工業機器人典型控制系統及結構
本文來自於微公號工業機器人培訓
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。
今天機哥先和大家聊聊控制系統！
主體即機座和執行機構，包括臂部、腕部和手部，
驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作。
控制系統是按照輸入的程式對驅動系統和執行機構發出指令信號，並進行控制。
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，用於對操作機的控制，以完成特定的工作任務，其基本功能如下：
記憶功能：存儲作業順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產工藝有關的資訊。
示教功能：離線程式設計，
與週邊設備聯繫功能：輸入和輸出介面、通信介面、網路介面、同步介面。
座標設置功能：有關節、絕對、工具、用戶自訂四種坐標系。 人機介面：示教盒、操作面板、顯示幕。
感測器介面：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。
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、動態補償等。
故障診斷安全保護功能：運行時系統狀態監視、故障狀態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
（我搜遍全網，真的找不到清楚的圖片了
）
2.工業機器人控制系統的組成
控制電腦：控制系統的調度指揮機構。一般為微型機、微處理器有32位元、64位元等，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跡和參數設定，以及所有人機交交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主機電腦之間以串列通信方式實現資訊交互。
操作面板：由各種操作按鍵、狀態指示燈構成，只完成基本功能操作。
硬碟和軟碟存儲存：儲機器人工作程式的週邊記憶體。
數位和類比量輸入輸出：各種狀態和控制命令的輸入或輸出。
印表機介面：記錄需要輸出的各種資訊。
感測器介面：用於資訊的自動檢測，實現機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺感測器。
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：用於和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。
通信介面：實現機器人和其他設備的資訊交換，一般有序列介面、平行介面等。
網路介面：①Ethernet介面：可通過乙太網實現數台或單台機器人的直接PC通信，資料傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數進行應用程式程式設計之後，支援TCP/IP通信協定，通過Ethernet介面將資料及程式裝入各個機器人控制器中。
②Fieldbus介面：支援多種流行的現場匯流排規格，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
程式控制系統：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跡。
自我調整控制系統：當外界條件變化時，為保證所要求的品質或為了隨著經驗的積累而自行改善控制品質，其過程是基於操作機的狀態和伺服誤差的觀察，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隨時間和條件自動改變。
人工智慧系統：事先無法編制運動程式，而是要求在運動過程中根據所獲得的周圍狀態資訊，即時確定控制作用。
運動方式：
點位式：要求機器人準確控制末端執行器的位元姿，而與路徑無關；
軌跡式：要求機器人按示教的軌跡和速度運動。
控制匯流排： 國際標準匯流排控制系統。採用國際標準匯流排作為控制系統的控制匯流排，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。
自訂匯流排控制系統：由生產廠家自行定義使用的匯流排作為控制系統匯流排。
程式設計方式： 物理設置程式設計系統。由操作者設置固定的限位元開關，實現起動，停車的程式操作，只能用於簡單的拾起和放置作業。
線上程式設計：通過人的示教來完成操作資訊的記憶過程程式設計方式，包括直接示教（即手把手示教）模擬示教和示教盒示教。
離線程式設計：不對實際作業的機器人直接示教，而是脫離實際作業環境，生成示教程式，通過使用高級機器人，程式設計語言，遠端式離線生成機器人作業軌跡。
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 )：用一台電腦實現全部控制功能，結構簡單，成本低，但即時性差，難以擴展，在早期的機器人中常採用這種結構。
基於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，感測器設備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口、並口集成到控制系統中。
集中式控制系統的優點是:硬體成本較低，便於資訊的採集和分析，易於實現系統的最優控制，整體性與協調性較好，基於PC 的系統硬體擴展較為方便。
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;由於工業機器人的即時性要求很高，當系統進行大量資料計算，會降低系統即時性，系統對多工的回應能力也會與系統的即時性相衝突；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：採用主、從兩級處理器實現系統的全部控制功能。主CPU實現管理、座標變換、軌跡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。主從控制方式系統即時性較好，適於高精度、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將系統控制分成幾個模組，每一個模組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係，也可以是平等關係。這種方式即時性好，易於實現高速、高精度控制，易於擴展，可實現智慧控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖4所示。
圖 4 分散式控制系統框圖
其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統對其總體目標和任務可以進行綜合協調和分配，並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物件或設備構成的，各個子系統之間通過網路等相互通訊。分散式控制結構提供了一個開放、即時、精確的機器人控制系統。分散式系統中常採用兩級控制方式。
