工业机器人控制系统的基本原理

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。