工业机器人控制系统组成及典型结构
工业机器人原理及应用实例
工业机器人原理及应用实例一、工业机器人概念工业机器人是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；由计算机控制，是无人参与的自主自动化控制系统；他是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。
可以通俗的理解为“机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现人的动作和职能；它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的功能。
”二、组成结构工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。
主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。
大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。
三、分类工业机器人按臂部的运动形式分为四种。
直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。
工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。
点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。
工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。
编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。
示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。
在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。
abb工业机器人的结构组成
abb工业机器人的结构组成摘要：一、引言1.ABB工业机器人的概述2.本文目的和结构二、ABB工业机器人的机械结构系统1.机器人的主体结构2.关节和传动系统3.末端执行器三、ABB工业机器人的驱动系统1.电机和驱动器2.减速器3.伺服系统四、ABB工业机器人的控制系统1.控制器及其功能2.编程和编程语言3.控制系统的基本原理五、ABB工业机器人的传感器和执行器1.传感器的作用和类型2.执行器的分类和应用3.传感器和执行器的协同工作六、ABB工业机器人的环境交互系统1.工业机器人与外部设备的连接2.信息交流和协调3.工业网络和通信协议七、ABB工业机器人的编程和应用1.编程技术和方法2.典型应用领域3.工业机器人的性能和稳定性八、结论1.ABB工业机器人的优势和特点2.未来发展趋势和挑战正文：一、引言随着科技的飞速发展，工业机器人已成为现代制造业的重要装备。
在全球工业机器人市场中，ABB集团是一家具有领导地位的供应商。
本文将详细介绍ABB工业机器人的结构组成，以帮助读者更好地了解和应用这一技术。
二、ABB工业机器人的机械结构系统ABB工业机器人的机械结构系统是工业机器人的基础部分，它包括机器人的主体结构、关节和传动系统以及末端执行器。
1.机器人的主体结构：机器人的主体结构通常由立柱、横梁、底座等部分组成，它们共同支撑和固定机器人的其他部件。
2.关节和传动系统：关节是连接机器人各个部位的纽带，传动系统则负责实现关节的运动。
ABB工业机器人采用多种类型的关节和传动系统，如旋转关节、摆动关节、线性关节等。
3.末端执行器：末端执行器是机器人完成工作任务的工具，根据不同的应用场景，ABB提供了多种末端执行器，如抓手、焊枪、刷子等。
三、ABB工业机器人的驱动系统ABB工业机器人的驱动系统负责将电能转化为机械能，实现机器人的运动。
它包括电机、减速器和伺服系统。
1.电机和驱动器：电机是将电能转化为机械能的核心部件，ABB提供多种类型的电机，如交流电机、直流电机和无刷电机。
机器人控制系统设计与实现
机器人控制系统设计与实现摘要：机器人控制系统是机器人技术中的核心部分，它负责对机器人进行指令控制，实现各种复杂的动作和功能。
本文将介绍机器人控制系统的设计与实现，包括系统架构、硬件设计和软件编程等关键内容。
一、引言机器人技术在工业、医疗、军事等领域有着广泛的应用，其核心就是机器人控制系统。
机器人控制系统由硬件和软件两部分组成，硬件负责接收指令和控制机器人执行动作，软件则负责对机器人进行编程和算法实现。
