第6章 工业机器人的控制系统

目录第一章工业机器人概论第二章工业机器人的数学基础第三章工业机器人的机械系统第四章工业机器人的动力系统第五章工业机器人的感知系统第六章工业机器人的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 第6章工业机器人的控制系统 主要内容6 1工业机器人控制系统的基本组成 掌握 6 2工业机器人控制系统的基本结构 掌握 6 3工业机器人常用的控制器 了解 工业机器人技术基础 6 1工业机器人控制系统的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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 1工业机器人控制系统的基本组成1 工业机器人控制系统所要达到的功能 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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 1工业机器人控制系统的基本组成1 工业机器人控制系统所要达到的功能 5 人机接口示教盒 操作面板 显示屏 6 传感器接口位置检测 视觉 触觉 力觉等 7 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 8 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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 1工业机器人控制系统的基本组成2 工业机器人控制系统的组成 1 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 2 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 3 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 4 硬盘和软盘存储存储机器人工作程序的外围存储器 5 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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 1工业机器人控制系统的基本组成2 工业机器人控制系统的组成 6 打印机接口记录需要输出的各种信息 7 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 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的辅助设备控制 如手爪变位器等 10 通信接口实现机器人和其他设备的信息交换 一般有串行接口 并行接口等 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 1工业机器人控制系统的基本组成2 工业机器人控制系统的组成 11 网络接口1 Ethernet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 2 Fieldbus接口支持多种流行的现场总线规格 如Devicenet ABRemoteI O Interbus s profibus DP M NET等 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 1工业机器人控制系统的基本组成2 工业机器人控制系统的组成 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 1工业机器人控制系统的基本组成3 ABB工业机器人控制系统的组成 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 1工业机器人控制系统的基本组成3 ABB工业机器人控制系统的基本参数 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构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的控制作用 机器人就可实现要求的空间轨迹 2 自适应控制系统界条件变化时 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 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根据所获得的周围状态信息 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章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构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的位姿 而与路径无关 5 轨迹式机器人按示教的轨迹和速度运动 6 控制总线标准总线控制系统 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 7 自定义总线控制系统产厂家自行定义使用的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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构6 2 1工业机器人控制系统分类 9 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 10 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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构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 CentralizedControlSystem 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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构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 CentralizedControlSystem 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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构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 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章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构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 DistributeControlSystem 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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构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 DistributeControlSystem 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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构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 DistributeControlSystem 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 FiledbusControlSystem 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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构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 DistributeControlSystem 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 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构6 2 3ABB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章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构6 2 3ABB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章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构6 2 3ABB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章工业机器人的控制系统 完善的通信功能是ABB机器人控制系统的特点 其IRC5控制器的PCI扩展槽中可以安装几乎任何常见类型的现场总线板卡 包括满足ODVA标准可使用众多第三方装置的单信道DeviceNet 支持最高速率为12Mbps的双信道ProfibusDP以及可使用铜线和光纤接口的双信道Interbus 6 2工业机器人控制系统的基本结构6 2 3ABB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章工业机器人的控制系统 