控製係統(tǒng)是工業(yè)(ye) 機(jī)器人的重要組成部分，它的作用相當(dāng)於(yu) 人腦。擁有一個(gè)(ge) 功能完善、靈敏可靠的控製係統(tǒng)是工業(yè)(ye) 機(jī)器人與(yu) 設(shè)備協(xié)調(diào)動(dòng)作、共同完成作業(yè)(ye) 任務(wù)的關(guān)(guan) 鍵。工業(yè)(ye) 機(jī)器人的控製係統(tǒng)一般由對(duì)其自身運(yùn)動(dòng)的控製和工業(yè)(ye) 機(jī)器人與(yu) 周邊設(shè)備的協(xié)調(diào)控製兩(liang) 部分組成。
1.工業(yè)(ye) 機(jī)器人控製係統(tǒng)的特點(diǎn)
機(jī)器人從(cong) 結(jié)構(gòu)上講屬於(yu) 一個(gè)(ge) 空間開鏈機(jī)構(gòu),其中各個(gè)(ge) 關(guān)(guan) 節(jié)的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，為(wei) 了實(shí)現(xiàn)末端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要多關(guān)(guan) 節(jié)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào),其控製係統(tǒng)較普通的控製係統(tǒng)要複雜得多。
機(jī)器人控製係統(tǒng)的特點(diǎn)如下:
(1)機(jī)器人的控製是與(yu) 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)(guan) 的。在各種坐標(biāo)下都可以對(duì)機(jī)器人手足的狀態(tài)進(jìn)行描述,應(yīng)根據(jù)具體(ti) 的需要對(duì)參考坐標(biāo)係進(jìn)行選擇,並要做適當(dāng)?shù)淖?標(biāo)變換。經(jīng)常需要正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)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(gè)(ge) 較簡(jiǎn)單的機(jī)器人,也至少需要 3~5 個(gè)(ge) 自由度，比較複雜的機(jī)器人則需要十幾個(gè)(ge) 甚至幾十個(gè)(ge) 自由度。每一個(gè)(ge) 自由度一般都包含一個(gè)(ge) 伺服機(jī)構(gòu)，它們(men) 必須協(xié)調(diào)起來(lái)，組成一個(gè)(ge) 多變量控製係統(tǒng)。
(3)由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)(ge) 獨(dú)立的伺服係統(tǒng)的協(xié)調(diào)控製和使機(jī)器人按照人的意誌行動(dòng),甚至賦予機(jī)器人一定“智能”的任務(wù)。所以，機(jī)器人控製係統(tǒng)一定是一個(gè)(ge) 計(jì)算機(jī)控製係統(tǒng)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件擔(dān)負(fù)著艱巨的任務(wù)。
(4)由於(yu) 描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的是一個(gè)(ge) 非線性數(shù)學(xué)模型,隨著狀態(tài)的改變和外力的變化,其參數(shù)也隨之變化,並且各變量之間還存在耦合。所以，隻使用位置閉環(huán)是不夠的,還必須要采用速度甚至加速度閉環(huán)。係統(tǒng)中經(jīng)常使用重力補(bǔ)償(chang) 、前饋、解耦或自適應(yīng)控製等方法。
(5)由於(yu) 機(jī)器人的動(dòng)作往往可以通過(guò)不同的方式和路徑來(lái)完成,所以存在一個(gè)(ge) “最優(yōu)(you) ”的問(wèn)題。對(duì)於(yu) 較高級(jí)的機(jī)器人可采用人工智能的方法,利用計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫(kù),借助信息庫(kù)進(jìn)行控製、決(jue) 策、管理和操作。根據(jù)傳(chuan) 感器和模式識(shí)別的方法獲得對(duì)象及環(huán)境的工況,按照給定的指標(biāo)要求,自動(dòng)地選擇最佳的控製規(guī)律。 綜上所述,機(jī)器人的控製係統(tǒng)是一個(gè)(ge) 與(yu) 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理密切相關(guān)(guan) 的、有耦合的、非線性的多變量控製係統(tǒng)。因?yàn)?wei) 其具有的特殊性，所以經(jīng)典控製理論和現(xiàn)代控製理論都不能照搬使用。到目前為(wei) 止，機(jī)器人控製理論還不夠完整和係統(tǒng)。
2.工業(yè)(ye) 機(jī)器人控製係統(tǒng)的主要功能
工業(yè)(ye) 機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等項(xiàng)目 工業(yè)(ye) 機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等項(xiàng)目的控製是工業(yè)(ye) 機(jī)器人控製係統(tǒng)的主要任務(wù)，其中有些項(xiàng)目的控製是非常複雜的。工業(yè)(ye) 機(jī)器人控製係統(tǒng)的主要功能包括以下兩(liang) 點(diǎn)：