兩級分散式控制系統，通常由上位機、下為機和網路組成。上位機可以進行不同的軌跡規劃和控制演算法，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匯流排相互協調工作，這裡的通訊匯流排可以是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 匯流排等形式。
現在，乙太網和現場匯流排技術的發展為機器人提供了更快速、穩定、有效的通訊服務。尤其是現場匯流排，它應用於生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向多結點數位通信，從而形成了新型的網路集成式全分佈控制系統—現場匯流排控制系統FCS ( Filed bus Control System )。
在工廠生產網路中，將可以通過現場匯流排連接的設備統稱為“現場設備/儀錶”。從系統論的角度來說，工業機器人作為工廠的生產設備之一，也可以歸納為現場設備。
在機器人系統中引入現場匯流排技術後，更有利於機器人在工業生產環境中的集成。
分散式控制系統的優點在於：系統靈活性好，控制系統的危險性降低，採用多處理器的分散控制，有利於系統功能的並存執行，提高系統的處理效率，縮短回應時間。
對於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係處理得很好，可以很簡單的進行補償。但是，當軸的數量增加到使控制演算法變得很複雜時，其控制性能會惡化。而且，當系統中軸的數量或控制演算法變得很複雜時，可能會導致系統的重新設計。與之相比，分散式結構的每一個運動軸都由一個控制器處理，這意味著，系統有較少的軸間禍合和較高的系統重構性。
②Fieldbus介面：支援多種流行的現場匯流排規格，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
程式控制系統：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跡。
自我調整控制系統：當外界條件變化時，為保證所要求的品質或為了隨著經驗的積累而自行改善控制品質，其過程是基於操作機的狀態和伺服誤差的觀察，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隨時間和條件自動改變。
人工智慧系統：事先無法編制運動程式，而是要求在運動過程中根據所獲得的周圍狀態資訊，即時確定控制作用。
運動方式：
點位式：要求機器人準確控制末端執行器的位元姿，而與路徑無關；
軌跡式：要求機器人按示教的軌跡和速度運動。
控制匯流排： 國際標準匯流排控制系統。採用國際標準匯流排作為控制系統的控制匯流排，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。
自訂匯流排控制系統：由生產廠家自行定義使用的匯流排作為控制系統匯流排。
程式設計方式： 物理設置程式設計系統。由操作者設置固定的限位元開關，實現起動，停車的程式操作，只能用於簡單的拾起和放置作業。
線上程式設計：通過人的示教來完成操作資訊的記憶過程程式設計方式，包括直接示教（即手把手示教）模擬示教和示教盒示教。
離線程式設計：不對實際作業的機器人直接示教，而是脫離實際作業環境，生成示教程式，通過使用高級機器人，程式設計語言，遠端式離線生成機器人作業軌跡。
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 )：用一台電腦實現全部控制功能，結構簡單，成本低，但即時性差，難以擴展，在早期的機器人中常採用這種結構。
基於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，感測器設備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口、並口集成到控制系統中。
集中式控制系統的優點是:硬體成本較低，便於資訊的採集和分析，易於實現系統的最優控制，整體性與協調性較好，基於PC 的系統硬體擴展較為方便。
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;由於工業機器人的即時性要求很高，當系統進行大量資料計算，會降低系統即時性，系統對多工的回應能力也會與系統的即時性相衝突；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：採用主、從兩級處理器實現系統的全部控制功能。主CPU實現管理、座標變換、軌跡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。主從控制方式系統即時性較好，適於高精度、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將系統控制分成幾個模組，每一個模組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係，也可以是平等關係。這種方式即時性好，易於實現高速、高精度控制，易於擴展，可實現智慧控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖4所示。
圖 4 分散式控制系統框圖
其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統對其總體目標和任務可以進行綜合協調和分配，並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物件或設備構成的，各個子系統之間通過網路等相互通訊。分散式控制結構提供了一個開放、即時、精確的機器人控制系統。分散式系統中常採用兩級控制方式。
兩級分散式控制系統，通常由上位機、下為機和網路組成。上位機可以進行不同的軌跡規劃和控制演算法，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匯流排相互協調工作，這裡的通訊匯流排可以是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 匯流排等形式。
現在，乙太網和現場匯流排技術的發展為機器人提供了更快速、穩定、有效的通訊服務。尤其是現場匯流排，它應用於生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向多結點數位通信，從而形成了新型的網路集成式全分佈控制系統—現場匯流排控制系統FCS ( Filed bus Control System )。
在工廠生產網路中，將可以通過現場匯流排連接的設備統稱為“現場設備/儀錶”。從系統論的角度來說，工業機器人作為工廠的生產設備之一，也可以歸納為現場設備。
在機器人系統中引入現場匯流排技術後，更有利於機器人在工業生產環境中的集成。
分散式控制系統的優點在於：系統靈活性好，控制系統的危險性降低，採用多處理器的分散控制，有利於系統功能的並存執行，提高系統的處理效率，縮短回應時間。
對於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係處理得很好，可以很簡單的進行補償。但是，當軸的數量增加到使控制演算法變得很複雜時，其控制性能會惡化。而且，當系統中軸的數量或控制演算法變得很複雜時，可能會導致系統的重新設計。與之相比，分散式結構的每一個運動軸都由一個控制器處理，這意味著，系統有較少的軸間禍合和較高的系統重構性。