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嵌入式工业机器人运动控制器的研究

学校代码：

10289

分类号： TP242.2 密级：公

开

学号： 092030036

江苏科技大学硕士学位论文

嵌入式工业机器人运动控制器的研究

研究生姓名王冠导师姓名林明申请学位类别工学硕士学位授予单位江苏科技大学学科专业信号与信息处理论文提交日期 2011年12月 30日研究方向信号处理理论与技术论文答辩日期 2012年03月 17日答辩委员会主席评阅人

2012年 3月15日

嵌入式工业机器人运动控制器的研究

王

冠

江苏科技大学

分类号：TP242.2

密级：公开

学号：092030036

工学硕士学位论文嵌入式工业机器人运动控制器的研究

学生姓名王冠

指导教师林明教授

江苏科技大学

二O一二年三月

A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Engineering

Research on the Motion Control of Robot Based on Embedded System

Submitted by

Wang Guan

Supervised by

Lin Ming

Jiangsu University of Science and Technology

March, 2012

江苏科技大学学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：

年月日

江苏科技大学学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于：

(1)保密□，在年解密后适用本授权书。

(2)不保密□。

学位论文作者签名：指导教师签名：

年月日年月日

摘要

工业机器人控制系统是机器人的重要组成部分，主要用于对操作机的控制，以完成特定工作任务。运动控制器在机器人控制系统中占核心地位，是机器人的神经中枢。其设计好坏决定了机器人系统的整体行为和整体性能，决定了控制性能的优劣，同时也影响着机器人使用的方便程度。机器人运动学作为机器人学的一个重要的研究领域，主要研究和解决机械手臂转向何方的问题，其对机器人的控制、机器人动力学和轨迹规划有着深远的影响。

针对传统求解工业机器人逆解问题中存在的不足，给出了一种基于改进遗传算法的机械手逆解的求解方法。该算法采用了自适应的交叉，变异算子，改进了排序方法，在保证解的精度的同时对解进行了合理的优化，使求解过程更精确。同时在求解过程中使用罚函数法，对多解问题进行优化，从而逆解更具有实用性。选用工业机器人PUMA560为对象进行仿真实验，从算法快速性方面进行考虑，满足了求解过程的实时性要求。通过使用MATLAB对算法进行仿真，研究表明，该算法求解精度高，并能有效避免多解。同时对比简单遗传算法，该求逆算法具有稳定性好，收敛快等优点。

针对现有控制系统的不足，选取OMAP3530和Linux操作系统构建整个工业机器人控制系统，突破了传统工业机器人的封闭结构，具有良好的可扩展性。在OMAP3530上进行编程设计并对该算法进行了移植。通过ARM核和DSP核的协同工作，配合TI 官方软件包Codec Engine，ARM端的应用程序调用DSP端遗传算法，并最终返回调用结果。程序运行结果亦显示该遗传算法具有运算精度高，运行速度快等优点；较之普通PC机，OMAP3530平台更小，功耗更低，并且处理速度更快。

关键词嵌入式；工业机器人；逆解；遗传算法

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Abstract

Industrial robot control system was an important part of the robot，and was mainly used for manipulator control to accomplish specific tasks. Motion controller accounted for the central position of the robot system，at the same time was the nerve center of the robot. The robot control system design determined the overall performance and the control performance，while also decided the convenience of the use of the robot. Robot kinematics as an important area of the robotics research，mainly solved the question of where the robot turned to. The robot kinematic had far-reaching impact on the robot control，robot dynamics and trajectory planning.

A new method of improved genetic algorithm was proposed to solve the inverse kinematic for manipulator. The algorithm raised an adaptive crossover and mutation operation，also improved the ranking method，with which the problem can be solved accurately and rapidly. The problem of multiple solutions can be optimized by using the penalty function，which can make the inverse kinematic more practical. Then Used the MATLA

B for simulation of the genetic algorithm，and the simulation results showed that the algorithm has high accuracy and can effectively avoid multi-solution. Contrasted with the simple genetic algorithm to solve the inverse kinematic，the improved genetic algorithm had good stability，high convergence，etc.

