機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在越來(lái)越受到人們的歡迎和重視,現(xiàn)在很多傳統(tǒng)行業(yè)都在生產(chǎn)作業(yè)中引入了工業(yè)機(jī)器人,隨著機(jī)器人的改進(jìn)和優(yōu)化,工業(yè)機(jī)器人在傳統(tǒng)加工制造行業(yè)地位的重要性也越來(lái)越明顯。
那么,什么是工業(yè)機(jī)器人??jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的?.....相信看完這篇文章,您就會(huì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)有一個(gè)系統(tǒng)而全面的了解!
工業(yè)機(jī)器人科普 ? ?
工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi) ? ?
移動(dòng)機(jī)器人
移動(dòng)機(jī)器人(AGV)是工業(yè)機(jī)器人的一種類(lèi)型,它可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、紡織、卷煙、醫(yī)療、食品、造紙等行業(yè)的柔性搬運(yùn)、傳輸?shù)裙δ埽灿糜谧詣?dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)(以AGV作為活動(dòng)裝配平臺(tái));同時(shí)可在車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、郵局的物品分撿中作為運(yùn)輸工具。
點(diǎn)焊機(jī)器人
焊接機(jī)器人具有性能穩(wěn)定、工作空間大、運(yùn)動(dòng)速度快和負(fù)荷能力強(qiáng)等特點(diǎn),焊接質(zhì)量明顯優(yōu)于人工焊接,大大提高了點(diǎn)焊作業(yè)的生產(chǎn)率。
弧焊機(jī)器人
弧焊機(jī)器人主要應(yīng)用于各類(lèi)汽車(chē)零部件的焊接生產(chǎn)。在該領(lǐng)域,國(guó)際大型工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)主要以向成套裝備供應(yīng)商提供單元產(chǎn)品為主。
激光加工機(jī)器人
激光加工機(jī)器人是將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于激光加工中,通過(guò)高精度工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更加柔性的激光加工作業(yè)。系統(tǒng)可以進(jìn)行在線操作,也可通過(guò)離線方式進(jìn)行編程。
機(jī)器人通過(guò)對(duì)加工工件的自動(dòng)檢測(cè),產(chǎn)生加工件的模型,繼而生成加工曲線,也可以利用CAD數(shù)據(jù)直接加工。可用于工件的激光表面處理、打孔、焊接和模具修復(fù)等。
真空機(jī)器人
真空機(jī)器人是一種在真空環(huán)境下工作的機(jī)器人,主要應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中,實(shí)現(xiàn)晶圓在真空腔室內(nèi)的傳輸。真空機(jī)械手難進(jìn)口、受限制、用量大、通用性強(qiáng),其成為制約了半導(dǎo)體裝備整機(jī)的研發(fā)進(jìn)度和整機(jī)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵部件。
潔凈機(jī)器人
潔凈機(jī)器人是一種在潔凈環(huán)境中使用的工業(yè)機(jī)器人。隨著生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高,其對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的要求也日益苛刻,很多現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)都要求在潔凈環(huán)境進(jìn)行,潔凈機(jī)器人是潔凈環(huán)境下生產(chǎn)需要的關(guān)鍵設(shè)備。
工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ? ?
