工业机器人技术基础 课件第6章 工业机器人控制系统

机器人控制系统分类一、按照硬件组成结构划分二、按照开放程度划分1/6一按照硬件组成结构划分

按照控制系统的硬件组成结构划分，机器人的控制系统一般分为集中式控制、主从式控制和分散式控制，如图1.1所示。图1.1按照硬件组成结构划分机器人控制系统2/6一按照硬件组成结构划分

集中式控制

一台计算机实现全部控制功能的控制方式称为集中式控制，由于实时性和扩展性较差，已经被逐步淘汰。

分散式控制将控制系统按其控制性质和方式分成几个模块，每一个模块各有负责不同的控制任务和控制策略，各模式块之间可以是主从关系，也可以是平等关系，智能机器人或者传感机器人多采用分散式控制方式。

主从式控制采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能，主处理器又名主计算机，从处理器又名运动控制器，这种控制方式实时性较好，适用于高精度、高速度控制。3/6二按照开放程度划分

按照控制系统的开放程度，工业机器人的控制系统又可分为封闭型、开放型和混合型，如图2.1所示图2.1按照控制系统的开放程度划分机器人控制系统4/6二按照开放程度划分封闭型的控制系统

不能或者很难与其他硬件和软件系统结合的独立系统。开放型的控制系统

具有模块化的结构和标准的接口协议，其用户和生产厂家可以很方便对其硬件和软件结构集成外部传感、开发控制算法和用户界面等。混合型的控制系统

结构是部分封闭、部分开放的，现在应用的较为广泛的工业机器人控制系统基本都是混合型的5/6THANKS!6/6工业机器人控制系统硬件工作分工一工业机器人控制系统硬件工作分工

下面通过典型的控制结构，进一步学习控制系统硬件的结构和工作方式，如图示为简化的控制系统硬件工作分工图8/4一工业机器人控制系统硬件工作分工

主计算机内含系统板卡，有一系列可以与外围设备相连接的操作接口，网络接口，I/O接口等，负责系统和数据的存储。典型的系统板卡还应包含局部RAM存储器、EPROM存储器、计数器、寄存器、计时器和中断系统等。

运动控制器内包含运动学板卡和动力学板卡，运动学板卡可以执行运动学计算、轨迹可行性分析以及冗余计算等，动力学板卡可以执行动力学计算。如采取集中式控制，运动控制器则集成于主计算机中。伺服控制系统内的编码器是典型的内部传感器。典型的外部传感器有视觉传感器、力传感器等，可以通过I/O单元实现与运动控制器的通信，将外部传感器感知到的环境因素等信息传输给运动控制器。运动控制器可根据传感器感知到的信息进行运算求解，控制执行机构和外部设备的工作状态。通过人机交互工具（如示教器）可实现对执行机构的直接操纵，专用的编程语言是示教器与工业机器人的交流方式。当发生危险或者碰撞时，可通过触发安全机制实现对伺服驱动系统的直接控制，立即停止执行机构的运行。9/4一工业机器人控制系统硬件工作分工

典型的控制系统硬件工作流程如图所示，主计算机负责系统的管理、任务的处理和人机交互等，主计算机将命令发送给运动控制器，运动控制器完成由驱动器、伺服电机和传感器组成的闭环伺服驱动系统的控制，执行机构执行具体的动作，传感器将相关位置、速度和加速度等信息反馈给运动控制器。10/4THANKS!11/4工业机器人的伺服驱动系统一、伺服驱动原理二、伺服驱动器与伺服电机13/7一伺服驱动原理

机器人的伺服驱动系统是一个为了跟踪目标值

对机器人手臂

当前运动状态进行反馈构成的闭环伺服系统。结合图中闭环反馈控制系统中介绍的内容，可以看出控制器的功能就是检测各关节的当前位置及速度，将它们作为反馈信号，最后直接或间接地决定各关节的驱动力。

14/7一伺服驱动原理组成部分功能比较环节将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。控制器通常是各种控制电路（如下文中的PID控制器），其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。执行机构按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。工业机器人系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。受控对象指被控制的变量，在工业机器人系统中一般特指运动的位置、速度或力矩。检测环节能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。15/7二伺服驱动器与伺服电机

如果把连杆和关节想象为工业机器人的骨骼，那么伺服驱动器在工业机器人中的作用相当于人体的肌肉。伺服驱动器（ServoDrives）又称“伺服控制器/伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，主要应用于高精度定位系统。伺服驱动器是功率放大与变换的装置，是弱电控制强电的媒介，是运动控制系统的执行手段。一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统的高精度定位。同事，同时可以起到保护伺服电机，防止其在过热、过载、过电流和欠电压的情况下伺服电机的损坏。图所示为典型的伺服驱动器和伺服电机组合。

