《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》第5章 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)課件

任何控制系統(tǒng)具備其控制功能，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人，我們要了解工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)功能、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)組成，了解當(dāng)前主流工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)分類、所采用的機(jī)器人操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，理解工機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并能分析出不同類型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)劣。本節(jié)導(dǎo)入機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于對(duì)操作機(jī)的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能如下。記憶功能示教功能與外圍設(shè)備聯(lián)系功能坐標(biāo)設(shè)置功能人機(jī)接口傳感器接口位置伺服功能故障診斷安全保護(hù)功能機(jī)器人控制技術(shù)和傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)控制技術(shù)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，但機(jī)器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處，如下：多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)伺服系統(tǒng)控制，多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)要求各個(gè)伺服系統(tǒng)協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制基于坐標(biāo)變換的運(yùn)動(dòng)控制工業(yè)機(jī)器人的空間點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算，以及矩陣函數(shù)的逆運(yùn)算復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型其數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、非線性和變參數(shù)的復(fù)雜模型，控制中經(jīng)常使用復(fù)雜控制技術(shù)

圖5-1工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)組成數(shù)字和模擬量輸入輸出打印機(jī)接口磁盤(pán)存儲(chǔ)操作面板示教盒視覺(jué)系統(tǒng)接口磁盤(pán)存儲(chǔ)磁盤(pán)存儲(chǔ)回轉(zhuǎn)伺服控制器手腕伺服控制器大臂伺服控制器手腕回轉(zhuǎn)伺服控制器磁盤(pán)存儲(chǔ)視覺(jué)系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)通信接口網(wǎng)絡(luò)接口聲音、圖像等接口…滑覺(jué)和力覺(jué)傳感器手腕旋轉(zhuǎn)伺服控制器（1）控制計(jì)算機(jī)：控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)；（2）示教編程器：與主計(jì)算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互；（3）操作面板：由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成；（4）磁盤(pán)存儲(chǔ)：存儲(chǔ)機(jī)器人工作程序的外圍存儲(chǔ)器；（5）數(shù)字和模擬量輸入/輸出：各種狀態(tài)和控制命令的輸人或輸出；（6）打印機(jī)接口：記錄需要輸出的各種信息；（7）傳感器接口：用于信息的自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制；（8）軸控制器：完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制；

集中控制系統(tǒng)用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能主從控制系統(tǒng)采用主、從兩級(jí)處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能分散控制系統(tǒng)系統(tǒng)控制的每一個(gè)模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略

1、集中控制系統(tǒng)由于工業(yè)機(jī)器人控制涉及位置控制、速度控制、加速度控制、軌跡規(guī)劃等各種數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，但集中控制系統(tǒng)類型在實(shí)時(shí)性方面存在缺陷。

2、主從控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個(gè)模塊，各模式之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。這種方式實(shí)時(shí)性好，易于實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)智能控制，是目前流行的方式。系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險(xiǎn)性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應(yīng)時(shí)間。3、分散控制系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備示教盒操作臺(tái)接口

計(jì)算機(jī)感覺(jué)系統(tǒng)與接口公用內(nèi)存一級(jí)控制二級(jí)控制伺服電動(dòng)機(jī)

速度控制脈寬調(diào)制放大器碼盤(pán)測(cè)速發(fā)電機(jī)伺服單元圖5-2分散式控制框圖

兩級(jí)分布式控制系統(tǒng)，通常由上位機(jī)、下為機(jī)和網(wǎng)絡(luò)組成。上位機(jī)可以進(jìn)行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法下位機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)細(xì)分、控制優(yōu)化等的研究和實(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)工作通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB總線等形式現(xiàn)在，以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人提供了更快速、穩(wěn)定、有效的通訊服務(wù)。尤其是現(xiàn)場(chǎng)總線，它應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向多結(jié)點(diǎn)數(shù)字通信，從而形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(FiledbusControlSystem)。分布式結(jié)構(gòu)對(duì)于具有多自由度的工業(yè)機(jī)器人而言，當(dāng)軸的數(shù)量增加到使控制算法變得很復(fù)雜時(shí)，其控制性能會(huì)惡化，甚至可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)。與之相比，分布式結(jié)構(gòu)的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都由一個(gè)控制器處理，這意味著，系統(tǒng)有較少的軸間耦合和較高的系統(tǒng)重構(gòu)性。分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：●系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險(xiǎn)性降低●采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行●提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應(yīng)時(shí)間

