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，用以使執行機構産生相應的動作。

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号，并進行控制。

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：存儲作業順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生産工藝有關的信息。
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. 與外圍設備聯系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網絡接口、同步接口。
4. 坐标設置功能：有關節、絕對、工具、用戶自定義四種坐标系。 人機接口：示教盒、操作面闆、顯示屏。
5. 傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。
6. 位置伺服功能：機器人多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、動态補償等。
7. 故障診斷安全保護功能：運行時系統狀态監視、故障狀态下的安全保護和故障自診斷。

圖 1 機器人控制系統組成框圖

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迹和參數設定，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行通信方式實現信息交互。

• 操作面闆：由各種操作按鍵、狀态指示燈構成，隻完成基本功能操作。

• 硬盤和軟盤存儲存：儲機器人工作程序的外圍存儲器。
• 數字和模拟量輸入輸出：各種狀态和控制命令的輸入或輸出。

• 打印機接口：記錄需要輸出的各種信息。

• 傳感器接口：用于信息的自動檢測，實現機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。

• 軸控制器：完成機器人各關節位置、速度和加速度控制。

• 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。

• 通信接口：實現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。

• 網絡接口：①Ethernet接口：可通過以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接口将數據及程序裝入各個機器人控制器中。
• ②Fieldbus接口：支持多種流行的現場總線規格，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迹。

• 自适應控制系統：當外界條件變化時，為保證所要求的品質或為了随着經驗的積累而自行改善控制品質，其過程是基于操作機的狀态和伺服誤差的觀察，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随時間和條件自動改變。

• 人工智能系統：事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據所獲得的周圍狀态信息，實時确定控制作用。

運動方式：

點位式：要求機器人準确控制末端執行器的位姿，而與路徑無關；

軌迹式：要求機器人按示教的軌迹和速度運動。

控制總線： 國際标準總線控制系統。采用國際标準總線作為控制系統的控制總線，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。

自定義總線控制系統：由生産廠家自行定義使用的總線作為控制系統總線。

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，隻能用于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）模拟示教和示教盒示教。

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迹。

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采用這種結構。

基于PC 的集中控制系統裡，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，傳感器設備等都可以通過标準PCI插槽或通過标準串口、并口集成到控制系統中。

集中式控制系統的優點是:硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現系統的最優控制，整體性與協調性較好，基于PC 的系統硬件擴展較為方便。

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;由于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沖突；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：采用主、從兩級處理器實現系統的全部控制功能。主CPU實現管理、坐标變換、軌迹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，适于高精度、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将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系，也可以是平等關系。這種方式實時性好，易于實現高速、高精度控制，易于擴展，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 分布式控制系統框圖

其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統對其總體目标和任務可以進行綜合協調和分配，并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絡等相互通訊。分布式控制結構提供了一個開放、實時、精确的機器人控制系統。分布式系統中常采用兩級控制方式。

兩級分布式控制系統，通常由上位機、下為機和網絡組成。上位機可以進行不同的軌迹規劃和控制算法，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總線相互協調工作，這裡的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 總線等形式。

現在，以太網和現場總線技術的發展為機器人提供了更快速、穩定、有效的通訊服務。尤其是現場總線，它應用于生産現場、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絡集成式全分布控制系統—現場總線控制系統FCS ( Filed bus Control System )。

在工廠生産網絡中，将可以通過現場總線連接的設備統稱為“現場設備/儀表”。從系統論的角度來說，工業機器人作為工廠的生産設備之一，也可以歸納為現場設備。

在機器人系統中引入現場總線技術後，更有利于機器人在工業生産環境中的集成。

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

對于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系處理得很好，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算法變得很複雜時，可能會導緻系統的重新設計。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，這意味着，系統有較少的軸間禍合和較高的系統重構性。

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