1、 第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6.1 .1 工业机器人工业机器人控制系统的基本组成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。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。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大多数工业机器人有3 36 6个运动自由度，其中腕部通常有个运动自由度，其中腕部通常有1 13 3个运动自由个运动自由度度。驱动系统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包括动力装
2、置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作。控制系统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。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。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6.1 .1 工业机器人工业机器人控制系统的基本组成控制系统的基本组成1. 1.工业机器人控制系统所要达到的功能工业机器人控制系统所要达到的功能（1 1）记忆功能）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 2）示教功能）示教功能 离线编程，在线示教，
3、间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。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 3）与外围设备联系功能）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。输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。（4 4）坐标设置功能）坐标设置功能 有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6.1 .1 工业机器人工业机器人控制系统的基本组成控制系统的基本组成1. 1.工业机器人控制系统所要达到的功能工业机器人控制系统所要达到的功能（5 5）人机接口）人
4、机接口 示教盒、操作面板、显示屏。示教盒、操作面板、显示屏。（6 6）传感器接口）传感器接口 位置检测、视觉、触觉、力觉等。位置检测、视觉、触觉、力觉等。（7 7）位置伺服功能位置伺服功能 机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。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 8）故障诊断安全保护功能）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。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。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6.1 .1 工业机器人工业机器人控制系统的基本组成控制系统的基本组成2.
5、2.工业机器人控制系统的工业机器人控制系统的组成组成（1 1）控制计算机）控制计算机 控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有3232位、位、6464位等，如奔腾系列位等，如奔腾系列CPUCPU以及其他类型以及其他类型CPUCPU。（2 2）示教盒）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，拥有自己独立的CPUCPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。现信息交互。（3 3）操作面板）操作面
6、板 由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。（4 4）硬盘和软盘存储存）硬盘和软盘存储存 储机器人工作程序的外围存储器。储机器人工作程序的外围存储器。（5 5）数字和模拟量输入输出）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。各种状态和控制命令的输入或输出。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6.1 .1 工业机器人工业机器人控制系统的基本组成控制系统的基本组成2.2.工业机器人控制系统的工业机器人控制系统的组成组成（6 6）打印机接口）打印机接口 记录需要输出的各种信息。记录需要输出的各种信息
7、。（7 7）传感器接口）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。感器。（8 8）轴控制器）轴控制器 完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。（9 9）辅助设备控制）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。用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。（1010）通信接口）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。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。第第6 6章章 工业机器人的
8、控制系统工业机器人的控制系统 6 6.1 .1 工业机器人工业机器人控制系统的基本组成控制系统的基本组成2.2.工业机器人控制系统的工业机器人控制系统的组成组成（11 11）网络接口）网络接口 1 1）EthernetEthernet接口接口可通过以太网实现数台或单台机器人的直接可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PCPC通信，数据传输速率高达通信，数据传输速率高达10Mbit/s10Mbit/s，可直接在，可直接在PCPC上用上用windowswindows库函数进行应用程序编程之后，支持库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IPTCP/IP通信协议，通过通信协议，通过EthernetE
9、thernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。中。 2 2）FieldbusFieldbus接口接口支持多种流行的现场总线规格，如支持多种流行的现场总线规格，如Device netDevice net、AB Remote I/OAB Remote I/O、Interbus-Interbus-s s、profibus-DPprofibus-DP、M-NETM-NET等。等。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6.1 .1 工业机器人工业机器人控制系统的基本组成控制系统的基本组成2.2.工业机器人控制系统的工业机器人控制系统的组
10、成组成第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6.1 .1 工业机器人工业机器人控制系统的基本组成控制系统的基本组成3.ABB3.ABB工业机器人控制系统的工业机器人控制系统的组成组成第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6.1 .1 工业机器人工业机器人控制系统的基本组成控制系统的基本组成3.ABB3.ABB工业机器人控制系统的工业机器人控制系统的基本参数基本参数第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 性能控制硬件多处理器系统PCI总线Pentium CPU大容量U盘或硬盘应对断电的能量务份USB存储接口控制软件目标化数据高级R