一、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置
概念:要使機(jī)器人運(yùn)行起來(lái), 需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置。作用:提供機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動(dòng)作的原動(dòng)力。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng), 或者把它們結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng);可以是直接驅(qū)動(dòng)或者是通過(guò)同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。
1、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的能源簡(jiǎn)單,速度變化范圍大,效率高,速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián),直接驅(qū)動(dòng)比較困難。
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流伺服電機(jī)電刷易磨損,且易形成火花。無(wú)刷直流電機(jī)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開(kāi)環(huán)控制,控制簡(jiǎn)單但功率不大,多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。
電動(dòng)上電運(yùn)行前要作如下檢查:
1)電源電壓是否合適(過(guò)壓很可能造成驅(qū)動(dòng)模塊的損壞);對(duì)于直流輸入的+/-極性一定不能接錯(cuò),驅(qū)動(dòng)控制器上的電機(jī)型號(hào)或電流設(shè)定值是否合適(開(kāi)始時(shí)不要太大);
2)控制信號(hào)線接牢靠,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最好要考慮屏蔽問(wèn)題(如采用雙絞線);
3)不要開(kāi)始時(shí)就把需要接的線全接上,只連成最基本的系統(tǒng),運(yùn)行良好后,再逐步連接。
4)一定要搞清楚接地方法,還是采用浮空不接。
5)開(kāi)始運(yùn)行的半小時(shí)內(nèi)要密切觀察電機(jī)的狀態(tài),如運(yùn)動(dòng)是否正常,聲音和溫升情況,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即停機(jī)調(diào)整。
2、液壓驅(qū)動(dòng)
通過(guò)高精度的缸體和活塞來(lái)完成,通過(guò)缸體和活塞桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。 優(yōu)點(diǎn):功率大,可省去減速裝置直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連,結(jié)構(gòu)緊湊,剛度好,響應(yīng)快,伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。 ? 缺點(diǎn):需要增設(shè)液壓源,易產(chǎn)生液體泄漏,不適合高、低溫場(chǎng)合,故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。 ? 選擇適合的液壓油。防止固體雜質(zhì)混入液壓系統(tǒng),防止空氣和水入侵液壓系統(tǒng) 。 ? 機(jī)械作業(yè)要柔和平順機(jī)械作業(yè)應(yīng)避免粗暴,否則必然產(chǎn)生沖擊負(fù)荷,使機(jī)械故障頻發(fā),大大縮短使用壽命。要注意氣蝕和溢流噪聲。作業(yè)中要時(shí)刻注意液壓泵和溢流閥的聲音,如果液壓泵出現(xiàn)“氣蝕”噪聲,經(jīng)排氣后不能消除,應(yīng)查明原因排除故障后才能使用。保持適宜的油溫。液壓系統(tǒng)的工作溫度一般控制在30~80℃之間為宜。
3、氣壓驅(qū)動(dòng)
氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,清潔,動(dòng)作靈敏,具有緩沖作用。.但與液壓驅(qū)動(dòng)裝置相比,功率較小,剛度差,噪音大,速度不易控制,所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。
(1)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適于在中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制,多用于程序控制的機(jī)械人中,如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。
(2)在多數(shù)情況下是用于實(shí)現(xiàn)兩位式的或有限點(diǎn)位控制的中、小機(jī)器人中的。
(3)控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器(PLC控制器)。在易燃、易爆場(chǎng)合下可采用氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置。
二、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
傳動(dòng)裝置是連接動(dòng)力源和運(yùn)動(dòng)連桿的關(guān)鍵部分,根據(jù)關(guān)節(jié)形式,常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式有直線傳動(dòng)和旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
直線傳動(dòng)方式可用于直角坐標(biāo)機(jī)器人的X、Y、Z向驅(qū)動(dòng),圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動(dòng)和垂直升降驅(qū)動(dòng),以及球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動(dòng)。
直線運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)齒輪齒條、絲杠螺母等傳動(dòng)元件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng),也可以有直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng),也可以直接由氣缸或液壓缸的活塞產(chǎn)生。
1、齒輪齒條裝置
通常齒條是固定的。齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成托板的直線運(yùn)動(dòng)。
優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn):回差較大。
2、滾珠絲杠
在絲杠和螺母的螺旋槽內(nèi)嵌入滾珠,并通過(guò)螺母中的導(dǎo)向槽使?jié)L珠能連續(xù)循環(huán)。
優(yōu)點(diǎn):摩擦力小,傳動(dòng)效率高,無(wú)爬行,精度高;
缺點(diǎn):制造成本高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
自鎖問(wèn)題:理論上滾珠絲杠副也可以自鎖,但是實(shí)際應(yīng)用上沒(méi)有使用這個(gè)自鎖的,原因主要是:可靠性很差,或加工成本很高;因?yàn)橹睆脚c導(dǎo)程比非常大,一般都是再加一套蝸輪蝸桿之類(lèi)的自鎖裝置。
三、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
采用旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的目的是將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)源輸出的較高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低轉(zhuǎn)速,并獲得較大的力矩。機(jī)器人中應(yīng)用較多的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。
