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。

原文发布于微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources)

原文发表时间:2017-08-02

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