二、系统架构设计机器人控制系统的架构设计是整个系统开发的基础。
一个典型的机器人控制系统可以分为三个层次：感知层、决策层和执行层。
1.感知层感知层是机器人获取环境信息的部分，包括传感器和摄像头等。
传感器可以用来检测机器人与周围环境的距离、位置以及其他物理参数，而摄像头可以用于识别物体和人脸等。
2.决策层决策层是机器人控制系统的核心，它负责根据感知层获取到的信息进行决策和算法处理。
在这一层次，需要设计和实现一些算法，如路径规划、运动控制等，来实现机器人的智能决策。
3.执行层执行层是机器人根据决策层的指令执行相应动作的部分，它包括电机、舵机、液压系统等。
这些执行机构可以根据决策层的指令控制机器人的运动、抓取物体、开关等动作。
三、硬件设计硬件设计是机器人控制系统的重要组成部分，它包括电路设计、电气连接和机械结构等。
1.电路设计电路设计的关键是选择合适的传感器和执行机构，并设计相应的电路板，以实现传感器与执行机构之间的连接和信号传递。
此外，还需要设计适配电池或外部电源供电的电路。
2.电气连接电气连接是将电路板和传感器、执行机构连接起来的步骤，需要注意合理布局和连接方式，以保证电路的稳定性和可靠性。
3.机械结构机械结构是机器人控制系统的物理框架，它包括机器人的外形设计和结构组装。
设计合理的机械结构可以提高机器人的稳定性、灵活性和运动能力。
四、软件编程软件编程是机器人控制系统的关键环节，它决定了机器人能否实现各种复杂的功能和动作。
机器人本体结构描述
2．回转与俯仰机身
二、机身驱动力(力矩)计算 1. 垂直升降运动驱动力Pq 的计算 需克服摩擦力、总重力、惯性力:
Pq Fm Fg W
Fm为各支承处的摩擦力(N)；
Fg 为启动时的总惯性力(N)；
W 为运动部件的总重力(N) 。
2. 回转运动驱动力矩的计算
Mq Mm Mg
M m 为总摩擦阻力矩(N· m)；
三、机器人手部 机器人的手部也叫做末端执行器，装在机器人手 腕上直接抓握工件或执行作业的部件。 手部是完成作业好坏以及作业柔性好坏的关键部 件之一。
1. 特点：
(1) 手部与手腕相连处可拆卸。
(2) 手部是机器人末端执行器。
(3) 手部的通用性比较差。
2. 手部的设计要求：
（1）具有足够的夹持力。 （2）保证适当的夹持精度： 手指应能顺应被夹持工件的形状，应对被夹持工 件形成所要求的约束。 （3）手部自身的大小、形状、机构和运动自由度： 主要是根据作业对象的大小、形状、位置、姿态、 重量、硬度和表面质量等来综合考虑。
3）运动要平稳、定位精度高 臂部高速运动，惯性力引起的冲击大，运动不平 稳，定位精度也不高，采用缓冲措施。 4）重量轻、转动惯量小。
为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动 部分的重量，以减少手臂对回转轴的转动惯量。
5）合理设计与腕和机身的连接部位。
臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、 刚度和承载能力，还直接影响机器人的外观。
第 6章
机器人本体结构
6.1
概
述
机器人主要由驱动系统、机械系统、感知系统、 控制系统四个系统组成。 机械系统又叫操作机，是工业机器人的执行机构。 可分成基座、腰部、臂部、腕部和手部。
工业机器人的典型结构
工业机器人的典型结构
工业机器人的典型结构包括机械臂、控制系统、传感器和执行器等基本部分。
其中：
1. 机械臂：是工业机器人的主要部分，通常包括可伸缩的臂、关节、末端执行器和触觉传感器等。
其结构复杂，设计灵活，能够执行各种不同的任务和功能。
2. 控制系统：是机器人的大脑，包括计算机、控制器和编程器等。
控制系统能够接收外部指令，对机械臂进行准确的控制和调度，调整机器人的运动和转向速度等。
3. 传感器：是机器人的“眼睛”和“耳朵”，能够感知环境和物体，通过视觉识别、声音识别、力量反馈和距离测量等方式获得信息，并传达给控制系统。
4. 执行器：是机器人的“手”和“脚”，能够根据控制系统的指令，执行各种不同的任务，比如移动、抓取、拆分、焊接和研磨等。
总之，工业机器人的典型结构是多种部件的综合体，具有复杂的功能和灵活的设计，能够满足不同领域和产业的机械化需求。
机器人的组成结构
常用的机身结构： １）升降回转型机身结构 ２）俯仰型机身结构 ３）直移型机身结构 ４）类人机器人机身结构
根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装 置的不同可分为：
１）伸缩型臂部结构 ２）转动伸缩型臂部结构 ３）驱伸型臂部结构 ４）其他专用的机械传动臂部结构
