《工业机器人技术基础》课件-6.认识工业机器人控制系统

工业机器人技术基础航空工业出版社认识工业机器人控制系统项目六目录01任务一

工业机器人控制系统概述02任务二

工业机器人的控制方式03任务三

典型工业机器人控制系统类比人类大脑的核心角色控制系统如人类大脑，结合软硬件，按输入程序向驱动及执行机构发指令管控多维度精准管控范畴控制机器人动作顺序、位置姿态、路径轨迹等，协调其与周边设备关系影响作业质量的核心环节其稳定性与精准度对机器人作业质量影响重大，是国产机器人满足工业需求关键。决定机器人性能的关键因素控制系统是机器人作业必备条件，其水平决定机器人功能性能，本项目将揭秘其控制逻辑。项目概述工业机器人控制系统概述任务一任务导入任务描述小梁听说，工业机器人控制系统相当于工业机器人的“大脑”，是工业机器人的核心部件和功能模块，决定着工业机器人的功能和肢体动作。那么，控制系统有哪些功能和特点？由哪些部件构成？又有哪些类别和结构？在本任务中，小梁的疑问将会得到解答。任务目标1.了解工业机器人控制系统的结构框图。2.熟悉控制系统的功能与特点。3.掌握工业机器人控制系统的分类及组成。4.了解工业机器人控制系统的结构。5.能简述控制系统的组成。6.培养学生创新思维，立足专业传承工匠精神，增强文化自信。工业机器人控制系统是机器人重要组成部分，按操作员指令控制执行机构完成作业，其性能决定机器人系统性能。良好控制器需操作便捷灵活、具备多种运动控制方式及安全可靠运行模式，其构成要素含计算机软硬件、I/O设备、驱动系统、传感系统和机器人本体。图6-1-1为其结构框图。任务实施一、工业机器人控制系统的结构框图机器人控制系统的主要任务是对工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等方面进行控制。表6-1-1列出了其基本功能。二、控制系统的功能与特点（一）控制系统的功能（二）控制系统的特点工业机器人主体为空间开链形态，各关节运动独立，需通过控制系统协调多关节联动，实现末端执行器精准运动。多关节协同调度刚需需统筹主体、驱动系统协同工作，涉及3~6个运动自由度调度，整体控制逻辑较普通控制系统更为复杂。系统复杂度远超常规控制集成记忆、示教、多设备联动、多坐标设置等功能，可存储作业参数、实现离线/在线编程，适配多样生产场景。多功能一体化集成支持力觉、视觉等多传感器接入，具备实时状态监视、故障自诊断及安全保护机制，保障作业稳定性。安全与自适应保障

多自由度协同即使较简单的工业机器人需3～5个自由度，复杂的需十几个甚至几十个，每个自由度含伺服机构，需协调组成多变量控制系统。手部轨迹控制工业机器人手部运动是所有关节运动的综合体现，要使手部按轨迹运动，必须控制各关节在轨迹、动作时序等多方面协调。1.工业机器人控制系统是多变量控制系统2.工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关描述机器人状态和运动的数学模型是非线性时变系统，动力学参数随关节位置变化，变量间存在耦合，单关节运动对其他关节产生扰动。非线性时变模型需根据需求选择参考坐标系并做适当变换，常需求解正反向运动学，还要考虑惯性、外力（包括重力）和向心力的作用。坐标变换求解3.优化控制策略，动态响应快工业机器人不允许位置超调，否则可能与工件碰撞，要求控制系统位置无超调且动态响应尽量快。无超调要求过大加速度影响机器人运动平稳甚至抖动，启停时需采取加（减）速控制策略，静差率小、调速范围大，各关节速度误差系数尽量一致。加减速控制4.具有最优计算能力AI辅助决策采用人工智能方法，通过计算机建立庞大信息库，借助信息库进行控制、决策管理，自动选择最佳控制规律满足给定指标。路径选择优化工业机器人动作可通过多种方式和路径完成，存在最优问题，高级机器人能通过传感器和模式识别获取对象及环境工况。5.具有较高的重复定位精度，系统刚度好

