《机器人技术与应用》第5章 机器人控制系统

在工业机器人控制中，一般采用监督控制系统 (Supervisory
Computer Control, SCC)，用以实现计算量较大的轨迹规划。
两种不同 结构形式的 SCC系统：
① SCC+ 模 拟 调节器 ②SCC+DDC
(直接数字控制 系统)
监督控制系统(SCC)框图
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监督控制系统(SCC+DDC)
机器人
机械系统——执行机构 基 座 （固定或移动） 电驱动装置
驱动系统 气压驱动装置 液压驱动装置
控制系统
关节伺服控制器
感知系统
外部传感器
内部传感器
手部
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腕部
臂部
腰部
处理器
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5.1 控制系统概述 1. 机器人控制系统的基本功能
记忆功能： 可存储作业顺序、运动路径、运动方式、运 动速度、与生产工艺有关的信息。 示教功能：可离线编程、在线示教(示教盒、导引示教两种)、 间接示教。 与外围设备联系功能：I/O、通信、网络、同步等接口。 坐标设置功能：关节、绝对、工具、自定义4种坐标系。 人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等接口。 位置伺服功能： 可实现机器人多轴联动、运动控制、速 度和加速度控制、动态补偿等功能。 故障诊断、安全保护功能： 系统运行时，可实现实时状 态监视，系统故障状态下的安全保护和故障自诊断。
不平滑的运动容易造成机构的磨损和破坏，甚至可能激发机械手
的振动。
因此规划的任务便是要根据给定的路径点规划出通过这些点的光
滑的运动轨迹。
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5.2 工业机器人控制的分类 1. 位置控制方式
（2）连续轨迹(路径) 控制(CP, continuous path control):
机械手末端的运动轨迹是根据任务的需要给定的，但是它也 必须按照一定的采样间隔，通过逆运动学计算，将其变换到 关节空间。 然后，在关节空间中寻找光滑函数来拟合这些离散点。 最后，还有在机器人的计算机内部如何表示轨迹，以及如何 实时地生成轨迹的问题。 典型应用：弧焊、喷漆、切割等场所，要求工业机器人的速 度可控、轨迹光滑、运行平稳（技术指标：轨迹精度、平稳性）。
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5.1 控制系统概述 2. 机器人控制系统的组成
（1）控制计算机 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）示教盒 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 现信息交互。 （3）操作面板 由各种操作按键、状态指示灯构成, 只完成基本功能操作。 （4）硬盘和软盘存储 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 各种状态和控制命令的输入或输出。 （6）打印机接口 记录需要输出的各种信息。 （7）传感器接口 用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力 觉、触觉和视觉传感器。 （8）轴控制器 完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 （9）辅助设备控制 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 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 Ethernet接口、Fieldbus接口。
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5.2 工业机器人控制的分类 2. 速度控制方式
在位置控制的同时，有时还要进行速度控制: 【例】在CP控制方式下，工业机器人按预定程序指令，控 制运动部件的速度，实现加、减速，以满足运动平稳、定 位准确的要求。
速度与平稳的矛盾:
由于运行工况复 杂 ( 负载多 变 ) 、惯 性 负载大，工业机器人 起动加速、停止前的 减速必须进行控制。
2）离线示教
脱离实际作业环境生成示教数据，不要求机器人实际产生运动， 间接地对机器人进行示教，即离线编程。
直接示教 用实际机器人进行示教 位姿示教 脱离机器人进行示教
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遥控示教 离线示教 虚拟示教
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5.1 控制系统概述 3. 机器人控制的关键技术与机器人示教
早期工业机器人的控制主要是通过示教再现方式进行，控制 装置由凸轮、挡块、插销板、穿孔纸带、磁鼓、继电器等机 电元器件构成。 20世纪80年代以来，工业机器人主要使用“微型计算机控 制系统”实现控制功能。
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位置和力控制系统结构
具有力反馈的控制系统如下图：
原运动指令 + 坐标 变换 关节伺服 机械手位置 + 变形 环境 位置
机器人本体 反作用 力 策略 新运动指令 坐标变换 传感器
其工作过程为：①机器人开始工作时，机器人手端(或安装在