３．机身和臂部的配置形式
机身和臂部的配置形式基本上反映了机器 人的总体布局。由于机器人的运动要求、工作 对象、作业环境和场地等因素的不同，出现了 各种不同的配置形式。目前常用的有如下几种 形式：
36
1. 滑槽杠杆式手部
2.齿轮齿条式手部
4. 斜 楔 杠 杆 式
3.滑块杠杆式手部
5.移动型连杆式手部
6.齿轮齿条式手部
7.内涨斜块式手部
8.连杆杠杆式手部
手指类型：
吸附式取料手
吸式取料手是目前应用较多的一种执行器，特别是用于搬 运机器人。该类执行器可分气吸和磁吸两类。 1）气吸附取料手
连杆（Link）：机器人手臂上 被相邻两关节分开的部分。
刚度（Stiffness）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。 它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。
自由度（Degree of freedom） ：或者称坐标轴数，是指描述物体 运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由 度一般不包括在内。
• 圆柱坐标型机械手有一 个围绕基座轴的旋转运 动和两个在相互垂直方 向上的直线伸缩运动。 它适用于采用油压(或气 压)驱动机构，在操作对 象位于机器人四周的情 况下，操作最为方便。
工业机器人的组成结构
工业机器人的组成结构
工业机器人一般由主构架（手臂）、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成。
图1是工业机器人的典型结构。
机器人手臂具有3个自由度（运动坐标轴），机器人作业空间由手臂运动范围决定。
手腕是机器人工具（如焊枪、喷嘴、机加工刀具、夹爪）与主构架的连接机构，它具有3个自由度。
驱动系统为机器人各运动部件提供力、力矩、速度、加速度。
测量系统用于机器人运动部件的位移、速度和加速度的测量。
控制器（RC）用于控制机器人各运动部件的位置、速度和加速度，使机器人手爪或机器人工具的中心点以给定的速度沿着给定轨迹到达目标点。
通过传感器获得搬运对象和机器人本身的状态信息，如工件及其位置的识别，障碍物的识别，抓举工件的重量是否过载等。
图1 工业机器人的典型结构
工业机器人运动由主构架和手腕完成，主构架具有3个自由度，其运动由两种基本运动组成，即沿着坐标轴的直线移动和绕坐标轴的回转运动。
不同运动的组合，形成各种类型的机器人（如图2）：①直角坐标型（如图2a是三个直线坐标轴）；②圆柱坐标型（如图2b是两个直线坐标轴和一个回转轴）；③球坐标型（如图2c是一个直线坐标轴和两个回转轴）；④关节型（如图2d是三个回转轴关节和图2e是三个平面运动关节）。
a）直角坐标型 b）圆柱坐标型 c）球坐标型 d）多关节型 e）平面关节型
图2 工业机器人的基本结构形式。
第七章 工业机器人设计
第一节
绪 论
四、工业机器人的基本设计方法 1、工业机器人的设计方法 与机床设计方法基本相同，但具体的设计内容、设计要求 和设计技术有很大差别。工业机器人总体方案的设计可分为分 析式设计和创成式设计。 2、设计内容与步骤 总体设计：基本技术参数设计、总体方案设计； 详细设计：装配图设计、零件图设计、控制系统设计； 总体评价：检测其是否能满足所需设计指标的要求；
第三节
工业机器人的控制
二、工业机器人的位置伺服控制 伺服系统的构成方法大体分为关节伺服和坐标伺服。
① 关节伺服控制
关节伺服系统把每一个关节作为单纯的单数输出系统来处 理，所以结构简单，现在工业机器人大部分由这种关节伺服系 统来控制。 ② 作业坐标伺服控制
对软件伺服来说，取样时间较短，所以是工业机器人经常
4 、工业机器人的传动系统设计 机器人操作机是由若干个构件和关节组成的多自由度空间
机构，其运动都是由驱动器经各种机械传动装置减速后驱动负
载。
机器人中常用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚
珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动等。
第二节
5、驱动方式选择
工业机器人机械系统设计
工业机器人的驱动系统是带动操作机各运动副的动力源。 常用的驱动方式包括电动机驱动、液压、气动三种。 ① 电动机驱动方式 应用类型大致分为普通交、直流电动机驱动、流伺服电动 机驱动、交流伺服电动机驱动、步进电动机驱动等。 优点：不需能量转换、控制灵活、使用方便、噪声较低、
第二节
工业机器人机械系统设计
