工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)組成及典型結(jié)構(gòu)

　　一、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)所要達(dá)到的功能

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

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

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

　　3、與外圍設(shè)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(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。

　　5、人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。

　　6、傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。

　　7、位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動、運(yùn)動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補(bǔ)償?shù)取?/p>

　　8、故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。

　　二、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

　　1、控制計算機(jī)：控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)。一般為微型機(jī)、微處理器有32位、64位等　如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。

　　2、示教盒：示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機(jī)交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機(jī)之間以串行通信方式實現(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，只完成基本功能操作。

　　4、硬盤和軟盤存儲存：儲機(jī)器人工作程序的外圍存儲器。

　　5、數(shù)字和模擬量輸入輸出：各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。

　　6、打印機(jī)接口：記錄需要輸出的各種信息。

　　7、傳感器接口：用于信息的自動檢測，實現(xiàn)機(jī)器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。

　　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。

　　9、輔助設(shè)備控制：用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。

　　10、通信接口：實現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)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：可通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機(jī)器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個機(jī)器人控制器中。

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

　　三、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)分類

　　1、程序控制系統(tǒng)：給每一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。

　　2、自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。

　　3、人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運(yùn)動程序，而是要求在運(yùn)動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。

　　4、點位式：要求機(jī)器人準(zhǔn)確控制末端執(zhí)行器的位姿，而與路徑無關(guān)。?

　　5、軌跡式：要求機(jī)器人按示教的軌跡和速度運(yùn)動。

　　6、控制總線：國際標(biāo)準(zhǔn)總線控制系統(tǒng)。采用國際標(biāo)準(zhǔn)總線作為控制系統(tǒng)的控制總線，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。

　　7、自定義總線控制系統(tǒng)：由生產(chǎn)廠家自行定義使用的總線作為控制系統(tǒng)總線。

　　8、編程方式：物理設(shè)置編程系統(tǒng)。由操作者設(shè)置固定的限位開關(guān)，實現(xiàn)起動，停車的程序操作，只能用于簡單的拾起和放置作業(yè)。

　　9、在線編程：通過人的示教來完成操作信息的記憶過程編程方式，包括直接示教模擬示教和示教盒示教。

　　10、離線編程：不對實際作業(yè)的機(jī)器人直接示教，而是脫離實際作業(yè)環(huán)境，示教程序，通過使用高級機(jī)器人，編程語言，遠(yuǎn)程式離線生成機(jī)器人作業(yè)軌跡。

　　四、機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　機(jī)器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類。

　　1）集中控制系統(tǒng)（CentralizedControlSystem）：用一臺計算機(jī)實現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但實時性差，難以擴(kuò)展，在早期的機(jī)器人中常采用這種結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成框圖，如圖2所示。基于PC的集中控制系統(tǒng)里，充分利用了PC資源開放性的特點，可以實現(xiàn)很好的開放性：多種控制卡，傳感器設(shè)備等都可以通過標(biāo)準(zhǔn)PCI插槽或通過標(biāo)準(zhǔn)串口、并口集成到控制系統(tǒng)中。集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好，基于PC的系統(tǒng)硬件擴(kuò)展較為方便。其缺點也顯而易見：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴(yán)重；由于工業(yè)機(jī)器人的實時性要求很高，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計算，會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務(wù)的響應(yīng)能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復(fù)雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。

　　2）主從控制系統(tǒng)：采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等：從CPU實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作控制。其構(gòu)成框圖，如圖3所示。主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。

　　3）分散控制系統(tǒng)（DistributeControlSystem）：按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊，每一個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。這種方式實時性好，易于實現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴(kuò)展，可實現(xiàn)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(tǒng)對其總體目標(biāo)和任務(wù)可以進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù)，整個系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以DCS系統(tǒng)又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)中，子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設(shè)備構(gòu)成的，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)等相互通訊。分布式控制結(jié)構(gòu)提供了一個開放、實時、精確的機(jī)器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式。

　　兩級分布式控制系統(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)化等的研究和實現(xiàn)。上位機(jī)和下位機(jī)通過通訊總線相互協(xié)調(diào)工作，這里的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB總線等形式?，F(xiàn)在，以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(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)場總線，它應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向多結(jié)點數(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)場總線控制系統(tǒng) FCS（FiledbusControlSystem）。在工廠生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中，將可以通過現(xiàn)場總線連接的設(shè)備統(tǒng)稱為“現(xiàn)場設(shè)備/儀表”。從系統(tǒng)論的角度來說，工業(yè)機(jī)器人作為工廠的生產(chǎn)設(shè)備之一，也可以歸納為現(xiàn)場設(shè)備。在機(jī)器人系統(tǒng)中引入現(xiàn)場總線技術(shù)后，更有利于機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的集成。

　　分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，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)時間。

　　對于具有多自由度的工業(yè)機(jī)器人而言，集中控制對各個控制軸之間的藕合關(guān)系處理得很好，可以很簡單的進(jìn)行補(bǔ)償。但是，當(dāng)軸的數(shù)量增加到使控制算法變得很復(fù)雜時，其控制性能會惡化。而且，當(dāng)系統(tǒng)中軸的數(shù)量或控制算法變得很復(fù)雜時，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的重新設(shè)計。與之相比，分布式結(jié)構(gòu)的每一個運(yùn)動軸都由一個控制器處理，這意味著，系統(tǒng)有較少的軸間禍合和較高的系統(tǒng)重構(gòu)性。