制系统的基础上增加了反馈传感器，能够感知机器人的状态，将反馈信息传输到计算机中，计算机将根据反馈信息进行调整控制。
闭环控制系统可以提高机器人的精确度和稳定性。
3、开环闭环控制系统：开环闭环控制系统是将开环控制和闭环控制结合起来的一种控制方式，可以在需要高精度和稳定性控制时选择闭环控制，而不需要高精度和稳定性控制时选择开环控制，从而兼顾控制精度和效率。
三、机器人控制系统的结构组成机器人控制系统一般由传感器、执行器、控制器和通信接口等四个部分组成。
1、传感器：感知机器人的状态和环境，例如激光雷达、视觉传感器、力传感器等。
《机器人的控制系统》课件
自主导航
通过路径规划和导航算法，实现无人机的自主飞行和自动巡航。
THANKS
功能
机器人控制系统的主要功能包括感知 、决策、执行和反馈，使机器人能够 自主或半自主地完成复杂任务。
机器人控制系统的组成与分类
组成
机器人控制系统通常由感知系统、决策系统、执行系统和反馈系统等组成。
分类
根据控制方式和结构，机器人控制系统可分为集中式、分布式和混合式控制系 统。
机器人控制系统的历史与发展
历史
机器人控制系统的发展可以追溯到20世纪50年代，随着计算 机技术、传感器技术和算法的发展，机器人控制系统的性能 和功能不断得到提升。
发展
未来机器人控制系统的发展将更加注重智能化、自主化和协 同化，同时随着技术的进步，机器人控制系统将更加广泛地 应用于各个领域。
02
机器人感知系统
感知系统的组成与功能
《机器人的控制系统》ppt课件
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目录
• 机器人控制系统概述 • 机器人感知系统 • 机器人运动控制系统 • 机器人智能决策系统 • 机器人控制系统实例分析
01
机器人控制系统概述
机器人控制系统的定义与功能
定义
机器人控制系统是用于指导机器人完 成预设任务的一系列软硬件设备和算 法。
组成
智能决策系统由感知、决策和执行三个部分 组成。感知部分负责收集环境信息，决策部 分根据感知信息进行决策，执行部分则根据 决策结果控制机器人行动。
功能
智能决策系统的主要功能是使机器人能够自 主地适应环境变化，进行有效的任务规划和 行动决策，提高机器人的自主性和智能化水 平。
决策算法与实现
决策算法
感知系统的组成
《机器人控制系统》课件
总结词
人机交互技术是实现人与机器人之间有 效沟通的重要手段。
VS
详细描述
人机交互技术涉及机器人的语音识别、自 然语言处理、手势识别和视觉识别等技术 。通过人机交互技术，机器人可以理解人 类的指令和需求，并作出相应的响应。这 有助于提高机器人的可用性和用户体验， 使其更好地适应人类生活和工作。
PART 03
PART 05
机器人控制系统的实例分 析
工业机器人的实例分析
01
02
03
工业机器人概述
工业机器人是一种自动化 设备，可以在生产线上执 行重复性任务，提高生产 效率和产品质量。
工业机器人应用
工业机器人在汽车制造、 电子制造、物流等领域广 泛应用，例如焊接、装配 、搬运等。
工业机器人实例
ABB、KUKA、FANUC等 是全球知名的工业机器人 品牌，其产品在制造业中 广泛应用。
功能
机器人控制系统具有多种功能，包括感知、决策、执行、学习等，这些功能共 同协作，使机器人能够完成各种复杂的任务。
机器人控制系统的基本组成
感知模块
负责接收来自传感器和 其他输入设备的信息， 以便了解机器人周围的
环境和状态。
决策模块
根据感知模块提供的信 息，进行决策和规划， 确定机器人的行动方案
。
执行模块
安全与隐私保护
总结词
随着机器人应用的普及，安全与隐私保护成为机器人控 制系统面临的一个重要挑战。
详细描述
在机器人控制系统中，安全与隐私保护涉及到多个方面 ，如数据加密、访问控制、防止黑客攻击等。为了确保 机器人的安全和用户的隐私，需要采取一系列的安全措 施和技术手段，如加密通信、身份验证和访问控制等。 同时，还需要加强安全监管和管理，制定相关的法律法 规和技术标准，规范机器人的研发、生产和应用。
机器人的控制系统和编程方法
机器人的控制系统和编程方法随着科技的不断进步，机器人已经越来越多地进入了我们的日常生活中。
无论是在工业、医疗还是家庭等方面，机器人都得到了广泛的应用。