一、工业机器人的位姿描述 工业机器人的位姿是指其末端执行器在指定坐标系中的位 置和姿态。 1、作业功能姿态描述法 所谓用作业动作功能要求来描述机器人位姿，就是直接用 末端执行器和机座之间的齐次坐标变换来描述。 2、运动功能姿态描述法 坐标变换：坐标系采用右手系坐标 运动矩阵：机器人各个关节的运动都是坐标运动，坐标运 动可以用齐次坐标变换矩阵表示。机器人末端执行器与机座之 间的相对运动可以用运动矩阵来表示。
初识工业机器人系统的组成
图1-25所示的机器人系统整体布局
2）观察控制柜的按钮和端口，注意认真阅读图1-26所示的 标示和说明，并做好记录。
图1-26控制柜的按钮和端口
3）阅读图1-27中按钮选项的使用，并做好记录。
图1-27中按钮选项的使用
图1-27中按钮选项的使用
4）对照图1-28观察控制柜面板，画草图或手机拍照。
• 4.学生在停机状态下进入机器人工作区域，近距离观察工业机器人 系统（分组换岗）。
（1）ABB机器人硬件系统组成
• 按下列步骤及指导观察并记录。 • 1）观察图1-25所示的机器人系统整体布局，认清机器人本
体、控制柜、示教器及电缆等，记录铭牌主要参数，通过 查资料（现场说明书或网络）得知本机器人的主要技术参 数。包括机器人型号、负载、自由度、工作范围、重复精 度、速度、制动和惯性力矩、防护等级等指标。
后，再从数控车床中取出工件，通过行走机构的行走，将川崎机器人运载到数控铣床前，川崎机器人将工件放入数控 铣床中，待数控铣床加工完毕后，再从数控铣床中取出工件，旋转165°在空中将工件移交给ABB机器人，完成空中 对接的过程。 • （3）行走机构：用于川崎机器人的第七轴； • （4）数控车床：用于加工毛坯件； • （5）数控铣床：用于加工毛坯件； • （6）ABB机器人：ABB机器人的工作过程为在空中先与川崎机器人完成空中对接取回工件，然后再将工件放置到冲 压平台上，待模拟冲压结束后将工件取回并放置到成品库中； • （7）冲床：用于模拟加工工件； • （8）成品库：成品库共九个库位，用于存放加工完成的工件。
放置完毕
车床加工
取件结束
机器人取 件结束
加工结束
ABB机器加工完毕
机器人取 出工件
加工完毕
工业机器人系统组成
2.3 机器人本体
2.3.1. 谐波减速器
3.谐波减速器特点 ➢ 缺点： （1）柔轮周期性地发生变形，因而产生交变应力，使之易于产生疲劳破坏。
（2）转动惯量和起动力矩大，不宜用于小功率的跟踪传动。
（3）不能用于传动速比小于35的场合。
（4）采用滚子波发生器(自由变形波)的谐波传动，其瞬时传动比不是常数。
用于弧焊
3. Spot Tool
用于点焊
4. Dispense Tool
用于涂胶
5. Paint Tool
用于油漆
6. Laser Tool
用于激光焊接和切割
2.2 应用工具软件
2.2.1. 设定系统
应用工具软件具有机器人系统操作所需的，为进行各类设定的接口。通过应用 工具，可以对机械手、遥控装置等外部设备进行操作。有关与机械手等外围设备之 间的I/O、坐标系、通信、自动运转的设定，需要事先进行设定。
图 2-1 机器人系统
图 2-2 机器人组成
2.1 机器人单元组成
1. 应用工具软件 应用工具软件是内嵌于机器人控制装置的各类机器人作业专用的软件包。 通过
使用示教器选择所需的菜单和指令，即可 进行不同种类的作业。应用工具中安装有 用来控制机器人、机械手、遥控装置等外围设备的指令。 此外，还可对附加轴、控 制装置和其他外围设备的输入/输出(I/O)进行控制。其他外围设备，是指单元控制 装置和传感器 等
工业机器人电控ppt
反转 VD60.1：运动包络运行完成标志，PTO0_CTRL中的“Done”参数； v100.2：反转运行状态； v101.4：反转结束；
I0.2：反转按钮； V100.2：反转运行状态； V101.2：复位完成标志。正反转自动运行前必须复位完成；
Q0.2：电机方向；
6、手动正转
手动正转是对电机的点动控制，需要一直按住按钮，电机才能运行。 运行至正限位后，即使按住按钮也不能运行，只能反向运行。
复位状态下，复位指示灯亮。
指示灯
述职完毕
THANKS
单击此处添加文本
正反转运行时，运行指示灯亮。
述职完毕
THANKS
单击此处添加文本
(2)、点动运行
EN：使能端，SM0.0保持常通； RUN：启用该参数加速至设定速度运行，停用该参数电机减速停止； Speed：设定手动运行的最高速度； Error：本子程序的错误代码，“0”表示无错误； C_Pos：如果PTO向导的HSC计数器功能已启用，C_Pos参数包含用脉冲数目表示的模块； 否则此数值始终为零。