1、齒輪鏈
(1)轉(zhuǎn)速關(guān)系
(2)力矩關(guān)系
2、同步皮帶
同步帶是具有許多型齒的皮帶,它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相嚙合。工作時(shí)相當(dāng)于柔軟的齒輪。
優(yōu)點(diǎn):無(wú)滑動(dòng),柔性好,價(jià)格便宜,重復(fù)定位精度高。
缺點(diǎn):具有一定的彈性變形。
3、諧波齒輪
諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個(gè)主要零件組成,一般剛性齒輪固定,諧波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)柔性齒輪旋轉(zhuǎn)。
主要特點(diǎn):
(1)傳動(dòng)比大,單級(jí)為50—300。
(2)傳動(dòng)平穩(wěn),承載能力高。
(3)傳動(dòng)效率高,可達(dá)70%—90%。
(4)傳動(dòng)精度高,比普通齒輪傳動(dòng)高3—4倍。
(5)回差小,可小于3’。
(6)不能獲得中間輸出,柔輪剛度較低。
諧波傳動(dòng)裝置在機(jī)器人技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家已得到了廣泛的應(yīng)用。僅就日本來(lái)說(shuō),機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的60%都采用了諧波傳動(dòng)。
美國(guó)送到月球上的機(jī)器人,其各個(gè)關(guān)節(jié)部位都采用諧波傳動(dòng)裝置,其中一只上臂就用了30個(gè)諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
蘇聯(lián)送入月球的移動(dòng)式機(jī)器人“登月者”,其成對(duì)安裝的8個(gè)輪子均是用密閉諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的。德國(guó)大眾汽車(chē)公司研制的ROHREN、GEROT R30型機(jī)器人和法國(guó)雷諾公司研制的VERTICAL 80型機(jī)器人等都采用了諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
四、機(jī)器人傳感系統(tǒng)
1、感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成, 用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。
2、智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。
3、智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。
4、對(duì)于一些特殊的信息, 傳感器比人類(lèi)的感受系統(tǒng)更有效。
五、機(jī)器人位置檢測(cè)
旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測(cè)器把光脈沖轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制波形。軸的轉(zhuǎn)角通過(guò)計(jì)算脈沖數(shù)得到,轉(zhuǎn)動(dòng)方向由兩個(gè)方波信號(hào)的相對(duì)相位決定。
感應(yīng)同步器輸出兩個(gè)模擬信號(hào)——軸轉(zhuǎn)角的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。軸的轉(zhuǎn)角由這兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)幅值計(jì)算得到。感應(yīng)同步器一般比編碼器可靠,但它的分辨率較低。
電位計(jì)是最直接的位置檢測(cè)形式。它連接在電橋中,能夠產(chǎn)生與軸轉(zhuǎn)角成正比的電壓信號(hào)。但是,由于分辨率低、線性不好以及對(duì)噪聲敏感。
轉(zhuǎn)速計(jì)能夠輸出與軸的轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號(hào)。如果沒(méi)有這樣的速度傳感器,可以通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的位置相對(duì)于時(shí)間的差分得到速度反饋信號(hào)。
六、機(jī)器人力檢測(cè)
力傳感器通常安裝在操作臂下述三個(gè)位置:
1、安裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上。可測(cè)量驅(qū)動(dòng)器/減速器自身的力矩或者力的輸出。但不能很好地檢測(cè)末端執(zhí)行器與環(huán)境之間的接觸力。
2、安裝在末端執(zhí)行器與操作臂的終端關(guān)節(jié)之間,可稱腕力傳感器。通常,可以測(cè)量施加于末端執(zhí)行器上的三個(gè)到六個(gè)力/力矩分量。
3、安裝在末端執(zhí)行器的“指尖”上。通常,這些帶有力覺(jué)得手指內(nèi)置了應(yīng)變計(jì),可以測(cè)量作用在指尖上的一個(gè)到四個(gè)分力。
七、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)
1、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。
2、工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元,如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成 。
3、也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為一個(gè)去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。
八、人機(jī)交互系統(tǒng)
人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置。該系統(tǒng)歸納起來(lái)分為兩大類(lèi): 指令給定裝置和信息顯示裝置。
機(jī)器人控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí) ? ?
什么是機(jī)器人控制系統(tǒng)
如果僅僅有感官和肌肉,人的四肢還是不能動(dòng)作。一方面是因?yàn)閬?lái)自感官的信號(hào)沒(méi)有器官去接收和處理,另一方面也是因?yàn)闆](méi)有器官發(fā)出神經(jīng)信號(hào),驅(qū)使肌肉發(fā)生收縮或舒張。同樣,如果機(jī)器人只有傳感器和驅(qū)動(dòng)器,機(jī)械臂也不能正常工作。原因是傳感器輸出的信號(hào)沒(méi)有起作用,驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也得不到驅(qū)動(dòng)電壓和電流,所以機(jī)器人需要有一個(gè)控制器,用硬件坨和軟件組成一個(gè)的控制系統(tǒng)。
機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能是接收來(lái)自傳感器的檢測(cè)信號(hào),根據(jù)操作任務(wù)的要求,驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂中的各臺(tái)電動(dòng)機(jī)就像我們?nèi)说幕顒?dòng)需要依賴自身的感官一樣,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制離不開(kāi)傳感器。機(jī)器人需要用傳感器來(lái)檢測(cè)各種狀態(tài)。機(jī)器人的內(nèi)部傳感器信號(hào)被用來(lái)反映機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài),機(jī)器人的外部傳感器信號(hào)被用來(lái)檢測(cè)工作環(huán)境的變化。
所以機(jī)器人的神經(jīng)與大腦組合起來(lái)才能成一個(gè)完整的機(jī)器人控制系統(tǒng)。
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含哪些方面?