機(jī)器人操作系統(tǒng)，是工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的“軟部分”，實(shí)質(zhì)上都是采用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是直接驅(qū)使各運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的性能和功能影響很大。工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式主要有：液壓式、氣動(dòng)式和電動(dòng)式。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)以壓縮空氣為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)液壓驅(qū)動(dòng)以有壓力的油液作為傳遞工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)力傳遞和控制電動(dòng)驅(qū)動(dòng)由于低慣量，大轉(zhuǎn)矩交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器的廣泛采用，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量選用。該類系統(tǒng)不需能量轉(zhuǎn)換，使用方便，控制靈活。液壓驅(qū)動(dòng)適用于承載能力大，慣量大以及在防焊環(huán)境中工作的機(jī)器人。但液壓系統(tǒng)需進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)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)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人。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，如在沖壓機(jī)器人。交流伺服電動(dòng)機(jī)包括同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)及反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。伺服電動(dòng)機(jī)一般需要配套伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)包括小慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)、大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)包括永磁感應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一般應(yīng)用在對(duì)位置等精度要求較低的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中。

本節(jié)導(dǎo)入圖5-3ABB公司IRB1410機(jī)器人

圖5-4ABB公司IRC5控制系統(tǒng)

圖5-5KUKA控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)器人程序控制程序核心功能系統(tǒng)通訊可視化編程操作界面

示教器

FANUC機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分。硬件部分主要有控制單元、電源裝置、用戶接口電路、控制單元、存儲(chǔ)電路、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)單元和傳感單元；軟件部分主要包括機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法和關(guān)節(jié)位置控制算法的程序?qū)崿F(xiàn)以及整個(gè)系統(tǒng)的管理、運(yùn)行和監(jiān)控等功能。●采用32位CPU控制，以提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)和坐標(biāo)變換的運(yùn)算速度；●采用64位數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)單元，同步控制6軸運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，精度大大提高；●支持離線編程技術(shù)，技術(shù)人員可通過(guò)設(shè)置參數(shù)，優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序；●控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)集成化，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。MOTOMANUP6是日本安川公司MOTOMAN系列工業(yè)機(jī)器人中的一種，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用專用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)MOTOMANUP6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)功能系統(tǒng)伺服控制、操作臺(tái)和示教編程器控制、顯示服務(wù)、自診斷、I/O通信控制、坐標(biāo)變換、插補(bǔ)計(jì)算、自動(dòng)加速和減速計(jì)算、位置控制、軌跡修正、平滑控制原點(diǎn)和減速點(diǎn)開(kāi)關(guān)位置檢測(cè)、反饋信號(hào)同步等MOTOMANUP6工作方式采用示教再現(xiàn)的工作方式，在示教和再現(xiàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)均處于邊計(jì)算邊工作的狀態(tài)，且系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)中斷控制和多任務(wù)處理功能1、新松SRCC5等系列控制器新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司是中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)前10名的核心牽頭企業(yè)，新松SRCC5是其新一代機(jī)器人智能控制系統(tǒng)，有如下特點(diǎn)：由于國(guó)內(nèi)存在一批在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域長(zhǎng)期深入研究的企業(yè)，并且具有大量資金投入和長(zhǎng)時(shí)間的市場(chǎng)驗(yàn)證，目前國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)（控制器）已經(jīng)擁有了自己的技術(shù)特點(diǎn)和市場(chǎng)基礎(chǔ)。支持虛擬仿真、機(jī)器視覺(jué)（2D/3D）、力覺(jué)傳感等多種智能技術(shù)的應(yīng)用；采用全新的控制柜設(shè)計(jì)，性能提升，體積縮減，重量降低，安全性提高；采用觸摸屏橫版示教盒，高靈敏度的觸屏體驗(yàn)，適用于新型系統(tǒng)所有機(jī)型。5.2.5國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

