第5章 工业机器人控制系统【81页PPT】

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任何控制系统具备其控制功能，针对工业机器人，我们要了解 工业机器人控制系统功能、特点、结构组成，了解当前主流工业机 器人的控制系统分类、所采用的机器人操作系统开发平台，理解工 机器人驱动系统，并能分析出不同类型驱动系统的特点和优劣。 本 节 导 入 机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制， 以完成特定的工作任务，其基本功能如下。 记忆功能 示教功能 与外围设备 联系功能 坐标设置功能 人机接口 传感器接口 位置伺服功能 故障诊断安全 保护功能 机器人控制技术和传统机械系统控制技术没有本质区别，但机器人 控制系统也有许多特殊之处，如下： 多关节 联动控制 每个关节由一个伺服系 统控制，多个关节的运 动要求各个伺服系统协 同工作以实现联动控制 基于坐标变换的 运动控制 工业机器人的空间点位 运动控制，需要进行复 杂的坐标变换运算，以 及矩阵函数的逆运算 复杂的 数学模型 其数学模型是一个多变 量、非线性和变参数的 复杂模型，控制中经常 使用复杂控制技术 图 5-1 工业机器人控制系统组成 数字和模拟 量输入输出 打印机接口 磁盘存储 操作面板 示教盒 视觉系统 接口 磁盘存储 磁盘存储 回转伺服 控制器 手腕伺服 控制器 大臂伺服 控制器 手腕回转 伺服控制器 磁盘存储 视觉系统 控 制 计 算 机 通信接口 网络接口 声音、图像 等接口… 滑觉和力觉 传感器 手腕旋转 伺服控制器 （ 1 ）控制计算机：控制系统的调度指挥机构； （ 2 ）示教编程器：与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互； （ 3 ）操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成； （ 4 ）磁盘存储：存储机器人工作程序的外围存储器； （ 5 ）数字和模拟量输入 / 输出：各种状态和控制命令的输人或输出； （ 6 ）打印机接口：记录需要输出的各种信息； （ 7 ）传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制； （ 8 ）轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制； 集中控制系统 用一台计算机实现全部控制功能 主从控制系统 采用主、从两级处理器实现 系统的全部控制功能 分散控制系统 系统控制的每一个模块各有不 同的控制任务和控制策略 1 、集中控制系统 由于工业机器人控制涉及位置控制、速度控制、加速度控 制、轨迹规划等各种数据，对实时性要求较高，但集中控制系 统类型在实时性方面存在缺陷。 2 、主从控制系统 按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，各模式之间可以 是主从关系，也可以是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、 高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式。系统 灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利 于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。 3 、分散控制系统 生产设备 示教盒 操作台 接 口 计 算 机 感觉系统 与接口 公 用 内 存 一级控制 二级控制 伺服电动机 速度 控制 脉宽调制 放大器 码盘 测速 发电机 伺服单元 图 5-2 分散式控制框图 两级分布式控制系统，通常由上位机、下为机和网络组成。 上位机 可以进行不同的轨迹规划和控制算法 下位机 进行插补细分、控制优化等的研究和实现 相互协调工作 通讯总线 可以是 RS-232 、 RS- 485 、 EEE-488 以及 USB 总线等形式 现在，以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、 有效的通讯服务。尤其是现场总线，它应用于生产现场、在微机化测量 控制设备之间实现双向多结点数字通信，从而形成了新型的网络集成式 全分布控制系统——现场总线控制系统 FCS ( Filed bus Control System ) 分布式结构 对于具有多自由度的工业机器人而言，当轴的数量增加到使控制算 法变得很复杂时，其控制性能会恶化，甚至可能会导致系统的重新设计。 