11、APID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安全达标等级机器规定 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
12、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自动诊断软件恢复程序带时间标记的信息记录安全性安全停止和紧急停止装置带监督功能的2 通道安全回路3 位启动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DeviceNet, Interbus, ProfibusDP, DeviceNet 网关，Alllen-Bradley远程I/O, CC_Link.离散型I/O16进16 出24V DC1
13、00mA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，控制器内预留其他设备空间6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.1 6.2.1 工业机器人控制系统工业机器人控制系统分类分类（1 1）程序控制系统）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。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 2）自适应控制系统）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
14、态和伺服误差的观察，再调整非线性控制品质，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。件自动改变。（3 3）人工智能系统）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，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。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见工业机器人运动系统) )第第6
15、 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.1 6.2.1 工业机器人控制系统工业机器人控制系统分类分类（4 4）点位式）点位式 机器人准确控制末端执行器的位姿，而与路径无关；机器人准确控制末端执行器的位姿，而与路径无关；（5 5）轨迹式）轨迹式 机器人按示教的轨迹和速度运动。机器人按示教的轨迹和速度运动。（6 6）控制总线）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VMEVME、MULTI-busMULTI-bus
16、、STD-busSTD-bus、PC-busPC-bus。（7 7）自定义总线控制系统）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。产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。（8 8）编程方式）编程方式 设置编程系统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。的拾起和放置作业。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.1 6.2.1 工业机器人控制系统工业机器人
17、控制系统分类分类（9 9）在线编程）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。手示教）模拟示教和示教盒示教。（1010）离线编程）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，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。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。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2
18、工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.2 6.2.2 工业机器人控制系统工业机器人控制系统结构结构机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。 1. 1.集中控制系统集中控制系统(Centralized Control System )(Centralized Control System )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展，在早期的机器人中常采用这种结构。基于基于PCPC的集中控制系统里，充分
19、利的集中控制系统里，充分利用了用了PCPC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备等都可以通过标准PCIPCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.2 6.2.2 工业机器人控制系统工业机器人控制系统结构结构机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。 1. 1.集中控制
20、系统集中控制系统(Centralized Control System )(Centralized Control System )集中式控制系统的优点是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，基于系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PCPC的系统硬件扩展较为方便。的系统硬件扩展较为方便。其缺点也显而易见其缺点也显而易见: :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，其影响面广，后果严重; ;由于工
21、业机器人的实时性要求很高，当系统进行大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。时性相冲突；此外，系统连线复杂，会降低系统的可靠性。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.2 6.2.2 工业机器人控制系统工业机器人控制系统结构结构机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。机器人控制系统按其控制方式可分为以下三
22、类。2.2. 主从控制系统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。主采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPUCPU实现管理、坐标变实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPUCPU实现所有关节的动作控制。主从控制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。修困难。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.
23、2 6.2.2 工业机器人控制系统工业机器人控制系统结构结构机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。3.3. 分散控制系统分散控制系统(Distribute Control System )(Distribute Control System )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
24、，可实现智能控制，是式实时性好，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。目前流行的方式。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.2 6.2.2 工业机器人控制系统工业机器人控制系统结构结构机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。3.3. 分散控制系统分散控制系统(Distribute Control System )(Distribute Control System )主要思想是主要思想是“分散控制，集中管理分散控制，