5.2.5國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)4、固高科技GUC等系列控制器目前，固高GUC系列控制系統(tǒng)涵蓋了從三軸到八軸各類型號(hào)機(jī)器人，其中技術(shù)難度最大的八軸機(jī)器人控制系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。與此同時(shí)，從2010年開(kāi)始，固高科技逐漸提出了驅(qū)控一體化的產(chǎn)品體系架構(gòu)，并推出六軸驅(qū)控一體機(jī)。5、匯川技術(shù)IMC100等系列控制器匯川技術(shù)公司掌握了高性能矢量變頻技術(shù)、PLC技術(shù)、伺服技術(shù)和永磁同步電機(jī)等核心平臺(tái)技術(shù)。2013年，公司開(kāi)始拓展到控制器領(lǐng)域，2014年推出了基于EtherCAT總線的IM100機(jī)器人控制器，目前其主要針對(duì)市場(chǎng)包括小型六關(guān)節(jié)、小型SCARA以及并聯(lián)機(jī)器人等新興領(lǐng)域。5.2.5國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)為了讓機(jī)器人完成各種作業(yè)，如能搬運(yùn)重物、打磨工件，該類機(jī)器人需要控制好位置和力覺(jué)，以保障良好的定位和加工精度；還有部分機(jī)器人配備了工業(yè)相機(jī)，能識(shí)別形狀、顏色，甚至能進(jìn)行產(chǎn)品的幾何尺寸測(cè)量、缺陷檢測(cè)。本節(jié)導(dǎo)入3D工業(yè)相機(jī)（激光三角測(cè)量）圖5-7工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)伺服電動(dòng)機(jī)電流控制位置控制速度控制減速器速度反饋位置反饋電流反饋位置指令

1、工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器圖5-8工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)

按照功率等級(jí)可分為：400W、1KW、2KW、5.5KW、7.5KW、11KW、18KW伺服驅(qū)動(dòng)器按照電機(jī)編碼器類型分為：增量式光電編碼器伺服驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)變壓器伺服驅(qū)動(dòng)器磁編碼器伺服驅(qū)動(dòng)器高精度編碼器伺服驅(qū)動(dòng)器按照總線控制方式分為：EtherCAT總線伺服驅(qū)動(dòng)器Powerlink總線伺服驅(qū)動(dòng)器Mechatrolink總線伺服驅(qū)動(dòng)器新型模式ALLinONE上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制保持不變，把伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)做一體化集成，這樣電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的線纜就得到了極大的節(jié)約；與之對(duì)應(yīng)的是，伺服電機(jī)保持不變，運(yùn)動(dòng)控制和伺服驅(qū)動(dòng)做一體化的集成。ONE傳統(tǒng)模式由于空間相對(duì)分散，上層中央控制器和底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)物理空間比較遠(yuǎn)TWOALL

in

ONE

模式可以控制幾十臺(tái)上百臺(tái)設(shè)備，使用非常方便典型的伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)是上位控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器基于脈沖指令和總線通訊的方式。位置控制是工業(yè)機(jī)器人的基本控制任務(wù)。由于機(jī)器人是由多軸（關(guān)節(jié)）組成的，每軸的運(yùn)動(dòng)都將影響機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿。如何協(xié)調(diào)各軸的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人完成作業(yè)要求的軌跡，是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。2、工業(yè)機(jī)器人伺服控制基本流程圖5-9工業(yè)機(jī)器人位置控制光電碼盤(pán)

關(guān)節(jié)控制器位置調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器矩陣調(diào)節(jié)器功率放大給定位置期望位置位置反饋速度反饋電流反饋