高重复定位精度除直角坐标机器人外，关节位置检测元件装在驱动轴上构成半闭环系统，但机器人重复定位精度较高，一般为±0.1mm。高系统刚度工业机器人运行要求运动平稳、不受外力干扰，因此系统应具备较好的刚度，保障作业稳定性。6.能够完成示教再现控制是与运动学、动力学密切相关的紧耦合、非线性多变量控制系统，可根据实际工作情况灵活选用控制方式。作为第一代工业机器人的主流控制方式，技术成熟、部署成本低，适配焊接、喷涂等重复性高的固定路径作业场景。完成作业前，预先移动机器人臂部示教作业顺序、位置等信息并存储至内存，执行任务时依靠动作再现功能重复作业。示教再现作业流程核心技术应用特点控制系统本质属性三、工业机器人控制系统的分类及组成给每个自由度施加特定规律的控制作用，可让机器人实现预设的空间轨迹程序控制系统外界条件变时，据操作机状态和伺服误差调非线性模型参数，保障或提升控制品质自适应控制系统无需预先编制运动程序，机器人运动过程中依据周围状态信息，实时确定控制作用人工智能控制系统严格按照示教的轨迹与速度运动，保障作业路径的一致性与精准性轨迹式控制系统精准控制末端执行器位姿，不关注运动路径，仅要求最终位置准确点位式控制系统（一）工业机器人控制系统的分类采用VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus等国际标准总线作为控制总线，兼容性强通过操作者设置固定限位开关实现启停等操作，仅适用于简单的拾取、放置作业脱离实际作业环境，利用高级机器人编程语言远程生成作业轨迹，无需直接示教实机通过人类示教完成操作信息记忆，涵盖直接示教、模拟示教、示教盒示教三种方式由设备厂家自行定义专属总线作为控制总线，适配特定应用场景离线编程控制系统在线编程控制系统编程设置控制系统自定义总线控制系统标准总线控制系统（二）工业机器人控制系统的组成以控制计算机为调度指挥核心，搭配轴控制器完成机器人各关节位置、速度及加速度的精准调控。核心控制单元配备传感器、通信、网络等多类型接口，实现与外围设备的信息交互，同时支持辅助设备的协同控制。接口与外设联动模块包含示教盒、操作面板与存储设备，可实现轨迹示教、参数设定、基础操作及作业程序存储功能。人机交互组件核心指挥交互模块作为控制系统的调度指挥机构，一般为32位、64位等微型机。控制计算机示教工业机器人轨迹与参数，执行人机交互，配独立CPU，与控制计算机串行通信示教器由各种操作按键、状态指示灯构成，仅完成基本功能操作。操作面板存储与IO接口模块存储工业机器人工作程序的外围存储器。磁盘存储实现各种状态和控制命令的输入或输出。数模IO接口包含力觉、视觉等类型，用于信息自动检测，实现工业机器人的柔性控制。传感器接口运动与扩展通信模块用于控制与工业机器人配合的辅助设备，如手爪变位器等。辅助设备控制用于实现工业机器人各关节位置、速度和加速度控制。轴控制器包含Ethernet和Fieldbus接口，前者支持TCP/IP协议，速率达10Mbit/s；后者兼容DeviceNet等多种现场总线规格，实现多设备信息交互。网络通信接口四、工业机器人控制系统的结构基于PC的系统借单台计算机实现控制，通过多方式集成，开放性好，多用于早期机器人。核心架构逻辑硬件成本较低,便于信息采集与分析,易实现系统最优控制,整体性与协调性表现较好。核心突出优势实时性差、难以扩展,控制缺乏灵活性,故障影响面广;多任务响应与实时性冲突,连线复杂降低系统可靠性。