机器人自适应计算机控制系统-2001
文章编号:1004-4507(2001)02-0039-06
机器人自适应计算机控制系统
龙绪明
(西南交通大学,四川成都 610031)
摘 要:根据机器人动力学模型,设计一种离散形模型参考自适应控制系统(MRAC )。MRAC 使系统解偶,采用分布式计算机系统,对每个关节可独立进行实时控制、仿真和联
机,实验表明系统精度高,适应性好。
关键词:机器人;自适应控制;动力学模型;实时控制中图分类号:TP24 文献标识码:A
The Adaptive Control Distributed Computer System of R obot
LONG Xu -ming
(S outhwest Jiaotong universitg of China ,Chengdu 610031,China )
Abstract :A real -time parallel com putational discrete time m odet reference adaptive controll of robot is described ,basing on a united decouple direct time dynamic m odel of robot.The method is decouple.Each degree of freedom of robot can be real -time cantrolled by distributed com puter system.The simu 2lation results show the method to be robust to follow the desire path very well.K eyw ords :R obot ;Adaptive control ;Dynamic m odel ;Real -time control
引言
当机器人的运动速度高,负载变化大时,机器人运动学控制已不能满足要求,必须进行动力学控制,机器人运动的动态特性受到系统的非线性(重力、哥氏力和向心力等)、各关节之间的强偶合、未知负载和系统内部参数变化的影响很大。机器人动力学控制(如前馈补偿控制,最优控制和非线性
控制)能克服机器人上述因素的影响,但因为控制算法复杂,很难进行实时控制。机器人的动力学系统非常复杂,不易获得精确模型。本文根据波波夫超稳定性理论,设计一种离散形式的MRAC 系统,采用简化动力学模型。自适应控制系统不需要准确知道系统模型,它能辩识外界环境和系统内部参数的变化,自动地修正控制系统有关参数和作用,使机器人达到满意和最优的状
收稿日期:2001-04-14
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3 第30卷第2期
电子工业专用设备
2001年6月V ol 130N o 12
Equipment for E lectronic Products Manu facturing
June 2001
态。研究MRAC 使机器人系统解耦,使各个子系统相对独立,采用分布式计算机系统对各个子系统独立实时控制,克服了自适应算法复杂性所带来的实时控制的困难。这种“简化模型+自适应控制+分布式计算机”系统设计方法是很有效的方法,
有机地融合相应技术,设计出最佳系统。仿真和联机实验表明,MRAC 能克服机器人的非线性、耦合和内部参数变化等因素,精度在0101mm 之内。
1 机器人自适应控制系统MRAC
图1为机器人的结构示意图,有5杆构成,除手指外共有5个自由度,肩部差动轮系
构成2个自由度。
图1 机器人机械手的坐标系
111 机器人动力学模型
从控制工程角度,机器人动力学模型采用
拉氏方程较方便T i =
∑D ij ¨
q j
+∑∑D ijk
? q j ? q k +D i +F i
(1)
其中:T i 为关节作用力矩
q i 为关节的角度
q i 、¨q i 关节的角速度,角加速度D ii 、D ij 为关节的有效惯量,偶合惯量D ijj 、D ijk 为关节的向心力,哥氏力G i 为关节的重力
F i 为作用末端杆的外力在关节引起的
重力
将方程式(1)写成矩阵形式
X pi (t )=A c pi (t )?X pi (t )+B c pi ?