目前，機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器一般都有三種控制方式：速度控制方式、轉(zhuǎn)矩控制方式和位置控制方式。這三種控制方式的選用方法具備通用性，下面以埃斯頓伺服驅(qū)動(dòng)器為例進(jìn)行說(shuō)明。3、工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器控制方式選用方法控制方式速度控制方式轉(zhuǎn)矩控制方式位置控制方式通過(guò)發(fā)脈沖來(lái)控制用模擬量來(lái)控制根據(jù)整體控制需求來(lái)選用●轉(zhuǎn)矩模式對(duì)機(jī)器人的速度、位置都沒(méi)有要求，只要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩●速度或位置模式對(duì)位置和速度有一定要求，對(duì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩不是很關(guān)心根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器的上位機(jī)控制器具體情況來(lái)選用●速度控制方式上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能或控制器運(yùn)算速度比較快●位置控制方式系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性沒(méi)有明確要求或控制器本身的運(yùn)算速度很慢●轉(zhuǎn)矩控制方式上位控制器為高端類型機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)。根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)。圖像系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。1、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成結(jié)果孔半徑圖5-10采用模擬相機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成

圖像內(nèi)存中應(yīng)用數(shù)字圖像模擬視頻流被測(cè)物體

光源攝像機(jī)圖像采集卡鏡頭機(jī)器視覺(jué)軟件

結(jié)果孔半徑圖5-11采用數(shù)字相機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成

圖像內(nèi)存中應(yīng)用數(shù)字圖像圖像數(shù)據(jù)被測(cè)物體

光源鏡頭機(jī)器視覺(jué)軟件數(shù)字?jǐn)z像機(jī)

結(jié)果孔半徑圖5-12采用智能相機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成

圖像內(nèi)存中應(yīng)用數(shù)字圖像模擬圖像數(shù)據(jù)被測(cè)物體

光源鏡頭機(jī)器視覺(jué)軟件智能攝像機(jī)

最本質(zhì)的功能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成高清工業(yè)相機(jī)為有序的電信號(hào)在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，相機(jī)的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)

機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)是指使機(jī)器人具有視覺(jué)感知功能的系統(tǒng)。機(jī)器人視覺(jué)可以通過(guò)視覺(jué)傳感器獲取環(huán)境的二維圖像，并進(jìn)行分析和解釋，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為符號(hào)，讓機(jī)器人能夠辨識(shí)物體，最終確定其位置。2、工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的軟件由以下幾個(gè)部分組成：（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件選用不同類型的計(jì)算機(jī)，就有不同的操作系統(tǒng)和它所支持的各種語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)等（2）機(jī)器人視覺(jué)信息處理算法既像預(yù)處理、分割、描述、識(shí)別和解釋等算法（3）機(jī)器人控制軟件（1）攝像機(jī)標(biāo)定空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系是由攝像機(jī)成像幾何模型決定的，這些幾何模型參數(shù)就是攝像機(jī)參數(shù)，必須有實(shí)驗(yàn)和計(jì)算來(lái)確定，此過(guò)程稱為攝像機(jī)標(biāo)定。攝像機(jī)標(biāo)定的方法有很多，一般分為三類：3、手眼系統(tǒng)標(biāo)定傳統(tǒng)的標(biāo)定技術(shù)需要提供較多的已知條件，結(jié)合拍攝所得的二維圖像中特定標(biāo)定物以及提供的特征基元之間的投影關(guān)系進(jìn)行幾何運(yùn)算。自標(biāo)定技術(shù)采用與傳統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)完全不同的標(biāo)定方式，放棄使用定標(biāo)物僅通過(guò)對(duì)攝像機(jī)獲取的圖像序列求解?；谥鲃?dòng)視覺(jué)的標(biāo)定技術(shù)利用攝像機(jī)獲得二維圖像以及攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的軌跡等運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)計(jì)算攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。（2）手眼相對(duì)關(guān)系標(biāo)定手眼標(biāo)定求取的是攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人末端執(zhí)行器坐標(biāo)系之間的相對(duì)關(guān)系。目前，一般采用的方法是：●在機(jī)器人末端處于不同位置和姿態(tài)下，對(duì)攝像機(jī)相對(duì)于靶標(biāo)的外參數(shù)

進(jìn)行標(biāo)定；●根據(jù)攝像機(jī)相對(duì)于靶標(biāo)的外參數(shù)和機(jī)器人末端的位置和姿態(tài)，計(jì)算獲

得攝像機(jī)相對(duì)于機(jī)器人末端的外參數(shù)、攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人末端執(zhí)