手臂端部的工具 )按指令要求沿目标轨迹和给定速度运动。② 当手端与环境接触时，安装在机器人上的接触传感器或力传感 器感觉到接触的发生。③机器人控制程序按新的自然约束和人 工约束来执行新的控制策略，即位置与力的混合控制。
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机器人控制系统组成框图
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5.1 控制系统概述 3. 机器人控制的关键技术与机器人示教 （1）机器人控制的关键技术
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，包括机器人控制器(RC)、运动控 制器(MC)、光电隔离I/O控制板、传感器处理板、编程示教盒等。
路径(Path)：它是机器人位姿的一定序列。不考虑机器人位姿 路径点 ：这个术语包括了所有的中间点以及初始点和最 终点。需要记住的是，虽然通常使用“点”这个术语，但实际上它们
A/D
反多路开关
多路开关
检测元件
生产过程
DDC无法使生产过程处于最优状态。 SCC属于优化控制。
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机器人示教过程
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PUMA560机器人控制系统
监督控制系统——SCC+DDC
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5.1 控制系统概述 4. 工业机器人控制的特点
与传统的自动机械控制没有本质不同，但更复杂，是以 机器人单轴或多轴运动协调为目的。 机器人的控制与机构运动学和动力学密切相关。 从控制观点看，机器人系统是一种典型的冗余多变量非 线性控制系统，同时又是复杂的耦合动态系统。每个控 制任务本身就是一个动力学任务。 在实际研究中，往往把机器人控制系统简化为若干个低 阶子系统来描述。
【例】步行机器人在行走时，足与地面的接触力在不断变化，对腿的 各关节控制是一个典型且严格的位置和力混合控制问题。 腿在支撑状态时，由于机体的运动，支撑点与步行机器人重心间 的相对位置在不断变化，导致足与地面接触力的不断变化，同时要对 各关节的位置进行控制。 在这种情况下，位置控制与力控制组成一个有机整体，力控制是 在正确的位置控制基础上进一步的控制内容。
对机器人的示教——定义
在机器人代替人作业时，必须预先对机器人发出指示， 规定机器人进行应该完成的动作和作业的具体内容，此过程 又称为对机器人的编程。
让机器人实现指定动作，必须赋予它各种信息：
①机器人动作顺序的信息及外围设备的协调信息； ②与机器人工作时的附加条件信息；
（与机器人具体作业任务及相关工艺要求有关）
按控制系统对工作环境变化的适应程度分类：
①程序控制系统；②适应性控制系统；③人工智能控 制系统。
按同时控制机器人数目多少分类：
①单控系统；②群控系统。
按运动控制方式的不同分类：
①位置控制；②速度控制；③力控制(包括位置与力的 混合控制)。
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5.2 工业机器人控制的分类
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模块化与层次化的控制器软件系统
基于实时操作系统(RTOS)，多任务、分层和模块化结构设计。
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及维护，以保证机器人 的安全性。
网络化机器人控制器技术
由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人联网技术。
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5.1 控制系统概述 3. 机器人控制的关键技术与机器人示教 （2）机器人示教
v/(m/s)
机器人行程的速度-时间曲线
起动加速 阶段
快速运动 阶段
减速定位 阶段
t/s
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5.2 工业机器人控制的分类 3. 力(力矩)控制方式
机器人手部与环境或作业对象表面接触，除了要求准确定 位外，还要求使用适度的力(力矩)进行工作。 机器人的力控制是对位置控制的补充，一般与位置控制融 合在一起形成位置和力的混合控制。
机器人技术与应用 第5章 机器人控制系统
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5.1 控制系统概述 机器人控制系统
——机器人的大脑，决定机器人功能和性能的主要因素。 工业机器人控制技术的主要任务：控制它在工作空间中的 运动位置、姿态和轨迹、操作顺序、动作的时间等。
工作原理：实际是两级计算机控制系统，上一级为SCC， 下一级为DDC。采集数据经AI、DI送DDC的同时也送SCC。 SCC 根据采集的数据，经过计算后获得最佳设定值传送给 DDC 。 DDC 对设定值和测量值进行比较，比较后的结果经 AO、DO送出，对系统进行控制。 系统要求：
① SCC 级数据 处 理能 力强， 存 储容量大； ② DDC 级 则 需 要实 时性好 、 可 靠性 高和环 境 适应性好。
5.2 工业机器人控制的分类 1. 位置控制方式
（1）点位控制(PTP, point to Point contro1):
通常只给出机械手末端的起点和终点，有时也给出一些中 间经过点，所有这些点统称为路径点。 应注意这里所说的“点”不仅包括机械手末端的位置，而 且包括姿态（方位），因此描述一个点通常需要 6 个量。 通常希望机械手末端的运动是光滑的，即它具有连续的一 阶导数，有时甚至要求具有连续的二阶导数。