1、 目 錄 第一章 工業機器人概論 第二章 工業機器人數學基礎第三章 工業機器人機械系統第四章 工業機器人動力系統第五章 工業機器人感知系統第六章 工業機器人控制系統第七章 工業機器人編程與調試工業機器人技術基礎工業機器人的控制系統第1頁第6章 工業機器人控制系統 主要內容 6.1 工業機器人控制系統基本組成（掌握） 6.2 工業機器人控制系統基本結構（掌握） 6.3 工業機器人慣用控制器（了解）工業機器人技術基礎工業機器人的控制系統第2頁6.1 工業機器人控制系統基本組成 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。主體即機座和執行機構，包含臂部、腕部和手部，有機器人還有行走機構。大

2、多數工業機器人有36個運動自由度，其中腕部通常有13個運動自由度。驅動系統包含動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生對應動作。控制系統是按照輸入程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，并進行控制。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第3頁6.1 工業機器人控制系統基本組成1.工業機器人控制系統所要到達功效（1）記憶功效 存放作業次序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產工藝相關信息。（2）示教功效 離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包含示教盒和導引示教兩種。（3）與外圍設備聯絡功效 輸入和輸出接口、通信接口、網絡接口、同時接口。（4）坐標設置功效 相關節、絕對、

3、工具、用戶自定義四種坐標系。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第4頁6.1 工業機器人控制系統基本組成1.工業機器人控制系統所要到達功效（5）人機接口 示教盒、操作面板、顯示器。（6）傳感器接口 位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。（7）位置伺服功效 機器人多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、動態賠償等。（8）故障診療安全保護功效 運行時系統狀態監視、故障狀態下安全保護和故障自診療。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第5頁6.1 工業機器人控制系統基本組成2.工業機器人控制系統組成（1）控制計算機 控制系統調度指揮機構。普通為微型機、

4、微處理器有32位、64位等，如飛躍系列CPU以及其它類型CPU。（2）示教盒 示教機器人工作軌跡和參數設定，以及全部些人機交互操作，擁有自己獨立CPU以及存放單元，與主計算機之間以串行通信方式實現信息交互。（3）操作面板 由各種操作按鍵、狀態指示燈組成，只完成基本功效操作。（4）硬盤和軟盤存放存 儲機器人工作程序外圍存放器。（5）數字和模擬量輸入輸出 各種狀態和控制命令輸入或輸出。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第6頁6.1 工業機器人控制系統基本組成2.工業機器人控制系統組成（6）打印機接口 統計需要輸出各種信息。（7）傳感器接口 用于信息自動檢測，實現機器

5、人柔順控制，普通為力覺、觸覺和視覺傳感器。（8）軸控制器 完成機器人各關節位置、速度和加速度控制。（9）輔助設備控制 用于和機器人配合輔助設備控制，如手爪變位器等。（10）通信接口 實現機器人和其它設備信息交換，普通有串行接口、并行接口等。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第7頁6.1 工業機器人控制系統基本組成2.工業機器人控制系統組成（11）網絡接口 1）Ethernet接口可經過以太網實現數臺或單臺機器人直接PC通信，數據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協議，經過Ethernet接

6、口將數據及程序裝入各個機器人控制器中。 2）Fieldbus接口支持各種流行現場總線規格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第8頁6.1 工業機器人控制系統基本組成2.工業機器人控制系統組成工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第9頁6.1 工業機器人控制系統基本組成3.ABB工業機器人控制系統組成工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第10頁6.1 工業機器人控制系統基本組成3.ABB工業機器人

7、控制系統基本參數工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 性能控制硬件多處理器系統PCI總線Pentium CPU大容量U盤或硬盤應對斷電能量務份USB存放接口控制軟件目標化數據高級RAPID機器人語言編程便攜式、開放式、可擴容PC-DOS文件格式ROBOTWARE軟件產品預裝軟件，另有CD-ROM可供安裝電器連接電源電壓200-600V，50-60Hz一體化變壓器或直接電網連接物理數據控制模塊尺寸：625700700 重量：105Kg驅動模塊尺寸：625700700 重量：145Kg使用環境環境溫度5-45 （41-25） 可選45環境相對濕度最大95%保護等級IP54安全達標等級機器要