25、集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行，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，所以能、逻辑和物理等方面都是分散的，所以DCS DCS 系统又称为集散控制系统或分系统又称为集散控制系统或分散控制系统。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、精确的之间通过网络等相互通讯。分布
26、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。机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.2 6.2.2 工业机器人控制系统工业机器人控制系统结构结构机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。3.3. 分散控制系统分散控制系统(Distribute Control System )(Distribute Control System )两级分布式控制系统，通常由上位机、
27、下为机和网络组成。上位机可以进行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-RS-232232、RS-485RS-485、EEE-488 EEE-488 以及以及USB USB 总线等形式。现在，以太网和现场总线技总线等形式。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
28、总线，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，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现场总线控制系统FCS FCS ( Filed bus Control System )( Filed bus Control System )。从系统论的角度来说，工业机器人作为工厂的。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。生产设备之一，也可以归纳为现场设备
29、。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.2 6.2.2 工业机器人控制系统工业机器人控制系统结构结构机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。机器人控制系统按其控制方式可分为以下三类。3.3. 分散控制系统分散控制系统(Distribute Control System )(Distribute Control System )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
30、的并行执行，提高系统的处理效率，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。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，分布式结构的每一变得很复杂时
31、，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。系统重构性。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.3 ABB6.2.3 ABB工业机器人控制系统工业机器人控制系统基本结构基本结构1. ABB1. ABB机器人系统运行平台机器人系统运行平台第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的
32、基本结构控制系统的基本结构6.2.3 ABB6.2.3 ABB工业机器人控制系统工业机器人控制系统基本结构基本结构2. ABB2. ABB机器人主控制器特点机器人主控制器特点第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.3 ABB6.2.3 ABB工业机器人控制系统工业机器人控制系统基本结构基本结构3. ABB3. ABB机器人机器人通信方式通信方式第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 完善的通信功能是完善的通信功能是ABBABB机器人控制系统的特点。其机器人控制系统的特点。其I
33、RC5IRC5控制器的控制器的PCIPCI扩展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ODVAODVA标准可标准可使用众多第三方装置的单信道使用众多第三方装置的单信道DeviceNetDeviceNet，支持最高速率为，支持最高速率为12Mbps12Mbps的双信的双信道道ProfibusDPProfibusDP以及可使用铜线和光纤接口的双信道以及可使用铜线和光纤接口的双信道InterbusInterbus。6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.3 ABB6.2.3 ABB工业机器
34、人控制系统工业机器人控制系统基本结构基本结构4. ABB4. ABB机器人机器人模块化模块化第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 控制模块作为控制模块作为IRC5IRC5的心脏，自带主计算机，能够执行高级控制算法，为多的心脏，自带主计算机，能够执行高级控制算法，为多达达3636个伺服轴进行个伺服轴进行MultiMoveMultiMove路径计算，并且可指挥四个驱动模块。控制路径计算，并且可指挥四个驱动模块。控制模块采用开放式系统架构，配备基于商用模块采用开放式系统架构，配备基于商用IntelIntel主板和处理器的工业主板和处理器的工业PCPC机以机以及及PCIPCI总线。
35、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。处理技术的进步能随时进行设备升级。6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.3 ABB6.2.3 ABB工业机器人控制系统工业机器人控制系统基本结构基本结构5. ABB5. ABB机器人机器人可扩展性可扩展性第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.3 ABB6.2.3 ABB工业机器人控制系统工业机器人控制
36、系统基本结构基本结构6. ABB6. ABB机器人机器人示教器示教器第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.3 ABB6.2.3 ABB工业机器人控制系统工业机器人控制系统基本结构基本结构7. ABB7. ABB机器人基于机器人基于PCPC的操作的操作第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.3 ABB6.2.3 ABB工业机器人控制系统工业机器人控制系统基本结构基本结构8. ABB8. ABB
37、机器人虚拟机器人技术机器人虚拟机器人技术第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .2 2 工业机器人工业机器人控制系统的基本结构控制系统的基本结构6.2.3 ABB6.2.3 ABB工业机器人控制系统工业机器人控制系统基本结构基本结构9. ABB9. ABB机器人机器人特色软件包特色软件包第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .3 3 工业机器人工业机器人常用的控制器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：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-232RS-232、RS-485R
