工業(yè)機器人控制系統組成及典型結構

　　一、工業(yè)機器人控制系統所要達到的功能

　　機器人控制系統是機器人的重要組成部分，用于對操作機的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能如下：

　　1、記憶功能：存儲作業(yè)順序、運動(dòng)路徑、運動(dòng)方式、運動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。

　　2、示教功能：離線(xiàn)編程，在線(xiàn)示教，間接示教。在線(xiàn)示教包括示教盒和導引示教兩種。

　　3、與外圍設備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò )接口、同步接口。

　　4、坐標設置功能：有關(guān)節、絕對、工具、用戶(hù)自定義四種坐標系。

　　5、人機接口：示教盒、操作面板、顯示屏。

　　6、傳感器接口：位置檢測、視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等。

　　7、位置伺服功能：機器人多軸聯(lián)動(dòng)、運動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補償等。

　　8、故障診斷安全保護功能：運行時(shí)系統狀態(tài)監視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷。

　　二、工業(yè)機器人控制系統的組成

　　1、控制計算機：控制系統的調度指揮機構。一般為微型機、微處理器有32位、64位等　如奔騰系列CPU以及其他類(lèi)型CPU。

　　2、示教盒：示教機器人的工作軌跡和參數設定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實(shí)現信息交互。

　　3、操作面板：由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構成，只完成基本功能操作。

　　4、硬盤(pán)和軟盤(pán)存儲存：儲機器人工作程序的外圍存儲器。

　　5、數字和模擬量輸入輸出：各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。

　　6、打印機接口：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，實(shí)現機器人柔順控制，一般為力覺(jué)、觸覺(jué)和視覺(jué)傳感器。

　　8、軸控制器：完成機器人各關(guān)節位置、速度和加速度控制。

　　9、輔助設備控制：用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。

　　10、通信接口：實(shí)現機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。

　　11、網(wǎng)絡(luò )接口

　　1）Ethernet接口：可通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現數臺或單臺機器人的直接PC通信，數據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數進(jìn)行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過(guò)Ethernet接口將數據及程序裝入各個(gè)機器人控制器中。

　　2）Fieldbus接口：支持多種流行的現場(chǎng)總線(xiàn)規格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

　　三、工業(yè)機器人控制系統分類(lèi)

　　1、程序控制系統：給每一個(gè)自由度施加一定規律的控制作用，機器人就可實(shí)現要求的空間軌跡。

　　2、自適應控制系統：當外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著(zhù)經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過(guò)程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀(guān)察，再調整非線(xiàn)性模型的參數，一直到誤差消失為止。這種系統的結構和參數能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變。

　　3、人工智能系統：事先無(wú)法編制運動(dòng)程序，而是要求在運動(dòng)過(guò)程中根據所獲得的周?chē)鸂顟B(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。

　　4、點(diǎn)位式：要求機器人準確控制末端執行器的位姿，而與路徑無(wú)關(guān)。?

　　5、軌跡式：要求機器人按示教的軌跡和速度運動(dòng)。

　　6、控制總線(xiàn)：國際標準總線(xiàn)控制系統。采用國際標準總線(xiàn)作為控制系統的控制總線(xiàn)，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。

　　7、自定義總線(xiàn)控制系統：由生產(chǎn)廠(chǎng)家自行定義使用的總線(xiàn)作為控制系統總線(xiàn)。

　　8、編程方式：物理設置編程系統。由操作者設置固定的限位開(kāi)關(guān)，實(shí)現起動(dòng)，停車(chē)的程序操作，只能用于簡(jiǎn)單的拾起和放置作業(yè)。

　　9、在線(xiàn)編程：通過(guò)人的示教來(lái)完成操作信息的記憶過(guò)程編程方式，包括直接示教模擬示教和示教盒示教。

　　10、離線(xiàn)編程：不對實(shí)際作業(yè)的機器人直接示教，而是脫離實(shí)際作業(yè)環(huán)境，示教程序，通過(guò)使用高級機器人，編程語(yǔ)言，遠程式離線(xiàn)生成機器人作業(yè)軌跡。

