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工業(yè)機(jī)器人典型控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。

主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3～6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部通常有1～3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。

控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。

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1.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(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：存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。 ?

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。 ?

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。

坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對(duì)、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。 ? 人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。 ?

傳感器接口：位置檢測(cè)、視覺、觸覺、力覺等。?

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

故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時(shí)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。 ?

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2.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

控制計(jì)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。 ?

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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(dú)立的CPU以及存儲(chǔ)單元，與主計(jì)算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互。

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。

硬盤和軟盤存儲(chǔ)存：儲(chǔ)機(jī)器人工作程序的外圍存儲(chǔ)器。

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。 ? ??

打印機(jī)接口：記錄需要輸出的各種信息。 ?

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，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。 ?

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。 ?

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。

通信接口：實(shí)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。 ?

網(wǎng)絡(luò)接口：①Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)臺(tái)或單臺(tái)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(gè)機(jī)器人控制器中。

②Fieldbus接口：支持多種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

3.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)分類 ?

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

自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)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(shí)間和條件自動(dòng)改變。

人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。 ?

運(yùn)動(dòng)方式： ?

點(diǎn)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)；

軌跡式：要求機(jī)器人按示教的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)。 ?

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。 ?

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。

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(shí)現(xiàn)起動(dòng)，停車的程序操作，只能用于簡單的拾起和放置作業(yè)。 ?

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（即手把手示教）模擬示教和示教盒示教。 ?

離線編程：不對(duì)實(shí)際作業(yè)的機(jī)器人直接示教，而是脫離實(shí)際作業(yè)環(huán)境，生成示教程序，通過使用高級(jí)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。

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4.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)(Centralized Control System )：用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但實(shí)時(shí)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)。

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(diǎn)，可以實(shí)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(diǎn)是:硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實(shí)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(diǎn)也顯而易見:系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險(xiǎn)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(shí)時(shí)性要求很高，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算，會(huì)降低系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)對(duì)多任務(wù)的響應(yīng)能力也會(huì)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復(fù)雜，會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。

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2.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。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。其構(gòu)成框圖，如圖3所示。主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)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。

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3.分散控制系統(tǒng)(Distribute Control System )：按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)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(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，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(duì)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(gè)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(duì)象或設(shè)備構(gòu)成的，各個(gè)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(gè)開放、實(shí)時(shí)、精確的機(jī)器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級(jí)控制方式。?

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)。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。

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 ( Filed bus Control System )。

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在工廠生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中，將可以通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接的設(shè)備統(tǒng)稱為“現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備。

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在機(jī)器人系統(tǒng)中引入現(xiàn)場(chǎng)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(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。?

對(duì)于具有多自由度的工業(yè)機(jī)器人而言，集中控制對(duì)各個(gè)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(shí)，其控制性能會(huì)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(shí)，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)有較少的軸間禍合和較高的系統(tǒng)重構(gòu)性。

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