38、S-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，、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。生产效率更加提高。6.3.1 6.3.1 工业机器人控制工业机器人控制器功能器功能（1 1）多任务功能）多任务功能（2 2）一台机器人可进行多个任务的操作；）一台机器人可进行多个任务的操作；（3 3）网络功能）网络功能（4 4）具有丰富的网络通信功能：）具有丰富的网络通信功能：RS-232RS-232、RS-485RS-485、以太网通信功能，机器、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；人动作与通信并行处
39、理，无通信时间的浪费，生产效率更加提高；（5 5）操作历史记录功能）操作历史记录功能第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .3 3 工业机器人工业机器人常用的控制器常用的控制器6.3.1 6.3.1 工业机器人控制工业机器人控制器功能器功能（6 6）可记录机器人的工作情况，以便于机器人的管理和维护；）可记录机器人的工作情况，以便于机器人的管理和维护；（7 7）海量存储）海量存储（8 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；）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 9）用户接口丰富）用户接口丰富（1010）具有鼠标、键盘、显示器和）具有
40、鼠标、键盘、显示器和USBUSB接口，控制器可作为一台电脑使用，接口，控制器可作为一台电脑使用，方便用户操作方便用户操作。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .3 3 工业机器人工业机器人常用的控制器常用的控制器6.3.2 6.3.2 工业机器人工业机器人常用常用控制控制器器从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有 50 50 年了，在这短短的几年里，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，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机
41、器人的发展已经历了 3 3 代：代： (1) (1) 可编程的示教再现型机器人；可编程的示教再现型机器人；(2) (2) 基于传感器控制具有一定自主能力的机器人；基于传感器控制具有一定自主能力的机器人；(3) (3) 智能机器人。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。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .3 3 工业机器人工业机器人常用的控制器常用的控制器6.3.2 6.3.2 工业机器人工业机器人常用常用控制控制器器机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器
42、人完成一定的动作或作业任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。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。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. 1. 串行处理结构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。型的控制器，从计算机结构、控制方式来划分，又可分为以下
43、几种。（1 1）单）单CPUCPU结构、集中控制方式结构、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, Hero-I, Robot-IRobot-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），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。因此这种控制结构速度较慢。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .3 3 工业机器人工业机器人常用的控制器常用的控制器6.3.2 6.3.2 工业机器人工业机器人常用常用控制
44、控制器器串行处理结构串行处理结构（2 2）二级）二级CPUCPU结构、主从式控制方式结构、主从式控制方式一级一级CPUCPU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，供二级关节运动的增量送到公用内存，供二级CPUCPU读取；二级读取；二级CPUCPU完成全部关完成全部关节位置数字控制。节位置数字控制。这类系统的两个这类系统的两个CPUCPU总线之间基本没有联系，仅通过公用
45、内存交换数据，是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。对采用更多的一个松耦合的关系。对采用更多的CPUCPU进一步分散功能是很困难的。日进一步分散功能是很困难的。日本于本于7070年代生产的年代生产的MotomanMotoman机器人（机器人（5 5关节，直流电机驱动）的计算机关节，直流电机驱动）的计算机系统就属于这种主从式结构系统就属于这种主从式结构。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .3 3 工业机器人工业机器人常用的控制器常用的控制器6.3.2 6.3.2 工业机器人工业机器人常用常用控制控制器器串行处理结构串行处理结构（3
46、3）多）多CPUCPU结构、分布式控制方式结构、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。下位机由多以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多CPUCPU组成，每个组成，每个CPUCPU控制一控制一个关节运动，这些个关节运动，这些CPUCPU和主控机联系是通过总线形式的紧耦合。这种结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。但这些多构的控制器工作速度和控制性能明显提高。但这些多CPUCPU系统共有的特系统共有的特征都是针对具体问题
47、而采用的功能分布式结构，即每个处理器承担固定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。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。置控制。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .3 3 工业机器人工业机器人常用的控制器常用的控制器6.3.2 6.3.2 工业机器人工业机器人常用常用控制控制器器2. 2. 并并行处理结构行处理结构（3 3）多）多CPU
48、CPU结构、分布式控制方式结构、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。多的是机器人运动学和动力学的并行算法及其实现。19821982年年J.Y.S.LuhJ.Y.S.Luh首次提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
49、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，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；二是首先开结构
50、，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。效率。第第6 6章章 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 6 6. .3 3 工业机器人工业机器人常用的控制器常用的控制器6.3.2 6.3.2 工业机器人工业机器人常用常用控制控制器器2. 2. 并并行处理结构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：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 1）开发机器人控制专用）开发机器人控制专用VL