8、求 98/47/EC 附錄IIB EN60204 ISO10218 EN775ANSI/RIA 15.06/1999 ANSI/UL1740-1998(可選)用戶界面控制面板機箱或者遙控FLEXPENDANT示教器重 1.3Kg 圖形化彩色觸摸屏 操縱桿和急停裝置僅 8 個按鍵維護狀態顯示 LED自動診療軟件恢復程序帶時間標識信息統計安全性安全停頓和緊急停頓裝置帶監督功效2 通道安全回路3 位開啟裝置機器界面輸入和輸出最多 1024 個信號數字24V直流或繼電器信號模擬2010V，310V,1420mA串行通道1RS232/RS422網絡通道 2 條以太網服務器和 LAN現場總線掃描器Devi

9、ceNet, Interbus, ProfibusDP, DeviceNet 網關，Alllen-Bradley遠程I/O, CC_Link.離散型I/O16進16 出24V DC100mA過程編碼器過程接口最多 6 條通道，上臂預留通信與信息接口，控制器內預留其它設備空間工業機器人的控制系統第11頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.1 工業機器人控制系統分類（1）程序控制系統 一個自由度施加一定規律控制作用，機器人就可實現要求空間軌跡。（2）自適應控制系統 界條件改變時，為確保所要求品質或為了伴隨經驗積累而自行改進控制品質，其過程是基于操作機狀態和伺服誤差觀察，再調整非線性模型參數，

10、一直到誤差消失為止。這種系統結構和參數能隨時間和條件自動改變。（3）人工智能系統 無法編制運動程序，而是要求在運動過程中依據所取得周圍狀態信息，實時確定控制作用。(驅動方式：參見工業機器人驅動系統。運動方式：參見工業機器人運動系統)工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第12頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.1 工業機器人控制系統分類（4）點位式 機器人準確控制末端執行器位姿，而與路徑無關；（5）軌跡式 機器人按示教軌跡和速度運動。（6）控制總線 標準總線控制系統。采取國際標準總線作為控制系統控制總線，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-b

11、us。（7）自定義總線控制系統 產廠家自行定義使用總線作為控制系統總線。（8）編程方式 設置編程系統由操作者設置固定限位開關，實現起動，停車程序操作，只能用于簡單撿起和放置作業。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第13頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.1 工業機器人控制系統分類（9）在線編程 經過人示教來完成操作信息記憶過程編程方式，包含直接示教（即手把手示教）模擬示教和示教盒示教。（10）離線編程 不對實際作業機器人直接示教，而是脫離實際作業環境，生成示教程序，經過使用高級機器人，編程語言，遠程式離線生成機器人作業軌跡。工業機器人技術基礎第6章 工業

12、機器人控制系統 工業機器人的控制系統第14頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.2 工業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以下三類。 1.集中控制系統(Centralized Control System )用一臺計算機實現全部控制功效，結構簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，在早期機器人中常采取這種結構。基于PC集中控制系統里，充分利用了PC資源開放性特點，能夠實現很好開放性：各種控制卡，傳感器設備等都能夠經過標準PCI插槽或經過標準串口、并口集成到控制系統中。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第15頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6

13、.2.2 工業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以下三類。 1.集中控制系統(Centralized Control System )集中式控制系統優點是:硬件成本較低，便于信息采集和分析，易于實現系統最優控制，整體性與協調性很好，基于PC系統硬件擴展較為方便。其缺點也顯而易見:系統控制缺乏靈活性，控制危險輕易集中，一旦出現故障，其影響面廣，后果嚴重;因為工業機器人實時性要求很高，當系統進行大量數據計算，會降低系統實時性，系統對多任務響應能力也會與系統實時性相沖突；另外，系統連線復雜，會降低系統可靠性。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第16頁6

