機器人的大腦 控制系統(tǒng)概述

如果僅僅有感官和肌肉，人的四肢并不能動作。一方面是因為來自感官的信號沒有器官去接收和處理，另一方面也是因為沒有器官發(fā)出神經(jīng)信號，驅使肌肉發(fā)生收縮或舒張。同樣，如果機器人只有傳感器和驅動器，機械臂也不能正常工作。原因是傳感器輸出的信號沒有起作用，驅動電動機也得不到驅動電壓和電流，所以機器人需要有一個控制系統(tǒng)，用硬件和軟件組成一個的控制系統(tǒng)。

機器人控制系統(tǒng)的功能是接收來自傳感器的檢測信號，根據(jù)操作任務的要求，驅動機械臂中的各臺電動機就像我們人的活動需要依賴自身的感官一樣，機器人的運動控制離不開傳感器。機器人需要用傳感器來檢測各種狀態(tài)。機器人的內部傳感器信號被用來反映機械臂關節(jié)的實際運動狀態(tài)，機器人的外部傳感器信號被用來檢測工作環(huán)境的變化。

所以機器人的神經(jīng)與大腦組合起來才能成一個完整的機器人控制系統(tǒng)。

機器人控制系統(tǒng)概念

機器人控制系統(tǒng)是指由控制主體、控制客體和控制媒體組成的具有自身目標和功能的管理系統(tǒng)。控制系統(tǒng)意味著通過它可以按照所希望的方式保持和改變機器、機構或其他設備內任何感興趣或可變化的量?？刂葡到y(tǒng)同時是為了使被控制對象達到預定的理想狀態(tài)而實施的?？刂葡到y(tǒng)使被控制對象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)。

機器人控制系統(tǒng)特點

機器人的控制技術是在傳統(tǒng)機械系統(tǒng)的控制技術的基礎上發(fā)展起來的，因此兩者之間并無根本的不同。但機器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處。其特點如下：

1、機器人控制系統(tǒng)本質上是一個非線性系統(tǒng)。引起機器人非線性因素很多，機器人的結構、傳動件、驅動元件等都會引起系統(tǒng)的非線性。

2、機器人控制系統(tǒng)是由多關節(jié)組成的一個多變量控制系統(tǒng)，且各關節(jié)間具有耦合作用。具體表現(xiàn)為某一個關節(jié)的運動，會對其他關節(jié)產(chǎn)生動力效應，每一個關節(jié)都要受到其他關節(jié)運動所產(chǎn)生的擾動。因此工業(yè)機器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補償、解耦和自適應等復雜控制技術。

3、機器人系統(tǒng)是一個時變系統(tǒng)，其動力學參數(shù)隨著關節(jié)運動位置的變化而變化。

4、較高級的機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進行測定和分析，采用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳控制規(guī)律。

機器人控制系統(tǒng)的基本要求

從使用的角度講，機器人是一種特殊的自動化設備，對其控制有如下要求：

1、多軸運動的協(xié)調控制，以產(chǎn)生要求的工作軌跡。因為機器人的手部的運動是所有關節(jié)運動的合成運動，要使手部按照規(guī)定的規(guī)律運動，就必須很好地控制各關節(jié)協(xié)調動作，包括運動軌跡、動作時序的協(xié)調。

2、較高的位置精度，很大的調速范圍。除直角坐標式機器人外，機器人關節(jié)上的位置檢測元件通常安裝在各自的驅動軸上，構成位置半閉環(huán)系統(tǒng)。此外，由于存在開式鏈傳動機構的間隙等，使得機器人總的位置精準度降低，與數(shù)控機床比，約降低一個數(shù)量級。但機器人的調速范圍很大，通常超過幾千。這是由于工作時，機器人可能以極低的作業(yè)速度加工工件；空行程時，為提高效率，又能以極高的速度移動。

3、系統(tǒng)的靜差率要小，即要求系統(tǒng)具有較好的剛性。這是因為機器人工作時要求運動平穩(wěn)，不受外力干擾，若靜差率大將形成機器人的位置誤差。

4、位置無超調，動態(tài)響應快。避免與工件發(fā)生碰撞，在保證系統(tǒng)適當響應能力的前提下增加系統(tǒng)的阻尼。

5、需采用加減速控制。大多數(shù)機器人具有開鏈式結構，其機械剛度很低，過大的加減速度會影響其運動平穩(wěn)性，運動啟停時應有加減速裝置。通常采用勻加減速指令來實現(xiàn)。

6、各關節(jié)的速度誤差系數(shù)應盡量一致。機器人手臂在空間移動，是各關節(jié)聯(lián)合運動的結果，尤其是當要求沿空間直線或圓弧運動時。即使系統(tǒng)有跟蹤誤差，仍應要求各軸關節(jié)伺服系統(tǒng)的速度放大系數(shù)盡可能一致，而且在不影響穩(wěn)定性的前提下，盡量取較大的數(shù)值。