与之相比，分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理，这意 味着，系统有较少的轴间耦合和较高的系统重构性。 分布式控制系统的优点在于： ● 系统灵活性好，控制系统的危险性降低 ● 采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执 行 ● 提高系统的处理效率，缩短响应时间 机器人操作系统，是工业机器人控制系统的“软部分”，实质上都是采 用了嵌入式实时操作系统。 工业机器人的驱动系统是直接驱使各运动部件动作的机构，对工业 机器人的性能和功能影响很大。工业机器人驱动方式主要有：液压式、 气动式和电动式。 电动驱动 利用各种电动机产生的力矩和力， 直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构 气动驱动 以压缩空气为动力源驱动， 气动执行机构包括气缸、气动马达 液压驱动 以有压力的油液作为传递工作介质， 实现机器人的动力传递和控制 电动驱动 由于低惯量，大转矩交、 直流伺服电机及其配套 的伺服驱动器的广泛采 用，电动驱动系统在机 器人中被大量选用。该 类系统不需能量转换， 使用方便，控制灵活。 液压驱动 适用于承载能力大，惯 量大以及在防焊环境中 工作的机器人。但液压 系统需进行能量转换， 速度控制多数情况下采 用节流调速，效率比电 动驱动系统低。 气动驱动 具有速度快、系统结构 简单、维修方便、价格 低等特点。适用于中、 小负荷的机器人。但因 难于实现伺服控制，多 用于程序控制的机械人 中，如在冲压机器人。 交流伺服电动机 包括同步型交流伺 服电动机及反应式 步进电动机等。伺 服电动机一般需要 配套伺服驱动器构 成伺服驱动系统。 直流伺服电动机 包括小惯量永磁直流 伺服电动机、印制绕 组直流伺服电动机、 大惯量永磁直流伺服 电动机、空心杯电枢 直流伺服电动机。 步进电动机 包括永磁感应步进电 动机。步进电动机和 驱动器构成步进驱动 系统，一般应用在对 位置等精度要求较低 的开环控制系统中。 本 节 导 入 图 5-3 ABB 公司 IRB1410 机器人 图 5-4 ABB 公司 IRC5 控制系统 图 5-5 KUKA 控制系统结构 机器人程序 控制程序 核心功能 系统通讯 可视化编程操作界面 示教器 FANUC 机器人的控制系统主要分为硬件和软件两部分。硬件部分 主要有控制单元、电源装置、用户接口电路、控制单元、存储电路、关 节伺服驱动单元和传感单元；软件部分主要包括机器人轨迹规划算法和 关节位置控制算法的程序实现以及整个系统的管理、运行和监控等功能。 ● 采用 32 位 CPU 控制，以提高机器人运动插补和坐标变换的运算速度； ● 采用 64 位数字伺服驱动单元，同步控制 6 轴运动运动，精度大大提高； ● 支持离线编程技术，技术人员可通过设置参数，优化机器人运动程序； ● 控制器内部结构相对集成化，具有结构简单、价格便宜等特点。 MOTOMAN UP6 是日本安川公司 MOTOMAN 系列工业机器人中的一种，其运动控制 系统采用专用的计算机控制系统 MOTOMAN UP6 计算机控制系统功能 系统伺服控制、操作台和示教编程器控制、显示服务、自诊断、 I/O 通 信控制、坐标变换、插补计算、自动加速和减速计算、位置控制、轨迹 修正、平滑控制原点和减速点开关位置检测、反馈信号同步等 MOTOMAN UP6 工作方式 采用示教再现的工作方式，在示教和再现过程中，计算机控制系统均处 于边计算边工作的状态，且系统具有实时中断控制和多任务处理功能 1 、新松 SRC C5 等系列控制器 新松机器人自动化股份有限公司是中国机器人产业前 10 名的核心牵 头企业，新松 SRC C5 是其新一代机器人智能控制系统，有如下特点： 由于国内存在一批在工业机器人运动控制领域长期深入研究的企业， 并且具有大量资金投入和长时间的市场验证，目前国产控制系统（控制 器）已经拥有了自己的技术特点和市场基础。 支持虚拟仿真、机器视觉（ 2D/3D ）、力觉传感等多种智能技术的应用； 采用全新的控制柜设计，性能提升，体积缩减，重量降低，安全性提高； 采用触摸屏横版示教盒，高灵敏度的触屏体验，适用于新型系统所有机型。 5.2.5 国产工业机器人控制系 统 5.2.5 国产工业机器人控制系 统 4 、固高科技 GUC 等系列控制器 目前，固高 GUC 系列控制系统涵盖了从三轴到八轴各类型号机器 人，其中技术难度最大的八轴机器人控制系统已经可以实现批量生产。 与此同时，从 2010 年开始，固高科技逐渐提出了驱控一体化的产品 体系架构，并推出六轴驱控一体机。 5 、汇川技术 IMC100 等系列控制器 汇川技术公司掌握了高性能矢量变频技术、 PLC 技术、伺服技术 和永磁同步电机等核心平台技术。 