工业机器人控制系统设计与应用

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六轴工业机器人控制系统的设计与实现

作者：严均 周煌辉

来源：《科技资讯》2019年第33期

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摘; 要：随着工业机器人在工业领域的应用不断拓展，作为工业机器人核心组成部分的控制系统成为研究的热点。该文简要阐述了工业机器人的构造以及控制系统在工业机器人整体设计中的重要性，在现有工业机器人控制系统的基础上，探讨了六轴工业机器人控制系统的设计龙源期刊网

与实现，包括六轴工业机器人控制系统的硬件架构、关节伺服电机与驱动器以及工控机软件系统的设计等。

关键词：工业机器人; 控制系统; 六轴机器人; 控制系统设计

中图分类号：TP242 ; ;文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0078-03

Abstract： With the continuous expansion of industrial robot applications in the industrial

field， the control system as the core component of industrial robot has become a hot research topic.

This paper briefly expounds the construction of industrial robots and the importance of control

systems in the overall design of industrial robots， and discusses the design and implementation of

six-axis industrial robot control systems， including the hardware architecture of six-axis industrial

TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化

科学与信息化2019年6月下 119工业机器人电气控制系统设计分析刘畅浙江钱江机器人有限公司 浙江 台州 317500摘 要 工业机器人指工业领域应用的一种多关节机械手或者是拥有多个自由度的机器装置，它主要通过自身动力以及相关的电气控制来实现各种功能运动。现代的工业机器人拥有可编辑、拟人化、通用性等相关特点，同时随着PLC电气控制系统的引入和发展，工业机器人得到了更高的发展，广泛地应用于机械制造、电力工程、医药、冶炼、物流等行业。关键词 机械机构；PLC；工业过程；设计分析1 工业机器人简介工业机器人主要由主体、驱动系统与控制系统组成，工业机器人主体即机座和执行机构构成，一般机器人拥有3～6个运动自由度。驱动系统由动力装置和传动机构构成，以用来执行相应的动作。控制系统是对驱动和执行机构发出和控制指令的系统。常见的工业机械人类型包含：直角坐标机器人、SCARA机器人、Delta机器人、4自由度标准工业机器人以及6自由度标准工业机器人等。他们主要用于机器焊接、物品搬运、涂胶、喷漆以及切割测量等。机器人的主要由机械系统、电控系统、示教盒、软件系统等组成，其技术特点及优势如下表[1]：表1-1 机器人单元技术特点与优点系统名称技术特点及优点系统名称技术特点及优点机械系统高精度示教盒模块化高响应标准化高刚度易操作高可靠图形化低成本易升级电控系统开放性软件系统标准化网络化系列化PC 化可靠性高性能规范化智能化易维护2 机器人控制系统基本结构机器人的电气控制系统主要由上位计算机、运动控制器、驱动器、电动机、执行机构和反馈装置构成。计算机一般采用微型机或者微处理器构成的调度指挥机构。示教盒是机器人工作轨迹和参数设定及人机交换操作平台，其拥有自己独立的CPU处理中心和储存单元，同时与主计算机串行通信以实现信息交互。电动机一般采用进步电机、直流伺服电机或者交流伺服电机，进步电机是一种可以将电脉冲信号变换成相应的角位移或者直线位移的执行元件。其拥有3%～5%的步距角精度，外表允许80～90度的高温，力矩会随着转速升高而降低。拥有结构简单、维护方便、高可靠性等优点。直流伺服电机具有高优性的启动、制动的特性，可以实现相应迅速、控制功率耗损小的优点。交流伺服电机连续工作范围大，机械特性比较硬，同时因为无电刷和换向器，因此工作可靠，维护保养要求低，同功率下较直流电机体积和重量更小[2]。3 控制系统分类3.1 集中控制系统集中控制系统是一种结构简单、成本低，使用一台计算机可实现全部控制功能的系统。该系统主要的特点是可以充分利用PC资源的开放性，因此具有多种控制卡、可通过PCI插槽及标准串口、并口集成控制系统的开放性。同时该系统便于信息采集和分析，其整体和协调性较好，系统硬件的扩展较为方便。但其缺点是控制较为集中，出现问题影响范围广，缺乏相应的灵活性。3.2 主从控制系统主从控制系统主要通过主、从两级的处理器进行全部功能的控制，其主系统主要实现管理、坐标变换、轨迹生成以及系统诊断等功能；而从系统主要是实现机器人的关节动作的控制。主从系统的控制主要特点是实时性较好，广泛适用于高精度和高速度系统的控制使用。3.3 分散控制系统分散控制系统主要是将系统分为几个模块，每一模块控制不同的任务和策略，系统会根据目标及任务进行综合协调和分配，同时通过子系统进行协调完成控制，在该系统结构中因为子系统是由控制器和不同被控制对象或设备构成，各个子系统间通讯主要是通过网络进行联系。其特点是实时性好，容易实现扩展。4 机器人控制器工业机器人控制器是影响机器人性能的关键部件，是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，决定着机器人的性能优势。控制器可进行多个任务操作，可具有网络通信功能，生产效率更加高。其具有多任务功能、网络功能、丰富的网络通信功能。机器人的控制可分为串行、并行两种结构类型，串行处理结构主要指控制算法采用串行机来进行处理。并行处理结构将控制算法并行处理。控制器的系统结构特点发展同时也朝着开放式系统结构、合理模块化设计、高效任务划分方向进行发展。同时也朝着实时性、多任务、网络通信、直观人机接口方向进行展望。5 编码器编码器是用来对控制对象的实际位置检测的传感器，是构成控制系统的必要元件。编码器按照不同的形式可分为直线型、旋转型编码器和增量式、绝对式编码器，四种类型。旋转光电编码器主要由发射部分、码盘以及检测部分组成，发射部分即光源；码盘为光栅盘在一定直径的圆板上按照一定的编码形成的开通若干个长方形孔；检测部分处理检测信号的电路板。绝对编码器是通过刻线码道，每条码道依次以2线、4线、8线、16线进行刻线编码，在编码器的每一个位置通过读取每道刻线的通、暗，进而获得从2的零次方到2的n-1次方的唯一二进制代码，这样就形成不受停电干扰的由光电码盘机械位置位置编码。增量编码器具有精度高、结构简单，成本低的特点，可是（下转第122页） TECHNOLOGY AND INFORMATION教育与信息化

