模块4 工业机器人的控制系统

工业机器人技术基础模块四工业机器人的控制系统控制系统是工业机器人的重要组成部分，它的机能类似于人脑。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总体可分为两大部分：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。工业机器人控制研究的重点是对其自身的控制。目录单元1控制系统认知单元2控制系统的基本功能单元3工业机器人的计算机控制单元1控制系统认知单元1控制系统认知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目，其中有些项目的控制非常复杂，由此决定了工业机器人控制系统应具备的特点。（一）工业机器人控制系统的特点

1.工业机器人的控制与其机构运动学和动力学有密不可分的关系，因此，要使工业机器人的臂、腕及末端执行器等部位在空间中具有准确无误的位姿，就必须在不同的坐标系中描述它们，并随基准坐标系的不同而作适当的坐标变换，还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非线性模型，随着工业机器人的运动及环境的改变，其参数也在改变。此外，由于工业机器人具有多个自由度，所以引起其运动变化的变量不止一个，并且各个变量之间一般都存在耦合问题，这就使得工业机器人的控制系统成为了一个多变量系统。

3.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。一、控制系统的意义单元1控制系统认知（二）工业机器人控制系统的基本要求

1.实现对工业机器人的位置、速度、加速度等参数的控制功能对于连续轨迹运动的工业机器人，还必须具有轨迹的规划与控制功能。

2.方便的人机交互功能操作人员采用直接指令代码对工业机器人进行作业指示，使工业机器人具有作业知识的记忆、修正和工作程序的跳转功能。

3.具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感知功能为使工业机器人具有对外部状态变化的适应能力，工业机器人应具备对诸如视觉、力觉、触觉等有关信息进行测量、识别、判断、理解等功能。在自动化生产线中，工业机器人应具有与其他设备交换信息、协调工作的能力。一、控制系统的意义单元1控制系统认知这里所说的软件主要是指控制软件，包括运动轨迹规划算法和关节伺服控制算法及相应的动作程序。控制软件可以用任何语言来编制，但由通用语言模块化编制形成的专用工业机器人语言正成为工业机器人控制软件的主流。工业机器人已成为一门涉及运动学、动力学、传感器技术、精密机械、经典与现代控制理论等多学科领域的综合性学科。随着计算机技术的日益成熟，工业机器人的控制技术将进入到一个全新的领域。二、控制系统的软件结构单元1控制系统认知如图4－1－1所示，工业机器人控制系统的硬件主要由以下几个部分组成。

1.传感装置传感装置可分为内部传感器和外部传感器：内部传感器主要用以检测工业机器人各关节的位置、速度和加速度等，即感知其本身的状态；外部传感器就是所谓的视觉、力觉、触觉、听觉、滑觉等传感器，它们可使工业机器人感知工作环境和工作对象的状态。

