机器人控制系统相关知识详解

什么是机器人控制系统？

如果只有感觉和肌肉，人的四肢仍然不能移动。一方面，没有器官接收和处理感觉信号。另一方面，没有器官发出神经信号来驱动肌肉收缩或放松。

同样，如果机器人只有传感器和驱动器，机械臂就不能正常工作。由于传感器输出的信号不起作用，驱动电机无法获得驱动电压和电流，因此机器人需要一个由硬件块和软件组成的控制器。

机器人控制系统的功能是接收传感器的检测信号。根据操作任务的要求，驱动机械臂中的电机是不可分割的，就像我们需要依靠自己的感觉一样。

机器人需要一个传感器来检测各种状态。机器人的内部传感器信号用于反映机械臂关节的实际运动状态，机器人的外部传感器信号用于检测工作环境的变化。

所以机器人控制系统结合了机器人的神经和大脑。

机器人的运动控制系统包括哪些方面？

执行器-伺服电机或步进电机；

驱动-伺服或步进驱动；

控制机构-运动控制器，做路径与电机联动算法运算控制；

如果控制模式具有固定的执行模式，则为运动控制器编制固定参数的程序；如果有视觉系统或其他传感器，则根据传感器信号为运动控制器编制非固定参数的程序。

机器人控制系统的基本功能。

控制机械臂末端执行器的运动位置(即控制终端执行器通过的点和运动路径)

控制机械臂的运动姿势(即两个相邻运动部件的相对位置)

控制运动速度(即控制终端执行器运动位置随时间变化的规律)

控制运动加速度(即在运动过程中控制终端执行器的速度变化)

控制机械臂各动力关节的输出扭矩:(即控制对操作对象施加的力)

机器人具有操作方便的人机交互功能，通过记忆和再现完成规定的任务。

使机器人能够检测和感知外部环境。工业机器人配备了视觉、力量、触觉等传感器来测量、识别和判断工作条件的变化。

工业机器人控制系统。

1.硬件结构的工业机器人控制系统。

控制器是机器人系统的核心，国外相关公司对中国进行了严格的封锁。近年来，随着微电子技术的发展，微处理器的性能越来越高，价格也越来越便宜。目前，市场上已经出现了1-2美元的32位微处理器。高性价比的微处理器为机器人控制器带来了新的发展机遇，这使得开发低成本、高性能的机器人控制器成为可能。机器人控制器主要由ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片组成，以确保系统具有足够的计算和存储容量。

此外，由于现有的通用芯片在价格、性能、集成和接口等方面不能完全满足都不能完全满足一些机器人系统的要求，机器人系统将特定的处理器与所需的接口集成在一起，可以简化系统外围电路的设计，缩小系统尺寸，降低成本。例如，Actel将NEOS或ARM7的处理器内核集成到FPGA产品中，形成一个完整的SOC系统。在机器人运动控制器方面，其研究主要集中在美国和日本，并有成熟的产品，如DELTATAU公司、日本朋立有限公司等。其运动控制器以DSP技术为核心，采用基于PC的开放式结构。

2.工业机器人控制系统结构。

在控制器系统结构上，其研究重点是功能划分与功能间的信息交换规范。在开放式控制器系统结构研究中，有两种基本结构，一种是以硬件层次为基础的结构，比较简单，在日本，以硬件为基础的系统结构，如三菱重工有限公司生产的PA210可以承载智能臂式机器人结构，分为五层；另一种是以功能划分为基础的结构，考虑软件和硬件，是机器人控制器系统结构的研发方向。

3.控制软件开发环境。

在机器人软件开发环境方面，一般工业机器人公司都有自己独立的开发环境和独立的机器人编程语言，如日本Motoman公司、德国KUKA公司、美国Adept公司、瑞典ABB公司等。在一些机器人硬件结构下，许多大学对机器人开发环境进行了大量的研究，并提供了大量的开源代码来集成和控制操作。目前，在实验室环境中进行了许多相关的实验。