As for the insufficient of the existing controller，selected OMAP3530 and Linux operating system to build the industrial robot control system，which improved the traditional closed structure of industrial robot，also had good scalability. we designed the algorithm and transplanted it on this chip. Programmed on the omap3530，through the cooperation of the ARM core and the DSP core，with the TI official software package Codec Engine，ARM-side applications can successfully call DSP-side genetic algorithm，and return the result of the call. The run results of the genetic algorithm show that the algorithm has high precision，speediness advantage and so on. Compared with an ordinary PC，the OMAP3530 platform is smaller，low-power，and the processing speed is faster.

Keywords Embeded System；industrial robot；inverse kinematics；genetic algorithm

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摘要....................................................................................................... I Abstract..................................................................................................III 第1章绪论.......................................................................................... ..1 1.1 课题的研究背景和选题意义 . (1)

1.2 工业机器人控制系统的研究概况 (3)

1.2.1 工业机器人国内外研究现状 (3)

1.2.2 运动控制器研究现状 (4)

1.3 机器人逆解的研究概况 (5)

1.4 课题研究内容及主要章节安排 (7)

第2章机器人运动学 (9)

2.1 机器人的数学基础 (9)

2.1.1 机器人位姿表示 (9)

2.1.2 机器人坐标变换 (10)

2.2 机器人运动学 (11)

2.2.1 机器人连杆坐标表示 (12)

2.1.2 机器人连杆变换矩阵 (13)

2.1.3 PUMA机器人运动学 (14)

2.3 PUMA机器人逆运动学 (16)

2.4 本章小结 (18)

第3章工业机器人遗传算法的逆解分析 (19)

3.1 遗传算法简介 (19)

3.2 遗传算法的基本理论 (20)

3.3 机器人逆解遗传算法问题描述 (21)

3.4 改进的遗传算法的机器人逆解 (23)

3.5 试验结果分析 (27)

3.5.1 仿真工具软件MATLAB (27)

3.5.2 逆解算法的计算结果 (27)

3.5.3 逆解算法的性能分析 (31)

3.6 本章小结 (33)

第4章工业机器人逆解算法的实现 (35)

4.1 OMAP3530芯片及开发环境的搭建 (35)

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4.1.1 OMAP3530硬件平台 (37)

4.1.2 OMAP3530软件开发环境 (38)

4.2 构建嵌入式Linux开发环境 (38)

4.3 构建内核模块 (40)

4.3.1 XDC 工具 (40)

4.3.2 Codec Engine软件包 (42)

4.3.3 DSPLink 模块的构建 (44)

4.3.4 LPM模块的构建 (46)

4.3.5 CMEM模块的构建 (47)

4.3.6 修改内存映射 (49)

4.4 逆解算法实现 (53)

4.4.1 Codec Engine工程 (53)

4.4.2 Codec Engine可执行文件 (55)

4.5 逆解算法运行结果分析 (58)

4.5.1 逆解算法结果分析 (58)

4.5.2 逆解算法性能分析 (61)

4.6 本章小结 (61)

第5章结论 (63)

5.1 全文总结 (63)

5.2 展望 (63)

参考文献 (65)

攻读硕士学位期间发表的学术论文 (69)

致谢 (71)

Contents

Abstract(Chinese).......................................................................................I Abstract(English)......................................................................................III Chapter 1 Introduction (1)

1.1 Research Background and Significance (1)

1.2 Industrial Robot Control System Research Status (3)

1.2.1 Research Status of Industrial Robot (3)

1.2.2 Research Status of Motion Controller (4)

1.3 Research Status of Robot Inverse Kinematics (5)

1.4 The Main Conents of the Paper and Chapter Arrangement (7)

Chapter 2 Robot Kinematics (9)

