開放式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器課件

1、機(jī)器人系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)17 開放式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器機(jī)器人系統(tǒng)中存在大量的微處理器用于控制機(jī)械手各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。2分布式處理器機(jī)器人系統(tǒng)通常使用能完成特定任務(wù)的分布式處理器。例如，每個(gè)軸有一個(gè)專用處理器，而所有這些處理器都由一個(gè)主處理機(jī)控制。這樣做使得每個(gè)軸能很快地控制外圍的某個(gè)元件（手抓，執(zhí)行器等）。優(yōu)點(diǎn)：使大多數(shù)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的計(jì)算能力。缺點(diǎn)：處理器之間必須傳遞一定的信息，以取得同步。3用作程序器和計(jì)算單元的微處理器存儲(chǔ)器二進(jìn)制I/O接口操作者控制器視覺系統(tǒng)公用總線關(guān)節(jié)1的伺服控制器功率放大器傳感器（位置、速度）電機(jī)關(guān)節(jié)n的伺服控制器功率放大器傳感器（位置、速度）電機(jī)手抓接

2、口裝置攝像機(jī)實(shí)時(shí)時(shí)鐘功率源二進(jìn)制I/O.關(guān)節(jié)傳感器信息接機(jī)械手上的手抓關(guān)節(jié)閉環(huán)控制4關(guān)節(jié)閉環(huán)控制5總線結(jié)構(gòu)BUS指?jìng)魉托畔⒌难b置。標(biāo)準(zhǔn)化總線結(jié)構(gòu)：IBM PC Bus(IBM)、Multibus(Intel)、VME bus(Motorola)等?？偩€的指標(biāo)：總線寬度（總線上多少條線）功能（地址、數(shù)據(jù)、控制還是電源線）速度（允許的帶寬、傳送信號(hào)的容量）多重性等若沒有供機(jī)器人使用的標(biāo)準(zhǔn)化總線結(jié)構(gòu)，則某一制造廠無法與其他廠商的硬件接口。6計(jì)算元件在機(jī)器人應(yīng)用中的功能控制功能最簡(jiǎn)單的：開啟或關(guān)閉繼電器或電子開關(guān)。通過A/D，D/A元件，微處理器可以充當(dāng)關(guān)節(jié)控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化PID等控制算法，并可輸出

3、3.7v以上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)（如伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)）。7通訊功能信息的交換使處理過程能按照設(shè)計(jì)者的意圖進(jìn)行。保證通訊的通暢需要通訊雙方有一致的協(xié)議。許多協(xié)議已發(fā)展成標(biāo)準(zhǔn)：ANSI,ASME,EIA, IEEE,NEMA等較簡(jiǎn)單的通訊方式：串行通訊，適合近距離通訊。8計(jì)算功能完成各種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。信號(hào)處理。比如對(duì)傳感器信號(hào)消去噪聲。視覺檢測(cè)。人們用視覺檢測(cè)手段實(shí)現(xiàn)機(jī)器人有關(guān)的對(duì)準(zhǔn)功能。比如集成電路準(zhǔn)確的放到印刷電路板上。以上實(shí)例基本都要大量計(jì)算，要求進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，矩陣運(yùn)算和超越函數(shù)計(jì)算。因此，功能較強(qiáng)的計(jì)算處理器必不可少。9協(xié)調(diào)功能協(xié)調(diào)指要求一個(gè)總控制器控制整個(gè)機(jī)器人操作。計(jì)算機(jī)必須能夠協(xié)調(diào)

4、機(jī)器人機(jī)械手，全部傳感系統(tǒng)間的運(yùn)作，同時(shí)對(duì)處理過程和各個(gè)組件進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？偪刂破鞅仨毎阉行畔鬏斀o主計(jì)算機(jī)，使主計(jì)算機(jī)可以中斷或修正某個(gè)控制器的計(jì)劃。10實(shí)時(shí)性問題計(jì)算機(jī)必須對(duì)外界的輸入及時(shí)產(chǎn)生響應(yīng)，兩種方法：a程序驅(qū)動(dòng) b事件驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)響應(yīng)意味著在某種情況下可能有輸入信號(hào)。比如說鍵盤輸入，程序在執(zhí)行前等待鍵盤的輸入。類似查詢方式。11事件驅(qū)動(dòng)響應(yīng)事先不可預(yù)測(cè)。比如人進(jìn)入機(jī)器人的工作空間，安全起見，應(yīng)停止所有機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。類似中斷方式12機(jī)器人對(duì)外部事件的響應(yīng)要求為幾個(gè)微秒，計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足這個(gè)要求。例如，機(jī)器人撞上事先不知的物體，可通過監(jiān)測(cè)每個(gè)關(guān)節(jié)的位置和電流傳感器發(fā)生的信號(hào)來檢測(cè)這

5、種情況。如果電機(jī)電流和位置誤差異常增大，則應(yīng)通過中斷機(jī)制停止運(yùn)動(dòng)或伺服機(jī)構(gòu)的增益。13機(jī)器人編程機(jī)器人語(yǔ)言為用戶確定待完成的任務(wù)提供了靈活性。14機(jī)器人控制排序簡(jiǎn)單的機(jī)器人順序控制通過排序器可以實(shí)現(xiàn)，排序器接收命令并記錄機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置，然后可以通過所期望的狀態(tài)“回放”，這樣得到機(jī)器人的動(dòng)作排序。某種意義上，排序器具有編程語(yǔ)言的功能，但沒有編程語(yǔ)言的明確命令和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。15比較各種編程語(yǔ)言，有三種不同的實(shí)施方法：固定指令順序控制通用編程語(yǔ)言在機(jī)器人領(lǐng)域中的擴(kuò)展機(jī)器人專用編程語(yǔ)言16固定指令順序控制機(jī)器人操作序列用“示教控制盒”來確定。示教控制盒提供了靠按鈕或操作桿使機(jī)械手的工具點(diǎn)在空間定位的能

