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[導讀]解讀工業(yè)機器人控制系統(tǒng)組成及典型結構

一、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)所要達到的功能

機器人控制系統(tǒng)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,其基本功能如下:

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

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)絡接口、同步接口。

4、坐標設置功能:有關節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標系。

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、觸覺、力覺等。

7、位置伺服功能:機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)取?

8、故障診斷安全保護功能:運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)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(tǒng)的組成

1、控制計算機:控制系統(tǒng)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。

2、示教盒:示教機器人的工作軌跡和參數(shù)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)指示燈構成,只完成基本功能操作。

4、硬盤和軟盤存儲存:儲機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:完成機器人各關節(jié)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:實現(xiàn)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)絡接口

1)Ethernet接口:可通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機器人的直接PC通信,數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Mbit/s,可直接在PC上用windows庫函數(shù)進行 應用程序編程之后,支持TCP/IP通信協(xié)議,通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個機器人控制器中。


控制系統(tǒng)的組成

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,機器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。

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

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

4、點位式:要求機器人準確控制末端執(zhí)行器的位姿,而與路徑無關。

5、軌跡式:要求機器人按示教的軌跡和速度運動。

6、控制總線:國際標準總線控制系統(tǒng)。 采用國際標準總線作為控制系統(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:物理設置編程系統(tǒng)。由操作者設置固定的限位開關,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,通過使用高級機器人,編程語言,遠程式離線生成機器人作業(yè)軌跡。

四、機器人控制系統(tǒng)結構

機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類。

1)集中控制系統(tǒng)(CentralizedControlSystem):用一臺計算機實現(xiàn)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采用這種結構,其構成框圖,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,傳感器設備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口、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)調性較好,基于PC的系統(tǒng)硬件擴展較為方便。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,后果嚴重;由于 工業(yè)機器人的實時性要求很高,當系統(tǒng)進行大量數(shù)據(jù)計算,會降低系統(tǒng)實時性,系統(tǒng)對多任務的響應能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突;此外,系統(tǒng)連線復雜,會降低系統(tǒng)的可靠性。


控制系統(tǒng)的組成

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、坐標變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等:從CPU實現(xiàn)所有關節(jié)的動作控制。其構成框圖,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)擴展性較差,維修困難。


控制系統(tǒng)的組成

3)分散控制系統(tǒng)(DistributeControlSystem):按系統(tǒng)的性質和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊,每一個模塊各有不同的控制任務和控制策略,各模式之間可以是主從關系,也可以是平等關系。這種方式實時性好,易于實現(xiàn)高速、高精度控制,易于擴展,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)對其總體目標和任務可以進行綜合協(xié)調和分配,并通過子系統(tǒng)的協(xié)調工作來完成控制任務,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)。這種結構中,子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設備構成的,各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡等相互通訊。分布式控制結構提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統(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、下為機和網(wǎng)絡組成。上位機可以進行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法,下位機進行插補細分、控制優(yōu)化等的研究和實現(xiàn)。上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調工作,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)場總線技術的發(fā)展為機器人提供了更快速、穩(wěn)定、有效的通訊服務。尤其是現(xiàn)場總線,它 應用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向多結點數(shù)字通信,從而形成了新型的網(wǎng)絡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)絡中,將可以通過現(xiàn)場總線連接的設備統(tǒng)稱為“現(xiàn)場設備/儀表”。從系統(tǒng)論的角度來說,工業(yè)機器人作為工廠的生產(chǎn)設備之一,也可以歸納為現(xiàn)場設備。在機器人系統(tǒng)中引入現(xiàn)場總線技術后,更有利于機器人在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的集成。


控制系統(tǒng)的組成

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,縮短響應時間。

對于具有多自由度的工業(yè)機器人而言,集中控制對各個控制軸之間的藕合關系處理得很好,可以很簡單的進行補償。但是,當軸的數(shù)量增加到使控制算法變得很復雜時,其控制性能會惡化。而且,當系統(tǒng)中軸的數(shù)量或控制算法變得很復雜時,可能會導致系統(tǒng)的重新設計。與之相比,分布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(tǒng)有較少的軸間禍合和較高的系統(tǒng)重構性。

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