2.1 Mathematic Basis of Robot (9)

2.1.1 Robot Kinematic Pose and Posture (9)

2.1.2 Robot Kinematic Coordinate Transformation (10)

2.2 Robot Kinematics (11)

2.2.1 Robot Link Coordinate (12)

2.1.2 Homogeneous Transformation Matrix of Adjacent Link (13)

2.1.3 PUMA Robot Kinematics (14)

2.3 PUMA Robot Inverse Kinematics (16)

2.4 Summary (18)

Chapter 3 The Analysis of Industrial Robot Inverse Kinematics based on Genetic Algorithm (19)

3.1 Introduction to Genetic Algorithm (19)

3.2 Basic Theory Of Genetic Algorithm (20)

3.3 Description Of Robot Inverse Kinematics (21)

3.4 Robot Inverse Kinematics Based on Improved Genetic Algorithm (23)

3.5 Analysis of Test Result (27)

3.5.1 MATLAB Simulation Tools (27)

3.5.2 Inverse Kinematic Algorithm Test Result (27)

3.5.3 Performance and Analysis of the Inverse Kinematic Algorithm (31)

3.6 Summary (33)

Chapter4 The Implementation of Robot Inverse Kinematics Algorithm (35)

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4.1 Building the Development Environment of OMAP3 Chip ..................................... .35

4.1.1 OMAP3530 Hardware Platform (37)

4.1.2 OMAP3530 Software Environment (38)

4.2 Building Embeded Linux Development Environment (38)

4.3 Building Kernel Module (40)

4.3.1 XDC Tools (40)

4.3.2 Codec Engine Software (42)

4.3.3 Building Dsplink Module (44)

4.3.4 Building LPM Module (46)

4.3.5 Building CMEM Module (47)

4.3.6 Modify Memory Map (49)

4.4 Realize of the Inverse Kinematics Algorithm (53)

4.4.1 Codec Engine Project (53)

4.4.2 Codec Engine Executable Code (55)

4.5 Analysis of Algorithms (58)

4.5.1 Analysis of Experimental Inverse Kinematics Results (58)

4.5.2 Performance Analysis of the Inverse Kinematics Algorithm (61)

4.6 Summary (61)

Chapter 5 Conclusion (63)

5.1 Full Summary (63)

5.2 Outlook (63)

References (65)

Academic Papers Published During The Period of Degree (69)

Acknowledgement (71)

第1章绪论

1.1课题的研究背景和选题意义

机器人技术是集电子、机械、自动控制、人工智能以及计算机等多学科领域的一项综合性的应用技术[1]。

在几千年前，人类利用自然力代替体力劳动并创造了一系列自动化工具和器械，这种机械和自动化工具即可被认为是一种机器人。而当代世界的机器人并不是简单意义上的器械，而是一种随计算机的出现而出现的智能化设备。作为机器人中的一员，工业机器人在20世纪60年代已被作为一种独特的设备而广泛地使用，它是将计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助设计(CAD)进行有机结合的一门综合现代化装置，是现代制造业自动化的发展趋势。随着人类科学水平的发展，工业机器人正迈向一个崭新领域。1961年美国Unimate公司生成出了第一台商用工业机器人，1980年开始日本等国迅速开始普及工业机器人。2005年9月，日本研制出了能够控制平衡的骑自行车的拟人机器人。随着机构学、计算机技术、自动控制理论的发展，传统的工业机器人正由欠自由度机器人一步步地发展到冗余自由度机器人、多机器人系统等多种形式。

工业机器人是对人的特长以及机械的特长进行综合，最后得出的一种拟人的电子机械装置。它能对当前环境状态进行快速响应并同时具备分析问题的能力，而且工业机器的具有可长期工作、准确度高、耐恶劣环境的优点。基于这些优点，工业机器人在工业生产和工业服务中发挥着越来越大的作用，同时也推动着社会的不断进步。图1.1显示了一种典型的工业机器人装备。

