机器人技术及应用-机器人控制系统举例
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技术培训《机器人技术及其应用》
机器人控制系统举例
机器人控制 系统举例
机器人控制系统举例
下文以ＰＵＭＡ５６０ 机器人控制系统为例， 说明机器人控制系统的构成和工作基 本原理。
ＰＵＭＡ５６０ 机器人操作臂控制系统的结构如图1⁃３８ 所示。其控制器是由一个 ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机和６ 个Ｒｏｃｋ ｗｅｌｌ ６５０３ 微处理器组成的两级控制 系统。ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机作为上级主控计算机监控下一级的６ 个Ｒｏｃｋ ｗｅ ｌｌ ６５０３ 微处理器。每一个微处理器控制一个关节， 采用ＰＩＤ 控制规律。每一 关节上装有一个增量式数码盘， 检测关节的角位移。数码盘通过接口与上／ 下指针连接， 使微处理器随时读出关节位置。ＰＵＭＡ５６０ 没有采用测速电动机， 而是通过关节位 移的微分得到关节速度， 进行速度反馈。为了获得直流电动机的指令力矩， 微处理器通 过接口与Ｄ⁃Ａ 转换相连， 由直流驱动电路供给电动机电流， 调节加在电枢上的电压来 控制电枢电流， 使它维持预期的值。
１） 坐标变换（直角坐标和关节坐标的相互变换等）。
机器人控Baidu Nhomakorabea系统举例
２） 关节插补和轨迹规划， 每隔２８ｍｓ 向每个关节传送与每个设定点相应的增量 位置更新值。
３） 从６５０３ 微处理器判明各运动关节是否完成它所需的增量运动。 ４） 如果机器人是处于连续路径控制方式， 则还要预先做好２）、３） 两条指令以 完成连续路径插补。 总之， 主控级的主要功能是对操作臂动作命令进行处理。ＶＡＬ 将根据命令说明的 动作要求， 进行坐标变换、轨迹规划和插补运算， 其中路径段时间都为２８ｍｓ。运算 结果所得参数送往相应关节的数字伺服板， 然后检测各关节的运行情况， 以确定它们是 否正常工作。
机器人控制系统举例
关节控制器有两个伺服环。外环提供位置误差信息， 由６５０３ 微处理器大约每０. ８７５ｍｓ 更新一次。内环由模拟器件和补偿器组成， 用以微分反馈， 起阻尼作用。两 个伺服环的增益（相当于前面所述的Ｋｖ 和Ｋｐ） 固定不变， 并调到在ＶＡＬ 程序确定 的速度下的“临界阻尼关节系统” 处理程序。微处理器的主要功能是：
机器人控制系统举例
每个关节有一个关节控制器， 它由数字伺服板、模拟伺服板和功率放大器组成。关 节控制级的核心部分是数字伺服板上的６５０３ 微处理器及其ＥＰＲＯＭ 和Ｄ⁃Ａ 转换。 ６５０３ 微处理器与ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机间的通信是通过一个接口板进行的。接口 板的作用相当于一个信号分配器， 它向每个关节发送轨迹设定点的信息。接口板还和１ ６ 位ＤＥＣ 并行接口板（ＤＲＶ⁃１１） 相连， 后者与ＬＳＩ⁃１１ 的总线交换（接、 送） 数据。微处理器计算出关节误差信号， 并将它送至模拟伺服板。模拟伺服板上带有 关节电动机的电流反馈。
１） 每２８ｍｓ 接收一次来自ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机的轨迹设定点， 并检测、 确认这一信息。然后对关节位置的新值（路径段起点） 和当前值（路径段终点） 之间进 行路径段的插补计算。微处理器把２８ｍｓ 内关节应该运动的角度分成３２ 等分（步）， 于是路径段内每一步的时间为０.８７５ｍｓ。微处理器每隔０.８７５ｍｓ 还从数码盘的 寄存器中读出关节的当前位置，以便在下一步的插补计算时使用。
ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机配备有标准外设： 终端和示教盒， 另外还可选配软盘驱 动器、Ｉ／ Ｏ模块和附加存储器。
机器人控制系统举例
２） 更新由关节插补设定点和数码盘之值所得到的误差驱动信号。 ３） 用Ｄ⁃Ａ 转换把误差驱动信号转换成电流， 然后把电流传送到驱动关节的模拟 伺服板上， 驱动相应的关节运动。
机器人控制系统举例
可见， ＰＵＭＡ 机器人的控制方案基本上是比例积分微分控制（ＰＩＤ 控制器）。 这种方案的主要缺点之一是： 反馈增益是常数， 且是预先确定的， 不能随实际载荷的变 化而改变。由于工业机器人是一个高度非线性系统， 惯性负载、关节间的耦合以及重力 效应都随位姿变化而变化， 有的还与速度有关。而且， 机器人在高速运行时， 惯性负载、 哥氏力、离心力变化很大， 因而采用上述系统（带有恒定的反馈增益） 控制非线性系统， 在速度和有效载荷变化的情况下， 动态性能是不够理想的。实际上， ＰＵＭＡ 机器人操 作臂在减速运动时带有明显的振动。针对这一问题， 许多研究者提出了各种改进方案， 如计算力矩方法。
机器人控制系统举例
图1⁃ ３８ ＰＵＭＡ５６０ 机器人操作臂控制系统的结构
机器人控制系统举例
主控计算机ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 相当于一个监控计算机， 有两个主要功能： ①与用 户进行在线人机对话， 并根据用户的ＶＡＬ 指令（ＶＡＬ 是Ｕｎｉｍａｔｅ 机器人程 序语言） 进行子任务调度； ②与６ 个６５０３ 微处理器进行子任务协调， 以执行用户 指令。与用户在线人机对话，除了包括向用户通报各种出错信息外， 还包括对ＶＡＬ 命 令的分析、解释和解码。一旦ＶＡＬ 命令被解码， 各种内部子程序就被调用来完成调度 和协调功能。在ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机的ＥＰＲＯＭ 中有如下功能：
机器人控制系统举例
机器人控制 系统举例
机器人控制系统举例
下文以ＰＵＭＡ５６０ 机器人控制系统为例， 说明机器人控制系统的构成和工作基 本原理。
ＰＵＭＡ５６０ 机器人操作臂控制系统的结构如图1⁃３８ 所示。其控制器是由一个 ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机和６ 个Ｒｏｃｋ ｗｅｌｌ ６５０３ 微处理器组成的两级控制 系统。ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机作为上级主控计算机监控下一级的６ 个Ｒｏｃｋ ｗｅ ｌｌ ６５０３ 微处理器。每一个微处理器控制一个关节， 采用ＰＩＤ 控制规律。每一 关节上装有一个增量式数码盘， 检测关节的角位移。数码盘通过接口与上／ 下指针连接， 使微处理器随时读出关节位置。ＰＵＭＡ５６０ 没有采用测速电动机， 而是通过关节位 移的微分得到关节速度， 进行速度反馈。为了获得直流电动机的指令力矩， 微处理器通 过接口与Ｄ⁃Ａ 转换相连， 由直流驱动电路供给电动机电流， 调节加在电枢上的电压来 控制电枢电流， 使它维持预期的值。
１） 坐标变换（直角坐标和关节坐标的相互变换等）。
机器人控Baidu Nhomakorabea系统举例
２） 关节插补和轨迹规划， 每隔２８ｍｓ 向每个关节传送与每个设定点相应的增量 位置更新值。
３） 从６５０３ 微处理器判明各运动关节是否完成它所需的增量运动。 ４） 如果机器人是处于连续路径控制方式， 则还要预先做好２）、３） 两条指令以 完成连续路径插补。 总之， 主控级的主要功能是对操作臂动作命令进行处理。ＶＡＬ 将根据命令说明的 动作要求， 进行坐标变换、轨迹规划和插补运算， 其中路径段时间都为２８ｍｓ。运算 结果所得参数送往相应关节的数字伺服板， 然后检测各关节的运行情况， 以确定它们是 否正常工作。