　　四、機器人控制系統結構

　　機器人控制系統按其控制方式可分為三類(lèi)。

　　1）集中控制系統（CentralizedControlSystem）：用一臺計算機實(shí)現全部控制功能，結構簡(jiǎn)單，成本低，但實(shí)時(shí)性差，難以擴展，在早期的機器人中常采用這種結構，其構成框圖，如圖2所示?；赑C的集中控制系統里，充分利用了PC資源開(kāi)放性的特點(diǎn)，可以實(shí)現很好的開(kāi)放性：多種控制卡，傳感器設備等都可以通過(guò)標準PCI插槽或通過(guò)標準串口、并口集成到控制系統中。集中式控制系統的優(yōu)點(diǎn)是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實(shí)現系統的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調性較好，基于PC的系統硬件擴展較為方便。其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)：系統控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現故障，其影響面廣，后果嚴重；由于工業(yè)機器人的實(shí)時(shí)性要求很高，當系統進(jìn)行大量數據計算，會(huì )降低系統實(shí)時(shí)性，系統對多任務(wù)的響應能力也會(huì )與系統的實(shí)時(shí)性相沖突；此外，系統連線(xiàn)復雜，會(huì )降低系統的可靠性。

　　2）主從控制系統：采用主、從兩級處理器實(shí)現系統的全部控制功能。主CPU實(shí)現管理、坐標變換、軌跡生成和系統自診斷等：從CPU實(shí)現所有關(guān)節的動(dòng)作控制。其構成框圖，如圖3所示。主從控制方式系統實(shí)時(shí)性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統擴展性較差，維修困難。

　　3）分散控制系統（DistributeControlSystem）：按系統的性質(zhì)和方式將系統控制分成幾個(gè)模塊，每一個(gè)模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略，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)現高速、高精度控制，易于擴展，可實(shí)現智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖4所示。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統對其總體目標和任務(wù)可以進(jìn)行綜合協(xié)調和分配，并通過(guò)子系統的協(xié)調工作來(lái)完成控制任務(wù)，整個(gè)系統在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以DCS系統又稱(chēng)為集散控制系統或分散控制系統。這種結構中，子系統是由控制器和不同被控對象或設備構成的，各個(gè)子系統之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )等相互通訊。分布式控制結構提供了一個(gè)開(kāi)放、實(shí)時(shí)、精確的機器人控制系統。分布式系統中常采用兩級控制方式。

　　兩級分布式控制系統?通常由上位機、下為機和網(wǎng)絡(luò )組成。上位機可以進(jìn)行不同的軌跡規劃和控制算法，下位機進(jìn)行插補細分、控制優(yōu)化等的研究和實(shí)現。上位機和下位機通過(guò)通訊總線(xiàn)相互協(xié)調工作，這里的通訊總線(xiàn)可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB總線(xiàn)等形式?，F在，以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展為機器人提供了更快速、穩定、有效的通訊服務(wù)。尤其是現場(chǎng)總線(xiàn)，它應用于生產(chǎn)現場(chǎng)、在微機化測量控制設備之間實(shí)現雙向多結點(diǎn)數字通信，從而形成了新型的網(wǎng)絡(luò )集成式全分布控制系統—現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統 FCS（FiledbusControlSystem）。在工廠(chǎng)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )中，將可以通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)連接的設備統稱(chēng)為“現場(chǎng)設備/儀表”。從系統論的角度來(lái)說(shuō)，工業(yè)機器人作為工廠(chǎng)的生產(chǎn)設備之一，也可以歸納為現場(chǎng)設備。在機器人系統中引入現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)后，更有利于機器人在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的集成。

　　分布式控制系統的優(yōu)點(diǎn)在于：系統靈活性好，控制系統的危險性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統功能的并行執行，提高系統的處理效率，縮短響應時(shí)間。

　　對于具有多自由度的工業(yè)機器人而言，集中控制對各個(gè)控制軸之間的藕合關(guān)系處理得很好，可以很簡(jiǎn)單的進(jìn)行補償。但是，當軸的數量增加到使控制算法變得很復雜時(shí)，其控制性能會(huì )惡化。而且，當系統中軸的數量或控制算法變得很復雜時(shí)，可能會(huì )導致系統的重新設計。與之相比，分布式結構的每一個(gè)運動(dòng)軸都由一個(gè)控制器處理，這意味著(zhù)，系統有較少的軸間禍合和較高的系統重構性。