单击“完成”，在弹出的对话框中选择“是”。 运动包络设置完成。在调用子程序中出现Q0.0对应的位控子程序。
六、PLC程序
VD1033：运动包络加速脉冲数； VD1053：运动包络减速脉冲数； VD1080：运动包络加减速脉冲； VD1080=VD1033+VD1053+1。
1、上电初始化
Q0.2：驱动器方向信号
常用可编程控制器PLC
电气元器件
直流继电器：进行弱电的开关控制； 开关电源：提供控制系统所需的直流电源 按钮、指示灯、急停按钮：负责系统运行的控制、状态指示及紧急停止。 断路器：系统的总电源开关，同时为系统提供过流、短路及漏电保护； 噪声滤波器：过滤供电系统中的电噪声 交流继电接触器：进行强电的开关控制
工业机器人控制系统组成及典型结构
工业机器人控制系统组成及典型结构一、工业机器人控制系统所要达到的功能机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下：1、记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。
2、示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。
在线示教包括示教盒和导引示教两种。
3、与外围设备联系功能：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：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。
5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。
6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。
7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。
8、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。
二、工业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1）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。
机器人的控制系统(PPT163页)
一、机器人控制系统的结构
图5-5 分散控制方式的控制框图
一、机器人控制系统的结构
两级分布式控制系统通常由上位机、下位机和网络组成。上位机 可以进行不同的轨迹规划和算法控制，下位机用于进行插补细分、控 制优化等。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、EEE 488及USB总线等形式。现在， 以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的 通信服务，尤其是现场总线。现场总线应用于生产现场，在微机化测 量控制设备之间实现双向多结点数字通信，从而形成了新型的网络集 成式全分布控制系统——现场总线控制系统(fieldbus control system， FCS)。在工厂生产网络中，将可以通过现场总线连接的设备统称为现 场设备/仪表。从系统论的角度来说，工业机器人作为工厂的生产设备 之一，也可以归纳为现场设备。在机器人系统中引入现场总线技术后， 更有利于机器人在工业生产环境中的集成。
学习单元一 机器人的控制系统概述
一、机器人控制系统的特点
多数机器人的结构是一个空间开链结构，各个关节的运动 是相互独立的，为了实现机器人末端执行器的运动，需要多关 节协调运动，因此，机器人控制系统与普通的控制系统比较， 要复杂一些。具体来讲，机器人控制系统主要具有以下特点。
(1)机器人控制系统是一个多变量控制系统，即使简单的工 业机器人也有3～5个自由度，比较复杂的机器人有十几个自由 度，甚至几十个自由度，每个自由度一般包含一个伺服机构， 多个独立的伺服系统必须有机地协调起来。例如，机器人的手 部运动是所有关节的合成运动，要使手部按照一定的轨迹运动， 就必须控制各关节协调运动，包括运动轨迹、动作时序等多方 面的协调。
二、机器人控制系统的组成
典型的几种机器人控制架构介绍
如果说驱动子系统是机器人的肌肉，能源子系统是机器人的心脏，那么控制和决策子系统就是机器人的大脑。
这是机器人最重要、最复杂的一个子系统。
机器人是一种高度复杂的自动化装置。
其控制子系统也是直接来源于自动化领域的其他应用，例如工厂自动化领域中所用到的处理器、电路以及标准。
