控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的重要組成部分,它的作用相當于人腦。擁有一個功能完善、靈敏可靠的控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人與設備協(xié)調動作、共同完成作業(yè)任務的關鍵。工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)一般由對其自身運動的控制和工業(yè)機器人與周邊設備的協(xié)調控制兩部分組成。

1.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點

機器人從結構上講屬于一個空間開鏈機構,其中各個關節(jié)的運動是獨立的,為了實現(xiàn)末端點的運動軌跡,需要多關節(jié)的運動協(xié)調,其控制系統(tǒng)較普通的控制系統(tǒng)要復雜得多。

機器人控制系統(tǒng)的特點如下:

(1)機器人的控制是與機構運動學和動力學密切相關的。在各種坐標下都可以對機器人手足的狀態(tài)進行描述,應根據具體的需要對參考坐標系進行選擇,并要做適當的坐 標變換。經常需要正向運動學和反向運動學的解,除此之外還需要考慮慣性力、外力( 包括重力)和向心力的影響。

(2)即使是一個較簡單的機器人,也至少需要 3~5 個自由度,比較復雜的機器人則需要十幾個甚至幾十個自由度。每一個自由度一般都包含一個伺服機構,它們必須協(xié)調起來,組成一個多變量控制系統(tǒng)。

(3)由計算機來實現(xiàn)多個獨立的伺服系統(tǒng)的協(xié)調控制和使機器人按照人的意志行動,甚至賦予機器人一定“智能”的任務。所以,機器人控制系統(tǒng)一定是一個計算機控制系統(tǒng)。同時,計算機軟件擔負著艱巨的任務。

(4)由于描述機器人狀態(tài)和運動的是一個非線性數學模型,隨著狀態(tài)的改變和外力的變化,其參數也隨之變化,并且各變量之間還存在耦合。所以,只使用位置閉環(huán)是不夠的,還必須要采用速度甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中經常使用重力補償、前饋、解耦或自適應控制等方法。

(5)由于機器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成,所以存在一個“最優(yōu)”的問題。對于較高級的機器人可采用人工智能的方法,利用計算機建立龐大的信息庫,借助信息庫進行控制、決策、管理和操作。根據傳感器和模式識別的方法獲得對象及環(huán)境的工況,按照給定的指標要求,自動地選擇最佳的控制規(guī)律。 綜上所述,機器人的控制系統(tǒng)是一個與運動學和動力學原理密切相關的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。因為其具有的特殊性,所以經典控制理論和現(xiàn)代控制理論都不能照搬使用。到目前為止,機器人控制理論還不夠完整和系統(tǒng)。

2.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主要功能

工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等項目 工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等項目的控制是工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主要任務,其中有些項目的控制是非常復雜的。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主要功能包括以下兩點:

(1)示教再現(xiàn)功能。示教再現(xiàn)功能是指控制系統(tǒng)可以通過示教盒或手把手進行示教,將動作順序、運動速度、位置等信息用一定的方法預先教給工業(yè)機器人,由工業(yè)機器人的記憶裝置將所教的操作過程自動地記錄在存儲器中,當需要再現(xiàn)操作時,重放存儲器中存儲的內容即可。如需更改操作內容時,只需重新示教一遍。

(2)運動控制功能。運動控制功能是指對工業(yè)機器人末端操作器的位姿、速度、加速度等項目的控制。

3.控制系統(tǒng)的組成

工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)由相應的硬件和軟件組成。

硬件主要包括以下幾部分:

1)傳感裝置?？煞譃閮炔總鞲衅骱屯獠總鞲衅?。其中前者是用來感知其自身的狀 態(tài)的,其作用是對工業(yè)機器人各關節(jié)的位置、速度和加速度等進行檢測;后者是用來感知工作環(huán)境和工作對象狀態(tài)的,外部傳感器包括視覺、力覺、觸覺、聽覺、滑覺等傳感 器。

2)控制裝置。一般由一臺微型或小型計算機及相應的接口組成。其作用是用來對各種感覺信息進行處理,執(zhí)行控制軟件,并產生控制指令。

3)關節(jié)伺服驅動部分。這部分的主要作用是以控制裝置的指令為依據,按作業(yè)任務的要求驅動各關節(jié)運動。

這里所說的軟件,主要是指機器人的控制軟件?？刂栖浖蛇\動軌跡規(guī)劃算法和關節(jié)伺服控制算法及相應的動作程序組成。它可以使用所有的編程語言編制,但工業(yè)機器人控制軟件的主流是由通用語言模塊化而編制形成的專用工業(yè)語言。