核心局限短板（一）集中控制结构（二）主从控制结构主从式结构采用主、从两级处理器（CPU）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。图6-1-4为其原理框图。（三）分布控制结构分布式结构将系统控制分多模块，各模块任务、策略不同，关系为主从或平等，核心是“分散控制，集中管理”，系统功能、逻辑、物理上分散，又称集散/分散控制系统。子系统由控制器和被控对象构成，通过网络通信。常两级控制，实时性好，易扩展，是流行方式。图6-1-5为原理框图。工程师手记在实际应用中，由于集中式结构的缺点突出，一般企业里很少选择这种控制方式的机器人。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。分布控制系统的优点在于灵活性好、控制系统的危险性低、采用多处理器的分布控制、有利于系统功能的并行执行、处理效率高、响应时间短。对具有多自由度的工业机器人而言，集中控制结构对各个控制轴之间的耦合关系处理得很好，可以很简单地进行补偿。但是，当轴的数量增加到使控制算法变得复杂时，其控制性能会逐渐恶化。而且，当系统中轴的数量或控制算法变得复杂时，可能会导致系统的重新设计。与之相比，分布控制结构的每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耦合和较高的系统重构性。工业机器人的控制方式任务二任务导入任务描述工业机器人的控制方式是由工业机器人所执行的任务决定的。在本任务中，小梁将学习几种常见的工业机器人控制方式。任务目标1.了解常见的控制方式及控制原理。2.能够对运动轨迹控制进行推导。3.培养学生规范操作与安全作业意识，树立对岗位负责、对生产尽责的态度。一、位置控制方式任务实施工业机器人位置控制系统指挥其动作，协调它与生产系统的关系，通过运动部件沿（或绕）各坐标点位置实现其工作顺序、位置、动作时间间隔、运动速度等。位置控制将关节位置给定值与当前值的误差作为位置控制器输入量，经运算后输出作为关节速度控制给定值，如图6-2-1所示。图6-2-2为位置控制方式，主要包括点到点（PointToPoint，PTP）控制方式、连续轨迹（ContinuousPath，CP）控制方式两种类型。（一）点到点控制方式仅管控机器人末端执行器起点与终点位姿，两点间运动轨迹无要求，具备易实现、定位精度要求不高的特点。核心控制逻辑适用于无障碍条件下的上下料、搬运、点焊、电路插元件等作业，如汽车车身装配车间的点焊机器人。典型应用场景核心指标为定位精度与运动耗时，虽控制方式简单，但达成高定位精度难度较大。关键技术指标（二）连续轨迹控制方式用于指定点间运动轨迹曲线，连续控制工业机器人末端执行器位姿，使其按预设轨迹和速度在精度要求内运动。核心定义具备速度可控、轨迹平滑、运动平稳的特性，工业机器人各关节连续、同步运动，使末端执行器形成连续轨迹。核心特性对机器人不仅要求定点精度，还要求轨迹精度，关节速度、加速度不超极限，核心指标为轨迹跟踪精度及平稳性。技术要求适用于对轨迹精度要求高的作业场景，是工业机器人弧焊、喷漆、切割等作业的核心控制方式。典型应用从点位到连续轨迹：工业机器人轨迹实现逻辑关节动作的转换与执行插补点的位姿坐标值通过运动学逆解运算转换成关节坐标值，传递至多关节位置控制器，由伺服单元负责伺服电机闭环控制及所有关节的动作协调。再现状态的轨迹生成流程工业机器人在再现状态时，从控制柜存储器中逐点取出轨迹示教点位姿坐标值，经上位计算机直线或圆弧插补运算获取中间位姿坐标，生成对应路径规划。