而机器人的控制系统和编程方法，是机器人能够完成各种任务的关键之一。
一、机器人控制系统机器人控制系统包括硬件和软件两个方面的内容，其中硬件主要包括机器人的感知器、执行器和控制器等，而软件则主要是机器人的控制程序。
下面将分别来介绍机器人控制系统的这两个方面。
1.机器人硬件机器人的感知系统主要有如下几种：①视觉系统：用于识别、追踪、定位和测量机器人工作环境中的物体和场景。
视觉系统的核心是成像、处理和识别算法。
②激光雷达系统：用于测量环境中的距离和深度信息，因此是建图和导航中最常用的传感器之一。
③力传感器：用于监测机器人的作用力和受力信息，如力传感器通常被安装在机器人手臂末端上，能够将末端对物体的作用力转换成电信号输出。
④惯性传感器：用于检测机器人的角度和加速度，能够为机器人提供姿态信息。
机器人的执行器包括电机、液压缸等，它们根据控制器的命令完成各项任务。
机器人的控制器则是整个控制系统的核心，它通过各种接口和传感器交换信息，处理数据，控制执行器完成各种任务。
常见的机器人控制器包括PLC、DSP控制器和Motion Controller等。
2.机器人软件机器人的软件主要包括控制程序和运行环境两个层次。
控制程序是机器人的脑部，它通过编程语言控制机器人的执行器完成各种任务。
控制程序中包含机器人的移动方式、感知方式、运动规划方式等内容。
其中，机器人的运动规划是控制程序中最为重要的一部分，它是指在有限时间内到达指定目标点的机器人轨迹的计算和规划。
机器人运动规划主要有以下几种方式：①解析法：即根据已知目标点和机器人的几何关系，通过解方程计算出机器人的轨迹。
②优化法：通过优化算法寻找最优的机器人轨迹。
③仿真法：在计算机的三维虚拟环境中进行机器人移动和轨迹规划的仿真。
运行环境则是机器人运行控制程序的环境，主要包括操作系统、编译器、库文件等。
机器人的控制系统详解-精
一、机器人控制系统的特点
(3)具有较高的重复定位精度，系统刚性好。除直角坐标机器 人外，机器人关节上的位置检测元件不能安装在末端执行器上，而 应安装在各自的驱动轴上，构成位置半闭环系统。但机器人的重复 定位精度较高，一般为±0.1 mm。此外，由于机器人运行时要求 运动平稳，不受外力干扰，为此系统应具有较好的刚性。
一、机器人控制系统的特点
(2)运动描述复杂，机器人的控制与机构运动学及动 力学密切相关。描述机器人状态和运动的数学模型是一个 非线性模型，随着状态的变化，其参数也在变化，各变量 之间还存在耦合。因此，仅仅考虑位置闭环是不够的，还 要考虑速度闭环，甚至加速度闭环。在控制过程中，根据 给定的任务，应当选择不同的基准坐标系，并做适当的坐 标变换，求解机器人运动学正问题和逆问题。此外，还要 考虑各关节之间惯性力、哥氏力等的耦合作用和重力负载 的影响，因此，系统中还经常采用一些控制策略，如重力 补偿、前馈、解耦或自适应控制等。
(6)工业机器人还有一种特有的控制方式—— 制方式。当要工业机器人完成某作业时，可预先移动工业机器人 的手臂来示教该作业顺序、位置及其他信息，在此过程中把相关 的作业信息存储在内存中，在执行任务时，依靠工业机器人的动 作再现功能，可重复进行该作业。此外，从操作的角度来看，要 求控制系统具有良好的人机界面，尽量降低对操作者的要求。因 此，多数情况要求控制器的设计人员不仅要完成底层伺服控制器 的设计，还要完成规划算法的编程。
机器人控制系统介绍
机器人控制系统介绍机器人控制系统介绍随着科技的不断发展，机器人已经逐渐成为了各个领域的热门话题。
机器人的出现不仅可以提高企业的生产效率和品质，还可以替代一些高难度和危险的工作。
机器人有着广泛的应用领域，包括工业、医疗、教育等，因此控制机器人的系统也愈加重要，本文将介绍机器人控制系统的概念、功能和类型。
一、机器人控制系统概念机器人控制系统一般由硬件、软件和控制算法三个部分组成。
控制系统的任务是控制机器人的动作，使其按照用户的指令或预设任务完成工作。
机器人控制系统的核心是控制器，它是控制机器人进行各种操作的大脑。
控制器的作用是接受输入信号、处理信息并输出控制信号，以实现机器人的动作和运动。
二、机器人控制系统功能机器人控制系统具有以下主要功能：1. 坐标定位：确定机器人在三维空间内的位置和方向。