摘要本文论述机器人操作系统的墓本功能并结合实例讨论机器人控制系统设计和机器人编程语言的方法工业机器人帆械手胜制通常分为峨详汕加方式和知闭血山方式方式是指从点到点的位置控制域机械手从一种姿势到另一种姿势的控制,只要求到达目标点或者到达某一目标姿势不考虑途经的路径如图所示例如点焊接作业只需确定从一个焊点到另一个焊点的位置至于焊接枪的姿势和焊接作业指令流程可按操作步骤构成方式是指跟踪连续路径的控制方西北电讯工程学院胡浦泉张高樵机器人控制系统设计

法如图所示例如机械手的电弧焊接或者涂漆工艺必须按连续的目标轨道进行作目标点

方式方式图机械手碗关节的尸了尸与控制方式示意图业在本系统中论述机器人产生的运行操作我们假定从点到点的运动机器人联动控制系统中所有的坐标轴是同步的从点到点的运动中在直角坐标中线性跟踪从点到点的运动必能经由目标轨道中间的各个点即逐点通过一控制系统的构成在该控制系统设计中将运动轨道的产生和定位控制分成两项独立的操作任务这样有利于修改矫正使其均匀而有规律地变化作为定位控制的典型算法是一嵘时艺时伍从式中电动机操作命令坏定位误差认系数显然要完成机器人帆械手欺道产生与控制即电动机的定位控制必然包含几何变换轨道产生等复杂的运算如果将运算中所用的数学函数列表通过对表中参数的选择获得最佳设计且在运算中应用线性插值方法可以降低对微处理机运算处理速度能力要求同时满足机械手实时肤速凄求的技术指标获得满意的效果按照线性插值法原理计算函数插值的公式可以写成六一,一卜一碎丝乎卫、式中自变量奴冲彻函数插值肋函数实际值片,卑户两个连续变量之间的步距即函势咧表的间距按照精确度的要求在习区间上插值的经拐寸误差是获瓜沂扩‘则。‘二倘若绝对误差的最大值‘翻…汾确实存在且对应于变量‘点则有六二,卜为一鲁卜‘、口、口气,百一‘”一万一,二八·号,入一号,得‘八动一为,号,八·按徽处理机的字长和控制精确度要求可以假定猛值的大小通过勿式得到线性插值结点的步距试即函彭咧表间助按自变量的任意取值求出对应的数学函数崔咧铡以为两个相邻变量之间的步助存入存贮器存贮单元约占字节采用列表设计方法可以简化每次机械手的几何变换旋转角度的几何变换轨道生成的运算步骤缩短计算时间对要求机器人帆械手殡时快速的跟踪控制系统翻十是州种较好的侧十构思通常机器人的功能愈强其软件系统愈复杂则有可能达到难于管理的程度在这种悄况下由于会发生降低整个系统性能的意外的随机事件导致系统变得不稳定因此研究多徽分布式控制系统对于发展智能机器人有着重要意义所谓多微分布式控制系统其根本特征是采用多台诚通用的单片单板撇型机复合结构方式将系统功能按专业任务的特征分开使每台微型机在同一时刻能独立地按其自身的程序执行即各台微处理机上的进程是真正地在时间上并行地而又互相协调地完成总体系统功能从而使系统具备许多优点①造价低廉系统可靠功能灵活②由于各个单台徽型计算机的执行任务单一明确因此程序直观简便有利于程序设计③有利于故障诊断维修更新硬件④系统自身的柔软性良好适应性强扩展性能女升等以我院研制的表演型机器人为例其控制系统结构框图如图所示将系统总的技术指标要求按专业任务的特征分割成功能模块单元如手脚关节人驱干的腰部颈部关节的屈伸收展内旋外旋等共设计了个自由度划规为个控制功能模块惮元语言合成和语言识别视觉触觉遥控功能等分别划分为儿个控制功能单元对应每个控制单元有台块漏部控制器由单板机或单片机湘成这些局部控制器在高一层微训算机的管理协调快策调整中心协调操作器下完成局部范围内的直挂腔制由全部功能模块惮元的集合提供完整的系统控制功能各局部控制器之间不直接交换信息因此局部控制器之间的数据参量传送位目机器人通过视觉看见的景物图形需由语音合成局部控制器以语言方式表达等事但须先经上一级处理器图中协调操作器冲核认可由它协调后再转送到相应的局部处理器完成控制可见在机器人操作系统侧十中一定要具备信息交换的通讯链路和通讯规限由图可知局部灌制器和协调操作器共采用了台一微计算机按树状结构连接构成分布式机器人控制系统滚凑伙协目猎百肠瞬如卿州洗觉图多徽分布式控制浪统结构框图每台州田‘基本硬仁规格勺石瑰月刃主频么之内存容量〕发服丑静态其中州卫视觉部分由图娘处理机处理摄象机所摄取的图象获取景勿图月刘氰息专舒目主处理抓中亡切调如隅急由刘懊肆沛核