本章仅仅列举并对比了几种常见的、典型的控制系统拓扑结构，然后分析了几个典型的机器人控制子系统的构成，特别是详细说明了“创意之星”机器人的控制架构。
典型的几种机器人控制架构(ARCHITECHURE)这里我们不讨论传统的工业机器人，主要关注的是自主移动机器人、仿生机器人等新形态的机器人。
通常，机器人的架构是指如何把感知、建模、规划、决策、行动等多种模块有机地结合起来，从而在动态环境中，完成目标任务的一个或多个机器人的结构框架。
总的说来，当前自主机器人的控制架构可分为下述几类：1. 程控架构，又称规划式架构，即根据给定初始状态和目标状态规划器给出一个行为动作的序列，按部就班地执行。
较复杂的程控模型也会根据传感器的反馈对控制策略进行调整，例如在程序的序列中采用“条件判断+跳转”这样的方法。
2. 包容式架构和基于行为的控制模型，又称为反应式模型，复杂任务被分解成为一系列相对简单的具体特定行为，这些行为均基于传感器信息并针对综合目标的一个方面进行控制。
基于行为的机器人系统对周围环境的变化能作出快速的响应，实时性好，但它没有对任务做出全局规划，因而不能保证目标的实现是最优的。
3. 混合式架构，是规划和基于行为的集成体系，不仅对环境的变化敏感，而且能确保目标的实现效率。
通常混合式架构有两种模式：一种模式是，决策系统的大框架是基于规划的，在遇到动态情况时再由行为模型主导；另一种模式是，决策系统的大框架基于行为，在具体某些行为中采用规划模型。
总之，混合式架构的设计目的是尽可能综合程控架构和包容式架构的优点，避免其缺点。
下面几小节对以上三种架构进行初步的讨论。
工业机器人机械基础与维护-工业机器人的机械结构和运动控制
结构体积
在输出力相同的情况下体 积比气压驱动方式小
体积较大
需要减速装置，体 积较小
2.1 工业机器人的系统组成
操作机
驱动装置
驱动 方式 内容
密封性
液压驱动 密封问题较大
气压驱动 密封问题较小
电气驱动 无密封问题
安全性
防爆性能较好，用液压油 作传动介质，在一定条件下 有火灾危险
防爆性能好，高于1000kPa 时，应注意设备的抗压性
已知末端执行器在参考坐标系中的 初始位姿和目标位姿，求各关节角矢量， 称为逆向运动学，又称为运动学逆解。
机器人再现时，机器人控制器逐点 进行运动学逆解运算，并将矢量分解到 操作机各关节。
2.3 工业机器人的运动控制
奇异点
在运动学逆解时，如果得不到唯一解时，即 方程为无解或多解时，就是一个奇异点位置。
动器需要统一安装
独立式
电源和驱动电路集成一体，每一轴的 驱动器可独立安装和使用
2.1 工业机器人的系统组成
控制系统
3）上级控制器
用途
机器人与机器人、机器人与行走装置的协同作业控制 机器人与数控机床、机器人与其他机电一体化设备的集中控制 机器人的调试、编程
形式
PC机：一般的机器人编程、调试和网络连接操作 CNC：机器人和数控机床结合，组成柔性加工单元（FMC） PLC：自动化生产线等设备
缺点：
系统控制缺乏灵活性 控制危险容易集中 出现故障，影响面广，后果严重 系统实时性差 连线复杂，会降低系统的可靠性
2.1 工业机器人的系统组成
控制系统
2）主从式控制系统
主从控制方式是采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实 现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。
3、简介机器人系统的组成与结构,包括三大部分、六个子系统
机器人的系统的组成与结构。
一、三大部分三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。
二、六个子系统六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交换系统、人机交换。
1.驱动系统，要使机器人运作起来，各需各个关节即每个运动自由度安置传动装置。
这就是驱动系统。
驱动系统可以是液压传动、气压传动、电动传动、或者把它们结合起来应用综合系统，可以是直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接传动。
2.机械结构传动，工业机器人的机械结构系统由机座、手臂、末端操作器三大部分组成，每一个大件都有若干个自由度的机械系统。
若基座不具备行走机构，则构成行走机器人；若基座不具备行走及弯腰机构，则构成单机器人臂。
手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。
末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。
