机器人及其控制

反映时域特征的主要有相关函数本文中除了用它们来考察系统的稳定性外还用来,,,。都为提高主轴系统的工作精度核实系统所受的干扰上述这些分析,掌握系统的性能提供了各种有用的信,,。息本文涉及的动态数据的分析与处理的内容只是其中的一部分它还有许多富有成效的方,’’。法而且在工程技术等各领域中具有广泛的用途随着计算技术的发展以及这一学,,。科的深入研究与完善它的应用范围必将日益扩大重要性也越来越迫切了,,参考文“”【〕应怀樵编著波形和频谙分析与随机数据处理,。中国铁道出版社,。〔〕机械工程增刊,机器人及其控制杨俊王化周杜风雷摘要本文首先介绍机器人的组成和功能然后说明如何用微计算机进行控制以实现上,,。述功能机器人的组成与功能。机器人技术是工业发展到一定水平的必然产物是新技术革命中的一个重要内容机器,、、、人是综合利用电子学人工智能系统工程精密机械工程和控制理论等学科的先进技术构。、成的一种自动装置特别是以微计算机为代表的微电子技术传感反馈技术的迅速发展使,。得机器人的控制系统和决策功能赋于更多的智能本文着重介绍用微计算机控制机器人并,。介绍传感反馈技术如何与微计算机配合使机器人赋于较多智能的方案,。人体各部分与机器人。机器人有各种各样但在模仿生物功能的某些部分方面却存在共同之处对于制造机器,。人的人来说生物的功能都有借鉴之处可是支配生物界的法则与作为人造物的非生物界,,事实上,的法则不大相同目前的机器人在模仿生物功能时所根据的理论与生物功能实现的,。理论并非一致。、、、、、图为人体各部分与机器人的对照人体上有头臂手脚口耳与眼等一台功能,齐全宪整的机器人通常也具备与人体各部分相对应的部分现就机器人相应部分如何实现,,其功能略述如下。、机器人的头脑机器人的头脑目前主要使用微计算机由于微计算机性能强小型化、价格低和可靠性高—合装在机器人的有限空间内适,。其功能主要为?动作程序的存贮和再现控制?动作轨迹的插补计算信息处理?手指坐标与关节角的变换信息处理?人一机接口信息处理?声音识别和物体模式识别信息处理?来自传感器的信号处理信息处理?。机器人语言处理信息处理,暇无电仪嗯豁傲计耳机声只吕姿省‘口合谙百成器我洛人导代图人与机器人功能对照微计算机的作用如下、数值计算‘‘坐标变换计算‘轨迹插补计算、文字信号处理机器人语言处理图象处理—电视信号的图象处理图形处理—制台控—器的输入信号的处理对来自传感如噪声抑制—工作程序的存贮和再现—来自传感器的信号反馈对—机器人的臂和手一一为了搬运物件信息处理控制联机计算测试操作控制人的,。臂和手有很多关节结构和控制也特别巧妙关节型,机器人在结构和控制方面比较成功地模仿人的臂和。手此外为了适应工程上的需要也可采用直角坐,,、、。标式极坐标式园柱坐标式的臂和手、关节的控制方式,按动力源分有电驱动式油压。驱动式和气压驱动式等机器人的手在抓取物体时图物休操作的六个自由度除手指夹持动作外,,。还应有六个自由度见图所示,。机器人的脚一一这是目前还比较难以模仿人的脚来实现其功能的部分目前所研。制的两条腿交替迈步的机器人难点在于步行的机理和实行步行中的稳定控制问题目前对,需要移动的机器人可采用车轮式和履带式前者实现较简便后者在路面条件差的情况下仍,,。可以超越行走机器人的口一一机器人的门是把信息发送到外界的工具在简单的场合下可用,,。微计算机控制磁带机的放音部位使其发出有限的语句在高级场合下则需要配备声音合成,。装置。如以二维图象摄取对象电视摄象以上几个部分是机器人对外界产生效果的作用器,机器人的眼一一通常用光学传感器来实现,,。有时也可采用简单的一维光传感器或点状光传感器为了识别所见物体的形状作为机器人,。行动的判定材料这是模式识别和物体识别问题这就必须用微计算机进行处理,。机器人的耳一一机器人的耳通常为一传感器声音一电传感器识别人的声音。并与机器人的运动联系起来这就成了声音识别间题主要用微计算机进行信息处理,图,。竹征粤权玻将为声音识别系统框图八刀吸处理,决以上两部分为机器人接受外界信息的传感器信号通过微计算机进行信息处理,。使机器人进行识别和判定,。机器人系统的构成一匹民法动奄砚烈匹配粤征匹配识封函依。