2.控制装置控制装置负责处理各种感知信息，产生控制指令，一般由一台微型或小型计算机及相应的接口组成。

3.伺服控制器伺服控制器主要是根据控制装置的指令，按作业任务的要求驱动各关节运动。传感装置控制装置伺服控制图411控制系统硬件结构三、控制系统的硬件结构目录单元1控制系统认知单元2控制系统的基本功能单元3工业机器人的计算机控制单元2控制系统的基本功能单元2控制系统的基本功能工业机器人的运动控制是指在工业机器人的末端执行器由一点移动到另一点的过程中，对其位置、速度和加速度的控制。由于工业机器人末端执行器的位置和姿态是由各关节的运动引起的，所以运动控制实际上是通过控制关节运动实现的。工业机器人关节运动控制一般可分为两步进行：第一步是关节运动伺服指令的生成，即将末端执行器在工作空间的位置和姿态的运动转化为由关节变量表示的时间序列或关节变量随时间变化的函数，这一步可离线完成。第二步是关节运动的伺服控制，即跟踪执行第一步所生成的关节变量伺服指令，这一步是在线完成的。一、运动控制单元2控制系统的基本功能（一）位置控制工业机器人位置控制的目的是使机器人各关节实现预先规划的运动，最终保证末端执行器运动到预定的位置，其控制结构如图4－2－1所示。一、运动控制单元2控制系统的基本功能（二）速度控制对工业机器人的运动控制来说，在位置控制的同时还要进行速度控制。例如，在连续轨迹控制方式下，工业机器人按预定的指令控制运动部件的速度并进行加速或减速，以满足运动平稳、定位准确的要求。为了实现这一要求，机器人的行程要遵循一定的速度变化曲线，如图4－2－2所示。由于工业机器人是一种工作情况（行程负载）多变、惯性负载大的运动机械，要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制启动加速和停止前的减速这两个过渡运动区段。一、运动控制单元2控制系统的基本功能（三）关节运动伺服指令的生成关节运动伺服指令的生成方法一般有两种：一种是示教方法，另一种是轨迹规划的方法。在示教控制中，当对工业机器人进行示教编程时，每个关节即可产生自身变量随时间的变化序列或连续的函数关系。这些变化关系由工业机器人的内部传感器检测出来并被控制系统的记忆装置所记忆，这个过程的实质就是生成了关节运动伺服指令。当示教重现时，工业机器人的控制系统即可根据记忆的指令实现对各个关节的运动控制。轨迹规划生成方法是指根据作业任务要求的末端执行器在作业流程中的位姿变化轨迹，以及所需的速度、加速度，通过插补计算和运动学逆解等数学方法生成相应的关节运动伺服指令。在进行轨迹规划时，首先要对工业机器人的任务进行描述，并对各个关节的运动轨迹和路径进行描述，然后根据所确定的轨迹参数进行实际计算，即可根据位置、速度和加速度生成运动轨迹。轨迹规划方法随着工业机器人末端执行器位置和姿态的控制方式不同而不同。一般来说，PTP控制方式下的轨迹规划可在关节坐标空间进行，而TCP控制方式下的轨迹规划是在直角坐标空间进行的。一、运动控制单元2控制系统的基本功能（四）关节坐标空间的轨迹规划如果工业机器人的控制过程只考虑其端点而不考虑过程中的位置和姿态，即为PTP控制时，就可用关节空间的规划方法。工业机器人末端执行器的运动是由关节变量直接确定的，所以在关节坐标空间进行规划既节省了时间，又可避免雅可比矩阵奇异时所造成的速度失控。又因为关节坐标空间与直角坐标空间的几何元素不成线性关系，所以关节变量呈线性变化时，直角坐标空间参考点的运动轨迹并不形成直线，因而此方法只适用于对路径无要求的作业，即工业机器人的PTP控制中。关节空间的规划方法是以关节角度的函数来描述工业机器人轨迹的，它不需要在直角坐标系中描述两个端点之间的路径形状，因而具有简单易行的特点。一、运动控制单元2控制系统的基本功能在关节空间中进行轨迹规划，需要给定工业机器人在起始点和终止点的位姿，然后对关节变量进行插值运算，得到关节的运动轨迹。当各结点（起始点、提升点、下放点和终止点）上的位姿、速度和加速度等有要求时，关节的运动轨迹还必须满足一组约束条件，最后可选取不同类型的关节插值函数，生成关节的运动轨迹。三次多项式插值是关节空间的轨迹规划中常用的计算方法，在工业机器人运动的过程中，每个关节对应于起始点的关节角度是已知的，同时，通过对运动学的逆解也可以得到终止点的关节角度，这时对运动轨迹的描述可用起始点的关节角度与终止点的关节角度之间的一个平滑插值函数来表示。一、运动控制单元2控制系统的基本功能人机交互是指人与计算机系统之间的沟通，让信息在彼此之间传递。交互的方式可以是语言、电信号以及其他类型的信息。人机交互的一个重要问题是：不同的对象使用不同的语言，并且表达方式不同，理解方式也不同，存在较大差异。比如，一个只会汉语的人和一个只会英语的人，他们之间无法沟通，因为他们听不懂对方的语言；或是一个学识渊博的学者和一个斗字不识的普通人在知识问题上无法沟通，因为他们的认知不同。操作系统的人机交互功能是决定计算机系统“友善性”的一个重要因素。人机交互功能主要靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成。可供人机交互使用的设备主要有键盘、显示器、鼠标、各种模式识别设备等，与这些设备相应的软件就是操作系统提供人机交互功能的部分。人机交互部分的主要作用是控制有关设备运行、理解并执行通过人机交互设备传来的各种命令和要求。早期的人机交互设施是键盘、显示器，操作员通过键盘键入命令，操作系统接到命令后立即执行并将结果通过显示器显示。键入的命令可以有不同方式，但每一条命令的解释是清楚的、唯一的。随着计算机技术的发展，操作命令越来越多，功能也越来越强。随着语音识别、汉字识别等输入设备的发展，操作员和计算机在类似于自然语言或受限制的自然语言这一级上进行交互成为可能。此外，通过图形进行人机交互的方式也吸引着人们去研究。这些技术可称为智能化的人机交互，有关这方面的研究工作正在积极开展中。二、人机交互单元2控制系统的基本功能工业机器人系统通常是通过示教器完成操作与编程，以及用输入输出信号进行交互，如图4－2－3所示。二、人机交互单元2控制系统的基本功能机器人的通信控制功能主要是指对信号的处理，机器人控制系统可以接收外传感器的输入信号，进而输出信号来控制执行机构，或与其他控制系统之间进行信息的交互。例如，一个由多机器人、传感器、电磁阀、PLC组成的系统，其通信关系如图4－2－4所示。三、通信控制单元2控制系统的基本功能工业机器人厂商通常提供了丰富的I/O通信接口（如标准I/O通信）、与PLC的现场总线通信，还有与PC机的数据通信，从而可轻松地实现与周边设备的通信，如图4－2－5所示。三、通信控制目录单元1控制系统认知单元2控制系统的基本功能单元3工业机器人的计算机控制单元3工业机器人的计算机控制单元3工业机器人的计算机控制随着微型计算机技术的不断发展，现有的工业机器人几乎都采用了计算机控制。由于微型计算机体积小，价格低，可靠性高，灵活性强，易于配置，面向任务的适应性强，能够实现多样化的运算功能，因此很快在工业机器人控制领域占据了主导地位。单元3工业机器人的计算机控制计算机在工业机器人控制中的应用可分成三大类型：管理型、记忆型和运算型。（一）管理型如图4－3－1所示，管理型工业机器人本身就具有运算、驱动和记忆等所必需的控制装置，计算机只是给工业机器人提供动作的种类和时间等，仅起管理者的作用。这种类型的工业机器人是由控制装置进行控制的，故计算机的负荷小，可用一台计算机管理多台工业机器人。目前，这类工业机器人的控制装置也改由微型计算机组成。一、工业机器人计算机控制的分类单元3工业机器人的计算机控制（二）记忆型如图4－3－2所示，记忆型工业机器人的控制装置中，记忆装置被小容量缓存寄存器代替了，因此，必须由计算机对缓存寄存器的内容进行改写、记忆，并由计算机执行控制装置中的记忆机能。这样一来，计算机与工业机器人的结合就更加密切，但计算机负荷还是不大。如用计算机对这类工业机器人进行群体管理，记忆机能可全部由计算机承担，若进一步使用磁盘等记忆存储装置可构成性价比很高的系统。一、工业机器人计算机控制的分类单元3工业机器人的计算机控制（三）运算型如果直接用计算机去控制工业机器人，则这种控制装置就是运算型，如图4－3－3所示。此时，计算机的负荷很大而且已被专用化，且因一台工业机器人就要用一台计算机控制，所以成本很高。随着微型计算机的不断发展，对于这种控制类型的实现也变得十分容易，目前多数工业机器人都属于这一类型。一、工业机器人计算机控制的分类单元3工业机器人的计算机控制微型计算机直接控制工业机器人的例子如图4－3－4所示。图中，定位伺服回路装置通过伺服接口传递位置指令和位置反馈信号。位置指令不是计算机存储记忆数据的简单输出，而是经过插补与坐标变换，根据传感器的输出并对其进行修正之后才完成的。当微型计算机的计算能力不能满足要求时，还可以根据需要附加乘除运算、三角函数运算等辅助运算回路。用微型计算机直接控制工业机器人又分为集中控制与分散控制两种方式。二、微型计算机直接控制工业机器人单元3工业机器人的计算机控制（一）集中控制方式用一台计算机实现全部控制的方式称为集中控制方式，如图4－3－5所示。在这种控制方式中，控制装置的构成比较简单，但必须使用高性能的微型计算机，整个系统造价比较高。二、微型计算机直接控制工业机器人单元3工业机器人的计算机控制（二）分散控制方式由数台微型计算机分担工业机器人控制机能的方式称为分散控制方式，如图4－3－6所示。这种控制方式中，每台微型计算机是比较便宜的，但构成的系统却很复杂。一般采用高档CPU进行大间隔的插补指令值的计算，同时在工业机器人的各关节轴上安装8位CPU进行小间隔的插补运算和伺服系统的处理。在示教盒和小型磁盘内亦分别装有专用的8位CPU，担负着输入、输出控制等功能。二、微型计算机直接控制工业机器人单元3工业机器人的计算机控制（一）VxWorks

VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，使VxWorks在嵌入式实时操作系统领域逐渐占据了一席之地。VxWorks具有可裁剪微内核结构、高效的任务管理、灵活的任务间通信、微秒级的中断处理等特性，并且支持POSIX1003.1b实时扩展标准，支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议等。

三、常见的机器人操作系统单元3工业机器人的计算机控制（二）WindowsCE

WindowsCE与Windows系列有较好的兼容性，无疑是WindowsCE的一大优势。WindowsCE3.0是一种移动式、智能化、32位的模块化实时嵌入式操作系统，为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。WindowsCE是能够实现多线程、完整优先权、多任务的操作系统，它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用工业控制器的用户设备进行定制。三、常见的机器人操作系统单元3工业机器人的计算机控制（三）Linux

Linux是源代码公开并且遵循GPL协议的系统，人们可以稍加修改后应用于自己的系统。Linux有庞大的开发人员群体，只要懂Unix/Linux和C语言即可，所支持的硬件数量十分庞大。嵌入式Linux和普通Linux并无本质区别，PC上用到的硬件几乎都支持嵌入式Linux，而且由于可得到各种硬件的驱动程序源代码，为用户编写自己的专有硬件驱动程序带来很大方便。三、常见的机器人操作系统单元3工业机器人的计算机控制（四）μC/OSⅡ

μC/OSⅡ是专为嵌入式应用设计的，可用于8位、16位和32位单片机或数字信号处理器（DSP）。它在原版本μC