图1.1 被广泛应用的adept 6机械手

Figure.1.1 The Widely-used adept 6 robot

本文重点研究的操作臂也是工业机器人中重要的一种类型。相比于传统的操作装

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置，首先其在工业领域中操作更便利、更精确、更具柔性，而且对比于其他工业装置其行为更有效，操控速度更快；其次随着工业机器人价格的不断降低，其销量也与日俱增。这些都推动着工业机器人产业飞速发展。

工业机器人主要由机械操作机、运动控制器、电机伺服系统和传感检测装置组成，该装置是一种集操作、编程、自动化控制于一体的机电一体化设备，而且能操作末端装置在三维空间中完成各种作业[2]，具体的机构图可由图1.2所示。

作业控制运

动

控

制

驱

动

控

制

气

压

传

动

液

压

传

动

电

气

传

动

手

部

腕

部

臂

部

机

身

行

走

机

构

图1.2 工业机器人一般结构图

Figure.1.2 General structure of the industrial robots

由图1.2可以看出，工业机器人的核心是控制系统[3]，其可通过系统程序控制关节按照规定的动作进行运动。控制系统预先将一些指令如运动轨迹、动作顺序、运动速度或是动作的时间节奏等都存储在其内存中，而后向各个执行元器件发出指令从而达到控制的目的。必要时，控制系统还能监视自身行为，一旦发现自己有越轨或是其他的异常行为，则会自检并排查、分析原因，并及时做出报警提示。运动控制器是工业机器人系统核心，在机器人中起神经中枢的作用，图1.3给出了工业机器人控制框图。

关节运动

图1.3 工业机器人体系结构

Fig.1.3 The system structure of industrial robot

由图1.3所示，可以看出工业机器人运动控制器在整个控制系统中占据主导作用，

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

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

工业机器人教案

大连理工大学工程训练中心实习教案实习项目名称：工业机器人训练教案编写：姜英实习地点：现代制造技术车间讲课时间：教案审定：工业机器人教学目的及要求：了解工业机器人的基础知识、应用和简单的工作过程教学重点：略教学难点：略教学内容：（结合实物讲解） 1．概述：机器人是典型的光机电一体化的高科技产品。工业机器人是目前技术上最成熟、应用最广泛的机器人。现在世界各国已装配了90余万台工业机器人。工业机器人的应用使产品的质量更加可靠，生产线的柔性增加，企业适应市场的能力大大提高。 2．工业机器人的定义：工业机器人是指在工业中应用的一种可自动定位控制的，可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机。它能够搬运物料、零件，或者是操持工具，用以完成各种作业。 3．工业机器人的分类：根据臂机构，按照其工作形态，可以分为： ●圆柱坐标型机器人 ●极坐标型机器人 ●直角坐标型机器人 ●多关节型机器人 4．实习机器人型号：ABB公司的IRB1400型小型机器人，属于多关节型机器人。 5．IRB1400机器人的组成：

Controller: 控制器。 Manipulator: 机械手。机械本体： ● 由六个转轴组成的空间六杆开链结构； ● 六个转轴均有AC 伺服电机驱动，每个电机后面均有编码器； ● 每个转轴带有一个齿轮箱。 ● 有手动松闸按钮，用于维修时使用。机器人控制器： Mains Switch: 主电源开关。 Teach Pendant: 示教器。 Operat or’s Panel: 操作盘。 Disk drive: 磁盘驱动器机器人的控制系统主要由中心控制计算机和伺服控制器组成。中心控制计算机发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时完成编程、示教/再现以及和其他环境状况、工艺要求、外部相关设备协调工作。伺服控制器控制各关节驱动器，使各轴按一定的速度、加速度和位置要求进行运动。 (示教器) 示教器功能：坐标系指定：大地、基础、工具、工件 Controller Manipulator Mains Switch Teach pendant Operator ’s panel Disk drive