執(zhí)行機(jī)構(gòu)——伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī);
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)——伺服或者步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器;
控制機(jī)構(gòu)——運(yùn)動(dòng)控制器,做路徑和電機(jī)聯(lián)動(dòng)的算法運(yùn)算控制;
控制方式——有固定執(zhí)行動(dòng)作方式的,那就編好固定參數(shù)的程序給運(yùn)動(dòng)控制器;如果有加視覺(jué)系統(tǒng)或者其他傳感器的,根據(jù)傳感器信號(hào),就編好不固定參數(shù)的程序給運(yùn)動(dòng)控制器。
機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本功能
控制機(jī)械臂末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)位置( 即控制末端執(zhí)行器經(jīng)過(guò)的點(diǎn)和移動(dòng)路徑);
控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)(即控制相鄰兩個(gè)活動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置);
控制運(yùn)動(dòng)速度(即控制末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)位置隨時(shí)間變化的規(guī)律);
控制運(yùn)動(dòng)加速度(即控制末端執(zhí)行器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度變化);
控制機(jī)械臂中各動(dòng)力關(guān)節(jié)的輸出轉(zhuǎn)矩:(即控制對(duì)操作對(duì)象施加的作用力);
具備操作方便的人機(jī)交互功能,機(jī)器人通過(guò)記憶和再現(xiàn)來(lái)完成規(guī)定的任務(wù);
使機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境有檢測(cè)和感覺(jué)功能。工業(yè)機(jī)器人配備視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等傳感器進(jìn)行測(cè)量、識(shí)別,判斷作業(yè)條件的變化。
工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)
1、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的核心,國(guó)外有關(guān)公司對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)密封鎖。近年來(lái)隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,微處理器的性能越來(lái)越高,而價(jià)格則越來(lái)越便宜,目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了1~2美金的32位微處理器。高性價(jià)比的微處理器為機(jī)器人控制器帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇,使開(kāi)發(fā)低成本、高性能的機(jī)器人控制器成為可能。為了保證系統(tǒng)具有足夠的計(jì)算與存儲(chǔ)能力,目前機(jī)器人控制器多采用計(jì)算能力較強(qiáng)的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片組成。
此外,由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全滿足某些機(jī)器人系統(tǒng)在價(jià)格、性能、集成度和接口等方面的要求,這就產(chǎn)生了機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)SoC(SystemonChip)技術(shù)的需求,將特定的處理器與所需要的接口集成在一起,可簡(jiǎn)化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì),縮小系統(tǒng)尺寸,并降低成本。例如,Actel公司將NEOS或ARM7的處理器內(nèi)核集成在其FPGA產(chǎn)品上,形成了一個(gè)完整的SoC系統(tǒng)。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器方面,其研究主要集中在美國(guó)和日本,并有成熟的產(chǎn)品,如美國(guó)DELTATAU公司、日本朋立株式會(huì)社等。其運(yùn)動(dòng)控制器以DSP技術(shù)為核心,采用基于PC的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。
2、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
在控制器體系結(jié)構(gòu)方面,其研究重點(diǎn)是功能劃分和功能之間信息交換的規(guī)范。在開(kāi)放式控制器體系結(jié)構(gòu)研究方面,有兩種基本結(jié)構(gòu),一種是基于硬件層次劃分的結(jié)構(gòu),該類(lèi)型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,在日本,體系結(jié)構(gòu)以硬件為基礎(chǔ)來(lái)劃分,如三菱重工株式會(huì)社將其生產(chǎn)的PA210可攜帶式通用智能臂式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)劃分為五層結(jié)構(gòu);另一種是基于功能劃分的結(jié)構(gòu),它將軟硬件一同考慮,其是機(jī)器人控制器體系結(jié)構(gòu)研究和發(fā)展的方向。
3、控制軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境