3.感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用以获得内部和外部环境状态中有意义的信息。
智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。
人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。
4.机器人一环境交换系统是现代工业机器人雨外部环境中的设备互换联系和协调的系统。
工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工单元、焊接单元、装配单元等。
当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。
5.人工交换系统是操作人员与机器人控制并与机器人联系的装置，例如，计算机的标准终端，指令控制台，信息显示板，危险信号报警器等。
该系统归纳起来分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。
6.控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。
假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。
工业机器人工作原理及其基本构成
工业机器人工作原理及其基本构成工业机器人工作原理现在广泛应用的焊接机器人都属于第一代工业机器人，它的基本工作原理是示教再现。
示教也称导引，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数＼工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。
完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作。
这就是示教与再现。
实现上述功能的主要工作原理，简述如下：(1) 机器人的系统结构一台通用的工业机器人，按其功能划分，一般由 3 个相互关连的部分组成：机械手总成、控制器、示教系统，如图 1 所示。
机械手总成是机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节、末端操作器、以及内部传感器等组成。
它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置，姿态和实现其运动。
图 1 工业机器人的基本结构控制器是机器人的神经中枢。
它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、白保护功能软件等，它处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。
示教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它将控制机器人的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存储器中，它实质上是一个专用的智能终端。
(2) 机器人手臂运动学机器人的机械臂是由数个刚性杆体由旋转或移动的关节串连而成，是一个开环关节链，开链的一端固接在基座上，另一端是自由的，安装着末端操作器 ( 如焊枪 ) ，在机器人操作时，机器人手臂前端的末端操作器必须与被加工工件处于相适应的位置和姿态，而这些位置和姿态是由若干个臂关节的运动所合成的。
因此，机器人运动控制中，必须要知道机械臂各关节变量空间和末端操作器的位置和姿态之间的关系，这就是机器人运动学模型。
一台机器人机械臂几何结构确定后，其运动学模型即可确定，这是机器人运动控制的基础。
机器人系统组成结构
多关节柔性手结构图
多指灵巧手结构图
11
二、机械系统组成
2 机器人的手腕
单自由度手腕 二自由度手腕 三自由度手腕
单自由度手腕示意图 二自由度手腕示意图
三自由度手腕示意图
12
二、机械系统组成
机器人控制系统负责协调、管理、控制系统的所有部件进行工作 ，其基本功能包括：
记忆功能 与外围设备联系功能 示教功能 人机接口 位置伺服功能 传感器接口 故障诊断安全保护功能
22
三、控制系统
机器人控制系统框图
23
三、控制系统
3 机器人控制系统结构
机器人控制系统可分为集中控制、主从控制、分散控制
集中控制：所有控制工作由一台计算机（CPU）完成
48
五、驱动系统
7液压驱动 利用液体的抗挤压力来实现力的传递.
