机器人学

机器人学机器人控制相关机器人控制的功能、组成和分类1.对机器人控制系统的一般要求机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下：·记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。·示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。·与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。·坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。·人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。·传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。·位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。·故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。机器人控制的功能、组成和分类2．机器人控制系统的组成（如下图）（1）控制计算机控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。（2）示教盒示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。（3）操作面板由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。（4）硬盘和软盘存储存储机器人工作程序的外围存储器。（5）数字和模拟量输入输出各种状态和控制命令的输入或输出。（6）打印机接口记录需要输出的各种信息。（7）传感器接口用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。（8）轴控制器完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。（9）辅助设备控制用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。（10）通信接口实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。（11）网络接口机器人控制的功能、组成和分类机器人控制的功能、组成和分类3．机器人控制系统分类·程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。·自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。·人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。机器人控制的功能、组成和分类4．机器人控制系统结构机器人控制系统按其控制方式可分为三类。·集中控制方式：用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，其构成框图如图2所示。·主从控制方式：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。其构成框图如图3所示。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。·分散控制方式：按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式，其控制框图如图4所示。机器人控制的功能、组成和分类机器人控制的功能、组成和分类几种典型的控制方法工业机器人要求能满足一定速度下的轨迹跟踪控制（如喷漆、弧焊等作业）或点到点（PTP）定位控制（点焊、搬运、装配作业）的精度要求，为了得到每个关节的期望位置运动，必须设计一控制算法，算出合适的力矩，再将指令送至驱动器。1．PID控制PID控制是指将比例（P）、积分（I）、微分（D）控制规律综合起来的一种控制方式。其控制器运动方程为：几种典型的控制方法式中U——控制器输出控制信号；ε——控制器输入偏差信号；Kp——比例系数；Ti——积分时间常数；τ——微分时间常数。控制器的设计就是选择Kp、Ti、τ或者加上其他补偿控制，使系统达到所要求的性能。提高控制器的增益Kp固然可减小控制系统的稳态误差，从而提高控制精度。但此时相对稳定性往往因之而降低，甚至造成控制系统的不稳定，积分控制可以消除或减弱稳态误差，微分控制能给出控制系统提前开始制动（P减速）的信号，且能反馈误差信号的变化速率（变化趋势），并能在误差信号值变得太大之前，引起一个有效的早期修正信号，有助于增加系统的稳定性。几种典型的控制方法2．自适应控制自适应控制是指环境条件和对象参数有急剧变动时，通过控制系统参数和控制作用的适应性改变，而保持其某一性能仍运行于最佳状态的方法。模型参数自适应系统结构如图1所示。自适应控制一般包括参数辨识和控制规律两部分。它只适用于线性定常系统，不能直接用于机器人控制。但是如在自适应过程中，认为对象参数不变，即使模型和对象为线性的假设不成立，也能给出满意的结果。几种典型的控制方法3．模糊PID控制利用模糊控制与PID控制两种方式对系统进行分阶段控制，以获得良好效果的一种控制方式。控制系统硬件构成以安川-MRC控制系统为例，介绍控制系统硬件结构安川-MRC控制系统硬件结构框图如图1所示。安川-MRC控制系统是一个分散型控制系统，系统共有8个相对独立的微处理器芯片（即CPU）:SYS-CPU、M-CPU、ARITH-CPU、AXIS1-CPU、AXIS2-CPU、SL-CPU、I/O-CPU、PP-CPU，下面分别加以介绍。（1）SYS-CPUSystem-CPU即系统CPU，负责管理整个系统及协调工作。（2）M-CPUMotioncutroc-CPU，负责完成运动控制工作，坐标变换轨迹规划等。（3）ARITH-CPUArithmetic-CPU即数学运算协处理器，负责浮点数运算，使系统运算速度大大提高。（4）AXIS1-CPUAxis-CPU即伺服控制CPU，负责第一、二、三轴的伺服控制功能，该CPU级芯片运算速度高。（5）AXIS2-CPU功能同AXIS1-CPU控制对象为第三、四、五轴。（6）I/O-CPU负责处理并行I/O口信号，以及分散I/O串行口、I/O模拟量输入输出信号等。（7）SL-CPU负责处理突发性外部I/O信号，可迅速允许查知信号有效，并快速做出相应反应处理。