细解工业机器人的关键零部件

细解工业机器人的关键零部件当前，工业机器人产业市场呈现爆炸式增长势头，而工业机器人产业的发展必将为其核心零配件应用提供众多机会。工业机器人除了本体以外，主要有三大核心零配件，控制器、伺服系统、减速器，它们占到工业机器人成本的70%左右。而随着人工智能浪潮的越演越烈，机器视觉系统也成了工业机器人不可或缺的一部分。工业机器人的大脑：控制器控制器是机器人的大脑，发布和传递动作指令。包括硬件和软件两部分：硬件就是工业控制板卡，软件部分主要是控制算法、二次开发等。目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发，各品牌机器人均有自己的控制系统与之匹配，国内企业控制器尚未形成市场竞争优势。现有的工业机器人控制器封闭构造，带来开放性差、软件独立性差、容错性差、扩展性差、缺乏网络功能等缺点，已不能适应智能化和柔性化要求。开发标准化、开放化控制器是工业机器人控制器的一个发展方向，存在巨大发展空间。到2020年我国工业机器人控制器市场规模有望达到12亿元左右，未来五年复合增速约为27%。工业机器人的眼睛：机器视觉系统工业自动化的真正实现，需要高度智能化的工业机器人去替代人类的一部分工作，而显然，如果想让机器人去很好的替代人类工作的话，首先要做的就是让它们得能“看”到才行，这就要依赖机器视觉系统来完成。机器视觉系统可以通过机器视觉产品即图像摄取装置，将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，然后图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。到2021年，机器视觉全球市场价值预计将达285亿美元，

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/7516866098.html, k i.rob ot.1999.01.014

智能机器人控制系统

机器人的控制机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。机器人控制技术的主要任务就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。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。智能机器人控制的关键技术关键技术包括： (1)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，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。 (2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。 (3)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，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。 (4)网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站

向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。 PID控制原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制

工业机器人使用与维护

机电工程学院课程报告课程名称：工业机器人使用与维护专业：机械工程及自动化年级： 2012级班级：机械一班姓名：学号：任课老师：一、前言机器人技术是融合了电子技术、机械技术等多种新兴技术的一种高新技术。工业机器人先后经历了从第一代示教再现机器人、第二代离线编程机器人，到现在的第三代智能机器人三个过程。焊接

作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起着决定性的影响，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。二、焊接机器人目前的使用情况我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早的用户。早在 20 世纪 70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所合作研制了直角坐标机械手，成功应用于上海牌轿车底盘的焊接。一汽公司是我国最早引进焊接机器人的企业， 1984 年起先后从 KUKA 公司引进了 3 台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。 1986 年成功地将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于 1988 年开发了机器人车身总焊线。20 世纪 80 年代末和 20 世纪 90 年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度和装备水平让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说 20 世纪 90 年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带

湖面清扫智能机器人的控制系统设计说明书

湖面清扫智能机器人的控制系统设计 1、引言机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，它作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度、提高生产率、改变生产模式，把人从危险、恶劣的环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性。在发达国家，工业机器人已经得到广泛应用。随着科学技术的发展，机器人的应用范围也日益扩大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、紧急救援、危险及恶劣环境作业、医疗康复等领域。进入21世纪，人们已经越来越切身地感受到机器人深入生产、深入生活、深入社会的坚实步伐。机器人按其智能程度可分为一般机器人和智能机器人。一般机器人是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人；智能机器人是具有感知、思维和动作的机器人。所谓感知即指发现、认识和描述外部环境和自身状态的能力，如装配机器人需要在非结构化的环境中认识障碍物并实现避障移动，这依赖于智能机器人的感觉系统，即各种各样的传感器；所谓思维是指机器人自身具有解决问题的能力，比如，装配机器人可以根据设计要求为一部复杂机器找到零件的装配办法及顺序，指挥执行机构，即指挥动作部分完成这部机器的装配；动作是指机器人具有可以完成作业的机构和驱动装置。由此可见，智能机器人是一个复杂的软件、硬件综合体。机器人的核心是控制系统。机器人的先进性和功能的强弱通常都直接与其控制系统的性能有关。机器人控制是一项跨多学科的综合性技术，涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多种学科的内容。近年来，随着工业和其它服务行业的蓬勃发展，人们在重视其经济效益的同时却往往忽略了他们对环境的污染，人类赖以生存的水资源也不例外。水面污染对人类的水源构成很大的威胁，湖泊尤其是旅游胜地和市内人工湖泊，更是无法逃避漂浮物污染的厄运，举目可见各种日常消费品的包装物在湖面上漂浮。污染的加剧根治水污染。但是，水面污染的治理是一项艰难的长期任务，是全人类必须面对的共同问题。用人工清理水面漂浮物只是权益之计，有些危险水域人无法工作。很多发达国家致力于水面污染治理设备的研究，如石油清理设备，但只是用于大量泄露石油的清理。目前，我国研制的清理水面漂浮物的设备还未见报道，国外研制的也不多，并且价格昂贵，实现的功能也不尽人意。因此，开发一种性