2. 监测：监测机器人运动和环境参数，确保机器人在工作过程中安全可靠。
3. 运动控制：通过控制机器人的动力学模型实现运动控制，包括速度控制和姿态控制。
4. 路径规划：为机器人提供最优路径，避免碰撞和干涉，如何规划路径是一个极其困难的问题。
5. 变形控制：控制机器人进行形态变化，如可变刚度机器人、多段式杆机器人等。
6. 通信控制：控制机器人与外界设备之间的通信，包括数据接收和数据传输。
三、机器人控制系统类型根据机器人的形态和运动类型，机器人控制系统可以分为以下几种类型：1. 关节控制系统：这种控制系统是最简单的机器人控制系统之一。
它由连接机器人臂和关节的电机和传感器组成，可以控制机器人臂的运动。
2. 车轮控制系统：这种创造常见于无人机、地面机器人。
它是由车轮电机、传感器、控制器等组成。
3. 人造肢体控制系统：这种控制系统可以对假肢进行控制，使假肢具有一定的自主移动和灵动性。
4. 人形机器人控制系统：这种控制系统把机器人制作成人形，包括机器人头部、身体、四肢等机器人形态。
人形机器人控制系统不但可以模拟人类的姿态和动作，还可以在模仿人的讲话语音方面进行相应的控制。
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控制机械臂的运动姿态（即控制相邻两个活动构件的相对位置）
控制运动速度（即控制末端执行器运动位置随时间变化的规律）
控制运动加速度（即控制末端执行器在运动过程中的速度变化）
控制机械臂中各动力关节的输出转矩：（即控制对操作对象施加的作用力）
具备操作方便的人机交互功能，机器人通过记忆和再现来完成规定的任务
使机器人对外部环境有检测和感觉功能。
工业机器人配备视觉、力觉、触觉等传感器进行测量、识别，判断作业条件的变化。
工业机器人控制系统
1、工业机器人控制系统硬件结构
控制器是机器人系统的核心，国外有关公司对我国实行严密封锁。
近年来随着微电子技术的发展，微处理器的性能越来越高，而价格则越来越便宜，目前市场上已经出现了1-2美金的32位微处理器。
高性价比的微处理器为机器人控制器带来了新的发展机遇，使开发低成本、高性能的机器人控制器成为可能。
为了保证系统具有足够的计算与存储能力，目前机器人控制器多采用计算能力较强的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片组成。
此外，由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全满足某些机器人系统在价格、性能、集成度和接口等方面的要求，这就产生了机器人系统对SoC （SystemonChip）技术的需求，将特定的处理器与所需要的接口集成在一起，可简化系统外围电路的设计，缩小系统尺寸，并降低成本。
例如，Actel公司将NEOS或ARM7的处理器内核集成在其FPGA产品上，形成了一个完整的SoC系统。
在机器人运动控制器方面，其研究主要集中在美国和日本，并有成熟的产品，如美国DELTATAU公司、日本朋立株式会社等。
其运动控制器以DSP技术为核心，采用基于PC的开放式结构。
2、工业机器人控制系统体系结构
在控制器体系结构方面，其研究重点是功能划分和功能之间信息交换的规范。
在开放式控制器体系结构研究方面，有两种基本结构，一种是基于硬件层次划分的结构，该类型结构比较简单，在日本，体系结构以硬件为基础来划分，如三菱重工株式会社将其生产的PA210可携带式通用智能臂式机器人的结构划分为五层结构；另一种是基于功能划分的结构，它将软硬件一同考虑，其是机器人控制器体系结构研究和发展的方向。
3、控制软件开发环境
在机器人软件开发环境方面，一般工业机器人公司都有自己独立的开发环境和独立的机器人编程语言，如日本Motoman公司、德国KUKA公司、美国的Adept公司、瑞典的ABB公司等。
很多大学在机器人开发环境(RobotDevelopmentEnvironment)方面已有大量研究工作，提供了很多开放源码，可在部分机器人硬件结构下进行集成和控制操作，目前已在实验室环境下
进行了许多相关实验。
从机器人产业发展来看，对机器人软件开发环境有两方面的需求。