U pi (t )+F c
i (t )(2)方程式(2)的等效离散方程为:
X pi (k +1)=A pi ?X pi (k )+B pi (k )?U pi (k )+F i (k )
(3)
其中:
X pi
(k )=[q i (k ) q i (k )]
=[q i (t ) q i (t )]
t =kT
U pi (k )=U
pi (t )
t =kT
,关节驱动信号
F i (k )—包括非线性项,偶合项和参数变
化项的复杂函数
T —采样间隔,选择T =10ms
A pi 和
B pi 有近似形式和准确形式,因
MRAC 不需要知道准确模型,这里只列出近似
形式:
A pi =e
A c
pi
?T
=T +A c
pi ?T +…
=
1 T 0 1-U c
pi ?T
B pi =
∫
T
e
A c
pi
?t
d t ?B c pi =T (1+A c
pi ?T
2
+…)=
T T ?b c
pi
112 机器人离散形式模型参考自适应控制系
统MRAC
图2为MRAC 系统,参考输入为U m (k ),机器人的输出为X o (k ),线性模型跟随的增益
4V ol 130N o 12Equipment for E lectronic Products Manu facturing June 2001
为K u 和K p ,构成机器人的部分输入U p (k ),自适应控制回路确保当机器人的动态变化时,
系统仍保持良好的特性。
图2 机器人离散形式的MRAC 系统
(1)参考模型
参考模型表示每个杆件闭环回路所期望的响应。
X mi (k +1)=A mi ?X mi (k )+B mi ?U mi (k )
(4)
其中:模型的输出:
X T
mi (k )=[X mi (k ) X mi (k )]
模型的输入:U mi (k )
A mi 和
B mi 满足3个条件:
Ⅰ:Erzberyer 条件(I -B pi ?B +pi )B mi =0,(I -B pi ?B +pi )(A mi -A pi )=0;
Ⅱ:动态响应条件
在直线(0,1)上选择2个相等的特征根;Ⅲ:波波夫超稳定性能条件
q i (∞
)=X mi (∞)=U mi (∞) q i (∞)= X mi (∞
)=0设U mi (k )是一个阶跃函数,推导出近似形式的A mi 和B mi 为:
A mi =1
r i 1+r i 2-r i 1?r i 2-1
r i 1+r i 2-1
B mi =
0-U mi 3
其中:r i 1,r i 2是A mi 所希望的根。
(2)LM AC 控制回路
线性模型跟随控制系统LM AC 的控制信
号为:
U pi 1(k )=-K pi ?X pi (k )+K ui ?U mi (k )(5)其中:K pi =B +
pi (A pi -A mi )
=
-
U mi 3
b pi 2 (U pi 4-U mi 4)b pi 2
K ui =B +pi ?B mi =b mi 2/b pi 2B +
pi =(B T
pi ?B pi )
-1
?B T
pi
(3)MRAC 控制回路
一般情况下,动力学系统方程式(3)中
F i (k )≠0,如果K pi 和K ui 是固定增益,LM AC 不能满足要求。所以必须加上MRAC 回路,以递推形式的自适应地调节增益,获得所期望的模型跟随。
自适应控制信号为:
U pi 2(k )=δK pi (k )?X pi (k )+
δK ui (k )?U mi (k )
(6)
其中:
δK pi (k )=δK pi (k )I +f ′i ?G i ?Y i ?X pi (k -1)δK pi (k )I =δK pi (k -1)I +f i ?G i ?Y i ?X pi (k -1)δK ui (k )=δK ui (k )I +m ′i ?h i ?Y i ?U mi (k -1)δK ui (k )I =δK ui (k -1)I +K i ?h i ?Y i ?U mi (k -1)
(7)初始状态为:δK pi (0)=0,δK ui (0)=0参数选择为:f ′i =m ′i =1,是“比例自适应”增益
f i =m i =1,是“积分自适应”增益G i =〔1,1〕,机器人位置和速度调节参数h i =〔1,1〕,正定矩阵
误差修正信号为:Y i (k )公式略
(4)整个系统控制
最后,每个杆件(自由度)的驱动控制信号为:
U pi (k )=-〔K pi -δK pi (k )〕X pi (k )+
〔K ui (k )+δK ui (k )〕U mi (k )
(8)
由此得出MRAC 将动力学系统解偶,控制器仅利用各个杆件的局部信息施行LM AC
1
4 第30卷第2期电子工业专用设备
2001年6月
+MRAC算法。
(5)仿真
图3和图4表示了每个关节期望的运动轨迹和速度曲线,仿真结果表明MRAC系统具有良好轨迹跟踪性(图5和图6)、解耦性(图7)和适应性(图8)。
2 分布式计算机控制系统
由于MRAC将机器人动力学系统解耦,采用分布式计算机系统,即能并行实时控制,图9为机器人分布式计算机控制系统。211 系统构成
主控机:采用lntel工控机,
主要完成系统管理、任务分配、声控、示教等,根据声控指令或键盘输入指令,确定各关节运动参数,并进行优化。
从主理器:采用MCS—97单片机,实现MRAC算法,
完成主控机规定的运动要求目图9 机器人分布式计算机控制系统
24V ol130N o12Equipment for E lectronic Products Manu facturing June2001
标。上面已得到解偶的离散形MRAC算法,可以用一个单片机控制一个子系统,程序设计简单,各单片机(除了少数参数外)基本上相同,从而达到统一性、规格化和并行实时控制。
示教盒:示教方式采用机器人关节坐标进行示教,把机器人的运动参数直接记录在处理机中。
通路选择器:主———从处理机之通信信道选择。
脉带调制器PW M:电机的平均电压为U AB=U0t1/T。
212 用单片机实现MRAC算法
基本级采用5个单片机MCS—97独立控制机器人5个自由度的运动,每个自由度控制系统均由单片机、PW M、电机和光码盘组成一个闭环控制系统,各个单片机之间无信息交换,独立实现MRAC算法,在一个采样周期内(10ms),MRAC算法运算时间为513ms。
(1)MRAC算法机器化
首先将MR AC算法机器化,保证机器化量的绝对值≤1。控制信号方程(8)机器化量为: U(n)=[-(KP1-DKP1?2-1)?Q(n)-
(KP2-DKP2?2-1)? V(n)?2+