14、.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.2 工業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以下三類。2. 主從控制系統采用主、從兩級處理器實現系統全部控制功能。主CPU實現管理、坐標變換、軌跡生成和系統自診斷等；從CPU實現全部關節動作控制。主從控制方式系統實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統擴展性較差，維修困難。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第17頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.2 工業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以下三類。3. 分散控制系統(Distribute Control System )按系統性質

15、和方式將系統控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不一樣控制任務和控制策略，各模式之間能夠是主從關系，也能夠是平等關系。這種方式實時性好，易于實現高速、高精度控制，易于擴展，可實現智能控制，是當前流行方式。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第18頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.2 工業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以下三類。3. 分散控制系統(Distribute Control System )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能夠進行綜合協調和分配，并經過子系統協調工作來完成控制任務，整個系統在功效、邏輯和物

16、理等方面都是分散，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一樣被控對象或設備組成，各個子系統之間經過網絡等相互通訊。分布式控制結構提供了一個開放、實時、準確機器人控制系統。分布式系統中常采取兩級控制方式。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第19頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.2 工業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以下三類。3. 分散控制系統(Distribute Control System )兩級分布式控制系統，通常由上位機、下為機和網絡組成。上位機能夠進行不一樣軌跡規劃和控制算法，下位

17、機進行插補細分、控制優化等研究和實現。上位機和下位機經過通訊總線相互協調工作，這里通訊總線能夠是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 總線等形式。現在，以太網和現場總線技術發展為機器人提供了更加快速、穩定、有效通訊服務。尤其是現場總線，它應用于生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向多結點數字通信，從而形成了新型網絡集成式全分布控制系統現場總線控制系統FCS ( Filed bus Control System )。從系統論角度來說，工業機器人作為工廠生產設備之一，也能夠歸納為現場設備。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第20頁6.2 工業機

18、器人控制系統基本結構6.2.2 工業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以下三類。3. 分散控制系統(Distribute Control System )分布式控制系統優點在于：系統靈活性好，控制系統危險性降低，采取多處理器分散控制，有利于系統功效并行執行，提升系統處理效率，縮短響應時間。對于含有多自由度工業機器人而言，集中控制對各個控制軸之間藕合關系處理得很好，能夠很簡單進行賠償。不過，當軸數量增加到使控制算法變得很復雜時，其控制性能會惡化。而且，當系統中軸數量或控制算法變得很復雜時，可能會造成系統重新設計。與之相比，分布式結構每一個運動軸都由一個控制器處理，這意味著，系統有

19、較少軸間禍合和較高系統重構性。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第21頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.3 ABB工業機器人控制系統基本結構1. ABB機器人系統運行平臺工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第22頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.3 ABB工業機器人控制系統基本結構2. ABB機器人主控制器特點工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第23頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.3 ABB工業機器人控制系統基本結構3. ABB機器人通信方式工業機器人技術基礎第6章 工

20、業機器人控制系統 完善通信功效是ABB機器人控制系統特點。其IRC5控制器PCI擴展槽中能夠安裝幾乎任何常見類型現場總線板卡，包含滿足ODVA標準可使用眾多第三方裝置單信道DeviceNet，支持最高速率為12Mbps雙信道ProfibusDP以及可使用銅線和光纖接口雙信道Interbus。工業機器人的控制系統第24頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.3 ABB工業機器人控制系統基本結構4. ABB機器人模塊化工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 控制模塊作為IRC5心臟，自帶主計算機，能夠執行高級控制算法，為多達36個伺服軸進行MultiMove路徑計算，而且可指揮四個驅動模

21、塊。控制模塊采取開放式系統架構，配置基于商用Intel主板和處理器工業PC機以及PCI總線。因為采取標準組件，用戶無須擔心設備淘汰問題，伴隨計算機處理技術進步能隨時進行設備升級。工業機器人的控制系統第25頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.3 ABB工業機器人控制系統基本結構5. ABB機器人可擴展性工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第26頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.3 ABB工業機器人控制系統基本結構6. ABB機器人示教器工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第27頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2