一方面是来自机器人最终用户，他们不仅使用机器人，而且希望能够通过编程的方式赋予机器人更多的功能，这种编程往往是采用可视化编程语言实现的，如乐高MindStormsNXT的图形化编程环境和微软RoboticsStudio提供的可视化编程环境。
4、机器人专用操作系统
（1）VxWorks，VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。
VxWorks具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通信；微秒级的中断处理；支持POSIX1003．1b实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议等。
（2）WindowsCE，WindowsCE与Windows系列有较好的兼容性，无疑是WindowsCE推广的一大优势。
WindowsCE为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。
（3）嵌入式Linux，由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用。
其中大部分都遵从GPL，是开放源代码和免费的。
可以稍加修改后应用于用户自己的系统。
有庞大的开发人员群体，无需专门的人才，只要懂
Unix/Linux和C语言即可。
支持的硬件数量庞大。
嵌入式Linux和普通Linux 并无本质区别，PC上用到的硬件嵌入式Linux几乎都支持。
而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。
（4）μC/OS-Ⅱ，μC/OS-Ⅱ是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8位，16位和32位单片机或数字信号处理器（DSP）。
它的主要特点是公开源代码、可移植性好、可固化、可裁剪性、占先式内核、可确定性等。
（5）DSP/BIOS，DSP/BIOS是TI公司特别为其TMS320C6000TM，TMS320C5000TM 和TMS320C28xTM系列DSP平台所设计开发的一个尺寸可裁剪的实时多任务操作系统内核，是TI公司的CodeComposerStudioTM开发工具的组成部分之一。
DSP/BIOS主要由三部分组成：多线程实时内核；实时分析工具；芯片支持库。
利用实时操作系统开发程序，可以方便快速的开发复杂的DSP程序。
5、机器人伺服通信总线技术
目前国际上还没有专用于机器人系统中的伺服通信总线，在实际应用过程中，通常根据系统需求，把常用的一些总线，如以太网、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485等用于机器人系统中。
当前大部分通信控制总线可以归纳为两类，即基于RS-485和线驱动技术的串行总线技术和基于实时工业以太网的高速串行总线技术。
智能机器人控制系统
(1)开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。
机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。
机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输
入。
(2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。
整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。
三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。
(3)机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。
(4)网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。
控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。
可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。