在機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境方面,一般工業(yè)機(jī)器人公司都有自己獨(dú)立的開(kāi)發(fā)環(huán)境和獨(dú)立的機(jī)器人編程語(yǔ)言,如日本Motoman公司、德國(guó)KUKA公司、美國(guó)的Adept公司、瑞典的ABB公司等。很多大學(xué)在機(jī)器人開(kāi)發(fā)環(huán)境(RobotDevelopmentEnvironment)方面已有大量研究工作,提供了很多開(kāi)放源碼,可在部分機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)下進(jìn)行集成和控制操作,目前已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了許多相關(guān)實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境有TeamBots,v.2.0e、ARIA,V.2.4.1、Player/Stage,v.1.6.5.1.6.2、Pyro.v.4.6.0、CARMEN.v.1.1.1、MissionLab.v.6.0、ADE.V.1.0beta、Miro.v.CVS-March17.2006、MARIE.V.0.4.0、FlowDesigner.v.0.9.0、RobotFlow.v.0.2.6等等。從機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看,對(duì)機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境有兩方面的需求。一方面是來(lái)自機(jī)器人最終用戶,他們不僅使用機(jī)器人,而且希望能夠通過(guò)編程的方式賦予機(jī)器人更多的功能,這種編程往往是采用可視化編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的,如樂(lè)高M(jìn)indStormsNXT的圖形化編程環(huán)境和微軟RoboticsStudio提供的可視化編程環(huán)境。
4、機(jī)器人專用操作系統(tǒng)
(1)VxWorks,VxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS),是Tornado嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。VxWorks具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu);高效的任務(wù)管理;靈活的任務(wù)間通信;微秒級(jí)的中斷處理;支持POSIX1003.1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn);支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。
(2)WindowsCE,WindowsCE與Windows系列有較好的兼容性,無(wú)疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢(shì)。WindowsCE為建立針對(duì)掌上設(shè)備、無(wú)線設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺(tái),它能在多種處理器體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行,并且通常適用于那些對(duì)內(nèi)存占用空間具有一定限制的設(shè)備。
(3)嵌入式Linux,由于其源代碼公開(kāi),人們可以任意修改,以滿足自己的應(yīng)用。其中大部分都遵從GPL,是開(kāi)放源代碼和免費(fèi)的。可以稍加修改后應(yīng)用于用戶自己的系統(tǒng)。有龐大的開(kāi)發(fā)人員群體,無(wú)需專門(mén)的人才,只要懂Unix/Linux和C語(yǔ)言即可。支持的硬件數(shù)量龐大。嵌入式Linux和普通Linux并無(wú)本質(zhì)區(qū)別,PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序源代碼都可以得到,為用戶編寫(xiě)自己專有硬件的驅(qū)動(dòng)程序帶來(lái)很大方便。
(4)μC/OS-Ⅱ,μC/OS-Ⅱ是著名的源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)內(nèi)核,是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的,可用于8位,16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。它的主要特點(diǎn)是公開(kāi)源代碼、可移植性好、可固化、可裁剪性、占先式內(nèi)核、可確定性等。
(5)DSP/BIOS,DSP/BIOS是TI公司特別為其TMS320C6000TM,TMS320C5000TM和TMS320C28xTM系列DSP平臺(tái)所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一個(gè)尺寸可裁剪的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核,是TI公司的CodeComposerStudioTM開(kāi)發(fā)工具的組成部分之一。DSP/BIOS主要由三部分組成:多線程實(shí)時(shí)內(nèi)核;實(shí)時(shí)分析工具;芯片支持庫(kù)。利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)程序,可以方便快速的開(kāi)發(fā)復(fù)雜的DSP程序。
5、機(jī)器人伺服通信總線技術(shù)
目前國(guó)際上還沒(méi)有專用于機(jī)器人系統(tǒng)中的伺服通信總線,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,通常根據(jù)系統(tǒng)需求,把常用的一些總線,如以太網(wǎng)、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485等用于機(jī)器人系統(tǒng)中。當(dāng)前大部分通信控制總線可以歸納為兩類(lèi),即基于RS-485和線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的串行總線技術(shù)和基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的高速串行總線技術(shù)。
智能機(jī)器人控制系統(tǒng)
(1)開(kāi)放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu):采用分布式CPU計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),分為機(jī)器人控制器(RC),運(yùn)動(dòng)控制器(MC),光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機(jī)器人控制器(RC)和編程示教盒通過(guò)串口/CAN總線進(jìn)行通訊。機(jī)器人控制器(RC)的主計(jì)算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、插補(bǔ)和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字I/O、傳感器處理等功能,而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。
