工业机器人的控制系统

1、 目 录 第一章 工业机器人概论 第二章 工业机器人数学基础第三章 工业机器人机械系统第四章 工业机器人动力系统第五章 工业机器人感知系统第六章 工业机器人控制系统第七章 工业机器人编程与调试工业机器人技术基础工业机器人的控制系统第1页第6章 工业机器人控制系统 主要内容 6.1 工业机器人控制系统基本组成（掌握） 6.2 工业机器人控制系统基本结构（掌握） 6.3 工业机器人惯用控制器（了解）工业机器人技术基础工业机器人的控制系统第2页6.1 工业机器人控制系统基本组成 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，包含臂部、腕部和手部，有机器人还有行走机构。大

2、多数工业机器人有36个运动自由度，其中腕部通常有13个运动自由度。驱动系统包含动力装置和传动机构，用以使执行机构产生对应动作。控制系统是按照输入程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第3页6.1 工业机器人控制系统基本组成1.工业机器人控制系统所要到达功效（1）记忆功效 存放作业次序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺相关信息。（2）示教功效 离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包含示教盒和导引示教两种。（3）与外围设备联络功效 输入和输出接口、通信接口、网络接口、同时接口。（4）坐标设置功效 相关节、绝对、

3、工具、用户自定义四种坐标系。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第4页6.1 工业机器人控制系统基本组成1.工业机器人控制系统所要到达功效（5）人机接口 示教盒、操作面板、显示器。（6）传感器接口 位置检测、视觉、触觉、力觉等。（7）位置伺服功效 机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态赔偿等。（8）故障诊疗安全保护功效 运行时系统状态监视、故障状态下安全保护和故障自诊疗。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第5页6.1 工业机器人控制系统基本组成2.工业机器人控制系统组成（1）控制计算机 控制系统调度指挥机构。普通为微型机、

4、微处理器有32位、64位等，如飞跃系列CPU以及其它类型CPU。（2）示教盒 示教机器人工作轨迹和参数设定，以及全部些人机交互操作，拥有自己独立CPU以及存放单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。（3）操作面板 由各种操作按键、状态指示灯组成，只完成基本功效操作。（4）硬盘和软盘存放存 储机器人工作程序外围存放器。（5）数字和模拟量输入输出 各种状态和控制命令输入或输出。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第6页6.1 工业机器人控制系统基本组成2.工业机器人控制系统组成（6）打印机接口 统计需要输出各种信息。（7）传感器接口 用于信息自动检测，实现机器

5、人柔顺控制，普通为力觉、触觉和视觉传感器。（8）轴控制器 完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。（9）辅助设备控制 用于和机器人配合辅助设备控制，如手爪变位器等。（10）通信接口 实现机器人和其它设备信息交换，普通有串行接口、并行接口等。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第7页6.1 工业机器人控制系统基本组成2.工业机器人控制系统组成（11）网络接口 1）Ethernet接口可经过以太网实现数台或单台机器人直接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，经过Ethernet接

6、口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 2）Fieldbus接口支持各种流行现场总线规格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第8页6.1 工业机器人控制系统基本组成2.工业机器人控制系统组成工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第9页6.1 工业机器人控制系统基本组成3.ABB工业机器人控制系统组成工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第10页6.1 工业机器人控制系统基本组成3.ABB工业机器人

7、控制系统基本参数工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 性能控制硬件多处理器系统PCI总线Pentium CPU大容量U盘或硬盘应对断电能量务份USB存放接口控制软件目标化数据高级RAPID机器人语言编程便携式、开放式、可扩容PC-DOS文件格式ROBOTWARE软件产品预装软件，另有CD-ROM可供安装电器连接电源电压200-600V，50-60Hz一体化变压器或直接电网连接物理数据控制模块尺寸：625700700 重量：105Kg驱动模块尺寸：625700700 重量：145Kg使用环境环境温度5-45 （41-25） 可选45环境相对湿度最大95%保护等级IP54安全达标等级机器要

8、求 98/47/EC 附录IIB EN60204 ISO10218 EN775ANSI/RIA 15.06/1999 ANSI/UL1740-1998(可选)用户界面控制面板机箱或者遥控FLEXPENDANT示教器重 1.3Kg 图形化彩色触摸屏 操纵杆和急停装置仅 8 个按键维护状态显示 LED自动诊疗软件恢复程序带时间标识信息统计安全性安全停顿和紧急停顿装置带监督功效2 通道安全回路3 位开启装置机器界面输入和输出最多 1024 个信号数字24V直流或继电器信号模拟2010V，310V,1420mA串行通道1RS232/RS422网络通道 2 条以太网服务器和 LAN现场总线扫描器Devi