(K U+DK U?2-1)? U
m
(n)]?22(9)
(2)从处理机(基本级)系统软件
图
10为基本级单片机系统软件,各单片机的软件基本相同
,只是参数有些变化,主要由5个模块组成:主/从处理器相互通信模块,动作位置控制(含示教盒)模块,MR AC模块,故障处理模块。
(3)自适应控制MR AC算法程序
MR AC算法程序如图11所示,首先计算参考轨迹 Q
m、 V m,机器人的实际运动 Q、 V,通过光码盘采样到单片机采样计数器中,比较参考轨迹与实际运动的误差,计算出MR AC系统的驱动控制电压(式9),驱动电机正反转。
MRAC算法程序,主要由9个模块组成:
图10 基本级单片机控制系统软件
图11 单片机自适应控制MR AC算法程序
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第30卷第2期电子工业专用设备2001年6月
参考轨迹模块 采样模块
误差修正信号模块 自适应递推增益模块
自适应MRAC 控制信号模块: U (n ) PW M 脉宽输出模块
内部定时器中断子程序:
脉宽中断控制PW M 脉宽输出,采样周期中断控制采样和主程序流程。
故障处理模块
补码运算子程序。
3 结论
仿真和实验表明,MRAC 自适应控制能
克服机器人的非线性,强耦合等因素,采用分布式计算机系统能很好地实现MRAC 算法,解决机器人高速高精度与控制算法实时控制的矛盾。参考文献:
[1]Suhiendra N S inch.Adaptive M odel F ollo -Wing
C ontrol of N on -Liner R ohotis Systems [J ].IEEE ,1988,30(11):1-25.
[2]龙绪明.高精度视觉粘片机计算机控制系统[J ].
电子工业专用设备,1996,25(1):38-45.
[3]D.P.S torten.Discrete Adaptive C ontrol of a Manipula 2
tor Arm[J ].Optimal C ontrol Application ,1985,3:56-59.
(上接第13页)国外生产线换代速度加快,导
致旧设备的廉价进口,对国产设备造成了强烈冲击。315 人才缺乏
人才流失严重,高素质人才缺乏。316 缺乏对外合作
由于国内切割设备的产业规模太小,国外该行业的厂家无合作兴趣,因此此类设备对外合作基本上是空白。
4 面对WTO 应采取的措施和对策
(1)深化企业改革,推行轻型化结构,实行
行业精缩,成立专门切割设备课题组,瞄准国际
上先进切割设备发展方向,争取每2—3年开发一种有市场需求、国内领先、跟踪国际上切割设备行业发展方向的切割机问世。目前急需解决的是<200m m 切割机研制开发和线锯的技术探索,大直径空气轴承的实用化研究。
(2)更新国产化概念,提高产品的质量,对国内不过关的零部件采用进口解决,如大直径空气轴承,以利于配套专业化和保证产品质量,研制中推行MT BF ,MT BR 等可靠性
指标,提高产品的可靠性。
(3)积极开展对外合作和技术交流,吸引国外先进的技术和资金投入,利用已有的国外成熟技术,缩短开发周期。
(4)广开途径,吸收人才
5 结束语
国外切割设备在21世纪必将会有更大的发展,我国应加大投资力度,集中精力,人才,开发研究符合我国国情的新一代切割设备,提高切割机的质量,以满足我国大规模集成电路发展的需要。参考文献:
[1]堀江物
心治.300mm の 内刃砥石切断技术[J ]1电子材料,1998,2:22-261
[2]阿部孝夫1大口径 のたぬの次世代加工
技术[J ]1电子材料,1996,7:22-281
[3]绢谷一朝,金道幸宏, -にょる大口径
の切断技术[J ]1电子材料,1996,7:29-331
4
4V ol 130N o 12Equipment for E lectronic Products Manu facturing June 2001
机器人控制器的现状及展望概要
第21卷第1期1999年1月 机器人ROBO T V o l.21,N o.1 Jan.,1999机器人控制器的现状及展望α 范永谭民 (中国科学院自动化研究所北京100080 摘要机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一,它从一定程度上影响着机器人的发展.本文介绍了目前机器人控制器的现状,分析了它们各自的优点和不足,探讨了机器人控制器的发展方向和要着重解决的问题. 关键词机器人控制器,开放式结构,模块化 1引言 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有50年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了3代[1]: (1可编程的示教再现型机器人;(2基于传感器控制具有一定自主能力的机器人;(3智能机器人.作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一.它从一定程度上影响着机器人的发展.目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求. 对于不同类型的机器人,如有腿的步行机器人与关节型工业机器人,控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样.本文仅讨论工业机器人控制器问题. 2机器人控制器类型
机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置,它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣. 从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型. 211串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理.对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种[2]. (1单CPU结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能.在早期的机器人中,如H ero2I,Robo t2I等,就采用这种结构,但控制过程中需要许多计算(如坐标变换,因此这种控制结构速度较慢. (2二级CPU结构、主从式控制方式 一级CPU为主机,担当系统管理、机器人语言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送到公用内存,供二级CPU读取;二级CPU完成全部关节位置数字控制.这类系统的两个CPU总线之间基本没有联系,仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系.对采用更多的CPU进一步分散 α1998-09-03收稿 67机器人1999年1月 功能是很困难的.日本于70年代生产的M o tom an机器人(5关节,直流电机驱动的计算机系统就属于这种主从式结构. (3多CPU结构、分布式控制方式