控制模块作为IRC5的心脏 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 并且可指挥四个驱动模块 控制模块采用开放式系统架构 配备基于商用Intel主板和处理器的工业PC机以及PCI总线 由于采用标准组件 用户不必担心设备淘汰问题 随着计算机处理技术的进步能随时进行设备升级 6 2工业机器人控制系统的基本结构6 2 3ABB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章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构6 2 3ABB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章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构6 2 3ABB工业机器人控制系统基本结构7 ABB机器人基于PC的操作 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构6 2 3ABB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章工业机器人的控制系统 6 2工业机器人控制系统的基本结构6 2 3ABB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章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器工业机器人控制器可进行多个任务操作 具有丰富的网络通信功能 RS 232 RS 485 以太网通信功能 机器人动作与通信并行处理 无通信时间的浪费 生产效率更加提高 6 3 1工业机器人控制器功能 1 多任务功能 2 一台机器人可进行多个任务的操作 3 网络功能 4 具有丰富的网络通信功能 RS 232 RS 485 以太网通信功能 机器人动作与通信并行处理 无通信时间的浪费 生产效率更加提高 5 操作历史记录功能 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器6 3 1工业机器人控制器功能 6 可记录机器人的工作情况 以便于机器人的管理和维护 7 海量存储 8 大容量存储器可存储更多的程序和更多的历史使用信息 9 用户接口丰富 10 具有鼠标 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章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器6 3 2工业机器人常用控制器从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有50年了 在这短短的几年里 伴随着计算机 自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步 机器人的发展已经历了3代 1 可编程的示教再现型机器人 2 基于传感器控制具有一定自主能力的机器人 3 智能机器人 作为机器人的核心部分 机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器6 3 2工业机器人常用控制器机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置 它是机器人的心脏 决定了机器人性能的优劣 从机器人控制算法的处理方式来看 可分为串行 并行两种结构类型 1 串行处理结构所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理 对于这种类型的控制器 从计算机结构 控制方式来划分 又可分为以下几种 1 单CPU结构 集中控制方式用一台功能较强的计算机实现全部控制功能 在早期的机器人中 如Hero I Robot I等 就采用这种结构 但控制过程中需要许多计算 如坐标变换 因此这种控制结构速度较慢 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器6 3 2工业机器人常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能 同时也利用它的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的增量送到公用内存 供二级CPU读取 二级CPU完成全部关节位置数字控制 这类系统的两个CPU总线之间基本没有联系 仅通过公用内存交换数据 是一个松耦合的关系 对采用更多的CPU进一步分散功能是很困难的 日本于70年代生产的Motoman机器人 5关节 直流电机驱动 的计算机系统就属于这种主从式结构 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器6 3 2工业机器人常用控制器串行处理结构 3 多CPU结构 分布式控制方式目前 普遍采用这种上 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和主控机联系是通过总线形式的紧耦合 这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高 但这些多CPU系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构 即每个处理器承担固定任务 目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的位置控制部分 几乎无例外地采用数字式位置控制 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器6 3 2工业机器人常用控制器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高计算速度的一个重要而有效的手段 能满足机器人控制的实时性要求 从文献来看 关于机器人控制器并行处理技术 人们研究较多的是机器人运动学和动力学的并行算法及其实现 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的动力学方程是一组非线性强耦合的二阶微分方程 计算十分复杂 提高机器人动力学算法计算速度也为实现复杂的控制算法如 计算力矩法 非线性前馈法 自适应控制法等打下基础 开发并行算法的途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 一般有两种方式 一是考虑给定的并行处理器结构 根据处理器结构所支持的计算模型 开发算法的并行性 二是首先开发算法的并行性 然后设计支持该算法的并行处理器结构 以达到最佳并行效率 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器6 3 2工业机器人常用控制器2 并行处理结构构造并行处理结构的机器人控制器的计算机系统一般采用以下方式 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的并行性 依靠芯片内的并行体系结构易于解决机器人控制算法中大量出现的计算 能大大提高运动学 动力学方程的计算速度 但由于芯片是根据具体的算法来设计的 当算法改变时 芯片则不能使用 因此采用这种方式构造的控制器不通用 更不利于系统的维护与开发 2 利用通用的微处理器利用通用微处理器构成并行处理结构 支持计算 实现复杂控制策略在线实时计算 如文献中设计的系统 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器6 3 2工业机器人常用控制器3 机器人控制器存在的问题综合起来 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 的封闭式结构 封闭的控制器结构使其具有特定的功能 适应于特定的环境 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 难以在不同的系统间移植 3 容错性差由于并行计算中的数据相关性 通讯及同步等内在特点 控制器的容错性能变差 其中一个处理器出故障可能导致整个系统的瘫痪 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器3 机器人控制器存在的问题 4 扩展性差目前 机器人控制器的研究着重于从关节这一级来改善和提高系统的性能 由于结构的封闭性 难以根据需要对系统进行扩展 如增加传感器控制等功能模块 5 缺少网络功能现在几乎所有的机器人控制器都没有网络功能 总起来看 前面提到的无论串行结构还是并行结构的机器人控制器都不是开放式结构 无论从软件还是硬件都难以扩充和更改 例如 商品化的Motoman机器人的控制器是不开放的 用户难以根据自己需要对其修改 扩充功能 通常的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章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器4 机器人控制器的展望针对结构封闭的机器人控制器的缺陷 开发 具有开放式结构的模块化 标准化机器人控制器 是当前机器人控制器的一个发展方向 近几年 日本 美国和欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器 如日本安川公司基于PC开发的具有开放式结构 网络功能的机器人控制器 我国863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项 工业机器人技术基础 第6章工业机器人的控制系统 6 3工业机器人常用的控制器4 机器人控制器的展望开放式结构机器人控制器是指 控制器设计的各个层次对用户开放 用户可以方便的扩展和改进其性能 其主要思想是 1 利用基于非封闭式计算机平台的开发系统 如Sun SGI PC s 有效利用标准计算机平台的软 硬件资源为控制器扩展创造条件 2 利用标准的操作系统 如Unix Vxwork和标准的控制语言 如C C 采用标准操作系统和控制语言 从而可以改变各种专用机器人语言并存且互不兼容的局面 3 采用标准总线结构 使得为扩展