9、ceNet, Interbus, ProfibusDP, DeviceNet 网关，Alllen-Bradley远程I/O, CC_Link.离散型I/O16进16 出24V DC100mA过程编码器过程接口最多 6 条通道，上臂预留通信与信息接口，控制器内预留其它设备空间工业机器人的控制系统第11页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.1 工业机器人控制系统分类（1）程序控制系统 一个自由度施加一定规律控制作用，机器人就可实现要求空间轨迹。（2）自适应控制系统 界条件改变时，为确保所要求品质或为了伴随经验积累而自行改进控制品质，其过程是基于操作机状态和伺服误差观察，再调整非线性模型参数，

10、一直到误差消失为止。这种系统结构和参数能随时间和条件自动改变。（3）人工智能系统 无法编制运动程序，而是要求在运动过程中依据所取得周围状态信息，实时确定控制作用。(驱动方式：参见工业机器人驱动系统。运动方式：参见工业机器人运动系统)工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第12页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.1 工业机器人控制系统分类（4）点位式 机器人准确控制末端执行器位姿，而与路径无关；（5）轨迹式 机器人按示教轨迹和速度运动。（6）控制总线 标准总线控制系统。采取国际标准总线作为控制系统控制总线，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-b

11、us。（7）自定义总线控制系统 产厂家自行定义使用总线作为控制系统总线。（8）编程方式 设置编程系统由操作者设置固定限位开关，实现起动，停车程序操作，只能用于简单捡起和放置作业。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第13页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.1 工业机器人控制系统分类（9）在线编程 经过人示教来完成操作信息记忆过程编程方式，包含直接示教（即手把手示教）模拟示教和示教盒示教。（10）离线编程 不对实际作业机器人直接示教，而是脱离实际作业环境，生成示教程序，经过使用高级机器人，编程语言，远程式离线生成机器人作业轨迹。工业机器人技术基础第6章 工业

12、机器人控制系统 工业机器人的控制系统第14页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.2 工业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以下三类。 1.集中控制系统(Centralized Control System )用一台计算机实现全部控制功效，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，在早期机器人中常采取这种结构。基于PC集中控制系统里，充分利用了PC资源开放性特点，能够实现很好开放性：各种控制卡，传感器设备等都能够经过标准PCI插槽或经过标准串口、并口集成到控制系统中。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第15页6.2 工业机器人控制系统基本结构6

13、.2.2 工业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以下三类。 1.集中控制系统(Centralized Control System )集中式控制系统优点是:硬件成本较低，便于信息采集和分析，易于实现系统最优控制，整体性与协调性很好，基于PC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，控制危险轻易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重;因为工业机器人实时性要求很高，当系统进行大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务响应能力也会与系统实时性相冲突；另外，系统连线复杂，会降低系统可靠性。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第16页6

14、.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.2 工业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以下三类。2. 主从控制系统采用主、从两级处理器实现系统全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现全部关节动作控制。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。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第17页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.2 工业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以下三类。3. 分散控制系统(Distribute Control System )按系统性质

15、和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不一样控制任务和控制策略，各模式之间能够是主从关系，也能够是平等关系。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，是当前流行方式。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第18页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.2 工业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以下三类。3. 分散控制系统(Distribute Control System )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能够进行综合协调和分配，并经过子系统协调工作来完成控制任务，整个系统在功效、逻辑和物

16、理等方面都是分散，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一样被控对象或设备组成，各个子系统之间经过网络等相互通讯。分布式控制结构提供了一个开放、实时、准确机器人控制系统。分布式系统中常采取两级控制方式。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第19页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.2 工业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以下三类。3. 分散控制系统(Distribute Control System )两级分布式控制系统，通常由上位机、下为机和网络组成。上位机能够进行不一样轨迹规划和控制算法，下位

17、机进行插补细分、控制优化等研究和实现。上位机和下位机经过通讯总线相互协调工作，这里通讯总线能够是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发展为机器人提供了更加快速、稳定、有效通讯服务。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 )。从系统论角度来说，工业机器人作为工厂生产设备之一，也能够归纳为现场设备。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第20页6.2 工业机

18、器人控制系统基本结构6.2.2 工业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以下三类。3. 分散控制系统(Distribute Control System )分布式控制系统优点在于：系统灵活性好，控制系统危险性降低，采取多处理器分散控制，有利于系统功效并行执行，提升系统处理效率，缩短响应时间。对于含有多自由度工业机器人而言，集中控制对各个控制轴之间藕合关系处理得很好，能够很简单进行赔偿。不过，当轴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，当系统中轴数量或控制算法变得很复杂时，可能会造成系统重新设计。与之相比，分布式结构每一个运动轴都由一个控制器处理，这意味着，系统有

