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机器人的大脑——控制系统概述

如果仅仅有感官和肌肉,人的四肢并不能动作。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系统,用硬件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。

机器人控制系统概念

 

机器人控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变化的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

 

机器人控制系统特点

 

机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来的,因此两者之间并无根本的不同。但机器人控制系统也有许多特殊之处。其特点如下:

 

1、机器人控制系统本质上是一个非线性系统。引起机器人非线性因素很多,机器人的结构、传动件、驱动元件等都会引起系统的非线性。

 

2、机器人控制系统是由多关节组成的一个多变量控制系统,且各关节间具有耦合作用。具体表现为某一个关节的运动,会对其他关节产生动力效应,每一个关节都要受到其他关节运动所产生的扰动。因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。

 

3、机器人系统是一个时变系统,其动力学参数随着关节运动位置的变化而变化。

 

4、较好的机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析,采用计算机建立庞大的信息库,用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作,按照给定的要求,自动选择控制规律。

 

机器人控制系统的基本要求

 

从使用的角度讲,机器人是一种特殊的自动化设备,对其控制有如下要求:

 

1、多轴运动的协调控制,以产生要求的工作轨迹。因为机器人的手部的运动是所有关节运动的合成运动,要使手部按照规定的规律运动,就必须很好地控制各关节协调动作,包括运动轨迹、动作时序的协调。

2、较高的位置精度,很大的调速范围。除直角坐标式机器人外,机器人关节上的位置检测元件通常安装在各自的驱动轴上,构成位置半闭环系统。此外,由于存在开式链传动机构的间隙等,使得机器人总的位置精准度降低,与数控机床比,约降低一个数量级。但机器人的调速范围很大,通常超过几千。这是由于工作时,机器人可能以极低的作业速度加工工件;空行程时,为提高效率,又能以极高的速度移动。

 

3、系统的静差率要小,即要求系统具有较好的刚性。这是因为机器人工作时要求运动平稳,不受外力干扰,若静差率大将形成机器人的位置误差。

 

4、位置无超调,动态响应快。避免与工件发生碰撞,在保证系统适当响应能力的前提下增加系统的阻尼。

 

5、需采用加减速控制。大多数机器人具有开链式结构,其机械刚度很低,过大的加减速度会影响其运动平稳性,运动启停时应有加减速装置。通常采用匀加减速指令来实现。

 

6、各关节的速度误差系数应尽量一致。机器人手臂在空间移动,是各关节联合运动的结果,尤其是当要求沿空间直线或圆弧运动时。即使系统有跟踪误差,仍应要求各轴关节伺服系统的速度放大系数尽可能一致,而且在不影响稳定性的前提下,尽量取较大的数值。

7、从操作的角度看,要求控制系统具有良好的人机界面,尽量降低对操作者的要求。因此,在大部分的情况下,要求控制器的设计人员完成底层伺服控制器设计的同时,还要完成规划算法,而把任务的描述设计成简单的语言格式由用户完成。

 

8、从系统的成本角度看,要求尽可能地降低系统的硬件成本,更多的采用软件伺服的方法来完善控制系统的性能。

 

机器人控制系统的功能要求

 

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、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、故障诊断保护功能:运行时系统状态监视、故障状态下的保护和故障自诊断。