机器人控制系统举例
关节控制器有两个伺服环。外环提供位置误差信息， 由６５０３ 微处理器大约每０. ８７５ｍｓ 更新一次。内环由模拟器件和补偿器组成， 用以微分反馈， 起阻尼作用。两 个伺服环的增益（相当于前面所述的Ｋｖ 和Ｋｐ） 固定不变， 并调到在ＶＡＬ 程序确定 的速度下的“临界阻尼关节系统” 处理程序。微处理器的主要功能是：
机器人控制系统举例
每个关节有一个关节控制器， 它由数字伺服板、模拟伺服板和功率放大器组成。关 节控制级的核心部分是数字伺服板上的６５０３ 微处理器及其ＥＰＲＯＭ 和Ｄ⁃Ａ 转换。 ６５０３ 微处理器与ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机间的通信是通过一个接口板进行的。接口 板的作用相当于一个信号分配器， 它向每个关节发送轨迹设定点的信息。接口板还和１ ６ 位ＤＥＣ 并行接口板（ＤＲＶ⁃１１） 相连， 后者与ＬＳＩ⁃１１ 的总线交换（接、 送） 数据。微处理器计算出关节误差信号， 并将它送至模拟伺服板。模拟伺服板上带有 关节电动机的电流反馈。
１） 每２８ｍｓ 接收一次来自ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机的轨迹设定点， 并检测、 确认这一信息。然后对关节位置的新值（路径段起点） 和当前值（路径段终点） 之间进 行路径段的插补计算。微处理器把２８ｍｓ 内关节应该运动的角度分成３２ 等分（步）， 于是路径段内每一步的时间为０.８７５ｍｓ。微处理器每隔０.８７５ｍｓ 还从数码盘的 寄存器中读出关节的当前位置，以便在下一步的插补计算时使用。
ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机配备有标准外设： 终端和示教盒， 另外还可选配软盘驱 动器、Ｉ／ Ｏ模块和附加存储器。
机器人控制系统举例
２） 更新由关节插补设定点和数码盘之值所得到的误差驱动信号。 ３） 用Ｄ⁃Ａ 转换把误差驱动信号转换成电流， 然后把电流传送到驱动关节的模拟 伺服板上， 驱动相应的关节运动。
机器人控制系统举例
可见， ＰＵＭＡ 机器人的控制方案基本上是比例积分微分控制（ＰＩＤ 控制器）。 这种方案的主要缺点之一是： 反馈增益是常数， 且是预先确定的， 不能随实际载荷的变 化而改变。由于工业机器人是一个高度非线性系统， 惯性负载、关节间的耦合以及重力 效应都随位姿变化而变化， 有的还与速度有关。而且， 机器人在高速运行时， 惯性负载、 哥氏力、离心力变化很大， 因而采用上述系统（带有恒定的反馈增益） 控制非线性系统， 在速度和有效载荷变化的情况下， 动态性能是不够理想的。实际上， ＰＵＭＡ 机器人操 作臂在减速运动时带有明显的振动。针对这一问题， 许多研究者提出了各种改进方案， 如计算力矩方法。
机器人控制系统举例
图1⁃ ３８ ＰＵＭＡ５６０ 机器人操作臂控制系统的结构
机器人控制系统举例
主控计算机ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 相当于一个监控计算机， 有两个主要功能： ①与用 户进行在线人机对话， 并根据用户的ＶＡＬ 指令（ＶＡＬ 是Ｕｎｉｍａｔｅ 机器人程 序语言） 进行子任务调度； ②与６ 个６５０３ 微处理器进行子任务协调， 以执行用户 指令。与用户在线人机对话，除了包括向用户通报各种出错信息外， 还包括对ＶＡＬ 命 令的分析、解释和解码。一旦ＶＡＬ 命令被解码， 各种内部子程序就被调用来完成调度 和协调功能。在ＤＥＣＬＳＩ⁃１１ 计算机的ＥＰＲＯＭ 中有如下功能：