19、较少轴间祸合和较高系统重构性。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第21页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.3 ABB工业机器人控制系统基本结构1. ABB机器人系统运行平台工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第22页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.3 ABB工业机器人控制系统基本结构2. ABB机器人主控制器特点工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第23页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.3 ABB工业机器人控制系统基本结构3. ABB机器人通信方式工业机器人技术基础第6章 工

20、业机器人控制系统 完善通信功效是ABB机器人控制系统特点。其IRC5控制器PCI扩展槽中能够安装几乎任何常见类型现场总线板卡，包含满足ODVA标准可使用众多第三方装置单信道DeviceNet，支持最高速率为12Mbps双信道ProfibusDP以及可使用铜线和光纤接口双信道Interbus。工业机器人的控制系统第24页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.3 ABB工业机器人控制系统基本结构4. ABB机器人模块化工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 控制模块作为IRC5心脏，自带主计算机，能够执行高级控制算法，为多达36个伺服轴进行MultiMove路径计算，而且可指挥四个驱动模

21、块。控制模块采取开放式系统架构，配置基于商用Intel主板和处理器工业PC机以及PCI总线。因为采取标准组件，用户无须担心设备淘汰问题，伴随计算机处理技术进步能随时进行设备升级。工业机器人的控制系统第25页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.3 ABB工业机器人控制系统基本结构5. ABB机器人可扩展性工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第26页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.3 ABB工业机器人控制系统基本结构6. ABB机器人示教器工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第27页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2

22、.3 ABB工业机器人控制系统基本结构7. ABB机器人基于PC操作工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第28页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.3 ABB工业机器人控制系统基本结构8. ABB机器人虚拟机器人技术工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第29页6.2 工业机器人控制系统基本结构6.2.3 ABB工业机器人控制系统基本结构9. ABB机器人特色软件包工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第30页6.3 工业机器人惯用控制器工业机器人控制器可进行多个任务操作，含有丰富网络通信功效：RS-2

23、32、RS-485、以太网通信功效，机器人动作与通信并行处理，无通信时间浪费，生产效率愈加提升。6.3.1 工业机器人控制器功效（1）多任务功效（2）一台机器人可进行多个任务操作；（3）网络功效（4）含有丰富网络通信功效：RS-232、RS-485、以太网通信功效，机器人动作与通信并行处理，无通信时间浪费，生产效率愈加提升；（5）操作历史统计功效工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第31页6.3 工业机器人惯用控制器6.3.1 工业机器人控制器功效（6）可统计机器人工作情况，方便于机器人管理和维护；（7）海量存放（8）大容量存放器可存放更多程序和更多历史使用信息；

24、（9）用户接口丰富（10）含有鼠标、键盘、显示器和USB接口，控制器可作为一台电脑使用，方便用户操作。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第32页6.3 工业机器人惯用控制器6.3.2 工业机器人惯用控制器从世界上第一台遥控机械手诞生至今已经有 50 年了，在这短短几年里，伴伴随计算机、自动控制理论发展和工业生产需要及相关技术进步，机器人发展已经历了 3 代： (1) 可编程示教再现型机器人；(2) 基于传感器控制含有一定自主能力机器人；(3) 智能机器人。作为机器人关键部分，机器人控制器是影响机器人性能关键部分之一。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统

25、工业机器人的控制系统第33页6.3 工业机器人惯用控制器6.3.2 工业机器人惯用控制器机器人控制器是依据指令以及传感信息控制机器人完成一定动作或作业任务装置，它是机器人心脏，决定了机器人性能优劣。从机器人控制算法处理方式来看，可分为串行、并行两种结构类型。1. 串行处理结构所谓串行处理结构是指机器人控制算法是由串行机来处理。对于这种类型控制器，从计算机结构、控制方式来划分，又可分为以下几个。（1）单CPU结构、集中控制方式用一台功效较强计算机实现全部控制功效。在早期机器人中，如Hero-I, Robot-I等，就采取这种结构，但控制过程中需要许多计算（如坐标变换），所以这种控制结构速度较慢。

26、工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第34页6.3 工业机器人惯用控制器6.3.2 工业机器人惯用控制器串行处理结构（2）二级CPU结构、主从式控制方式一级CPU为主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功效，同时也利用它运算能力完成坐标变换、轨迹插补，并定时地把运算结果作为关节运动增量送到公用内存，供二级CPU读取；二级CPU完成全部关节位置数字控制。这类系统两个CPU总线之间基本没有联络，仅经过公用内存交换数据，是一个松耦合关系。对采取更多CPU深入分散功效是很困难。日本于70年代生产Motoman机器人（5关节，直流电机驱动）计算机系统就属于这种主从式结