工业机器人控制的功能

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。

KEBA机器人控制器简介

KEBA机器人控制器简介 KEBA （中文名：科控）是一家提供自动控制产品和服务的公司，总部在奥地利（和贝加莱是老乡）。KEBA 成立于1968年，在中国设有分公司，其员工总数不到1000人，2015年营业收入达到1.89亿欧元。公司不大，产品却不俗，在工业、银行、能源等很多行业都有应用。看到工业机器人市场这块蛋糕，KEBA 也推出了面向机器人自动化应用的产品—— KeMotion[ 1 ] ^{[1]}[1]，号称是机器人与机械设备自动化的全套解决方案。其实，KeMotion 就是一个机器人控制系统。KeMotion在中国应用非常广泛，很多机器人厂商均有使用KEBA的控制器，例如埃夫特、埃斯顿等，其它不太知名的小厂家就更多了。即便如此有名，笔者想在公网上找一些KEBA控制器的资料却几乎找不到，看来工业机器人控制这个小圈子太封闭了，笔者试图搅动这潭死水。让人意外的一点是，KEBA 虽然研发机器人控制器，但自己却并不制造机器人，这是否说明本体的利润远远比不上控制器呢？而且像控制器这样的核心被抓在别人手里，机器人厂家想必也是不甘心吧。本文我们就来看看KEBA的控制器有什么特色。KeMotion 既然是一个系统，它就包含一系列的软件、硬件、标准、语言等等，我总结了一下，如下表看着一大堆没见过的英文，不知道国内英语不好的同志怎么想，反正我是是想死的心都有了。KEBA 的工程师为了把用户搞晕也是做出了不懈的努力，下面我逐个介绍。首先是看得见摸得着的硬件部分：

控制器KeControl KeControl 是控制器，更准确的说是控制器的CPU 模块，有CP、DU等几种型号。下图中我手里拿着的型号是CP263/X（左图），它比A4 纸瘦长一点，从正面看外表由一段段塑料片组成。你可以把KeControl 看成是一个功能齐全的小电脑（PC —— Personal Computer），它内部有中央处理器、内存和硬盘（由CF卡充当），而且运行着VxWorks 操作系统。KeControl 虽然是一个PC，但是却采用了PLC 的术语，把（我手中的）整个盒子称为“ CPU 模块”。

工业机器人用电机驱动系统

工业机器人用电机驱动系统机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。一、机器人对关节驱动电机的主要要求规纳如下 1.快速性电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。 2.起动转矩惯量比大在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。 3.控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。 4.调速范围宽。能使用于1：1000～10000的调速范围。 5.体积小、质量小、轴向尺寸短。 6.能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机，步进电动机和DC伺服电动机。其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机（DD）均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1～10kW。工业机器人驱动系统中所采用的电动机。