典型液压伺服控制系统
d 2 d (Vol) dx
4
Q d (Vol) d 2 dx d 2 x
dt
4 dt 4
dx表示期望的位移； dv是期望的速度;
控制液体流入速度--实现控制活塞速度
位置控制阀原理
49
五、驱动系统
7液压驱动
36
四、感知系统
4传感器-检测类传感器
温度传感器： 数字量输出：以一定协议直接向外输出数字量 模拟量输出：一般为通过电阻的变化间接测量
18B20
PT100
37
四、感知系统
4传感器-检测类传感器
加速度传感器： 一种能够测量加速力的电子设备。
38
四、感知系统
4传感器-检测类传感器
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
工业机器人控制系统组成及典型结构
一、工业机器人控制系统所要达到的功能
机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下：
1、记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。
2、示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。
在线示教包括示教盒和导引示教两种。
3、与外围设备联系功能：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：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。
5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。
6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。
7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。
8、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。
二、工业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
1）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。
2）Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。
三、工业机器人控制系统分类
1、程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。
2、自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。
这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。
3、人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。
4、点位式：要求机器人准确控制末端执行器的位姿，而与路径无关。
?
5、轨迹式：要求机器人按示教的轨迹和速度运动。
6、控制总线：国际标准总线控制系统。
采用国际标准总线作为控制系统的控制总线，如VME、MUL TI-bus、STD-bus、PC-bus。
7、自定义总线控制系统：由生产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。
8、编程方式：物理设置编程系统。
由操作者设置固定的限位开关，实现起动，停车的程序操作，只能用于简单的拾起和放置作业。
9、在线编程：通过人的示教来完成操作信息的记忆过程编程方式，包括直接示教模拟示教和示教盒示教。
10、离线编程：不对实际作业的机器人直接示教，而是脱离实际作业环境，示教程序，通过使用高级机器人，编程语言，远程式离线生成机器人作业轨迹。
四、机器人控制系统结构
机器人控制系统按其控制方式可分为三类。
1）集中控制系统（CentralizedControlSystem）：用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，在早期的机器人中常采用这种结构，其构成框图，如图2所示。
基于PC的集中控制系统里，充分利用了PC资源开放性的特点，可以实现很好的开放性：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。
集中式控制系统的优点是：硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。
其缺点也显而易见：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重；由于工业机器人的实时性要求很高，当系统进行大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；此外，系统连线复杂，会降低系统的可靠性。
2）主从控制系统：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。
主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等：从CPU实现所有关节的动作控制。
其构成框图，如图3所示。
主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。
3）分散控制系统（DistributeControlSystem）：按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。
这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式，其控制框图如图4所示。
其主要思想是“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系统又称为集散控制系统或分散控制系统。
这种结构中，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等相互通讯。
分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。
分布式系统中常采用两级控制方式。
两级分布式控制系统?通常由上位机、下为机和网络组成。
上位机可以进行不同的轨迹规划和控制算法，下位机进行插补细分、控制优化等的研究和实现。
上位机和下位机通过通讯总线相互协调工作，这里的通讯总线可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB总线等形式。
现在，以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的通讯服务。
尤其是现场总线，它应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字通信，从而形成了新型的网络集成式全分布控制系统—现场总线控制系统 FCS（FiledbusControlSystem）。
在工厂生产网络中，将可以通过现场总线连接的设备统称为“现场设备/仪表”。
从系统论的角度来说，工业机器人作为工厂的生产设备之一，也可以归纳为现场设备。
在机器人系统中引入现场总线技术后，更有利于机器人在工业生产环境中的集成。
分布式控制系统的优点在于：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。
对于具有多自由度的工业机器人而言，集中控制对各个控制轴之间的藕合关系处理得很好，可以很简单的进行补偿。
但是，当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时，其控制性能会恶化。
而且，当系统中轴的数量或控制算法变得很复杂时，可能会导致系统的重新设计。
与之相比，分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理，这意味着，系统有较少的轴间祸合和较高的系统重构性。