27、构。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第35页6.3 工业机器人惯用控制器6.3.2 工业机器人惯用控制器串行处理结构（3）多CPU结构、分布式控制方式当前，普遍采取这种上、下位机二级分布式结构，上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多CPU组成，每个CPU控制一个关节运动，这些CPU和主控机联络是经过总线形式紧耦合。这种结构控制器工作速度和控制性能显著提升。但这些多CPU系统共有特征都是针对详细问题而采取功效分布式结构，即每个处理器负担固定任务。当前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构。 控制器计算机控制系统中位置控制部分，几乎无例外

28、地采取数字式位置控制。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第36页6.3 工业机器人惯用控制器6.3.2 工业机器人惯用控制器2. 并行处理结构（3）多CPU结构、分布式控制方式并行处理技术是提升计算速度一个主要而有效伎俩，能满足机器人控制实时性要求。从文件来看，关于机器人控制器并行处理技术，人们研究较多是机器人运动学和动力学并行算法及其实现。1982年J.Y.S.Luh首次提出机器人动力学并行处理问题，这是因为关节型机器人动力学方程是一组非线性强耦合二阶微分方程，计算十分复杂。提升机器人动力学算法计算速度也为实现复杂控制算法如：计算力矩法、非线性前馈法、自适应控

29、制法等打下基础。开发并行算法路径之一就是改造串行算法，使之并行化，然后将算法映射到并行结构。普通有两种方式，一是考虑给定并行处理器结构，依据处理器结构所支持计算模型，开发算法并行性；二是首先开发算法并行性，然后设计支持该算法并行处理器结构，以到达最正确并行效率。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第37页6.3 工业机器人惯用控制器6.3.2 工业机器人惯用控制器2. 并行处理结构结构并行处理结构机器人控制器计算机系统普通采取以下方式：（1）开发机器人控制专用VLSI设计专用VLSI能充分利用机器人控制算法并行性，依靠芯片内并行体系结构易于处理机器人控制算法中大量

30、出现计算，能大大提升运动学、动力学方程计算速度。但因为芯片是依据详细算法来设计，当算法改变时，芯片则不能使用，所以采取这种方式结构控制器不通用，更不利于系统维护与开发。（2）利用通用微处理器利用通用微处理器组成并行处理结构，支持计算，实现复杂控制策略在线实时计算。如文件中设计系统。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第38页6.3 工业机器人惯用控制器6.3.2 工业机器人惯用控制器3. 机器人控制器存在问题综合起来，现有机器人控制器存在很多问题，如：（1）开放性差局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”封闭式结构。封闭控制器结构使其含有特定功效、适应于

31、特定环境，不便于对系统进行扩展和改进。（2）软件独立性差软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件，难以在不一样系统间移植。（3）容错性差因为并行计算中数据相关性、通讯及同时等内在特点，控制器容错性能变差，其中一个处理器出故障可能造成整个系统瘫痪。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第39页6.3 工业机器人惯用控制器3. 机器人控制器存在问题（4）扩展性差当前，机器人控制器研究着重于从关节这一级来改进和提升系统性能。因为结构封闭性，难以依据需要对系统进行扩展，如增加传感器控制等功效模块。（5）缺乏网络功效现在几乎全部机器人控制器都没有网络功效。总起来看，前面提到不论串

32、行结构还是并行结构机器人控制器都不是开放式结构，不论从软件还是硬件都难以扩充和更改。比如，商品化Motoman机器人控制器是不开放，用户难以依据自己需要对其修改、扩充功效，通常做法是对其详细解剖分析，然后对其改造。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第40页6.3 工业机器人惯用控制器4. 机器人控制器展望针对结构封闭机器人控制器缺点，开发“含有开放式结构模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器一个发展方向。近几年，日本、美国和欧洲一些国家都在开发含有开放式结构机器人控制器，如日本安川企业基于PC开发含有开放式结构、网络功效机器人控制器。我国863计划智能机器人主题也已对这方面研究立项。工业机器人技术基础第6章 工业机器人控制系统 工业机器人的控制系统第41页6.3 工业机器人惯用控制器4. 机器人控制器展望开放式结构机器人控制器是指：控制器设计各个层次对用户开放，用户能够方便扩展和改进其性能。其主要思想是：（1）利用基于非封闭式计算机平台开发系统，如Sun, SGI, PCs.有效利用标准计算机平台软、硬件资源为控制器扩展创造条件。（2）利用标准操作系统，如Unix、Vxwor