一文讀懂機器人的大腦——控制系統






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導讀

如果僅僅有感官和肌肉,人的四肢並不能動作。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出神經信號,驅使肌肉發生收縮或舒張。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,用硬件和軟件組成一個的控制系統。

文/傳感器技術

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機器人控制系統概念

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機器人控制系統是指由控制主體、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。控制系統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。控制系統同時是為了使被控制對象達到預定的理想狀態而實施的。控制系統使被控制對象趨於某種需要的穩定狀態。

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機器人控制系統的功能要求

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

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、與外圍設備聯繫功能:輸入和輸出接口、通信接口、網路接口、同步接口。

4、坐標設置功能:有關節、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、螢幕。

6、傳感器接口:位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。

7、位置伺服功能:機器人多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、動態補償等。

8、故障診斷安全保護功能:運行時系統狀態監視、故障狀態下的安全保護和故障自診斷。

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機器人控制系統的主要種類

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控制系統的任務,是根據機器人的作業指令程序、以及從傳感器反饋回來的信號,支配機器人的執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徵,則為開環控制系統;若具備信息反饋特徵,則為閉環控制系統。

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根據控制原理可分為程序控制系統、適應性控制系統和人工智能控制系統。

根據控制運動的形式可分為點位控制和軌跡控制。

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工業機器人控制系統組成

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1、控制計算機:控制系統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做到信息交互。

3、操作面板:由各種操作按鍵、狀態指示燈構成,只完成基本功能操作。

4、硬碟和軟盤存儲存:儲機器人工作程序的外圍存儲器。

5、數字和模擬量輸入輸出:各種狀態和控制命令的輸入或輸出。

6、列印機接口:記錄需要輸出的各種信息。

7、傳感器接口:用於信息的自動檢測,做到機器人柔順控制,一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。

8、軸控制器:完成機器人各關節位置、速度和加速度控制。

9、輔助設備控制:用於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:做到機器人和其他設備的信息交換,一般有串行接口、並行接口等。

11、網路接口

1)Ethernet接口:可通過以太網做到數台或單台機器人的直接PC通信,數據傳輸速率高達10Mbit/s,可直接在PC上用windows庫函數進行應用程序編程之後,支持TCP/IP通信協議,通過Ethernet接口將數據及程序裝入各個機器人控制器中。

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

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機器人控制系統結構方式

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集中控制系統

用一台計算機做到全部控制功能,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採用這種結構,其構成框圖,如圖所示。

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基於PC的集中控制系統里,充分利用了PC資源開放性的特點,可以做到很好的開放性: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、並口集成到控制系統中。

集中式控制系統的優點是:硬件成本較低,便於信息的采集和分析,易於做到系統的最優控制,整體性與協調性較好,基於PC的系統硬件擴展較為方便。

其缺點也顯而易見:系統控制缺乏靈活性,控制危險容易集中,一旦出現故障,其影響面廣,後果嚴重;由於機器人的實時性要求很高,當系統進行大量數據計算,會降低系統實時性,系統對多任務的響應能力也會與系統的實時性相衝突;此外,系統連線複雜,會降低系統的可靠性。

主從控制方式

採用主、從兩級處理器做到系統的全部控制功能。主CPU做到管理、坐標變換、軌跡生成和系統自診斷等:從CPU做到所有關節的動作控制。其構成框圖,如圖所示。

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主從控制方式系統實時性較好,適於高精度、高速度控制,但其系統擴展性較差,維修困難。

分散控制方式

按系統的性質和方式將系統控制分成幾個模塊,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係,也可以是平等關係。這種方式實時性好,易於做到高速、高精度控制,易於擴展,可做到智能控制,是目前流行的方式,其控制框圖如圖所示。

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

這種結構中,子系統是由控制器和不同被控對象或設備構成的,各個子系統之間通過網路等相互通訊。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。分布式系統中常採用兩級控制方式。

兩級分布式控制系統

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

現在,以太網和現場總線技術的發展為機器人提供了更快速、穩定、有效的通訊服務。尤其是現場總線,它應用於生產現場、在微機化測量控制設備之間做到雙向多結點數字通信,從而形成了新型的網路集成式全分布控制系統—現場總線控制系統。

分布式控制系統的優點在於:系統靈活性好,控制系統的危險性降低,採用多處理器的分散控制,有利於系統功能的並行執行,提高系統的處理效率,縮短響應時間。

機器人控制系統分類

1、程序控制系統:給每一個自由度施加一定規律的控製作用,機器人就可做到要求的空間軌跡。

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

3、人工智能系統:事先無法編制運動程序,而是要求在運動過程中根據所獲得的周圍狀態信息,實時確定控製作用。

4、點位式控制系統:要求機器人準確控制末端執行器的位姿,而與路徑無關。

5、連續軌跡控制系統:要求機器人按示教的軌跡和速度運動。

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

7、自定義總線控制系統:由生產廠家自行定義使用的總線作為控制系統總線。

8、編程方式:物理設置編程系統。由操作者設置固定的限位開關,做到起動,停車的程序操作,只能用於簡單的拾起和放置作業。

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:不對實際作業的機器人直接示教,而是脫離實際作業環境,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軌跡。

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