点位控制是连续轨迹基础点位控制是工业机器人连续轨迹控制的核心基础，相邻示教点间通过符合精度要求的直线或圆弧插补实现轨迹连续，直线插补为两点间直线运行，圆弧插补沿3个示教点圆弧移动。二、速度控制方式工业机器人执行任务时按预设速度控运动，行程依速度变化曲线，连续轨迹控制时，需按预定指令控制运动部件速度及加减速，以保障运动平稳、定位准确。控制定义工业机器人为平衡快速与平稳，需有效控制启停过渡区段，全程需速度控制。控制必要性速度控制响应快，适用于搬运、包装等任务，精度差，常用于目标跟踪。通过传关节位置给定值等步骤驱动电机，带动关节运动实现速度控制。

应用特点与原理三、力（力矩）控制方式适用于抓放、组装等作业，需准确定位并控制力输出；原理类位置控制，但输入输出为力（力矩）信号，系统必须配备力（力矩）传感器。核心原理与硬件要求主动柔性：借力反馈主动调整作用力；被动柔性：靠辅助柔性机构自然顺从外力，适配作业阻力。柔性控制的两种类型被动柔性响应快、无需传感器，但需专用柔性末端，适配偏差有限，无法管控大接触力；主动柔性适配性强，但系统复杂、响应偏慢。主动与被动柔性优劣势对比主动柔性需结合被动柔性，以被动柔性控制反作用力阈值，弥补主动反馈滞后问题，保障作业速度与抗干扰能力。最优技术方案：柔控融合四、智能控制方式核心运作逻辑在未知环境作业，靠传感器获信息，凭知识库决策，自主完成任务，具强适应性与自学习能力。适配人工神经网络特性人工神经网络为非线性映射，可逼近任意非线性函数，其特性适配工业机器人实时控制需求。模糊控制系统关键要素核心为模糊控制器，其性能取决于控制器结构、隶属函数、模糊规则、推理方法及解模糊算法。专家控制系统核心构成典型知识基控制系统，专家控制系统多含知识库、推理机、控制规则集或控制算法等组件。五、运动控制方式抓取搬运类基础操作是喷漆、点焊等高级别任务的组成部分，指令以任务空间内末端执行器的期望轨迹来指定任务指令的空间属性基于任务与控制的空间差异，关节空间控制与操作空间（任务空间）控制成为工业机器人的核心运动控制方式两类核心控制方式实际控制操作在关节空间开展，通过调控关节运动，达成任务空间内的期望目标控制执行的空间逻辑（一）关节空间控制核心目标设计反馈控制器，使关节坐标系尽可能精确跟踪期望运动，控制输入为关节转矩。控制流程将末端执行器期望轨迹参数xd经逆运动学转为关节期望轨迹qd；控制器据当前关节状态输出转矩τ，驱动机械臂沿qd运动。（二）操作空间控制在复杂、低确定性且需与环境交互的生产场景中，关节空间控制难以满足末端执行器的精确运动需求，操作空间控制成为适配方案。其核心目标是设计反馈控制器，精准跟踪末端执行器的期望运动轨迹，通过闭环反馈最大限度减小任务误差，且因嵌入速度级正运动学公式，无需精确逆运动学计算，可实现任务空间内点到点的直线运动。典型工业机器人控制系统任务三任务导入任务描述在本任务中，小梁将学习一些典型工业机器人控制系统。其中，包括FANUC机器人控制系统、PUMA560机器人控制系统、ABBIRB1400机器人控制系统等。任务目标1.了解常见工业机器人控制系统。2.能够分辨不同品牌的控制系统。3.树立团队协作、合作共赢理念，以互助共进之力深耕专业，为国产工业机器人技术发展添砖加瓦。一、FANUC机器人控制系统作为日系工业机器人代表品牌，控制原理与其他品牌相近，控制结构契合亚洲使用习惯，更适配国内用户品牌适配性优势涵盖机器人轨迹规划、关节位置控制算法的程序实现，以及系统管理、运行、监控等全流程功能软件功能核心架构以M-10iA型6轴机器人为例，硬件包含控制单元、电源装置、用户接口电路、存储电路、关节伺服驱动单元及传感单元等硬件核心组成模块任务实施FANUCR-30iAMate控制器结构特点FANUC系列机器人控制器内部结构因机型而异，以下介绍配R-30iAMate控制器的M-10iA型机器人。