认可发送操作命令到语音合成处理器机器人以合成语音回答视觉系统识别出来郎景咖卿琢迄语音合成处理器目前我们砂陶拍勺表演型机器人能讲话③机器人的手脚关节腰摇头多自由度控制处理器能按自身语言合成的话音配合向周围人群作自我介绍表示欢迎表演节目或者依据主衫喻伶通过安装在机器人背面的协调操作器上的键盘域遥控信号操纵机器人各部位关节作分解的示教作业④无线遥控是产汉柑嘟人的非接触控制本系统设计了两种方式第翻种用加任弓御十算杉硒过微型收发翻逮腔中心处理锹枷雕麟三器人能够对机器人实现遥控编程遥控示教遥控实现与中心处理器上键盘输人各种操作命令完全相一致的功能第二种是采用无线电话机通过话机的拔号键盘产生凡一机对香触方法简便但控制功能不女喋一种⑤中心处理器肋镊峰作捻它负责多处理机之间的通讯同步调度等控制事务确保在不同的处理机阔鄙控制纂粗执行的进程彼此互不干扰且由中心处理黝戴创哈刊灿恨劝能二机器人操作系纠泊勺基本功能操作系统具备的主要功能有①机器人操作命令与控制②人—机对话人和机器人的交互式通信③机器—机器之间的交互式通信也就是说在多处理机环境下操作系统需要负责管理以协作方式共同工作的多个处理机的存贮器接口电路等一系列系统资源以及负责执行进程处理机之间的通讯同步调度等控制事务的软件系统机器人操作命令与控制由于机器人帆械刹的运动是由若干关节运动合成的结果实际上人们感兴趣的是机械手在空间的位置和方位或者机械脚在地面的位置人们并不关心各关节是如何动作的各关节的运动倔伸收展内旋处旋液由机器人控制系统依据提供的空间位置和方位角自动生成因此直接使用微计算机的汇编语言或通用算法语言又洪等来设计机器人作业程序是不合适的本文提出机器人编程语言的概念例如一条语句为田孤孤一】刊刃,则表示机械手的右手腕关节将从它的现在位置以辑稿涟氧田工移动到州隋翩瑕置上且阳笛侧挫标系中缈那瞻准伪二压力乃加一至欧拉角度矽刀侧牵显然采用机器人编程语言实现人一机对话易于操作与理解本系统设计的机器人编程语言的指令编码格式为喇一”一一匕以山山占山习立即数据沥子节吕价中操作码口表示速率坐标系中位置值欧拉角度这条指令执行笛卡儿坐标中机器人右手腕关节位置的点到点位移价势指令的格式场飞指令执行笛卡儿坐标中机器人左手腕关节位置的点到点位移指令格式同上操作码为的表示机器人的脚执行点到点位移操作码为《】这条指令执行机器人头部脊柱前弯为屈后仰为伸由屈伸完成点头作必向两侧侧屈转动实现摇头操作吕价指令格式别叭该条指令执行机器人状态初始化单字节指令操作码为以刀〕劝使机器人的运行立即停止单字节指令操作码为川咖

学号: ********

开题报告

工业机器人的控制系统设计

1：背景

1.1机器人在工业生产的广泛应用

自从20 世纪60 年代初人类创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。 目前，汽车制造业是制造业所有行业中人均拥有工业机器人密度最高的行业，如，2004 年德国制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为162 台，而在汽车制造业中每1 万名工人中拥有工业机器人的数量则为1140 台；意大利的这一数值更能说明问题，2004 年意大利制造业中每1 万名工人中拥有工业机器人的数量为123台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则高达1600 台。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。2005 年，亚洲地区电子电气行业对工业机器人的需求仅次于汽车及汽车零部件制造业，其占所有行业总需求的比例为31%；而在欧洲地区橡胶及塑料工业对工业机器人的需求则远远超过电子电气行业而排名第二位；美洲地区由于汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求遥遥领先，所以金属制品业(包括机械)、橡胶及塑料工业以及电子电气行业对工业机器人的需求比例相当，均在7% 左右。另外诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实