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。
机器人控制系统组成、分类及要求
机器人控制系统 一、工业机器人控制系统应具有的特点 工业机器人控制系统的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等项。其中有些项目的控制是非常复杂的，这就决定了工业机器人的控制系统应具有以下特点： （1）工业机器人的控制与其机构运动学和动力学有着密不可分的关系，因而要使工业机器人的臂、腕及末端执行器等部位在空间具有准确无误的位姿，就必须在不同的坐标系中描述它们，并且随着基准坐标系的不同而要做适当的坐标变换，同时要经常求解运动学和动力学问题。 （2）描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着工业机器人的运动及环境而改变。又因为工业机器人往往具有多个自由度，所以引起其运动变化的变量不止个，而且各个变量之间般都存在耦合问题。这就使得工业机器人的控制系统不仅是一个非线性系统，而且是一个多变量系统。 （3）对工业机器人的任一位姿都可以通过不同的方式和路径达到，因而工业机器人的控制系统还必须解决优化的问题。 二、对机器人控制系统的一般要求 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： ?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。 ?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。 ?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。?坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 ?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。 ?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。?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
机器人控制器的现状及展望概要
机器人控制器的现状及展望 摘要机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一, 它从一定程度上影响着机器人的发展。本文介绍了目前机器人控制器的现状, 分析了它们各自的优点和不足, 探讨了机器人控制器的发展方向和要着重解决的问题。 1引言 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有 50年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了 3代:(1 可编程的示教再现型机器人; (2 基于传感器控制具有一定自主能力的机器人; (3 智能机器人。作为机器人的核心部分, 机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一。它从一定程度上影响着机器人的发展。目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步, 使得机器人的研究在高水平上进行, 同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求。 对于不同类型的机器人, 如有腿的步行机器人与关节型工业机器人, 控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样。本文仅讨论工业机器人控制器问题。 2机器人控制器类型 机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置, 它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣。 从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型。 2.1串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理。对于这种类型的控制器, 从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种。 (1单 CPU 结构、集中控制方式
用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。在早期的机器人中, 如 Hero-I, Robot-I等, 就采用这种结构, 但控制过程中需要许多计算 (如坐标变换 , 因此这种控制结构速度较慢。 (2二级 CPU 结构、主从式控制方式 一级 CPU 为主机,担当系统管理、机器人语言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送到公用内存, 供二级 CPU 读取;二级 CPU 完成全部关节位置数字控制。 这类系统的两个 CPU 总线之间基本没有联系,仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系。对采用更多的 CPU 进一步分散功能是很困难的。日本于 70年代生产的 Motoman 机器人(5关节,直流电机驱动的计算机系统就属于这种主从式结构。 (3多 CPU 结构、分布式控制方式 目前, 普遍采用这种上、下位机二级分布式结构, 上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多 CPU 组成,每个 CPU 控制一个关节运动,这些 CPU 和主控机联系是通过总线形式的紧耦合。这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高。但这些多 CPU 系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构,即每个处理器承担固定任务。目前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构。 控制器计算机控制系统中的位置控制部分,几乎无例外地采用数字式位置控制。 以上几种类型的控制器都是采用串行机来计算机器人控制算法。它们存在一个共同的弱点:计算负担重、实时性差。所以大多采用离线规划和前馈补偿解耦等方法来减轻实时控制 中的计算负担。当机器人在运行中受到干扰时其性能将受到影响, 更难以保证高速运动中所要求的精度指标。