(1)示教再現(xiàn)功能。示教再現(xiàn)功能是指控製係統(tǒng)可以通過(guò)示教盒或手把手進(jìn)行示教,將動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)速度、位置等信息用一定的方法預(yù)先教給工業(yè)(ye) 機(jī)器人，由工業(yè)(ye) 機(jī)器人的記憶裝置將所教的操作過(guò)程自動(dòng)地記錄在存儲(chǔ)(chu) 器中，當(dāng)需要再現(xiàn)操作時(shí)，重放存儲(chǔ)(chu) 器中存儲(chǔ)(chu) 的內(nèi)(nei) 容即可。如需更改操作內(nèi)(nei) 容時(shí)，隻需重新示教一遍。
(2)運(yùn)動(dòng)控製功能。運(yùn)動(dòng)控製功能是指對(duì)工業(yè)(ye) 機(jī)器人末端操作器的位姿、速度、加速度等項(xiàng)目的控製。
3.控製係統(tǒng)的組成
工業(yè)(ye) 機(jī)器人的控製係統(tǒng)由相應(yīng)的硬件和軟件組成。
(1)硬件。
硬件主要包括以下幾部分:
1)傳(chuan) 感裝置?？煞譃?wei) 內(nèi)(nei) 部傳(chuan) 感器和外部傳(chuan) 感器。其中前者是用來(lái)感知其自身的狀 態(tài)的,其作用是對(duì)工業(yè)(ye) 機(jī)器人各關(guān)(guan) 節(jié)的位置、速度和加速度等進(jìn)行檢測(cè)；後者是用來(lái)感知工作環(huán)境和工作對(duì)象狀態(tài)的，外部傳(chuan) 感器包括視覺、力覺、觸覺、聽覺、滑覺等傳(chuan) 感器。
2)控製裝置。一般由一臺(tái)微型或小型計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的接口組成。其作用是用來(lái)對(duì)各種感覺信息進(jìn)行處理，執(zhí)行控製軟件，並產(chǎn)(chan) 生控製指令。
3)關(guān)(guan) 節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)部分。這部分的主要作用是以控製裝置的指令為(wei) 依據(jù),按作業(yè)(ye) 任務(wù)的要求驅(qū)動(dòng)各關(guān)(guan) 節(jié)運(yùn)動(dòng)。
(2)軟件。
這裏所說(shuō)的軟件，主要是指機(jī)器人的控製軟件。控製軟件由運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法和關(guān)(guan) 節(jié)伺服控製算法及相應(yīng)的動(dòng)作程序組成。它可以使用所有的編程語(yǔ)言編製，但工業(yè)(ye) 機(jī)器人控製軟件的主流是由通用語(yǔ)言模塊化而編製形成的專(zhuan) 用工業(yè)(ye) 語(yǔ)言。
4.工業(yè)(ye) 機(jī)器人控製係統(tǒng)各組成部分的名稱和作用
(1)控製計(jì)算機(jī)?？匮u計(jì)算機(jī)是控製係統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)，一般使用微型計(jì)算機(jī)或 微處理器。
(2)示教盒。示教盒的作用是完成示教機(jī)器人工作軌跡、參數(shù)設(shè)定和所有的人機(jī)交 互操作，它擁有獨(dú)立的 CPU 以及存儲(chǔ)(chu) 單元,以串行通信方式與(yu) 主計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互。
(3)操作麵板。操作麵板由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成,其功能是完成基本功能操作。
(4)磁盤存儲(chǔ)(chu) 器。硬盤和軟盤存儲(chǔ)(chu) 器等於(yu) 存儲(chǔ)(chu) 機(jī)器人工作程序的存儲(chǔ)(chu) 器。
(5)數(shù)字和模擬量輸入/輸出。該部分的作用是實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)和控製命令的輸入或輸出功能。
(6)打印機(jī)接口。打印機(jī)接口的作用是記錄需要輸出的各種信息。
(7)傳(chuan) 感器接口。傳(chuan) 感器接口是用於(yu) 信息的自動(dòng)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控製，一般為(wei) 力覺、觸覺和視覺傳(chuan) 感器。
(8)軸控製器。軸控製器的作用是完成機(jī)器人各關(guān)(guan) 節(jié)位置、速度和加速度的控製。
(9)輔助設(shè)備控製。輔助設(shè)備控製用來(lái)控製和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備，如手爪變位器等。
(10)通信接口。通信接口是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換的，一般有串行接口、並行接口等。
(11)網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)絡(luò)接口包括 Ethernet 接口和 Fieldbus 接口。
·Ethernet 接口。
通過(guò) Ethernet 接口可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)或單臺(tái)機(jī)器人的直接PC通信,數(shù)據(jù)傳(chuan) 輸速率可達(dá)到10Mb/s,並可直接在PC 上用 Windows95或 Windows nt庫(kù)函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之後,支持 TCP/P 通信協(xié)議,還可通過(guò) Ethernet 接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個(gè)(ge) 機(jī)器人控製器中。
·Fieldbus 接口。
支持多種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)格,如 Device net、ABRemote I/O、