行器坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系具有非線性和不穩(wěn)定性。如何獲取手眼關(guān)系的有意義解成為研究關(guān)注的焦點(diǎn)之一。由于求解的方法不同，出現(xiàn)了許多不同的手眼標(biāo)定方法。視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)閉環(huán)由視覺(jué)反饋與相對(duì)位姿估計(jì)環(huán)節(jié)構(gòu)成，攝像機(jī)不斷采集同像，通過(guò)提取某種圖像特征并進(jìn)行視覺(jué)處理后得出機(jī)器人未端與目標(biāo)物體的相對(duì)位姿估計(jì)。4、機(jī)器視覺(jué)的伺服系統(tǒng)根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)反饋的誤差信號(hào)定義在三維笛卡爾空間還是圖像特征空間，可將視覺(jué)伺服系統(tǒng)分為：基于位置的視覺(jué)伺服控制模式（PUBVS）基于圖像的視覺(jué)伺服控制模式（IBV5）視覺(jué)伺服控制器根據(jù)任務(wù)描述和機(jī)器人及目標(biāo)物體的當(dāng)前狀態(tài)，決定機(jī)器人相應(yīng)的操作，并進(jìn)行軌跡規(guī)劃，產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令，最后驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

圖5-13基于位置的視覺(jué)伺服控制結(jié)構(gòu)基于位置的視覺(jué)伺服控制器位姿估計(jì)機(jī)器人控制器視覺(jué)處理關(guān)節(jié)角度傳感器反饋位姿期望位姿

圖5-14基于位置的視覺(jué)伺服控制結(jié)構(gòu)基于位置的視覺(jué)伺服控制器機(jī)器人控制器圖像特征提取關(guān)節(jié)角度傳感器當(dāng)前圖像特征期望圖像特征

圖像特征可以是簡(jiǎn)單的幾何特性，如點(diǎn)、線，圓、正方形、區(qū)域面積等點(diǎn)特征最經(jīng)常使用的幾何特征，點(diǎn)對(duì)應(yīng)于物體的拐點(diǎn)、洞、物體或區(qū)城的質(zhì)心●為快速提取圖像特征，多數(shù)系統(tǒng)采用特殊設(shè)計(jì)的目標(biāo)、有明顯特征的物體等。實(shí)際應(yīng)用中依賴于尋找圖像上的明顯突變處，它對(duì)應(yīng)于物體