22、.3 ABB工業機器人控制系統基本結構7. ABB機器人基于PC操作工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第28頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.3 ABB工業機器人控制系統基本結構8. ABB機器人虛擬機器人技術工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第29頁6.2 工業機器人控制系統基本結構6.2.3 ABB工業機器人控制系統基本結構9. ABB機器人特色軟件包工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第30頁6.3 工業機器人慣用控制器工業機器人控制器可進行多個任務操作，含有豐富網絡通信功效：RS-2

23、32、RS-485、以太網通信功效，機器人動作與通信并行處理，無通信時間浪費，生產效率愈加提升。6.3.1 工業機器人控制器功效（1）多任務功效（2）一臺機器人可進行多個任務操作；（3）網絡功效（4）含有豐富網絡通信功效：RS-232、RS-485、以太網通信功效，機器人動作與通信并行處理，無通信時間浪費，生產效率愈加提升；（5）操作歷史統計功效工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第31頁6.3 工業機器人慣用控制器6.3.1 工業機器人控制器功效（6）可統計機器人工作情況，方便于機器人管理和維護；（7）海量存放（8）大容量存放器可存放更多程序和更多歷史使用信息；

24、（9）用戶接口豐富（10）含有鼠標、鍵盤、顯示器和USB接口，控制器可作為一臺電腦使用，方便用戶操作。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第32頁6.3 工業機器人慣用控制器6.3.2 工業機器人慣用控制器從世界上第一臺遙控機械手誕生至今已經有 50 年了，在這短短幾年里，伴伴隨計算機、自動控制理論發展和工業生產需要及相關技術進步，機器人發展已經歷了 3 代： (1) 可編程示教再現型機器人；(2) 基于傳感器控制含有一定自主能力機器人；(3) 智能機器人。作為機器人關鍵部分，機器人控制器是影響機器人性能關鍵部分之一。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統

25、工業機器人的控制系統第33頁6.3 工業機器人慣用控制器6.3.2 工業機器人慣用控制器機器人控制器是依據指令以及傳感信息控制機器人完成一定動作或作業任務裝置，它是機器人心臟，決定了機器人性能優劣。從機器人控制算法處理方式來看，可分為串行、并行兩種結構類型。1. 串行處理結構所謂串行處理結構是指機器人控制算法是由串行機來處理。對于這種類型控制器，從計算機結構、控制方式來劃分，又可分為以下幾個。（1）單CPU結構、集中控制方式用一臺功效較強計算機實現全部控制功效。在早期機器人中，如Hero-I, Robot-I等，就采取這種結構，但控制過程中需要許多計算（如坐標變換），所以這種控制結構速度較慢。

26、工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第34頁6.3 工業機器人慣用控制器6.3.2 工業機器人慣用控制器串行處理結構（2）二級CPU結構、主從式控制方式一級CPU為主機，擔當系統管理、機器人語言編譯和人機接口功效，同時也利用它運算能力完成坐標變換、軌跡插補，并定時地把運算結果作為關節運動增量送到公用內存，供二級CPU讀取；二級CPU完成全部關節位置數字控制。這類系統兩個CPU總線之間基本沒有聯絡，僅經過公用內存交換數據，是一個松耦合關系。對采取更多CPU深入分散功效是很困難。日本于70年代生產Motoman機器人（5關節，直流電機驅動）計算機系統就屬于這種主從式結

27、構。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第35頁6.3 工業機器人慣用控制器6.3.2 工業機器人慣用控制器串行處理結構（3）多CPU結構、分布式控制方式當前，普遍采取這種上、下位機二級分布式結構，上位機負責整個系統管理以及運動學計算、軌跡規劃等。下位機由多CPU組成，每個CPU控制一個關節運動，這些CPU和主控機聯絡是經過總線形式緊耦合。這種結構控制器工作速度和控制性能顯著提升。但這些多CPU系統共有特征都是針對詳細問題而采取功效分布式結構，即每個處理器負擔固定任務。當前世界上大多數商品化機器人控制器都是這種結構。 控制器計算機控制系統中位置控制部分，幾乎無例外