国内外现有的机器人系统开发环境包括teambots，v.0.1.1.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.从机器人行业的发展来看，对机器人软件的开发环境有两个要求，一方面，它来自机器人编程，它不仅使用机器人，还希望通过编程给机器人更多的功能。这种编程通常是通过可视化编程语言来实现的，比如乐高的图形化环境和微软的图形化编程环境。

4.机器人专用操作系统。

(1)vxworks，vxworks操作系统是一种嵌入式实时操作系统(RTOS)，由美国windiver于1983年设计开发，是tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。vxworks具有可切割的微内核结构；高效的任务管理；任务间灵活通信；微秒中断处理；支持posix1003.1b实时扩展标准；支持各种物理媒体和标准。完整的TCP/IP网络协议等。

(2)WindowsCE、WindowsCE和Windows系列兼容性好，这无疑是WindowsCE推广的一大优势。WindowsCE提供了一个功能丰富的操作系统平台，用于建立手持设备和无线设备的动态应用和服务。它可以在各种处理器系统结构上运行，通常适用于内存占用空间有限的设备。

(3)嵌入式Linux可以随意修改，以满足其自身的应用，因为其源代码是公开的。它们大多遵循GPL，打开源代码，免费使用。它可以在稍微修改后应用于用户自己的系统。有一大群开发人员，没有特殊人才，只要你懂Unix/Linux和C语言。支持大量硬件。嵌入式Linux与普通Linux没有本质区别，PC上使用的硬件嵌入式Linux几乎都得到了支持。此外，还可以获取各种硬件驱动程序源代码，为用户编写自己的专属硬件驱动程序带来极大的便利。

(4)μC/OS-Ⅱ，μC/OS-Ⅱ是一种著名的源代码开放式实时内核，专为嵌入式应用设计，可用于8位、16位、32位单片机或数字信号处理器(DSP)。其主要特点是开源代码。具有良好的可移植性、固化性、剪切性、先进核心、确定性等特点。

(5)DSP/BIOS，DSP/BIOS是TI公司设计开发的实时多任务操作系统内核，专为TMS320C6000TM，TMS320C5000TM和TMS320C28XTM系列。DSP/BIOS主要由三部分组成:多线程实时内核、实时分析工具和芯片支持库。复杂的DSP程序可以通过实时操作系统开发来轻松快速地开发。

5.机器人伺服通信总线技术。

目前，世界上还没有专门用于机器人系统的伺服通信总线。在实际应用过程中，机器人系统通常使用一些常用的总线，如以太网。CAN.1394.SERCOS.RS-485。目前，大多数通信控制总线可分为两类，即基于RS-485和线路驱动技术的串行总线技术和基于实时工业以太网的高速串行总线技术。

（1）开放式模块化控制系统架构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制(RC)、运动控制(MC)、光电隔离I/O控制板、传感器处理板、编程教学盒等。机器人控制(RC)和编程教学盒通过串口/CAN总线通信。机器人控制(RC)的主要计算机完成了机器人的运动计划、插头和位置伺服以及主要控制逻辑、数字I/O.传感器处理等功能，而编程教学盒则完成了信息显示和按键输入。

（2）模块化层次控制器软件系统：软件系统基于开源实时多任务操作系统Linux，采用分层模块化结构设计，实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层。核心层和应用层。这三个层次面临着不同的功能需求，并对应于不同层次的开发。系统中的每个层次都由几个功能相对相反的模块组成。这些功能模块相互配合，共同实现该级别提供的功能。

（3）机器人故障诊断与安全维护技术：确保机器人安全的关键技术是通过各种信息诊断和维护机器人故障。

（4）网络机器人控制器技术：目前，机器人的应用项目已从机器人工作站发展到机器人生产线，机器人控制器的网络技术变得越来越重要。该控制器具有串行端口。现场总线和以太网的网络功能。可用于机器人控制器与机器人控制器之间的通信，方便机器人生产线的监控。诊断和管理。

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