的拐點(diǎn)或邊緣。●由于并不是整個(gè)圖像的數(shù)據(jù)都是有用的，所以提取特征的過(guò)程可只對(duì)感興趣的區(qū)域進(jìn)行操作?！駞^(qū)域的大小可依據(jù)實(shí)際情況，如由跟蹤或處理速度來(lái)決定，區(qū)域的位置則可實(shí)時(shí)估計(jì)。除了在一些自由度方向進(jìn)行位置控制外，還需要在另一些自由度方向控制機(jī)器人末端執(zhí)行器與工件之間的接觸力，從而保證二者之間的正確接觸。對(duì)于這類作業(yè)一種比較好的控制方案是當(dāng)機(jī)器人在進(jìn)行裝配、加工、拋光等作業(yè)時(shí)，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器與工件接觸時(shí)保持一定大小的力。這時(shí)，如果只對(duì)機(jī)器人實(shí)施位置控制，有可能由于機(jī)器人的位姿誤差或工件放置的偏差，造成機(jī)器人與工件之間沒(méi)有接觸或損壞工件。機(jī)器人控制中需解決四大關(guān)鍵問(wèn)題位置伺服未知環(huán)境的約束研究力傳感器碰撞沖擊及穩(wěn)定性研究力控制是將環(huán)境考慮在內(nèi)的控制問(wèn)題為了對(duì)機(jī)器人實(shí)施力控制，需要分析機(jī)器人末端執(zhí)行器與環(huán)境的約束狀態(tài)，并根據(jù)約束條件制定控制策略，此外，還需要在機(jī)器人末端安裝力傳感器，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人與環(huán)境的接觸力。控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先制定的控制策略對(duì)這些力信息做出處理后，控制機(jī)器人在不確定環(huán)境下進(jìn)行與該環(huán)境相適應(yīng)的操作，從而使機(jī)器人完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)。機(jī)器人的力控制最終是通過(guò)位置控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以位置控制是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)施力控制的基礎(chǔ)。另外，約束運(yùn)動(dòng)中機(jī)器人終端與剛性環(huán)境相接觸時(shí)，微小的位移量往往產(chǎn)生較大的環(huán)域約束力，因此位置伺服的高精度是機(jī)器人力控制的必要條件。1、位置伺服經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，單獨(dú)的位置伺服已達(dá)到較高水平。因此，針對(duì)力控制力/位之間的強(qiáng)耦合，必須有效解決力/位混合后的位置伺服。穩(wěn)定性是機(jī)器人研究中的難題，現(xiàn)有的研究主要從碰撞沖擊和穩(wěn)定性兩方面進(jìn)行研究。2、碰撞沖擊及穩(wěn)定性磁撞沖擊機(jī)器人力控制過(guò)穩(wěn)中，必然存在機(jī)器人與環(huán)境從非接觸到接觸的自然轉(zhuǎn)換，Toumi根據(jù)能量關(guān)系建立起碰撞沖擊動(dòng)力學(xué)模型并設(shè)計(jì)出力調(diào)節(jié)器，其實(shí)質(zhì)是用比例控制器加上積分控制器和一個(gè)平行速度反饋補(bǔ)償器，有望獲得較好的力跟綜特性。穩(wěn)定性在力控制中普遍存在響應(yīng)速度和系統(tǒng)穩(wěn)定矛盾，因此，Roberts研究了腕力傳感器剛度對(duì)力控制中動(dòng)力學(xué)的影響，提出了在高剛度環(huán)境中使用柔軟力傳感器，能獲得穩(wěn)定的力控制，并和Stepien一起研究了驅(qū)動(dòng)剛度在動(dòng)力學(xué)模型中的作用。在力控制研究中，表面跟蹤為極為常見(jiàn)的典型依從運(yùn)動(dòng)。但環(huán)境的幾何模型往往不能精確得到，多數(shù)情況是未知的。因此對(duì)未知環(huán)境的幾何特征作在線估計(jì)，或者根據(jù)機(jī)器人在該環(huán)境下作業(yè)時(shí)的受力情況實(shí)時(shí)確定力控方向（表面法向）和位控方向（表面切向），實(shí)際為機(jī)器人力控制的重要問(wèn)題。3、未知環(huán)境的約束傳感器直接影響力控制性，精度高（分辨率、靈敏度和線性度）、可靠性好和抗干擾能力強(qiáng)是機(jī)器人力傳感器研究的目標(biāo)。就安裝部位而言，可分為關(guān)節(jié)式力傳感器、手腕式力傳感器和手指式力傳感器。4、力傳感器使用應(yīng)變片進(jìn)行力反饋，由于力反饋是直接加在被控制關(guān)節(jié)上，且所有的硬件用模擬電路實(shí)現(xiàn)，避開(kāi)了復(fù)雜計(jì)算難題，響應(yīng)速度快；控制系統(tǒng)具有高增益和寬頻帶，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，減速機(jī)構(gòu)摩擦力影響力反饋精度，因而使得關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)產(chǎn)生極限環(huán)。被安裝于機(jī)器人手爪與機(jī)器人手胞的連接處，它能夠獲得在機(jī)器人手爪實(shí)際操作時(shí)大部分的力信息；另外由于精度高（分辨率、靈敏度和線性度等）、可靠性好、使用方便緣故，所以是力控制研究中常用的一種力傳感器。