机器人控制

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。第1章绪论 1.1 机器人控制系统机器人控制系统是机器人的大脑，是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就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。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。 1.2 机器人控制的关键技术关键技术包括： (1)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，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。 (2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux 上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。 (3)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，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。 (4)网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。第2章机器人PID控制 2.1 PID控制器的组成 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)

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）；

工业机器人的驱动方式

题目 1、工业串联机器人常用的驱动方式、传动系统、传感器类型比较 2、智能移动机器人的驱动方式、传动系统、传感器类型比较 3、现在机器人的控制系统、控制结构概述机器人问世已有几十年但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人定义的模糊才给了人们充分的想象和创造空间。美国机器人协会 RIA) 一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的通过程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多功能操作机。美国家标准局一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。 1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义 “工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能能完成各种作业的可编程操作机。日本工业标准局一种机械装置在自动控制下能够完成某些操作或者动作功能。英国貌似人的自动机具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。中国我国科学家对机器人的定义是 “机器人是一种自动化的机器这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力是一种具有高度灵活性的自动化机器”。尽管各国定义不同但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点 (1) 是一种自动机械装置可以在无人参与下自动完成多种操作或动作功能即具有通用性。 (2)可以再编程程序流程可变即具有柔性(适应性。机器人是20世纪人类伟大的发明比尔?盖茨预言机器人即将重复PC机崛起的道路彻底改变这个时代的生活方式。机器人学集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果代表了机电一体化的最高成就是当代科学技术发展最活跃的领域之一。概述驱动方式现代工业机器人的驱动方式主要有三种气动驱动、液压驱动和电动驱动。气动驱动机器人气动驱动系统以压缩空气为动力源。气动驱动机器人具有气源方便系统结构简单动作快速灵活不污染环境以及维护方便、价格便宜、适合在恶劣工况高温、有毒、多粉尘条件下工作等特点。常用于冲床上下料小零件装配、食品包装及电子元件输送等作业中。由于气体可压缩遇阻时具有容让性因此也常用作机器人手爪的驱动源。气动驱动系统的组成 1 气源气动机器人可直接使用工厂压缩空气站的气源或自行设置气源

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。

工业机器人控制系统的基本原理

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。

工业机器人的驱动方式.资料

题目1、工业串联机器人常用的驱动方式、传动系统、传感器类型比较 2、智能移动机器人的驱动方式、传动系统、传感器类型比较 3、现在机器人的控制系统、控制结构概述机器人问世已有几十年但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人定义的模糊才给了人们充分的想象和创造空间。美国机器人协会RIA)一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的通过程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多功能操作机。美国家标准局一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。 1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能能完成各种作业的可编程操作机。日本工业标准局一种机械装置在自动控制下能够完成某些操作或者动作功能。英国貌似人的自动机具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。中国我国科学家对机器人的定义是“机器人是一种自动化的机器这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力是一种具有高度灵活性的自动化机器”。尽管各国定义不同但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点(1) 是一种自动机械装置可以在无人参与下自动完成多种操作或动作功能即具有通用性。 (2)可以再编程程序流程可变即具有柔性(适应性。机器人是20世纪人类伟大的发明比尔?盖茨预言机器人即将重复PC机崛起的道路彻底改变这个时代的生活方式。机器人学集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果代表了机电一体化的最高成就是当代科学技术发展最活跃的领域之一。概述驱动方式现代工业机器人的驱动方式主要有三种气动驱动、液压驱动和电动驱动。气动驱动机器人气动驱动系统以压缩空气为动力源。气动驱动机器人具有气源方便系统结构简单动作快速灵活不污染环境以及维护方便、价格便宜、适合在恶劣工况高温、有毒、多粉尘条件下工作等特点。常用于冲床上下料小零件装配、食品包装及电子元件输送等作业中。由于气体可压缩遇阻时具有容让性因此也常用作机器人手爪的驱动源。气动驱动系统的组成 1气源气动机器人可直接使用工厂压缩空气站的气源或自行设置气源