2013 年，公司开始拓展到控制器 领域， 2014 年推出了基于 EtherCAT 总线的 IM100 机器人控制器， 目前其主要针对市场包括小型六关节、小型 SCARA 以及并联机器人 等新兴领域。 5.2.5 国产工业机器人控制系 统 为了让机器人完成各种作业，如能搬运重物、打磨工件，该类 机器人需要控制好位置和力觉，以保障良好的定位和加工精度；还 有部分机器人配备了工业相机，能识别形状、颜色，甚至能进行产 品的几何尺寸测量、缺陷检测。 本 节 导 入 3D 工业相机 （激光三角测量） 图 5-7 工业机器人伺服系统 伺服 电动机 电流控制 位置控制 速度控制 减速器 速度反馈 位置反馈 电流反馈 位置 指令 1 、工业机器人伺服驱动器 图 5-8 工业机器人伺服系统 按照功率等级可分为： 400W 、 1KW 、 2KW 、 5.5KW 、 7.5KW 、 11KW 、 18KW 伺服驱动器 按照电机编码器类型分为： 增量式光电编码器伺服驱动器 旋转变压器伺服驱动器 磁编码器伺服驱动器 高精度编码器伺服驱动器 按照总线控制方式分为： EtherCAT 总线伺服驱动器 Powerlink 总线伺服驱动器 Mechatrolink 总线伺服驱动器 新型模式 ALL in ONE 上位机运动控制保持不变，把伺服驱动器和伺服电机做一体化集成， 这样电机与驱动器的线缆就得到了极大的节约；与之对应的是，伺服电 机保持不变，运动控制和伺服驱动做一体化的集成。 ONE 传统模式 由于空间相对分散，上层中央控制器 和底层执行机构相对物理空间比较远 TWO ALL in ONE 模式 可以控制几十台上百台设 备，使用非常方便 典型的伺服系统控制结构是上位控制器和伺服驱动器基于脉冲指令 和总线通讯的方式。 位置控制是工业机器人的基本控制任务。由于机器人是由多轴 （关节）组成的，每轴的运动都将影响机器人末端执行器的位姿。如 何协调各轴的运动，使机器人完成作业要求的轨迹，是个关键问题。 2 、工业机器人伺服控制基本流程 图 5-9 工业机器人位置控制 光电 码盘 关节 控制器 位置 调节器 速度 调节器 矩阵 调节器 功率 放大 给定 位置 期望 位置 位置反馈 速度反馈 电流反馈 目前，机器人伺服驱动器一般都有三种控制方式：速度控制方式、 转矩控制方式和位置控制方式 。这三种控制方式的选用方法具备通 用性，下面以埃斯顿伺服驱动器为例进行说明。 3 、工业机器人伺服驱动器控制方式选用方法 控制方式 速度控制方式 转矩控制方式 位置控制方式 通过发脉冲来控制 用模拟量来控制 根据整体控制需求来选用 ● 转矩模式 对机器人的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩 ● 速度或位置模式 对位置和速度有一定要求，对实时转矩不是很关心 根据伺服驱动器的上位机控制器具体情况来选用 ● 速度控制方式 上位控制器有比较好的闭环控制功能或控制器运算速度比较快 ● 位置控制方式 系统对实时性没有明确要求或控制器本身的运算速度很慢 ● 转矩控制方式 上位控制器为高端类型 机器视觉系统是指通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信 号，传送给专用的图像处理系统。根据像素分布和亮度、颜色等信息， 转变成数字化信号。图像系统对信号进行各种运算来抽取目标的特征， 进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。 1 、机器视觉系统构成 结果 孔 半径 图 5-10 采用模拟相机的视觉系统构成 图像 内存中 应用 数字图像 模拟视频流 被测物体 光源 摄像机 图像采集卡 镜头 机器视觉软件 结果 孔 半径 图 5-11 采用数字相机的视觉系统构成 图像 内存中 应用 数字图像 图像数据 被测物体 光源 镜头 机器视觉软件 数字摄像机 结果 孔 半径 图 5-12 采用智能相机的视觉系统构成 图像 内存中 应用 数字图像 模拟图像数据 被测物体 光源 镜头 机器视觉软件 智能摄像机 最本质的功能 将光信号转变成高清工业相机为有序的电信号 在机器视觉系统设计中，相机的选择不仅直接决定 所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整 个系统的运行模式直接相关 机器人视觉系统是指使机器人具有视觉感知功能的系统。机器人 视觉可以通过视觉传感器获取环境的二维图像，并进行分析和解释， 进而转换为符号，让机器人能够辨识物体，最终确定其位置。 