16/7二伺服驱动器与伺服电机

如果把连杆和关节想象为工业机器人的骨骼，那么伺服驱动器在工业机器人中的作用相当于人体的肌肉。伺服驱动器（ServoDrives）又称“伺服控制器/伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，主要应用于高精度定位系统。伺服驱动器是功率放大与变换的装置，是弱电控制强电的媒介，是运动控制系统的执行手段。一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统的高精度定位。同事，同时可以起到保护伺服电机，防止其在过热、过载、过电流和欠电压的情况下伺服电机的损坏。图所示为典型的伺服驱动器和伺服电机组合。

17/7二伺服驱动器与伺服电机

由于工业机器人机械本体的体积、工作空间等的限制，工业机器人的交流伺服驱动系统中的伺服电机、减速机、伺服驱动器及其外围电气部件需要进行合理的布局。其中伺服电机和减速机由于直接带动关节转动，因而放置于机械本体之中。伺服驱动器的调控对象是伺服电机，而且驱动器的正常工作还需要外围的电气部件，包括电抗器、电磁接触器、噪音滤波器、配线断路器等，这些电气部件的摆放需要考虑电磁、信号间的干扰，因此将伺服驱动器及其外围电气部件放置于控制柜中，如图所示为典型的伺服驱动器安装位置18/7THANKS!19/7认识运动控制器21/30一、运动控制器的作用二、运动控制器的分类1.基于PC技术的运动控制器2.基于DSP的运动控制器3.基于ARM的运动控制器4.基于PLC的运动控制器一运动控制器的作用

工业机器人的运动控制器是控制技术与运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持下，它通常以微处理器为核心，综合运动轨迹设计、控制算法分析、运动学正逆解、各运动部件的实时驱动等功能，达到总体运动控制效果。在运动过程中，运动控制器还需对具体的运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，并对相关情况做出及时反应。运动控制器相当于人的大脑，是工业机器人控制系统的主要组成部分，它支配着工业机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予工业机器人的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对伺服驱动系统发出动作命令。为了能快速精确地控制机器各个伺服驱动轴的动作和位置，要求运动控制器能高速地进行复杂的坐标变换运算。22/30二运动控制器的分类

目前，基于不同平台的运动控制器主要有如下几类：1.基于PC技术的运动控制器计算机技术的发展在工业控制领域也同样导致技术面貌的迅速改变。工业控制机，特别是采用PC技术的工业PC的涌现，大大推动和促进了开放式运动控制的发展。基于PC技术的运动控制器多采用如下方案之一构成：还可以分为基于通用微处理器型、基于专用微控制器型等。23/30二运动控制器的分类

2.基于DSP的运动控制器

20世纪90年代以来，数字信号处理技术(DigitalSignalProcessing，简称DSP)在运动控制器中得到广泛的应用。这主要是因为它DSP芯片的高速运算使得很多复杂的控制算法和功能得以实现，而且集成度高，利用控制器本身独特的硬件结构可以实现执行机构快速的硬件位置的快速捕捉功能。基于PC技术的运动控制器多采用如下方案之一构成：还可以分为基于通用国内外很多单位均在机器人技术中研发，大量采用DSP芯片作为运动控制器设计的核心部件，开发出很多性能先进的工业机器人系统。但是，由于DSP技术更新的速度快、数学知识要求多高，开发和调试工具还不完善，所以对于轨迹控制和，多轴联动参数匹配等需通过编制写程序来实现，使用者熟练掌握对工业机器人的控制还比较困难，图示为TI公司TMS320C2000系列芯片。24/30二运动控制器的分类3.基于ARM的运动控制器ARM（AdvancedRISCMachine）是对一类处理器的通称，ARM处理器采用RISC(ReduceInstructionComputer，精简指令集计算机)结构，与传统的CISC(ComplexInstructionComputer，复杂指令集计算机)相比具有以下特点：RISC指令集的种类少，指令格式规范，通常只使用一种或几种格式，并且在字边界对齐；利用流水线和超标量技术，让实现处理器在一个时钟周期可以完成一条或多条指令；几乎所有的指令都使用寄存器寻址方式的简化寻址方式；多数的操作都是寄存器到寄存器的操作，只以简单的Load和Store访问内存。25/30二运动控制器的分类4.基于PLC的运动控制器PLC具有