图为工业机器人系统框图它是由下列部分组成机器人的臂机器人的手指操作器或手爪寻准困芍臼转任今声音识别系统图钻入设备镇盆控制村示散装里’声愉入簇遥音钧多设蛋蛋彼材却分计算视圈剑外音下旋备内郁能称、尺了打印札声畜油出长粗图工业机器人系统框图臂和关节的驱动及驱动源检测部分传感器?机构内各部分传感器触觉传感器?、视觉听觉传感器?握力传感器控制部分?、硬件存贮器?软件控制程序。人一机接口外部设备和这里是机器人的运动直接进行外部工作的部分与一起构成机器,。人的主体称为机器人的机械手,。为检测部分即传感器用以完成传递机器人内部或外部信息,,具体功能为跟踪或发现机器人本身可动部分的状态内部检测功能跟踪或发现作业对象的状,、态外部检测识别功能?发现机器人外部设备或机械装置的状态?自诊断功能利用这些功能进行反馈控制可使机器人采取相应的运动和操作这些运动和操作都预,。先以子程序的方式编入软件中按反馈信号调用子程序来改变按正常状态规定的程序,,、。为控制部分它从臂手开始按预先对各部分规定顺序动作并利用各部分的,,。传感器的信号进行反馈控制这些均用微计算机来进行此外用人一机接口来实行人对机,,、、。器人的控制如用键盘控制杆示教装置和声音输入等输入设备作为人了解机器人内部,、。信息的手段还可采用打印机和声音合成装置等输出设备,、、在外存贮设备中可存贮控制机器人动作的信息如表示臂手指的位置参数改变参,。数的指令所对应的子程序、对于由机器人作业设备如机床传送带等设备组成的柔性加工系统须注意动作要协,。。调这就必须加强它们之间的控制信号和信号处理能力并在时序上要严格区分,、二用微计算机控制的机器人。微计算机对机器人的控制不外乎如上所述的两个方面即信息处理和控制,。,图制对象为利用微机控制机器人的系统框图如机械手输出的程序为数字信号图的左半部为反馈控制因为由微计算机向控,故利用变换器将数字最变换成模拟量再,。经必要的放大来推动执行元件如执行元件为伺服电机即可将电信号变换为位移从或力,。这样按微计算机的给定程序控制机械手进行相应的操作与此同时安装在机械手上的,,,传感器将检测机械手的机械址位移量或角位移变换成相应的电信号一般为微弱的模,拟值通过变换器变成数字量信号输入微计算机此信号与控制最的目标值进行比,,,用所得的差值作为误差信号去控制执行元件直至误差信号为零为止这是一种常用的,较,,。反馈控制采用微计算机的反馈控制系统由于可编程,序和按反馈信号调制子程序可以适应可能发生的情况又由于系统参数的改变和设计参数的变更,可以与软件变更相对应所以可以构成柔性系,统。在实际控制系统中传感器和执行元件通常,八女换拼拼夕便换签。很少是一个的为适应各种情况下的工作这就,需要多路转换器来转换多组输入信号当然由,,此所引起的控制回路和控制软件也相应变得复杂。了筱行元仟传感器。机器人控侧通常工业机器人的作业是由下列几项的组合图微计算机控制机器人系统框图翻。来完成的手腕位置的控制手指包括手爪喷枪等工具的控制,与对应的机械设备协调动作为了有效地完成这种功能必须赋于机器人,动作控创功能动作户厅控侧巨瑞功能亦敬功能、以检测识别的功能。和外部环境图包括对机器人本身各部分为构成工业机器人的功能框运动搜制功能。图图中动作控制功能分为动作程序控制功能和。、剧试识别功能运动控制功能工业机器人示教这种作业内容必须事先设定或给。把示教功能与动作控制功能结作业功能。合起来称为控制功能把机器人利用手爪或工,。具进行作业的功能称为作业功能例如喷漆机,器人喷枪的喷射作业和焊接机器人的焊接作业,图工业机器人功能框图。均属于这一类型。所示按事先规定的顺序工业机器人在实现这些功能方面的控制方式有多种见表,图为点到点控制其作业位置为作业空间内的离散点,在各,,。定位点上进行定向作业图为连续运动轨迹控制指定的作业位置是作业空间的直线或曲线在这个运动,,。轨迹上以连续定位定向进行作业不论是点到点的运动还是连续轨迹运动都是由机器人的多个动作轴的动作复合而成,。。的由此就要求同时对各个动作轴分别进行控制这种控制可以是调用预先编制好的程序,。。也可以通过示教方式获得各动作轴控制软件图为示教机器人的运动构成框图可以通过。示教操作盘编程盒操作机器人各个动作轴来完成复合的运动也可以由操作者直接握着。