本節(jié)導(dǎo)入集成將已有的部件、技術(shù)糅合一起形成新的產(chǎn)品、系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人集成控制把工業(yè)機(jī)器人本體、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人應(yīng)用軟件、機(jī)器人周邊設(shè)備結(jié)合起來(lái)成為系統(tǒng)，應(yīng)用于焊接、打磨、上下料、搬運(yùn)、機(jī)加工等工業(yè)自動(dòng)化工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成（簡(jiǎn)稱“機(jī)器人系統(tǒng)集成”）是以工業(yè)機(jī)器人為核心，多種自動(dòng)化設(shè)備提供輔助功能的自動(dòng)化系統(tǒng)。1、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成基礎(chǔ)系統(tǒng)的主要功能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化生產(chǎn)加工、檢測(cè)、裝配等，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用處于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的下游應(yīng)用端，為終端行業(yè)應(yīng)用客戶提供自動(dòng)化生產(chǎn)解決方案，并負(fù)責(zé)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用二次開(kāi)發(fā)和自動(dòng)化配套設(shè)備的集成，是工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。工業(yè)機(jī)器人集成的自動(dòng)化設(shè)備，可以部分替代傳統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備當(dāng)產(chǎn)線產(chǎn)品需要更新?lián)Q代或變更時(shí)，只需重新編寫(xiě)機(jī)器人系統(tǒng)的程序和相關(guān)外圍程序，便能快速適應(yīng)變化，因此基本不需要重新大規(guī)模調(diào)整生產(chǎn)線，大大降低了投資成本。

2、機(jī)器人系統(tǒng)集成的步驟解讀分析工業(yè)機(jī)器人工作任務(wù)工業(yè)機(jī)器人的合理選型末端執(zhí)行器的合理選用或設(shè)計(jì)工藝輔助軟件的選擇和使用外部設(shè)備的合理選擇外部控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型系統(tǒng)的電路與通信配置系統(tǒng)的安裝與調(diào)試機(jī)器人系統(tǒng)集成的8個(gè)步驟

（2）工業(yè)機(jī)器人的合理選型工業(yè)機(jī)器人工作任務(wù)是整個(gè)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題和要求，所有的設(shè)計(jì)都必須圍繞工作任務(wù)來(lái)完成。它決定了工業(yè)機(jī)器人本體的選型、工藝輔助軟件的選用、末端執(zhí)行器的選用或設(shè)計(jì)、外部設(shè)備的配合以及外部控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。（1）解讀分析工業(yè)機(jī)器人工作任務(wù)當(dāng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)涉及復(fù)雜工藝操作時(shí)，輔助技術(shù)人員用工藝輔助軟件進(jìn)行機(jī)器人工作路徑規(guī)劃、工藝參數(shù)管理和點(diǎn)位示教等操作，一般會(huì)與三維建模軟件同時(shí)使用。綜合考慮工作任務(wù)和選定的工業(yè)機(jī)器人品牌，確定是否選用工藝軟件。（4）工藝輔助軟件的選擇和使用末端執(zhí)行器是工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行工藝加工操作的執(zhí)行元件。選用或設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器的根本依據(jù)是工作任務(wù)。只有正確、合理地選用或設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器，讓它們與工業(yè)機(jī)器人配合起來(lái)，才能使工業(yè)機(jī)器人發(fā)揮出其應(yīng)有的功效，更好地完成加工工藝。（3）末端執(zhí)行器的合理選用或設(shè)計(jì)根據(jù)前面步驟選定的工業(yè)機(jī)器人型號(hào)、末端執(zhí)行器、外部設(shè)備，綜合考慮工作任務(wù)后，初步選定外部控制系統(tǒng)的核心控制器件。在充分考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性、安全性、可靠性、兼容性和擴(kuò)充性的基礎(chǔ)上，盡可能采用成熟的器件與設(shè)計(jì)思路。（6）外部控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型機(jī)器人本體是系統(tǒng)的執(zhí)行者，在執(zhí)行動(dòng)作時(shí)，需要其他的自動(dòng)化設(shè)備提供輔助功能。例如：氣動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)合動(dòng)作；傳送帶將物料傳送到相應(yīng)的工位；視覺(jué)系統(tǒng)和顏色傳感器分別識(shí)別工件顏色。應(yīng)根據(jù)工作任務(wù)合理選擇所需的外部設(shè)備。（5）外部設(shè)備的合理選擇前述步驟均完成后，就可以進(jìn)入系統(tǒng)安裝、調(diào)試階段。在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)的安裝階段，需嚴(yán)格遵守施工規(guī)范，保證施工質(zhì)量。調(diào)試時(shí)應(yīng)盡量考慮各種使用情況，盡可能提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并反饋。不論是安裝還是調(diào)試，安全問(wèn)題都是重中之重，必須時(shí)刻牢記安全操作規(guī)程。（8）系統(tǒng)的安裝與調(diào)試選定所有硬件之后，還需給系統(tǒng)安裝電路，為系統(tǒng)供電并控制元器件動(dòng)作，以及選用合適的通信方式實(shí)現(xiàn)元器件之間的數(shù)據(jù)傳輸。硬件之間的數(shù)據(jù)傳送是通過(guò)通信完成的，不同規(guī)模的系統(tǒng)集成，使用的通信方式也是不相同的。（7）系統(tǒng)的電路與通信配置圖5-18機(jī)器人系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)步驟