机器人控制器研发现状
机器人控制器研发现状 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、POWER PC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（System on Chip）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DELTA TAU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(Robot Development Environment)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。国内外现有的机器人系统开发环境有TeamBots,v.2.0e、ARIA,V.2.4.1、Player/Stage,v.1.6.5.1.6.2、Pyro.v.4.6.0、CARMEN.v.1.1.1、MissionLab.v.6.0、ADE.V.1.0beta、Miro.v.CVS-March 17.2006、MARIE.V.0.4.0、Flow Designer.v.0.9.0、RobotFlow.v.0.2.6等等。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
机器人发展概况
目录 （一）、机器人运动系统的组成、基本结构 (1) 1、驱动系统 (2) 2、感受系统 (2) 3、机器人——环境交互系统 (3) 4、人机交互系统 (3) 5、控制系统 (3) 6、机械传动结构 (3) （二）、国内外机器人厂家的对比 (4) 1、技术差距 (4) 2、品牌厂家 (5) 3、产品系列 (5) 4、产品价格及成本 (8) （三）机器人控制的智能化、网络化发展 (9) 1、国产机器人的发展状况 (9) 2、应用市场和产品类型的变化 (10) 3、高端智能化机器人将成重点 (11)
智能机器人运动控制系统的综述及发展摘要：本文简述了机器人控制系统，讨论了该系统的分类。综述了机器人控制系统最新的研究内容和成果，调研了机器人控制系统的市场应用。发现，机器人在工业、国防、科研、教育以及人们的日常生活等诸多领域都已广泛应用，并向着标准化、模块化、智能化不展。 关键词：机器人控制系统研究市场 （一）、机器人运动系统的组成、基本结构如图1和图2所示，机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成。这三大部分可以分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人—环境交互系统六个子系统。
图1 机器人的基本结构示意图 图2 机器人基本组成示意图 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、感受系统 它由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能化传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧
工业机器人控制系统
更多论文请加QQ 1634189238 492186520 第一章绪论 1.1 工业机器人的发展及分类 1.1.1 工业机器人的发展 工业机器人的发展通常可规划分为三代： 第一代工业机器人：通常是指目前国际上商品化与使用化的“可编程的工业机器人”，又称“示教再现工业机器人”，即为了让工业机器人完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需要的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业顺序和作业时间等），通过直接或间接手段，对工业机器人进行“示教”，工业机器人将这些知识记忆下来后，即可根据“再现”指令，在一定精度范围内，忠实的重复再现各种被示教的动作。1962年美国万能自动化公司的第一台Unimate工业机器人在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代工业机器人的诞生。 第二代工业机器人：通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）功能的“智能机器人”。即有传感器得到触觉、力觉和视觉等信息计算机处理后，控制机器人的操作机完成相应的适当操作。1982年美国通用汽车在装配线上为工业机器人装备了视觉系统，从而宣布了新一代智能工业机器人的问世。 第三代工业机器人：即所谓的“只治式工业机器人”。它不仅具有感知功能，而且还有一定的决策及规划能力。第一代工业机器人目前仍处在实验室研究阶段。工业机器人经历了诞生---成长---成熟期后，已成为制造业中不可缺少的核心装备，世界上有约75万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在个条生产线上，特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途发特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人的操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术、生产了部分机器人的关键元器件，开发出喷漆、焊弧、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台配套喷漆机器人在二十与家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。 但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。 1.1.2 工业机器人的分类 工业机器人按不同的方法可分下述类型 工业机器人按操作机坐标形式分以下几类：（坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。）