按照机器人实际工作时所走的路径或点位和速度进行示教控制系统以恒定的时间间隔为基础将机械手,机器人的手腕在手腕或工具或工具按照机器人实际工作时所走的路径或点位和速度进行示教,被示教运动的一段时间中控制系统以恒定的时间间隔为基础,表工业机器人控制方式轨迹控制有限点指定控制一全路径指定控制位置控制—固定位置给定方式定位控制多点位置定方式—伺服方式给速度控制、‘、、,厂了‘厂固定速度控制一可变速度控制速度控制二二二加速度控制固定加速度控制可变加速度控制固定力控制力控制方式可变力控制固定程序控制顺序程序序控顺动作制可变程序控制运方动控式制一制动式方作牡…控制方一…时限程序固定程序控制可变程序控制一…‘万式二…磁—‘集中示教一、尹了、、位置分散示数示式教方、分散示教一一…顺序分散示数时间分散示数一直接不教间示集中存贮分散存贮全直接示教部分直接示教全间接示教部分间接示教位置分散存贮顺序分散存贮时间分散存贮示教操作方式一存贮方式二二二—二的每一动作轴的位置参数定时记录下来存贮在存贮器中当重新演示机械手的运动时这,,,。些示教的内容由控制进行译码驱动机械手各动作轴使机械手的运动再现,,尹一一、、厂‘、,、‘,、口、连续轨迹控制、点位控制到达。、图、‘各点不考虑运动轨迹点位控制和连续轨迹控制。橄计算机控制机器人的型式。微计算机对工业机器人的控制方式可分为以下三种类型管理型一一如图所示机器人本身拥有一单片微计算机或单板微计算机可,称为副计算机控制工业机器人实现操作功能另外再外接一计算机称为主计算机,,,。、、给出机器人动作种类和同步的管理程序方式这种群控方式对于机器人加工机床工件。或毛坯传送带等组成的柔性加工系统比较适用工业祝裕人计钟机动作烦仔往制一软字入愉输匕控侧侧长械令存储番音理型图示教机器人的运动构成框图工江机器人。存贮型一一如图所示在控制设备中利用小容量的缓冲存贮器外接,主计算机根据需要可改写其内容从而代,,计算城。替了控制设备内的存贮器的功能采用这种方式要求外接计算机与机器人的结合比较,七存贮型。密切。运算型一一如图所示这是。外接计算机直接控制机器人的一种型式此计莽找工砚畏人。时计算机多作为专用随着微计算机的功能提高、体积减小和成本降低,运算型就更加运算型计算机控制工业机器人的方式图。容易实现了现在大多数工业机器人都以运。算型为基础橄机控制机器人的方法。微机对机器人的控制一般是采用分层控制的方法对于具有一定智能的通用机械手一般。分为四层层数的多少取决于机械手的类型及其任务的复杂性四层为最常见型其第一,也即最高层其任务是识别工作空间的障碍并决定如何完成给定的任务第二层是决,层,,策层其将给定的操作分成基本的运动第三层是策略层其将从本的运动转化成各个自由,,,。度的运动第四层是执行层其将完成赋于机械手各自由度的运动任何机械手都必须具有,,。最低的两层一层完成运动规划另一层执行运动机器人控制系统分层的多少也是划分,。、其先进程度的标志其中仅有第四层的是第一代机器人有三,,四两层的是第二代机器人,。。具有最高层的是第三代机器人当今一般的工业机器人,第二层均是山人介入完成的其中、第一层及第二层属于人工智能的范畴机器人的控制主要是研究第三四层其中的份一层,,。又有许多不同的构成方法微机对机器人运动实时控制的方法实时控制的方法就其实质来说不外运动学控制与动力学控制两种,前者在低速下的性,、能良好但在高速高精度的情况下有些欠缺但技术成熟易于实现后者山于机械手属,,,。高度非线性系统各关节动力参数藕合严重数学模型极为复杂而难于实现日前虽在线性,,。化和解祸方面有很大的进展但仍然难以进入实用阶段运动学控制又可以分为点一点控制,。与连续轨迹控制随着工业生产的作业要求越来越复杂连续轨迹控制的工业机器人日益显,。示出其极大的优越性也可以直接作为点一点控制机器人为了使机械手准确地跟踪指定、。就必须实时控制机械手的位置姿态和速度并与给定作比较时时校正其偏差,,机械手的工作均是在直角座标系统内表达的连续轨迹而机械手本身是多个轴构,,。并与给定作比较时时校正其偏差,而机械手本身是多个轴构的轨迹,一般来说。成由计算机控制的系统不可能连续因此首先必须将其轨迹离散化按给定的精度要,,。