（1）機(jī)器人選型市面上的機(jī)器人形式多樣，種類繁多，適用場(chǎng)景廣泛，可以用在搬運(yùn)、打磨、焊接、噴涂、裝配、切割、雕刻等工作中，要做到正確選用機(jī)器人，必須清楚了解自身的需求以及機(jī)器人的性能、應(yīng)用場(chǎng)景。1、機(jī)械系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)（2）末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器是直接執(zhí)行工作的裝置。它對(duì)增強(qiáng)機(jī)器人的作業(yè)功能、擴(kuò)大應(yīng)用范圍和提高工作效率都有很大的作用，因此系統(tǒng)地研究末端執(zhí)行器有重要的意義。被抓取物體的不同特征，會(huì)影響到末端執(zhí)行器的操作參數(shù)。物體特征又同操作參數(shù)一起，影響末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要素。（3）智能倉(cāng)庫(kù)模塊設(shè)計(jì)智能倉(cāng)庫(kù)模塊設(shè)計(jì)包括：料庫(kù)單元設(shè)計(jì)、放料單元設(shè)計(jì)、料井單元設(shè)計(jì)、工作臺(tái)設(shè)計(jì)。（1）視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)視覺(jué)系統(tǒng)用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷極大減輕了人工檢測(cè)的難度和強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品的檢測(cè)質(zhì)量和速度，同時(shí)利于系統(tǒng)信息的集成。工件檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)主要包括視覺(jué)模塊設(shè)計(jì)和輸送模塊設(shè)計(jì)。2、工件檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)視覺(jué)系統(tǒng)組成光源、鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡、視覺(jué)處理器視覺(jué)系統(tǒng)工作原理先將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，再將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算，抽取目標(biāo)的特征。最后根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。（2）輸送模塊設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的主要功能是執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生特定的動(dòng)作，根據(jù)用途可以將電動(dòng)機(jī)分為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和控制電動(dòng)機(jī)兩類?？刂齐妱?dòng)機(jī)不僅提供動(dòng)力，而且能夠精確控制電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)等，如位置、速度、動(dòng)力等。它一般分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)兩類。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要是為設(shè)備提供動(dòng)力，對(duì)于位置精度的控制能力較低，主要用于電動(dòng)工具、家電產(chǎn)品以及通用的小型機(jī)械設(shè)備等?？刂齐妱?dòng)機(jī)規(guī)格選定按照電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)特性而定即電動(dòng)機(jī)輸出軸負(fù)載慣量大小、機(jī)構(gòu)的配置方式、效率和摩擦力距等在機(jī)器人集成系統(tǒng)中，只有工件到達(dá)指定位置的定位精度較高時(shí)，機(jī)器人才能對(duì)工件進(jìn)行重復(fù)操作，在某些工藝中需控制工件受到的力矩。例如，卷絲機(jī)中絲線受到的拉力必須恒定，才能使卷出來(lái)的絲美觀不凌亂，而且好整理。確定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)特性之后，需要計(jì)算出負(fù)載慣量以及希望的旋轉(zhuǎn)加速度，才能推算出加/減速需要的轉(zhuǎn)矩。由機(jī)構(gòu)安裝形式及摩擦力