该控制器用32位CPU提升运算速度，64位数字伺服驱动单元同步控制6轴（最多12轴），提升精度、优化动态特性，且内部集成化，兼具结构简单、价廉易维护等特点。M-10iA型机器人主从式控制系统解析采用上、下两级控制层，上级为32位嵌入式微型计算机核心，下级为含DSP多轴运动控制卡及6轴伺服放大器的实时控制层。主从式分层控制架构负责系统组织控制，编译KAREL语言运动程序转化为路径轨迹，处理坐标变换等非实时任务，检测机器人状态并处理意外事件。上级控制层核心职能接收上级指令，结合关节位置传感、编码器反馈信号，完成误差分析、控制算法制定及D/A转换，输出速度信号至伺服驱动器。下级实时控制层运作操作者通过示教器记录位姿生成KAREL程序，主板编译后规划轨迹并转换为关节运动量，经运动控制卡转换为伺服速度命令，驱动电机完成运动。完整控制执行流程二、PUMA560机器人控制系统PUMA560工业机器人的控制系统结构示意图，如图6-3-2所示。其硬件结构分为两个层次：上层以一台DECLSI-11计算机作为“主控”计算机输出指令到6个Rockwell6503微处理器；下层每个微处理器采用PID控制器控制一个独立关节。PUMA560机器人各关节装光学增量编码器，与上下计数器接口相连，供微处理器读取关节位置。该机器人无转速计，通过关节位置伺服周期序列差分获关节速度。微处理器与数模转换器（DAC）接口相连，控制直流力矩电动机电流，通过调节电枢电压维持期望电枢电流。图6-3-3为其关节控制系统框图。VAL语言控制流程LSI-11计算机逐句编译VAL程序指令，同步执行逆运动学计算与期望轨迹规划。上位机核心处理每28ms为关节控制器生成一组路径点轨迹，关节微处理器定时接收新位置指令。定时指令下发关节微处理器以0.875ms为周期，完成插补运算、伺服误差计算、PID力矩输出，控制电机运动。关节周期控制IRB1400机器人的计算机系统由主计算机、轴控制计算机和输入/输出（I/O）接口板三部分组成。计算机系统三个部分的任务功能如表6-3-1所示。三、ABBIRB1400机器人控制系统（一）机器人计算机系统机器人位姿的调整过程：期望位姿信息输入主计算机，经编译传输至轴控制计算机；轴控制计算机对比当前位姿并计算，按轨迹规划算法将数据传至驱动系统，实现位姿调整。图6-3-4为IRB1400机器人计算机系统示意图。（二）机器人伺服驱动系统交流伺服电动机系统含三种控制形式，因负载空间变化控制难主流控制策略工业机器人视各关节为独立交流伺服系统，用PID闭环控制简化负载系统IRB1400驱动逻辑驱动单元依扭矩和转子位置做PWM调制，采用位置控制模式发指令位置控制实际局限理想全闭环控制，但目标定位部件因多种因素难装传感器核心控制形式四、基于VB开发的SCARA机器人基于VB开发的实验用SCARA机器人控制系统分为上位机（PC人机界面软件）和下位机（三菱PLC及伺服系统），二者通过RS-485总线通信，结构如图6-3-6所示。SCARA机器人多PLC协同控制系统架构及流程多PLC硬件配置4自由度需4台伺服驱动，单PLC最多带2个，故配2台PLC控4个总线通信适配方案PC通过RS-232/RS-485适配器转RS-485总线，控制两台PLC闭环伺服驱动选型驱动部分采用闭环控制伺服系统，保障精度与稳定性全流程运动控制逻辑PC离线规划关节动作转参量传至PLC，经耦合传信号驱动伺服电机执行五、ROS机器人控制系统01发展历程：十年深耕的技术积淀始于2007年美国斯坦福大学人工智能实验室，至今已发布近十年，从实验室项目拓展至工业机器人领域。