机器人控制器的现状及展望
第21卷第1期1999年1月 机器人 ROBOT V ol.21,No.1 J a n.,1999机器人控制器的现状及展望⒇ 范 永 谭 民 (中国科学院自动化研究所 北京 100080) 摘 要 机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一,它从一定程度上影响着机器人的发展.本文介绍了目前机器人控制器的现状,分析了它们各自的优点和不足,探讨了机器人控制器的发展方向和要着重解决的问题. 关键词 机器人控制器,开放式结构,模块化 1 引言 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有50年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了3代[1]: (1)可编程的示教再现型机器人;(2)基于传感器控制具有一定自主能力的机器人;(3)智能机器人.作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一.它从一定程度上影响着机器人的发展.目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求. 对于不同类型的机器人,如有腿的步行机器人与关节型工业机器人,控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样.本文仅讨论工业机器人控制器问题. 2 机器人控制器类型 机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置,它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣. 从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型. 2.1 串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理.对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种[2]. (1)单CPU结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能.在早期的机器人中,如Hero-I,Robo t-I等,就采用这种结构,但控制过程中需要许多计算(如坐标变换),因此这种控制结构速度较慢. (2)二级CPU结构、主从式控制方式 一级CPU为主机,担当系统管理、机器人语言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送到公用内存,供二级CPU读取;二级CPU完成全部关节位置数字控制.这类系统的两个C PU总线之间基本没有联系,仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系.对采用更多的CPU进一步分散 ⒇1998-09-03收稿 DOI:10.13973/https://www.wendangku.net/doc/0d6317257.html, k i.rob ot.1999.01.014
工业机器人技术课后题答案
第一章课后习题： 3、说明工业机器人的基本组成及各部分之间的关系。 答：工业机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人－环境交互系统、人机交互系统和控制系统。各部分之间的关系可由下图表明： 4、简述工业机器人各参数的定义：自由度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。 答：自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不应包括手爪(末端操作器)的开合自由度。 重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力, 可以用标准偏差这个统计量来表示, 它是衡量一列误差值的密集度(即重复度)。 工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合, 也叫工作区域。 工作速度一般指工作时的最大稳定速度。 承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最
大质量。承载能力不仅指负载, 而且还包括了机器人末端操作器的质量。 第二章课后习题： 1、 答：工业上的机器人的手一般称之为末端操作器, 它是机器人直接用于抓取和握紧(吸附)专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件。具有模仿人手动作的功能, 并安装于机器人手臂的前端。大致可分为以下几类: (1) 夹钳式取料手；(2) 吸附式取料手；(3) 专用操作器及转换器；(4) 仿生多指灵巧手。 4、 答：R关节是一种翻转(Roll)关节。B关节是一种折曲(Bend)关节。Y关节是一种偏转(Yaw)关节。具有俯仰、偏转和翻转运动, 即RPY运动。 5、 答：行走机构分为固定轨迹式和无固定轨迹式。无固定轨迹式又分为与地面连续接触（包括轮式和履带式）和与地面间断接触（步行式）。轮式在平地上行驶比较方便，履带式可以在泥泞道路上和沙漠中行驶。步行式有很大的适应性, 尤其在有障碍物的通道(如管道、台阶或楼梯)上或很难接近的工作场地更有优越性。 第三章课后习题：
工业机器人控制系统的组成教学内容
工业机器人控制系统 的组成
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。
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、MULTI-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。
机器人控制技术论文
