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工业机器人典型控制系统及结构

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。
今天小编先和大家聊聊控制系统！

1.工业机器人控制系统所要达到的功能 

机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： 

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。   人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。  
5. 传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 
6. 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。  
7. 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。  

图 1 机器人控制系统组成框图（我搜遍全网，真的找不到清楚的图片了）

2.工业机器人控制系统的组成

• 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。  

• 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。

• 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。

• 硬盘和软盘存储存：储机器人工作程序的外围存储器。
• 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。     

• 打印机接口：记录需要输出的各种信息。  

• 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。  
  

• 轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。  

• 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。

• 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。  

• 网络接口：①Ethernet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。            ②Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

3.工业机器人控制系统分类  

• 程序控制系统：给每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。  
  

• 自适应控制系统：当外界条件变化时，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。

• 人工智能系统：事先无法编制运动程序，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。  

运动方式：  点位式：要求机器人准确控制末端执行器的位姿，而与路径无关；轨迹式：要求机器人按示教的轨迹和速度运动。  

控制总线： 国际标准总线控制系统。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。  
自定义总线控制系统：由生产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。
编程方式： 物理设置编程系统。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。  
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。  
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。

4.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三类。  

• 1.集中控制系统(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。
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。
图 2 集中控制系统框图  

• 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。其构成框图，如图3所示。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。

图 3 主从动控制系框图

• 3.分散控制系统(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，其控制框图如图4所示。

图 4 分布式控制系统框图
其主要思想是“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。 
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 ( Filed bus Control System )。
在工厂生产网络中，将可以通过现场总线连接的设备统称为“现场设备/仪表”。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。
在机器人系统中引入现场总线技术后，更有利于机器人在工业生产环境中的集成。 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。

▶文章来源：工业机器人根据网络资料编辑整理，资料上传者fzf118。

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中国工业机器人系统集成行业发展趋势

本文内容节选自伙伴产业研究院（PAISI ）《 2017-2018 年中国智能制造产业发展研究报告》。欢迎行业爱好者转发、收藏。

中国工业机器人系统集成行业发展趋势

1.从单一工作站到整体解决方案机器人自动化系统工程的复杂程度来看，可以分为局部自动化与整线自动化。整线自动化方面，由于机器人具备柔性生产的特点，因此可以用于搭建柔性自动化生产系统。目前，除汽车行业外，国内90%以上的机器人应用工程为局部自动化，如焊接、码垛、喷涂、铸造、打磨等应用，机器人柔性化自动化生产线的比例很低。具体因为：

• 国内工业用户对于机器人柔性自动化生产缺乏认识，顾忌投资额与预期效果不匹配。同时，人力成本的递增压力还未与投资达到临界结合点。
• 国内机器人系统集成普遍起步晚，规模小，柔性生产线的设计及实施能力较弱，工程案例缺乏，对最终用户缺乏说服效果。

2.装配系统集成是下一个市场爆发点工业机器人系统集成可分类为搬运码垛、焊接、喷涂、装配等几大类别，又可细分多个小类别，其中焊接又可细分为电焊、弧焊、激光焊等。系统集成行业分类及典型系统集成细分类别典型企业焊接集成点焊、弧焊、激光焊、等离子焊奥托、德梅柯、明珞、瑞松、成焊宝玛、思尔特等喷涂集成喷漆、喷雾、喷粉远荣、泰达、拔山、银田、荣德、柳溪等搬运码垛搬运、码垛、上下料沃迪、万世德、宝佳、雄鹰、锦明、巨能等抛光打磨去毛刺、打磨、抛光利迅达、金石、罗庚、亚泰等包装装配汽车总装、一般工业装配、包装博众、科瑞、利元亨、雷柏、德宝、巨一、汽模等其他集成切削（激光切削、水切削、铣削切削）、压铸、冲压潍坊西水机器人等资料来源：伙伴产业研究院(PAISI)整理其中，焊接、搬运码垛机器人系统集成发展相对成熟，市场份额占比较大。但考虑到中国电子电气行业机器人渗透率较低，未来市场销量前景广阔，尤其是具有一定技术门槛的装配系统集成更是如此。调研数据显示，目前装配系统集成市场占比仅14%，同期全球水平超过20%。 3.越来越多的企业参与商业模式创新近年来，虽然中国工业机器人行业整体发展快速，但中国本土企业和国际大厂相比，无论是技术上，还是是规模上，都与其相差悬殊。因此，在未来市场快速发展的过程中，本土企业需要商业模式创新抓取更多的机会。

