工业机器人典型控制系统及结构

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。

主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度。

驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作。

控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

1.工业机器人控制系统所要达到的功能 

机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： 

1.记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。  

2.示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。  

3.与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。

4.坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。   人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。  

5.传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 

6.位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。  

7.故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。  

图 1 机器人控制系统组成框图

2.工业机器人控制系统的组成

• 控制计算机：控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。  

• 示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。

• 操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。

• 硬盘和软盘存储存：储机器人工作程序的外围存储器。

• 数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。     

• 打印机接口：记录需要输出的各种信息。  

• 传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。  
  

• 轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。  

• 辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。

• 通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。  

• 网络接口：①Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。

              ②Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

  
  

3.工业机器人控制系统分类 

• 程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。  
  

• 自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。

• 人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。  

运动方式：  

点位式：要求机器人准确控制末端执行器的位姿，而与路径无关；

轨迹式：要求机器人按示教的轨迹和速度运动。  

控制总线： 国际标准总线控制系统。采用国际标准总线作为控制系统的控制总线，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。  

自定义总线控制系统：由生产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。

编程方式： 物理设置编程系统。由操作者设置固定的限位开关，实现起动，停车的程序操作，只能用于简单的拾起和放置作业。  

在线编程：通过人的示教来完成操作信息的记忆过程编程方式，包括直接示教（即手把手示教）模拟示教和示教盒示教。  

离线编程：不对实际作业的机器人直接示教，而是脱离实际作业环境，生成示教程序，通过使用高级机器人，编程语言，远程式离线生成机器人作业轨迹。

4.机器人控制系统结构 

机器人控制系统按其控制方式可分为三类。  

• 1.集中控制系统(Centralized Control System )：用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，在早期的机器人中常采用这种结构。

基于PC 的集中控制系统里，充分利用了PC 资源开放性的特点，可以实现很好的开放性：多种控制卡，传感器设备等都可以通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。

集中式控制系统的优点是:硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PC 的系统硬件扩展较为方便。

其缺点也显而易见:系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重;由于工业机器人的实时性要求很高，当系统进行大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；此外，系统连线复杂，会降低系统的可靠性。

图 2 集中控制系统框图 

• 2.主从控制系统：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。其构成框图，如图3所示。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。                     

  
  

图 3 主从动控制系框图

• 3.分散控制系统(Distribute Control System )：按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式，其控制框图如图4所示。

图 4 分布式控制系统框图

其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的，所以DCS 系统又称为集散控制系统或分散控制系统。

这种结构中，子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的，各个子系统之间通过网络等相互通讯。分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式。 

两级分布式控制系统，通常由上位机、下为机和网络组成。上位机可以进行不同的轨迹规划和控制算法，下位机进行插补细分、控制优化等的研究和实现。上位机和下位机通过通讯总线相互协调工作，这里的通讯总线可以是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 总线等形式。

现在，以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的通讯服务。尤其是现场总线，它应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字通信，从而形成了新型的网络集成式全分布控制系统—现场总线控制系统FCS ( Filed bus Control System )。

在工厂生产网络中，将可以通过现场总线连接的设备统称为“现场设备/仪表”。从系统论的角度来说，工业机器人作为工厂的生产设备之一，也可以归纳为现场设备。

在机器人系统中引入现场总线技术后，更有利于机器人在工业生产环境中的集成。 

分布式控制系统的优点在于：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。 

对于具有多自由度的工业机器人而言，集中控制对各个控制轴之间的藕合关系处理得很好，可以很简单的进行补偿。但是，当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时，其控制性能会恶化。而且，当系统中轴的数量或控制算法变得很复杂时，可能会导致系统的重新设计。与之相比，分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理，这意味着，系统有较少的轴间祸合和较高的系统重构性。

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