（8）PP-CPU示教盒CPU(ProgramPendantCPU）负责示教盒功能管理及操作。控制系统硬件构成基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计应用意义近年来，随着微机电系统（MEMS）技术的发展和微小型移动机器人应用领域的不断拓展，出现了这样一种需求，即用微型爬壁机器人代替人工进行各种极限作业，如公安消防中使用微型爬壁机器人进行纵横交织；上下连通的大楼通风管道进行灾情现场考察；敌情侦察；或进入空间狭窄的核工业管道群之间进行外管壁的检测和维修等。基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计微型爬壁机器人32位ARM:LPC2104μC/OS-II基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计1机构简介本文所设计的微型爬壁机器人（长10cm,宽4cm，高4cm）采用四足对称结构，随机构采用并联机构（也称并行三连杆机构），吸附装置采用仿生高分子粘性材料经切削加工制成的贴性吸盘。每一条腿有三个自由度，分别通过三个微型直流电机配合微型线杠螺母机构直接驱动。基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计图1中，电机1驱动腿机构，使其实现左、右转动；电机2驱动机器人小腿，实现向前、向后迈步；电机3驱动机器人大腿，实现大腿的抬起、放下运动。协调控制四条腿上的12个直流电机，就可以使微型爬壁机器人实现前进、倒退和转弯等各种运动。基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计2控制系统硬件设计该微型爬壁机器人采用12个微型电机驱动，4个接触传感器，4个压力传感器，以后还要增加用于壁障的红外传感器和用于采集现场信号的微型摄像头，所以对主控制器的要求较高。设计中，最终选定Philips公司的基于32位ARM7TDMI-S内核的低轼耗ARM处理器LPC2104作为控制系统主控制器。基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计LPC2104具有以下特性：*128KB片内Flash程序存储器，带ISP和IAP功能；*16KB静态RAM；*向量中断控制器；*仿真跟踪模块支持实时跟踪；*标准ARM测试/调试接口，兼容现有工具；*双UART，其中一带有调制解调器接口；*高速I2C串行接口，400kb/s；*SPI串行接口；*2个定时器分别具有4路捕获/比较通道；*多达6路输出的PWM单元；*实时时钟；*看门狗定时器；*通用I/O口；*CPU操作频率可达60MHz；*两个低功耗模式，空闲和掉电；*通过外部中断，将处理器从掉电模式中唤醒；*外设功能可单独使能/禁止实现功耗最优化；*片内晶振的操作频率范围10～25MHz；*处内PLL允许CPU可以在超过整个晶振操作频率范围的情况下使用。基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计嵌入式控制器：LPC2104功放驱动:L293D双极性H-桥型脉宽调整方式(电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区；低速平稳性好等)L293D通过内部逻辑生成使能信号，使能信号可以用于脉宽调整（PWM），通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。反向器：74HC14正反转信号I/O扩展：译码器74LS138：8路I/O口扩展或16路I/O口电平锁存器74LS373：12个电机分成2组共用6路PWM信号基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计接触传感器：由外层管和内部超弹性线构成，内外两层通过硅管隔开。当内线和外层接触时，开关关闭。通过这种方法，接触传感器向LPC2104发送信号，借此来控制吸盘的方向。压力传感器：模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，LPC2104通过压力传感器来的信号来判断吸盘是否安全的吸附在墙壁上。LPC2104还可以通过串口RS232和上位机进行通信基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计3控制系统软件设计微型爬壁机器人控制系统软件选用嵌入式实时多任务操作系统μC/OS-II。它是一个源代码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用ANSIC写的，移植方便，且运行稳定可靠。目前，它已经在几十种从8位到64位的微处理器、微控制器上实现了成功的移植。基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计μC/OS-II在LPC2104上的移植过程微型爬壁机器人控制软件的设计基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计μC/OS-II在LPC2104上的移植过程主要包括：设置堆栈的增长方面，声明3个宏（开中断、关中断和任务切换），声明10个与编译器相关的数据类型；用C语言编写6个与操作系统相关的函数（任务堆栈初始化函数和5个钩子函数）；用汇编语言编写4个与处理器相关的函数。（细节略）基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计系统任务划分及调度嵌入式实时系统中的任务不同于前后台系统中的子程序模块，任务是处理机按程序处理数据的过程，是个动态的概念。一般，一个任务对应于一段独立的主程序。它可以调用各种子程序，并使用各种系统资源如中断、外设等，以完成某种预定的功能，且允许多个任务并行运行。基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计嵌入式系统任务划分，是将系统中所有要处理的事情划分为一个个相对独立的任务模块，所有待处理的任务模块按顺序建立一个个的任务，并分配任务的优先级。在主程序中，所需要做的工作只是建立这些模块的任务，然后每次执行就绪任务队列中优先级最高的任务。根据微型爬壁机器人控制系统的性能指标和技术要求，对可系统进行如下的任务划分：前进、后退、左转弯、右转弯、串行通信、数据采样与数据处理等任务。μC/OS-II按优先级进