《工业机器人技术基础》(第5章).pptx

工业机器人技术基础第第5 5章章 工业机器人控制系统工业机器人控制系统5.1 工业机器人控制系统概述目录CONTENT5.2 工业机器人的控制方式掌握工业机器人控制系统的功能和特点。12学习目标了解运动控制和力控制。3掌握工业机器人控制系统的组成和结构。5.1工业机器人控制系统概述5.1.1 工业机器人控制系统的功能工业机器人控制系统的功能工业机器人控制系统的控制过程如图5-1所示，其功能通常有示教再现和运动控制两种。图5-1 工业机器人控制过程图1示教再现功能示教再现功能示教再现功能是指示教人员预先将机器人作业的各项运动参数教给机器人，在示教的过程中，工业机器人控制系统的记忆装置将所教的操作过程自动地记录在存储器中。当需要机器人工作时，机器人的控制系统便调用存储器中存储的各项数据，使机器人再现示教过的操作过程，由此机器人即可完成要求的作业任务。2运动控制功能运动控制功能运动控制功能是指通过对机器人末端执行器在空间的位姿、速度、加速度等项的控制，使机器人末端执行器按照任务要求进行动作，最终完成给定的作业任务。在示教再现控制中，机器人末端执行器的各项运动参数是由示教人员教给它的，其精度取决于示教人员的熟练程度；而在运动控制中，机器人末端执行器的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算得来的，且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完成给定的作业任务。运动控制功能与示教再现功能的区别5.1.2 工业机器人控制系统的特点工业机器人控制系统的特点（1）工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。（2）工业机器人的控制系统是一个多变量控制系统。（3）工业机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。（4）控制机器人仅利用位置闭环是不够的，还要利用速度甚至加速度闭环。（5）机器人的控制需要根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况，按照给定的指标要求，自动地选择最佳的控制规律。5.1.3 工业机器人控制系统的组成工业机器人控制系统的组成工业机器人控制系统主要由控制计算机、示教盒、操作面板、硬盘和软盘存储器、数字和模拟量输入/输出接口、打印机接口、传感器接口、轴控制器、辅助设备控制接口、通信接口、网络接口等组成，如图5-2所示。图5-2 工业机器人控制系统的组成5.1.4 工业机器人控制系统的结构工业机器人控制系统的结构在控制结构上，大部分工业机器人采用两级计算机控制。第一级微型计算机控制器（上位机）担负系统监控、作业管理和实时插补任务，由于运算工作量大、数据多，所以大都采用16位以上的计算机。第一级计算机运算结果作为目标指令传输到第二级单片机运动控制器（下位机），经过计算处理后传输到各执行元件。1集中控制结构集中控制结构集中控制结构是用一台计算机实现全部控制功能，构简单、成本低，但实时性差，难以扩展。图5-3 集中控制结构框图2主从控制结构主从控制结构主从控制结构采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主计算机实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从计算机实现所有关节的动作控制。这种控制结构系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。图5-4 主从控制结构框图3分散控制结构分散控制结构分散控制结构是按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种控制结构实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的控制结构。图5-5 分散控制结构框图5.1.5 工业机器人控制柜与示教器工业机器人控制柜与示教器工业机器人的控制器主要包括控制柜和示教器两部分。1控制柜控制柜控制柜以先进动态建模技术为基础，对机器人性能实施自动优化，大幅提升了工业机器人执行任务的效率。（a）外形 （b）内部图5-6 IRC5控制柜2示教器示教器示教器是一种手持式操作装置，用于操作与工业机器人控制系统有关的任务，如编写程序、运行程序、修改程序、手动操纵、参数配置、监控状态等。示教器主要部件包括使能器按钮、触摸屏、触摸笔、急停按钮、操纵杆和功能按钮。图5-7 示教器外形5.2工业机器人的控制方式5.2.1 运动控制运动控制为了完成各种作业，工业机器人应采用合适的运动控制方式。根据作业任务的不同，工业机器人的运动控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制两种。（a）点位控制 （b）连续轨迹控制图5-10 点位控制和连续轨迹控制1点位控制点位控制点位控制（PTP）又称为点对点控制，该控制方式是在关节空间里指定一个固定的参数设置，目标是使关节的变量能保持在期望的位置，不受转矩扰动的影响。点位控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间。2连续轨迹控制连续轨迹控制（a）（b）（c）（d）图5-11 示教数据的编辑机能连续轨迹控制不仅要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对移动轨迹也有一定的精度要求。5.2.2 力控制力控制1被动交互控制被动交互控制在被动交互控制中，由于机器人固有的柔顺，机器人末端执行器的轨迹被相互作用力所修正。被动交互控制不需要力（力矩）传感器，并且预设的末端执行器轨迹在执行期间也不需要改变。此外，被动柔顺结构的响应远快于利用计算机控制算法实现的主动重定位。但是，由于被动交互控制需要对每个机器人作业都必须设计和安装一个专用的柔顺末端执行器，因此在工业应用中使用被动柔顺往往缺乏灵活性。它只能处理程序设定轨迹上小的位置和姿态偏离。此外，因为没有力的测量，被动交互控制也不能确保很大的接触力永远不会出现。2主动交互控制主动交互控制在主动交互控制中，机器人系统的柔顺主要通过特意设计的控制系统来获得。这种方法通常需要测量接触力和力矩，它们反馈到控制器中用于修正或在线生成机器人末端执行器的期望轨迹。主动交互控制可以克服被动交互控制中的缺陷，但是它通常更慢、更昂贵、更复杂。要获得合理的作业执行速度和抗干扰能力，主动交互控制需要与一定程度的被动交互控制联合使用。反馈只能在运动和力误差发生后才能产生，因此需要被动柔顺来使反作用力低于一个可以接受的阈值。