(2)模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng):軟件系統(tǒng)建立在基于開(kāi)源的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux上,采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開(kāi)放性。整個(gè)控制器軟件系統(tǒng)分為三個(gè)層次:硬件驅(qū)動(dòng)層、核心層和應(yīng)用層。三個(gè)層次分別面對(duì)不同的功能需求,對(duì)應(yīng)不同層次的開(kāi)發(fā),系統(tǒng)中各個(gè)層次內(nèi)部由若干個(gè)功能相對(duì)對(duì)立的模塊組成,這些功能模塊相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)該層次所提供的功能。
(3)機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù):通過(guò)各種信息,對(duì)機(jī)器人故障進(jìn)行診斷,并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù),是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。
(4)網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人控制器技術(shù):目前機(jī)器人的應(yīng)用工程由單臺(tái)機(jī)器人工作站向機(jī)器人生產(chǎn)線發(fā)展,機(jī)器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來(lái)越重要。控制器上具有串口、現(xiàn)場(chǎng)總線及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能。可用于機(jī)器人控制器之間和機(jī)器人控制器同上位機(jī)的通訊,便于對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控、診斷和管理。
機(jī)器人控制架構(gòu)
如果說(shuō)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)是機(jī)器人的肌肉,能源子系統(tǒng)是機(jī)器人的心臟,那么控制和決策子系統(tǒng)就是機(jī)器人的大腦。這是機(jī)器人最重要、最復(fù)雜的一個(gè)子系統(tǒng)。
機(jī)器人是一種高度復(fù)雜的自動(dòng)化裝置。其控制子系統(tǒng)也是直接來(lái)源于自動(dòng)化領(lǐng)域的其他應(yīng)用,例如工廠自動(dòng)化領(lǐng)域中所用到的處理器、電路以及標(biāo)準(zhǔn)。本章僅僅列舉并對(duì)比了幾種常見(jiàn)的、典型的控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),然后分析了幾個(gè)典型的機(jī)器人控制子系統(tǒng)的構(gòu)成,特別是詳細(xì)說(shuō)明了“創(chuàng)意之星”機(jī)器人的控制架構(gòu)。
典型的幾種機(jī)器人控制架構(gòu)(ARCHITECHURE)
這里我們不討論傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人,主要關(guān)注的是自主移動(dòng)機(jī)器人、仿生機(jī)器人等新形態(tài)的機(jī)器人。通常,機(jī)器人的架構(gòu)是指如何把感知、建模、規(guī)劃、決策、行動(dòng)等多種模塊有機(jī)地結(jié)合起來(lái),從而在動(dòng)態(tài)環(huán)境中,完成目標(biāo)任務(wù)的一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框架。總的說(shuō)來(lái),當(dāng)前自主機(jī)器人的控制架構(gòu)可分為下述幾類(lèi):
1. 程控架構(gòu),又稱規(guī)劃式架構(gòu),即根據(jù)給定初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)規(guī)劃器給出一個(gè)行為動(dòng)作的序列,按部就班地執(zhí)行。較復(fù)雜的程控模型也會(huì)根據(jù)傳感器的反饋對(duì)控制策略進(jìn)行調(diào)整,例如在程序的序列中采用“條件判斷+跳轉(zhuǎn)”這樣的方法。
2. 包容式架構(gòu)和基于行為的控制模型,又稱為反應(yīng)式模型,復(fù)雜任務(wù)被分解成為一系列相對(duì)簡(jiǎn)單的具體特定行為,這些行為均基于傳感器信息并針對(duì)綜合目標(biāo)的一個(gè)方面進(jìn)行控制。基于行為的機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)周?chē)h(huán)境的變化能作出快速的響應(yīng),實(shí)時(shí)性好,但它沒(méi)有對(duì)任務(wù)做出全局規(guī)劃,因而不能保證目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是最優(yōu)的。
3. 混合式架構(gòu),是規(guī)劃和基于行為的集成體系,不僅對(duì)環(huán)境的變化敏感,而且能確保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)效率。通常混合式架構(gòu)有兩種模式:一種模式是,決策系統(tǒng)的大框架是基于規(guī)劃的,在遇到動(dòng)態(tài)情況時(shí)再由行為模型主導(dǎo);另一種模式是,決策系統(tǒng)的大框架基于行為,在具體某些行為中采用規(guī)劃模型。總之,混合式架構(gòu)的設(shè)計(jì)目的是盡可能綜合程控架構(gòu)和包容式架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),避免其缺點(diǎn)。
編輯:黃飛
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評(píng)論
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