什么是关节机器人控制系统?

要说集成运动控制,应该算不上是什么新概念了。经过十几年发展,现在市场上大部分用户都已经能够接受,在设备中使用集成有运动控制功能的多策略自动化控制器了。考虑到机器人本身其实也是运动控制的一种,于是,自然就有人会问道:能否将机器人控制也整合到通用的自动化系统中呢?

首先,以集成运动控制的理念看,将工业机器人与通用机电设备的控制集成整合到一个自动化系统之中,其价值和益处应该是显而易见的。比如:

  • 系统硬件更少,节省设备空间占用;
  • 设备中只有一套控制系统,有助于应用集成的简化,降低技术团队在工程与运维上的投入;
  • 设备数据集中处理,方便运营、维护和故障诊断;
  • 在同一个开发环境中,更容易实现自动化设备与机器人之间的高性能运动控制同步;
  • 将机器人各轴的驱动单元,通过共用直流母线的方式整合到设备的动力系统中,还能够帮助设备节约运行的能耗

目前市面上集成机器人控制的自动化方案大概有两类:

一类,是以罗家(IA)和西家(TIA)为代表的自动化架构,它们通过打通与传统机器人系统之间的数据接口,帮助用户实现了在软件环境和操作体验上的集成机器人控制,但在硬件层面仍然保留了原来的机器人专机系统。

另一类,则是像 B&R 的 Automation PC、施家的 PacDrive 和 OMRON 的 NJ ... 这些真正集成了机器人控制功能的通用自动化平台,它们为用户提供的是一套完整的设备自动化解决方案,可以让工业机器人彻底摆脱对专机系统的依赖。

而就目前看,我们身边绝大多数的工业机器人,仍然是以使用独立的专用控制器为主的...

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机器人的控制系统 机器人传感器 驱动与运动控制系统 控制理论与算法 工业机器人的控制系统包含对机器人本体工作过程进行控制的控制机、机器人专用传感器、运动伺服驱动系统等。控制系统主要对机器人工作过程中的动作顺序、应到达的位置及姿态、路径轨迹及规划、动作时间间隔以及末端执行器施加在被作用物上的力和力矩等进行控制。控制系统中涉及传感技术、驱动技术、控制理论和控制算法。 目前广泛使用的工业机器人中,控制机多为微型计算机,外部有控制柜封装。这类机器人一般采用示教-再现的工作方式,机器人的作业路径、运动参数由操作者手把手示教或通过程序设定,机器人重复再现示教的内容;机器人配有简单的内部传感器,用来感知运行速度、位置和姿态等,还可以配备简易的视觉、力传感器感知外部环境。 智能机器人的控制机多为计算机,处理的信息量大,控制算法复杂。同时配备了多种内部、外部传感器,不但能感知内部关节运行速度及力的大小,还能对外部的环境信息进行感知、反馈和处理。 5.1 机器人传感器 机器人传感器的特点和要求 机器人内部传感器 机器人外部传感器 机器人传感器的选择要求 传感器类型的选择 机器人应具备什么感觉? 传感器性能指标的确定 机器人传感器应达到什么样的性能要求? 传感器物理特征的选择 尺寸和重量、输出形式、可插接性 传感器类型的选择 选择什么类型的传感器得看机器人的需要 简单触觉:确定工作对象是否存在 复合触觉:确定工作对象是否存在以及它的尺寸和形状 简单力觉:沿一个方向测量力 复合力觉:测量多个方向的力 接近觉:对工作对象的非接触探测 视觉:识别工作对象 传感器类型的选择 不同的加工任务对机器人提出了不同的要求 传感器类型的选择 机器人的控制需要传感器 传感器类型的选择 有些辅助工作需要传感器的帮助 传感器类型的选择 “安全”需要传感器 传感器性能指标的确定 灵敏度:适中即可 线性度:应高些 测量范围:必须覆盖被测量的工作范围 精度:合适就好 重复性:很重要 分辨率:取决于控制要求 响应时间:越短越好 可靠性:98% ~ 99% 传感器物理特征的选择 尺寸和重量:影响机器人的运动性能,应该减小或减轻 输出形式:最好是数字式电压信号,便于计算机直接进行处理 可插接性:影响传感器使用的方便程度和机器人结构的复杂程度(进而影响到成本),应设计通用接口,传感器输出信号的大小和形式应能与其他外设相匹配 机器人内部传感器 电位器式位移传感器 光电编码器(最简单的数字式位置/移传感器) 绝对式编码器 相对式编码器 相对式编码器 机器人的外部传感器 接近觉传感器 接触觉 力觉 压觉 滑觉 一、机器人的接近觉传感器 接近觉是一种粗略的距离感觉,大多只要求给出简单的阈值判断:接近与否。 用于日常生活中:电子卫兵(猫、狗)、自动感应门等。 在机器人中的用途:避障和防止冲击 感应式、光反射式、超声波式 1、感应式接近觉传感器(不常用) 2、光学接近觉传感器 3、超声波接近觉传感器 4、其他接近觉传感器 二、接触觉传感器 接触觉传感器可以使机器人在运动中接触到障碍物时向控制器发出信号。 接触觉传感器开关 压阻式阵列接触觉传感器 光学式接触觉传感器 1、接触觉传感器开关 2、压阻式阵列接触觉传感器 3、光学式接触觉传感器 三、力觉传感器 压电晶体、力敏电阻( FSR )、应变片 关节力传感器 装在关节驱动器上,测量驱动器本身的输出力和力矩,用于控制中的力反馈。 腕力传感器 装在末端执行器和机器人最后一个关节之间,直接测出作用在末端执行器上的各向力和力矩。 指力传感器 装在手爪指关节上,用来测量夹持物体时的受力情况。 1、腕力传感器之一 2、腕力传感器 四、滑觉传感器 滑觉信息可从触觉图像的动态变化中获取 机器人专用滑觉传感器(南斯拉夫贝格莱德大学研制) 1、接触觉传感器用于滑觉检测 2、断续型滑觉传感器 3、机器人专用滑觉传感器 5.2 驱动与运动控制系统 早期的工业机器人都用液压、气动方式来进行伺服驱动。随着大功率交流伺服驱动技术的发展,目前大部分被电气驱动方式所代替,只有在少数要求超大的输出功率、防爆、低运动精度的场合才考虑使用液压和气压驱动。电气驱动无环境污染,响应快,精度高,成本低,控制方便。 电气驱动按照驱动执行元件的不同又分为步进电动机驱动、直流伺服电 动机驱动和交流伺服电动机驱动三种不同形式;按照伺服控制方式分可分为开环、闭环和半闭环伺服控制系统。 步进电动机驱动一般用在开环伺服系统中,这种系统没有位置反馈装置,控制精度相对较低,适用于位置精度要求不高的机器人中;交、直流伺服电动机用于闭环和半闭环伺服系统中,这类系统可以精确测量机器人关节和末端执行器的实际位置信息,并与理论值进行比较,

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