求然后再转变成各轴动作指令来控制伺服系统时校正其控制量对于实际系统这种校正至少要在,。在对伺服系统控制时要根据反馈信号时以上对各轴伺服系统的控制一般,。通过变换接口实现。图为连续轨迹机械手的一程控制流程图首先由人将要完成的任务划分成基本的运动输入给机器人输入的方式丁以通过控制,,、。。台示教或输入轨迹特征信息来实现当然这也可以在后台处理完成运动信息后控制系统根据事先给出的运动规划子程序将轨迹分成离散的点,。。示教或输入轨迹特征信息来实现当然这也可以在后台处理完成控制系统根据事先给出的运动规划子程序将轨迹分成离散的点输入轨迹或基本,然后用座标变。换的办法将其转化成各关节的运动量为了保证运动的连续性及避免刚性或柔性冲击事先给出的方法将关节轴的运动量进行一次平滑拟合处理一般用高次多项式或拟合采用然,,。后将其送入下步同时启动定时,换接口控制伺服系统然后通过,在这里将位置信息转变成伺服控制信号是先通过转,变换接口取入各轴的位置与速度等值对伺服信号进行校。正直到任务完成此反馈校正频率应越高越好但要受到运算时问的限制显然这是一种,,,、。在所述第三四层上加上第二层的一部分构成的一种控制系统作为例子这里给出一个控制两自由度机械手实验系统的示教程序框图见图气此系统用步进电机驱动机控制口作为示教信息输入口口作为驱动脉冲输,,、、受出口省去了环形分配器而电机的基速事先设定速度档可选分别为基速的,,,,、。合去倍口如下分配口电机一电机二一｝一｝一一一厂标志示成完教一正电机制转反控反正二制转电机控度速选择一运一机动电二运动机电完标作成动志。口‘训,一寸时粉甲断助加电甲颐像上研始化处理飞敬呀心恤入氏饰伟息有人拐示教方式往侧右方式汽‘‘,,电台玲理书即位,佑息速夜拍息一毋狄座戈叫西次冬项式拟分零徽械斗在成‘闷的位妻奄冷段帐任代拟分叫杯砍匣动甘时件启甲断允许一一丝土中许弓返固一份抽周吸往侧伯号求取,,权迹砚划铸息很据度借杖正粗开浮盛朴呢谈失节、座一角宜林一角失节示敌班往外理何暇佗书愉出氏物入恨反处理软晓砚划共常处理牲伪号傲送等特甲咐图连续轨迹机械手控制程序流程图图两个自由度机械手实验系统的控制框图其中省去了不少数据传送等次要部分虽然此控制过程比较简单但也可以说明微机控制的基木思,,路。机器人用语,现在大多数工业机器人都具有示教再现功能但是如果对视觉和触觉等输入加以利,,。用并力求与其它装置协调起来这样就发生了困难,,。这就提出了一个是否可用程序语言来控制机器人的操作功能的问题。。机器人用语言与一般计算机用语言有些不同它有如下的进一步要求。动作的描述一一要求能对各动作轴的坐标变换进行快速计算由于机器人的机械、。手在空间移动要用矢量矩阵等儿何学的数据表示要求运算方便简单易行,,,。由于采用传感器反馈控制需要利用外部信号进行控制,。环境数据的管理一一机器人作业过程中可能对其外部世界产生影响例如抓住,。某一工件并进行移动时若工作上遗留有其他物体将随之一起移动为了使机器人在某一,,。特定状态下安全作业有必要描述这种作业环境的变化必要时提出替告,,。由上可知开发机器人高级语言是设计智能机器人的重要保证,、如果只是着重在动作的描述方面而对机器人用语言进行分类的话则可分为动作层次,。对象层次和作业层次三种?。动作层次语言是指以臂的运动为中心进行描述?对象层次语言是指由臂本身移动来移动工件例如旋拧螺钉的操作动作的描述为中,。心?。作业层次语言是指用上一层次语言把某一工件装配作业目前功能简单的机器人采用语言型数学机器人即采用,如一。作业层次语言是指用上一层次语言把某一工件装配作业型数学机器人即采用语。言设计。对于功能强的工业机器人多采用语言将大程序结构成程序块编码实现过程方便,,,这种语言的优点是便于描述结构程序并能在现有计算机上可靠而高效地运。行参考文献、“”〔〕前川男大野荣一微型计算机控制机器人人门日文,,一“”,。〕,,“”。〔〕彭炎午工业机器人的控制与计算机,,带用程序估算电子机箱表面温度。通常当内部耗热的电子机箱传递热量到外部环境时估算它的表面温度是必需的例,,‘”一,,,承寅祥译金承立校,

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