摘要 为使机器人完成各种任务和动作所执行的各种控制手段。作为计算机系统中的关键技术，计算机控制技术包括范围十分广泛，从机器人智能、任务描述到运动控制和伺服控制等技术。既包括实现控制所需的各种硬件系统，又包括各种软件系统。最早的机器人采用顺序控制方式，随着计算机的发展，机器人采用计算机系统来综合实现机电装置的功能，并采用示教再现的控制方式。随着信息技术和控制技术的发展，以及机器人应用范围的扩大，机器人控制技术正朝着智能化的方向发展，出现了离线编程、任务级语言、多传感器信息融合、智能行为控制等新技术。多种技术的发展将促进智能机器人的实现。 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti 和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 关键词：机器人，机器人控制，PID，自动控制
目录 摘要.......................................................... I 第1章绪论................................................ - 1 - 1.1机器人控制系统 (1) 1.2机器人控制的关键技术 (1) 第2章机器人PID控制...................................... - 2 - 2.1PID控制器的组成 (2) 2.2PID控制器的研究现状 (2) 2.3PID控制器的不足 (3) 第3章 PID控制的原理和特点 ................................ - 4 - 3.1PID控制的原理 (4) 3.2PID控制的特点 (5) 第4章 PID控制器的参数整定 ................................ - 5 -后记...................................................... - 6 -
移动机器人控制系统的发展方向
移动机器人控制系统的发展方向 摘要随着计算机技术、传感器技术的不断发展，对于机器人领域的发展具有一定的促进作用。而由于移动机器人具有能够自治与移动的特征，在机器人领域处于核心地位。在复杂、危险的环境中，移动机器人所发挥的作用是有目共睹的。对此，对当前国内外较为常见的移动机器人控制系统进行剖析，并在此基础上论述了该领域的未来发展方向。 【关键词】移动机器人控制系统发展方向 移动机器人属于能够自动执行工作任务的机器，不但能够按照事先编译的程序运行，同时人类还可对其指挥。当前主要被运用在生产业、建筑业以及航空航天领域，而该领域的发展情况直接关系到国家综合实力的提升速度，对此加强对移动机器人控制系统的发展情况，以及未来发展方向的研究势在必行。 1 国内外常见的移动机器人控制系统 相对于国内在移动机器人的研究状况，能够看出国外在该领域的研究是较早的，其中具有代表性的有Saphira、TeamBots以及ISR。而在国内方面，代表性的有OSMOR、ZJMR以及Agent。下面，便对较为常用的控制系统进行介
绍： 1.1 国外移动机器人控制系统 1.1.1 Saphira控制系统 Saphira控制系统是移动机器人领域中最早的系统，是有SRI国际人工智能中心在1990年所研发的，此系统是基于本地感知空间的共享内存与黑板，来实现协调与通信进程。由于Saphira是采用C语言来进行开发的，同时支持Windows 与Unix系统，因此具有文档资料相对完整、系统资源占用少等特征。但是需注意的是，由于Saphira系统在定位方面无法达到当前的实际需求，因此运用是相对较少的。 1.1.2 TeamBots控制系统 本系统是基于Java包与Java应用程序而构建的，经过20余年的发展后，此系统截止到目前已经被运用到多种类型的机器人平台当中。除此之外，在适用的操作系统方面，其中具有代表性的有Windows、MacOS以及Linux等，因此其运用的范围是更加广泛的。 1.1.3 ISR控制系统 ISR是基于行为的控制模式，其中是有任务执行层、反映层以及推理层所构成的，是有CAS研究中心所研发的。其中，任务执行层的作用是执行推理层所传输的指令；反映层其中包含资源、控制器以及行为；推理层的功能是根据用户的指令来对决策进行制定。此外，ISR控制系统仅能够在
工业机器人的结构与组成
. ..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。 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。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。 具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。
机器人控制系统
一、工业机器人的控制系统 工业机器人要与外围设备协调动作，共同完成作业任务，就必须具备一个功能完善、灵敏可靠的控制系统。工业机器人的控制系统可分为两大部分：一部分是对其自身运动的控制，另一部分是工业机器人与周边设备的协调控制。 机器人的结构是一个空间开链机构，其各个关节的运动是独立的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关节的运动协调。 1.机器人控制系统特点 （1）机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。机器人的状态可以在各种坐标系下进行描述，应当根据需要选择不同的参考坐标系，并作 适当的坐标变化。经常要求正向运动学和反向运动学的解，除此之外， 还要考虑惯性力、外力（包含重力）、哥氏力及向心力的影响。 （2）描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此， 仅仅利用位置闭环是不够的，还要利用速度甚至加速度闭环。系统中 经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。 （3）机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径完成，因此存在一个最优的问题。 总而言之，机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关、有耦合、非线性的多变量控制系统。 2.工业机器人控制系统的主要功能 工业机器人的控制系统的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等项目，其中有些项目的控制是非常复杂的。 