• 商业模式一：线上与线下结合，将机器人集成方案标准化，形成批量采购优势。
• 商业模式二：利用各地政策，引入地方政府，一方面增加补贴，另一方面以政府信用担保作为商务条件。
• 商业模式三：创新营销模式：免费模式，4S模式，订购模式等。

附：部分系统集成企业列表

（排名部分先后）省份企业名称基本信息企业介绍安徽埃夫特智能装备股份有限公司
地址：安徽省芜湖市鸠江经济开发区万春东路96号埃夫特智能装备股份有限公司是国内产销规模最大的工业机器人厂商之一，能为客户提供全系列工业机器人产品以及跨行业智能制造解决方案。 
 安徽马鞍山方宏自动化科技有限公司
地址：马鞍山雨山经济开发区智能装备制造产业园21号厂房马鞍山方宏自动化科技有限公司成立于2011年10月，是一家以工业机器人的研发、生产、销售；自动化机电设备维护为主要业务的高科技企业。产品包含弧焊、点焊、搬运、喷涂等工业机器人。福建厦门航天思尔特机器人系统股份公司
地址：厦门市集美区灌口中路1616号11楼 
 　厦门航天思尔特机器人系统股份公司（以下简称航天思尔特）是国有特大型高科技央企（中国航天科工集团公司）的控股子公司。注册资本：9100万元。 营业范围：机器人应用系统集成、智能装备的设计、研发、制造、销售。广东佛山市新鹏机器人技术有限公司
地址：佛山市南海区狮山镇南海软件科技园内佛高科技智库中心A座科研楼A208、A209室佛山市新鹏机器人技术有限公司专注于工业机器人研发、制造及应用的国家高新技术企业，是江苏汇博机器人技术有限公司全资子公司广东广东拓斯达科技股份有限公司
地址：东莞市大岭山镇新塘村新塘新路90号广东拓斯达科技股份有限公司是一家创业板上市的智能制造综合服务商（简称：拓斯达，股票代码：300607），专注于工业机器人为代表的智能装备的研发、制造、销售，致力于打造系统集成 + 本体制造 + 软件开发三位一体的工业机器人生态系统和整体自动化解决方案。广东深圳远荣智能制造股份有限公司
地址：深圳市宝安区松岗街道潭头第二工业城27栋深圳远荣智能智造股份有限公司（股票代码：838936）是一家专业为制造企业提供智能制造成套装备的综合服务商，公司是集研发、生产、销售、安装、服务为一体高新技术企业。公司立足于以机器人为核心，公司根据客户的要求制定安全、高效、柔性机器人自动化解决方案、智慧工厂及工业4.0解决方案。湖北武汉汉迪机器人科技有限公司
地址：武汉东湖新技术开发区高新大道999号 武汉汉迪机器人科技有限公司是从事人工智能机器人技术开发、产品制造的国际化高科技公司 
  公司专注于研发生产智能机器人装备，在全向移动可控机器人、远程临境机器人、机器人灵巧操控、人机交互作用、机器人感知系统等，是现代重工和爱普生机器人在中国的一级集成商。湖北湖北骏腾发自动焊接装备有限公司 
地址：应城市体育路南路 
 深圳市骏腾发自动焊接装备股份有限公司是一家集研发、制造、销售为一体的的高新技术企业，公司注册商标为“骏腾发” “HORSE”， “  ”，产品为：全系列固定/移动电阻焊机、焊接机器人集成系统、汽车焊装生产线、各种自动化焊接装备和智能化焊接装备。湖南湖南艾博特机器人系统有限公司
地址：长沙市芙蓉区解放中路136号蓝 {MOD}地标821房湖南艾博特机器人系统有限公司是专业从事机器人应用系统设计、集成的高科技技术性企业，专注于工业机器人应用的各个领域。江苏常州孟腾智能装备有限公司
地址：江苏武进经济开发区兰香路8号三号厂房一楼中间常州孟腾智能装备有限公司专注于汽车高端自动化智能装备，提供从产品同步工程，自动化方案设计，到设备制造，现场系统集成等环节 的交钥匙工程服务，业务覆盖：汽车行业自动化焊装线，四门两盖开闭件滚边的设计制造交钥匙工程，工业机器人仿真及现场编程，数字化工厂设计，精益生产物流仿真，机器 人工作站系统集成等山东青岛宇方机器人工业股份有限公司