7、從操作的角度看，要求控制系統(tǒng)具有良好的人機界面，盡量降低對操作者的要求。因此，在大部分的情況下，要求控制器的設計人員完成底層伺服控制器設計的同時，還要完成規(guī)劃算法，而把任務的描述設計成簡單的語言格式由用戶完成。

8、從系統(tǒng)的成本角度看，要求盡可能地降低系統(tǒng)的硬件成本，更多的采用軟件伺服的方法來完善控制系統(tǒng)的性能。

機器人控制系統(tǒng)的功能要求

1、記憶功能：存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產(chǎn)工藝有關的信息。

2、示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導引示教兩種。

3、與外圍設備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡接口、同步接口。

4、坐標設置功能：有關節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標系。

5、人機接口：示教盒、操作面板、顯示屏。

6、傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。

7、位置伺服功能：機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)取?/p>

8、故障診斷安全保護功能：運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷。

機器人控制系統(tǒng)的主要種類

控制系統(tǒng)的任務，是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序、以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構去完成的運動和功能。 假如機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。

根據(jù)控制運動的形式可分為點位控制和軌跡控制。

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)組成

1、控制計算機：控制系統(tǒng)的調度指揮中心機構。

2、示教盒：示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互。

3、操作面板：由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構成，只完成基本功能操作。

4、硬盤和軟盤存儲存：儲機器人工作程序的外圍存儲器。

5、數(shù)字和模擬量輸入輸出：各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。

6、打印機接口：記錄需要輸出的各種信息。

7、傳感器接口：用于信息的自動檢測，實現(xiàn)機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。

8、軸控制器：完成機器人各關節(jié)位置、速度和加速度控制。

9、輔助設備控制：用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。

10通信接口：實現(xiàn)機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。

11、網(wǎng)絡接口

1）Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個機器人控制器中。

2）Fieldbus接口：支持多種流行的現(xiàn)場總線規(guī)格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

機器人控制系統(tǒng)結構方式

集中控制系統(tǒng)

用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能，結構簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，在早期的機器人中常采用這種結構，其構成框圖，如圖所示。

基于PC的集中控制系統(tǒng)里，充分利用了PC資源開放性的特點，可以實現(xiàn)很好的開放性：多種控制卡，傳感器設備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口、并口集成到控制系統(tǒng)中。

集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調性較好，基于PC的系統(tǒng)硬件擴展較為方便。

其缺點也顯而易見：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴重；由于機器人的實時性要求很高，當系統(tǒng)進行大量數(shù)據(jù)計算，會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務的響應能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。

主從控制方式

采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、坐標變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等：從CPU實現(xiàn)所有關節(jié)的動作控制。其構成框圖，如圖所示。

主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難。

分散控制方式

按系統(tǒng)的性質和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不同的控制任務和控制策略，各模式之間可以是主從關系，也可以是平等關系。這種方式實時性好，易于實現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴展，可實現(xiàn)智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖所示。

其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統(tǒng)對其總體目標和任務可以進行綜合協(xié)調和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調工作來完成控制任務，整個系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。

這種結構中，子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設備構成的，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡等相互通訊。分布式控制結構提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式。

兩級分布式控制系統(tǒng)

通常由上位機、下為機和網(wǎng)絡組成。上位機可以進行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法，下位機進行插補細分、控制優(yōu)化等的研究和實現(xiàn)。上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調工作，這里的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB總線等形式。

現(xiàn)在，以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展為機器人提供了更快速、穩(wěn)定、有效的通訊服務。尤其是現(xiàn)場總線，它應用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向多結點數(shù)字通信，從而形成了新型的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應時間。

機器人控制系統(tǒng)分類

1、程序控制系統(tǒng)：給每一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。

2、自適應控制系統(tǒng)：當外界條件變化時，為保證所要求的品質或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結構和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。

3、人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。

4、點位式控制系統(tǒng)：要求機器人準確控制末端執(zhí)行器的位姿，而與路徑無關。

5、連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)：要求機器人按示教的軌跡和速度運動。

6、控制總線：國際標準總線控制系統(tǒng)。采用國際標準總線作為控制系統(tǒng)的控制總線，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。

7、自定義總線控制系統(tǒng)：由生產(chǎn)廠家自行定義使用的總線作為控制系統(tǒng)總線。

8、編程方式：物理設置編程系統(tǒng)。由操作者設置固定的限位開關，實現(xiàn)起動，停車的程序操作，只能用于簡單的拾起和放置作業(yè)。

9、在線編程：通過人的示教來完成操作信息的記憶過程編程方式，包括直接示教模擬示教和示教盒示教。

10、離線編程：不對實際作業(yè)的機器人直接示教，而是脫離實際作業(yè)環(huán)境，示教程序，通過使用高級機器人，編程語言，遠程式離線生成機器人的作業(yè)軌跡。