2.1示教再现控制 示教再现控制的主要内容包括示教及记忆方式和示教编程方式。 示教及记忆方式 （1）示教方式 示教分为集中式示教和分离式示教。集中式示教是指同时对位置、速度、操作顺序等进行的示教方式。分离示教方式是指在示教位置之后，再一边动作，一边分别示教位置、速度、操作顺序等的示教方式。 （2）记忆方式 随机存取存储器（RAM）和可编程只读存储器（EPROM）示教编程方式 示教编程可分为手把手示教编程和示教盒示教编程。手把手示教编程主要用于实现连续轨迹控制，具体方法是人工利用示教手柄引导末端执行器经过所要求的位置，同时由传感器检测出工业机器人各关节处的坐标值，并由控制系统记录、存储下这些数据信息。示教盒示教编程是人工利用示教盒上所具有的各种功能的按钮来驱动工业机器人的各关节轴，按作业所需要的顺序单轴运动或多关节协调运动，从而完成位置和功能的示教编程。 2.2工业机器人的运动控制 工业机器人的运动控制是指工业机器人的末端执行器从一点移动到另一
详细解析工业机器人控制系统
详细解析工业机器人控制系统 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----运动控制器，做路径和电机联动的算法运算控制； 控制方式----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 1.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）； 2.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）； 3.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）； 4.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）；
工业机器人控制系统的基本原理
工业机器人控制系统的 基本原理 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
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。
工业机器人控制的功能、组成和分类
1. 对机器人控制系统的一般要求 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： ·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。 ·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。 ·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。 ·坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 ·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。 ·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。 ·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。 2．机器人控制系统的组成（图1） （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Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET 等。
智能机器人的控制技术前景分析
智能机器人的控制技术前景分析 随着科学技术的发展，机器人控制技术也日渐成熟，不仅在力矩和位置控制等基础技术上有所进步，在智能化控制上也有显著提高。可是机器人基础控制技术尽管比较完善，但是想要得到进一步提升却有很大难度，因此，智能化发展成为了机器人控制技术的研发方向，该技术上突破会给基础控制技术的发展带来契机，本文重在研究机器人控制技术的发展方向及难度，希望本文内容能对机器人控制技术的研究带来帮助。 机器人技术一直是国内外科学家重点研究的课题，尤其是美国、日本等发达国家更是机器人研究能力较强的国家，他们对机器人的研究工作有近60年了，而且实现了编程机器人向智能化机器人的发展。他们经过多年研究总结，把机器人控制技术分为三大部分，分别是力矩技术、位置技术和智能技术，其中，力矩技术和位置技术是基础，智能技术是研究的发展方向，所以说，前者是基础技术，后者是重点技术，两者都要快速地向前发展。 1.机器人基础控制技术的重要性及所面临的技术难题 力矩技术和位置技术是机器人控制技术的基础，智能化技术是在这两种技术的基础上进行发展的，所以说，我们要想实现机器人智能化发展，就要先认识到力矩技术和位置技术的作用，了解到两种基础控制技术的重要性。 以前，在机器人基础控制技术中的研究重点是速度、位置和受力等要素，而随着科学技术的发展，控制技术又需要研究各种实用的系统技术，从而保证机器人基础控制技术更加完善。可以这样说，在当今时代，机器人基础控制技术已经达到了一定的水平，这给机器人控制技术的发展打下了坚实的基础，但是，对于作为基础技术中的力矩技术和位置技术来说，要想实现突破，却要依赖智能化技术的发展，因此，位置技术、力矩技术、智能技术三者是紧密联系和相互制约的，位置技术和力矩技术为机器人控制技术智能化发展打下了基础，智能化技术又为机器人基础控制技术的突破带来了机会。下面，我介绍一下机器人控制基础技术所面临的难题。 第一，机器人基础技术研发中存在技术难题。机器人系统设置和实际运动出现不一致问题，这个问题一直难以解决，这对位置技术和力矩技术来说是一个大的挑战。第二，数据模型不能解决机器人运动中的复杂问题。机器人在实际运行中遇到复杂问题时，数据模型就出现工作不正常现象，还有一些难以预见的问题，更是机器人控制基础技术难以解决的。第三，机器人基础控制技术系统不够完善。由于机器人基础控制技术都是建立在数字模型基础上的，该数字模型只是简单的力矩控制系统，根本不能完成复杂的指令，因此，机器人为了提高系统的性能，就需要增加设备来实现，这对基础控制系统来说难度很大。第四，机器人基础控制技术不能解决不确定对象的有关问题。机器人运行中会遇见很多不确定因素，由于这些不确定因素没有建立数字模型，因此，这些问题就难以靠基础控制技术来解决。所以说，机器人性能要想得到提高，光靠基础控制技术是难以实现的，