6、力。每個(gè)程序步驟由一系列動(dòng)作組成：檢查輸入線狀態(tài)檢查子程序調(diào)用完成機(jī)器人移動(dòng)延遲一段規(guī)定時(shí)間設(shè)定手抓的狀態(tài)（開或閉）設(shè)定輸出線狀態(tài)17理解這種程序控制結(jié)構(gòu)假設(shè)存儲(chǔ)器里已存放多個(gè)程序。按下某個(gè)開關(guān)，便啟動(dòng)了某個(gè)由程序定義的動(dòng)作序列。則機(jī)器人控制器使機(jī)械手移動(dòng)到由存貯器存貯的一組關(guān)節(jié)變量確定的空間點(diǎn)。機(jī)械手到達(dá)這一位置后，則執(zhí)行后續(xù)動(dòng)作：等待延遲時(shí)間，開或閉手爪等。然后從存貯器中取出下一個(gè)指令。重復(fù)上述動(dòng)作。18通用編程語(yǔ)言的擴(kuò)展機(jī)器人編程的發(fā)展導(dǎo)致語(yǔ)言的融合。具有擴(kuò)展功能的通用編程語(yǔ)言可為用戶提供控制和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。循環(huán)、條件語(yǔ)句等的運(yùn)用增加了編程的靈活性19專用機(jī)器人編程語(yǔ)言導(dǎo)致專用機(jī)器人編程語(yǔ)言

7、發(fā)展的主要因素是機(jī)器人控制系統(tǒng)需要與外部傳感器接口以便根據(jù)傳感器信息“實(shí)時(shí)”的改變其編程序列。另外，更富有意義的任務(wù)描述等要求也促進(jìn)了各種語(yǔ)言的發(fā)展。20幾種機(jī)器人語(yǔ)言AL語(yǔ)言斯坦福大學(xué)開發(fā)以Pascal語(yǔ)言為基礎(chǔ)可以同時(shí)控制兩個(gè)PUMA 600和兩個(gè)斯坦福Scheinman臂。21AML語(yǔ)言IBM開發(fā)結(jié)構(gòu)優(yōu)良，提供簡(jiǎn)單子集，是非常適用于機(jī)器人編程的交互式程序語(yǔ)言。22RAIL語(yǔ)言美國(guó)Automatrix公司開發(fā)用于控制視覺系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的一種高級(jí)語(yǔ)言。以Pascal語(yǔ)言為基礎(chǔ)該語(yǔ)言的很多結(jié)構(gòu)可以支持檢測(cè)和弧焊系統(tǒng)。23RPL語(yǔ)言為中等通用自動(dòng)制造系統(tǒng)的開發(fā)、測(cè)試和控制算法的調(diào)試而開發(fā)的語(yǔ)言。

8、該語(yǔ)言針對(duì)工廠工藝工程師和生產(chǎn)線上的技術(shù)員等非熟練程序員設(shè)計(jì)。以FORTRAN語(yǔ)言為基礎(chǔ)。24VAL語(yǔ)言一種機(jī)器人編程語(yǔ)言和控制系統(tǒng)針對(duì)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的制造工程師能輕松定義機(jī)器人的各種任務(wù)25程序?qū)嵗?6空間點(diǎn)的演示給伺服機(jī)器人編寫程序，第一步，應(yīng)將程序中的路徑點(diǎn)通過示教的方式演示一遍。這種示教方式要求操縱者使末端執(zhí)行器（手抓）移動(dòng)到工作范圍內(nèi)一系列位置來“演示”空間中的點(diǎn)?？刂破鞲鶕?jù)指令將路徑點(diǎn)的坐標(biāo)記錄進(jìn)內(nèi)存。以后運(yùn)行程序時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)根據(jù)內(nèi)存中順序存放的坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。27示教方式連續(xù)路徑（CP）操作者手工移動(dòng)機(jī)械手，通過執(zhí)行任務(wù)要求經(jīng)過的位置點(diǎn)，控制器“記憶”每個(gè)位置處全部關(guān)節(jié)的坐標(biāo)。示教可按照與實(shí)時(shí)操作速率不同的速率執(zhí)行。28程序點(diǎn)（PP）示教不需要操作者在物理上移動(dòng)機(jī)械手，而是利用計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行遙控操作。示教完成后將一系列坐標(biāo)點(diǎn)下載至控制器內(nèi)存。29路徑設(shè)計(jì)路徑設(shè)計(jì)或者軌道規(guī)劃算法都與沿機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡的中間點(diǎn)的產(chǎn)生有關(guān)。這些點(diǎn)必須輸入到控制系統(tǒng)。中間點(diǎn)產(chǎn)生的規(guī)則：執(zhí)行器從起始位置移動(dòng)到終點(diǎn)的過程中，機(jī)器人的關(guān)節(jié)應(yīng)同時(shí)啟動(dòng)和停止。程序未規(guī)定的中間點(diǎn)由關(guān)節(jié)內(nèi)處理器通過插補(bǔ)產(chǎn)生。“工具點(diǎn)”沿直線運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)前可規(guī)定加速度和速度。30例如：MOVE P,P1命令機(jī)器人從它的現(xiàn)時(shí)位置沿直線移動(dòng)到指定的P1點(diǎn)。這個(gè)動(dòng)作通過插補(bǔ)的方式實(shí)現(xiàn)。31機(jī)器