2 、工业机器人视觉系统 机器人视觉系统的软件由以下几个部分组成： （ 1 ）计算机系统软件 选用不同类型的计算机，就有不同的操作系统和它所支持的各种语言、数据库等 （ 2 ）机器人视觉信息处理算法 既像预处理、分割、描述、识别和解释等算法 （ 3 ）机器人控制软件 （ 1 ）摄像机标定 空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相 互关系是由摄像机成像几何模型决定的，这些几何模型参数就是摄像 机参数，必须有实验和计算来确定，此过程称为摄像机标定。摄像机 标定的方法有很多，一般分为三类： 3 、手眼系统标定 传统的标定技术 需要提供较多的已知 条件，结合拍摄所得 的二维图像中特定标 定物以及提供的特征 基元之间的投影关系 进行几何运算。 自标定技术 采用与传统标定技术 完全不同的标定方式， 放弃使用定标物仅通 过对摄像机获取的图 像序列求解。 基于主动视觉的 标定技术 利用摄像机获得二维 图像以及摄像机的运 动过程中的轨迹等运 动参数来计算摄像机 的内外参数。 （ 2 ）手眼相对关系标定 手眼标定求取的是摄像机坐标系与机器人末端执行器坐标系之间的 相对关系。 目前，一般采用的方法是： ● 在机器人末端处于不同位置和姿态下，对摄像机相对于靶标的外参 数 进行标定； ● 根据摄像机相对于靶标的外参数和机器人末端的位置和姿态，计算 获 得摄像机相对于机器人末端的外参数、摄像机坐标系与机器人末端 执 行器坐标系的相对关系具有非线性和不稳定性。 视觉伺服控制系统的运动学闭环由视觉反馈与相对位姿估计环节 构成，摄像机不断采集同像，通过提取某种图像特征并进行视觉处理 后得出机器人未端与目标物体的相对位姿估计。 4 、机器视觉的伺服系统 根据视觉系统反馈的误差信号定义在三维笛卡尔空间还是图像特 征空间，可将视觉伺服系统分为： 基于位置的视觉伺服 控制模式（ PUBVS ） 基于图像的视觉伺服 控制模式（ IBV5 ） 视觉伺服控制器 根据任务描述和机器人及目标物体的当前状态，决定机器人相应的 操作，并进行轨迹规划，产生相应的控制指令，最后驱动机器人运动。 图 5-13 基于位置的视觉伺服控制结构 基于位置的 视觉伺服控制器 位姿估计 机器人控制器 视觉处理 关节角度传感器 反 馈 位 姿 期望位姿 图 5-14 基于位置的视觉伺服控制结构 基于位置的 视觉伺服控制器 机器人控制器 图像特征提取 关节角度传感器 当 前 图 像 特 征 期望图像特征 图像特征 可以是简单的几何特性，如点、线，圆、正方形、区域面积等 点特征 最经常使用的几何特征，点对应于物体的拐点、洞、物体或区城的质心 ● 为快速提取图像特征，多数系统采用特殊设计的目标、有明显特征 的 物体等。实际应用中依赖于寻找图像上的明显突变处，它对应于物体 的拐点或边缘。 ● 由于并不是整个图像的数据都是有用的，所以提取特征的过程可只 对 感兴趣的区域进行操作。 除了在一些自由度方向进 行位置控制外，还需要在 另一些自由度方向控制机 器人末端执行器与工件之 间的接触力，从而保证二 者之间的正确接触。 对于这类作业 一种比较好的控制方案是 当机器人在进行装 配、加工、抛光等作业 时，要求机器人末端执 行器与工件接触时保持 一定大小的力。这时， 如果只对机器人实施位 置控制，有可能由于机 器人的位姿误差或工件 放置的偏差，造成机器 人与工件之间没有接触 或损坏工件。 机器人控制中需解决四大关键问题 位置伺服 未知环境的约束研究 力传感器 碰撞冲击及稳定性研究 力控制是将环境考虑在内的控制问题 为了对机器人实施力控制，需要分析机器人末端执行器与环境的约 束状态，并根据约束条件制定控制策略，此外，还需要在机器人末端安 装力传感器，用来检测机器人与环境的接触力。 控制系统根据预先制定的控制策略对这些力信息做出处理后，控制 机器人在不确定环境下进行与该环境相适应的操作，从而使机器人完成 复杂的作业任务。 机器人的力控制最终是通过位置控制来实现，所以位置控制是机 器人实现施力控制的基础。另外，约束运动中机器人终端与刚性环境 相接触时，微小的位移量往往产生较大的环域约束力，因此位置伺服 的高精度是机器人力控制的必要条件。 1 、位置伺服 经过几十年的发展，单独的位置伺服 已达到较高水平。 因此，针对力控制力 / 位之间的强耦 合，必须有效解决力 / 位混合后的位置伺 服。 稳定性是机器人研究中的难题，现有的研究主要从碰撞冲击和稳 定性两方面进行研究。 2 、碰撞冲击及稳定性 磁撞冲击机器人力控制过稳中，必然存在机器人与环境从非接触到接触的 自然转换， Toumi 根据能量关系建立起碰撞冲击动力学模型并设计出力 调节器，其实质是用比例控制器加上积分控制器和一个平行速度反馈补偿 器，有望获得较好的力跟综特性。 稳定性在力控制中普遍存在响应速度和系统稳定矛盾，因此， Roberts 研 究了腕力传感器刚度对力控制中动力学的影响，提出了在高刚度环境中使 用柔软力传感器，能获得稳定的力控制，并和 Stepien 一起研究了驱动 刚度在动力学