工業機器人典型控制系統及結構

工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。

主體即機座和執行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數工業機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度。

驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作。

控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，並進行控制。

今天小編先和大家聊聊控制系統！

1.工業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，用於對操作機的控制，以完成特定的工作任務，其基本功能如下：

• 記憶功能：存儲作業順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產工藝有關的信息。

• 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引示教兩種。

圖 1 機器人控制系統組成框圖

（我搜遍全網，真的找不到清楚的圖片了）

2.工業機器人控制系統的組成

• 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以及其他類型CPU。

• 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列通信方式實現信息交互。

• 操作面板：由各種操作按鍵、狀態指示燈構成，只完成基本功能操作。

• 硬碟和軟盤存儲存：儲機器人工作程序的外圍存儲器。

• 數字和模擬量輸入輸出：各種狀態和控制命令的輸入或輸出。

• 印表機介面：記錄需要輸出的各種信息。

• 感測器介面：用於信息的自動檢測，實現機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺感測器。

• 軸控制器：完成機器人各關節位置、速度和加速度控制。

• 輔助設備控制：用於和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。

• 通信介面：實現機器人和其他設備的信息交換，一般有串列介面、并行介面等。

網路介面：①Ethernet介面：可通過乙太網實現數台或單台機器人的直接PC通信，數據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數進行應用程序編程之後，支持TCP/IP通信協議，通過Ethernet介面將數據及程序裝入各個機器人控制器中。

②Fieldbus介面：支持多種流行的現場匯流排規格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

3.工業機器人控制系統分類

• 程序控制系統：給每一個自由度施加一定規律的控制作用，機器人就可實現要求的空間軌跡。

• 自適應控制系統：當外界條件變化時，為保證所要求的品質或為了隨著經驗的積累而自行改善控制品質，其過程是基於操作機的狀態和伺服誤差的觀察，再調整非線性模型的參數，一直到誤差消失為止。這種系統的結構和參數能隨時間和條件自動改變。

• 人工智慧

系統：事先無法編製運動程序，而是要求在運動過程中根據所獲得的周圍狀態信息，實時確定控制作用。

運動方式：

點位式：要求機器人準確控制末端執行器的位姿，而與路徑無關；

軌跡式：要求機器人按示教的軌跡和速度運動。

控制匯流排： 國際標準匯流排控制系統。採用國際標準匯流排作為控制系統的控制匯流排，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。

自定義匯流排控制系統：由生產廠家自行定義使用的匯流排作為控制系統匯流排。

編程方式： 物理設置編程系統。由操作者設置固定的限位開關，實現起動，停車的程序操作，只能用於簡單的拾起和放置作業。

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：不對實際作業的機器人直接示教，而是脫離實際作業環境，生成示教程序，通過使用高級機器人，編程語言，遠程式離線生成機器人作業軌跡。

4.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。

• 1.集中控制系統(Centralized Control System )：用一台計算機實現全部控制功能，結構簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，在早期的機器人中常採用這種結構。

基於PC 的集中控制系統里，充分利用了PC 資源開放性的特點，可以實現很好的開放性：多種控制卡，感測器設備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口、並口集成到控制系統中。

集中式控制系統的優點是:硬體成本較低，便於信息的採集和分析，易於實現系統的最優控制，整體性與協調性較好，基於PC 的系統硬體擴展較為方便。

其缺點也顯而易見: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，後果嚴重;由於工業機器人的實時性要求很高，當系統進行大量數據計算，會降低系統實時性，系統對多任務的響應能力也會與系統的實時性相衝突；此外，系統連線複雜，會降低系統的可靠性。

圖 2 集中控制系統框圖

• 2.主從控制系統：採用主、從兩級處理器實現系統的全部控制功能。主CPU實現管理、坐標變換、軌跡生成和系統自診斷等；從CPU實現所有關節的動作控制。其構成框圖，如圖3所示。主從控制方式系統實時性較好，適於高精度、高速度控制，但其系統擴展性較差，維修困難。

圖 3 主從動控制系框圖

• 3.分散控制系統(Distribute Control System )：按系統的性質和方式將系統控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不同的控制任務和控制策略，各模式之間可以是主從關係，也可以是平等關係。這種方式實時性好，易於實現高速、高精度控制，易於擴展，可實現智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖4所示。

圖 4 分散式控制系統框圖

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可以進行綜合協調和分配，並通過子系統的協調工作來完成控制任務，整個系統在功能、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，各個子系統之間通過網路等相互通訊。分散式控制結構提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統。分散式系統中常採用兩級控制方式。

兩級分散式控制系統，通常由上位機、下為機和網路組成。上位機可以進行不同的軌跡規劃和控制演算法，下位機進行插補細分、控制優化等的研究和實現。上位機和下位機通過通訊匯流排相互協調工作，這裡的通訊匯流排可以是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 匯流排等形式。

現在，乙太網和現場匯流排技術的發展為機器人提供了更快速、穩定、有效的通訊服務。尤其是現場匯流排，它應用於生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向多結點數字通信，從而形成了新型的網路集成式全分佈控制系統—現場匯流排控制系統FCS ( Filed bus Control System )。

在工廠生產網路中，將可以通過現場匯流排連接的設備統稱為「現場設備/儀錶」。從系統論的角度來說，工業機器人作為工廠的生產設備之一，也可以歸納為現場設備。

在機器人系統中引入現場匯流排技術后，更有利於機器人在工業生產環境中的集成。

分散式控制系統的優點在於：系統靈活性好，控制系統的危險性降低，採用多處理器的分散控制，有利於系統功能的并行執行，提高系統的處理效率，縮短響應時間。

對於具有多自由度的工業機器人而言，集中控制對各個控制軸之間的藕合關係處理得很好，可以很簡單的進行補償。但是，當軸的數量增加到使控制演算法變得很複雜時，其控制性能會惡化。而且，當系統中軸的數量或控制演算法變得很複雜時，可能會導致系統的重新設計。與之相比，分散式結構的每一個運動軸都由一個控制器處理，這意味著，系統有較少的軸間禍合和較高的系統重構性。

▶文章來源：工業機器人根據網路資料編輯整理，資料上傳者fzf118。

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