28、地采取數字式位置控制。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第36頁6.3 工業機器人慣用控制器6.3.2 工業機器人慣用控制器2. 并行處理結構（3）多CPU結構、分布式控制方式并行處理技術是提升計算速度一個主要而有效伎倆，能滿足機器人控制實時性要求。從文件來看，關于機器人控制器并行處理技術，人們研究較多是機器人運動學和動力學并行算法及其實現。1982年J.Y.S.Luh首次提出機器人動力學并行處理問題，這是因為關節型機器人動力學方程是一組非線性強耦合二階微分方程，計算十分復雜。提升機器人動力學算法計算速度也為實現復雜控制算法如：計算力矩法、非線性前饋法、自適應控

29、制法等打下基礎。開發并行算法路徑之一就是改造串行算法，使之并行化，然后將算法映射到并行結構。普通有兩種方式，一是考慮給定并行處理器結構，依據處理器結構所支持計算模型，開發算法并行性；二是首先開發算法并行性，然后設計支持該算法并行處理器結構，以到達最正確并行效率。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第37頁6.3 工業機器人慣用控制器6.3.2 工業機器人慣用控制器2. 并行處理結構結構并行處理結構機器人控制器計算機系統普通采取以下方式：（1）開發機器人控制專用VLSI設計專用VLSI能充分利用機器人控制算法并行性，依靠芯片內并行體系結構易于處理機器人控制算法中大量

30、出現計算，能大大提升運動學、動力學方程計算速度。但因為芯片是依據詳細算法來設計，當算法改變時，芯片則不能使用，所以采取這種方式結構控制器不通用，更不利于系統維護與開發。（2）利用通用微處理器利用通用微處理器組成并行處理結構，支持計算，實現復雜控制策略在線實時計算。如文件中設計系統。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第38頁6.3 工業機器人慣用控制器6.3.2 工業機器人慣用控制器3. 機器人控制器存在問題綜合起來，現有機器人控制器存在很多問題，如：（1）開放性差局限于“專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器”封閉式結構。封閉控制器結構使其含有特定功效、適應于

31、特定環境，不便于對系統進行擴展和改進。（2）軟件獨立性差軟件結構及其邏輯結構依賴于處理器硬件，難以在不一樣系統間移植。（3）容錯性差因為并行計算中數據相關性、通訊及同時等內在特點，控制器容錯性能變差，其中一個處理器出故障可能造成整個系統癱瘓。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第39頁6.3 工業機器人慣用控制器3. 機器人控制器存在問題（4）擴展性差當前，機器人控制器研究著重于從關節這一級來改進和提升系統性能。因為結構封閉性，難以依據需要對系統進行擴展，如增加傳感器控制等功效模塊。（5）缺乏網絡功效現在幾乎全部機器人控制器都沒有網絡功效。總起來看，前面提到不論串

32、行結構還是并行結構機器人控制器都不是開放式結構，不論從軟件還是硬件都難以擴充和更改。比如，商品化Motoman機器人控制器是不開放，用戶難以依據自己需要對其修改、擴充功效，通常做法是對其詳細解剖分析，然后對其改造。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第40頁6.3 工業機器人慣用控制器4. 機器人控制器展望針對結構封閉機器人控制器缺點，開發“含有開放式結構模塊化、標準化機器人控制器”是當前機器人控制器一個發展方向。近幾年，日本、美國和歐洲一些國家都在開發含有開放式結構機器人控制器，如日本安川企業基于PC開發含有開放式結構、網絡功效機器人控制器。我國863計劃智能機器人主題也已對這方面研究立項。工業機器人技術基礎第6章 工業機器人控制系統 工業機器人的控制系統第41頁6.3 工業機器人慣用控制器4. 機器人控制器展望開放式結構機器人控制器是指：控制器設計各個層次對用戶開放，用戶能夠方便擴展和改進其性能。其主要思想是：（1）利用基于非封閉式計算機平臺開發系統，如Sun, SGI, PCs.有效利用標準計算機平臺軟、硬件資源為控制器擴展創造條件。（2）利用標準操作系統，如Unix、Vxwor