03功能演进：从底层到全栈的能力拓展早期聚焦硬件抽象与底层接口，逐步丰富消息传递、服务、参数服务器、调试工具等全栈功能，支持按需扩展。02核心定位：开源机器人操作系统为“robotoperatingsystem”缩写，是专为机器人软件开发设计的开源元级操作系统，提供类操作系统服务。04行业影响力：全球机器人领域的主流框架凭借高复用性、模块化特点，在国内外机器人领域广受关注，覆盖移动机器人、机械臂控制等多元场景。（一）ROS是一种功能强劲的操作系统操作系统是管理计算机软硬件资源、提供公用服务的系统软件。ROS作为机器人软件平台，也提供底层设备控制、硬件抽象等标准操作系统服务。如图6-3-7所示，计算机操作系统封装计算机硬件，应用软件基于其运行，提升了开发效率；ROS封装机器人硬件，不同硬件在ROS里可用相同方式表示，供上层应用程序调用。（二）ROS的点对点设计可分散处理机器人多传感器反馈数据，降低实时计算压力，应对机器人组网的复杂挑战核心价值体现ROS系统进程以节点形式分布在多主机，运行时通过端对端拓扑结构直接建立联系点对点拓扑架构基于中心服务器的框架，不同计算机跨网络连接时，易出现中心服务器故障，难以适配复杂场景中心服务器架构局限（三）ROS的多语言支持以及跨平台交叉通信以节点表示运算进程，通过格式严格的消息实现通信，消息包含主题、服务、动作等关键信息节点与消息通信机制采用接口定义语言描述消息结构，各语言代码生成器自动生成适配文件，实现交叉语言通信多语言适配原理模块化机制支持便捷替换、更新系统模块，可跨不同计算机、系统、语言及机器人平台运行跨平台灵活扩展（四）ROS拥有一系列实用的开源工具涵盖rqt_plot（实现观测数据可视化，弥补C/C++可视化短板）、rqt_graph（绘制节点连接状态）、Rviz（3D模拟与交互环境）可视化与调试工具TF用于描述机器人位姿、相对位置及坐标变换；Actionlib提供动作全流程编程接口位姿与动作控制工具MoveIt实现机械臂运动规划，Gmapping提供激光SLAM建图，NavigationMetapackage实现移动机器人导航场景化功能模块PCL从ROS生态分离为独立开源点云处理库，广泛应用于立体图像信息处理场景衍生独立工具（五）ROS整合了大量优秀的开源机器人技术当前主流开源机器人技术覆盖嵌入式开发、仿真测试、组网等多领域，ROS重点整合其中优质项目。多元开源生态Player、Gazebo、OpenRave等平台被ROS吸收，支持机器人动力学仿真、传感器仿真及运动学计算。仿真平台整合OpenCV、Visp、OROCOS等知名机器人开源项目已与ROS深度整合，实现格式转换、视觉伺服等功能互通。核心技术融合（六）ROS是一个活跃的机器人开发交流平台开源免费、模块化，ROS成活跃机器人开发平台；版本定期更新、专人维护，社区互动分享活跃，远超同类项目。开源生态：社区活跃度领先不同品牌、固件的机器人开发系统有兼容问题，ROS封装机器人，开发者编应用程序，降集成门槛。统一封装：打破机器人兼容壁垒ABB、KUKA、FANUC、安川等布局ROS，美企RethinkRobotics破产，其Baxter机器人技术仍有价值。厂商认可：工业级机器人广泛适配智造视窗引以为傲的国产工业机器人控制系统1.新松SRCC5机器人智能控制系统新松机器人自动化股份有限公司（以下简称新松）成立于2000年，隶属中国科学院，是一家以机器人技术为核心的高科技上市公司。作为中国机器人领军企业及国家机器人产业化基地，新松拥有完整的机器人产品线及工业4.0整体解决方案。SRCC5是其新一代工业机器人智能控制系统。该控制系统的亮点表现在以下几方面。（1）系统更智能。SRCC5智能控制系统支持虚拟