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機器人控制系統(tǒng)結構
機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類。
1)集中控制系統(tǒng)(CentralizedControlSystem):用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能,結構簡單,成本低,但實時性差,難以擴展,在早期的機器人中常采用這種結構,其構成框圖,如圖2所示?;赑C的集中控制系統(tǒng)里,充分利用了PC資源開放性的特點,可以實現(xiàn)很好的開放性:多種控制卡,傳感器設備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口、并口集成到控制系統(tǒng)中。集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是:硬件成本較低,便于信息的采集和分析,易于實現(xiàn)系統(tǒng)的*控制,整體性與協(xié)調性較好,基于PC的系統(tǒng)硬件擴展較為方便。其缺點也顯而易見:系統(tǒng)控制缺乏靈活性,控制危險容易集中,一旦出現(xiàn)故障,其影響面廣,后果嚴重;由于工業(yè)機器人的實時性要求很高,當系統(tǒng)進行大量數(shù)據(jù)計算,會降低系統(tǒng)實時性,系統(tǒng)對多任務的響應能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突;此外,系統(tǒng)連線復雜,會降低系統(tǒng)的可靠性。
2)主從控制系統(tǒng):采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、坐標變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等:從CPU實現(xiàn)所有關節(jié)的動作控制。其構成框圖,如圖3所示。主從控制方式系統(tǒng)實時性較好,適于高精度、高速度控制,但其系統(tǒng)擴展性較差,維修困難。
3)分散控制系統(tǒng)(DistributeControlSystem):按系統(tǒng)的性質和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊,每一個模塊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系,也可以是平等關系。這種方式實時性好,易于實現(xiàn)高速、高精度控制,易于擴展,可實現(xiàn)智能控制,是目前流行的方式,其控制框圖如圖4所示。其主要思想是“分散控制,集中管理”,即系統(tǒng)對其總體目標和任務可以進行綜合協(xié)調和分配,并通過子系統(tǒng)的協(xié)調工作來完成控制任務,整個系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的,所以DCS系統(tǒng)又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。這種結構中,子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設備構成的,各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡等相互通訊。分布式控制結構提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式。
兩級分布式控制系統(tǒng)?通常由上位機、下為機和網(wǎng)絡組成。上位機可以進行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法,下位機進行插補細分、控制優(yōu)化等的研究和實現(xiàn)。上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調工作,這里的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB總線等形式。現(xiàn)在,以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展為機器人提供了更快速、穩(wěn)定、有效的通訊服務。尤其是現(xiàn)場總線,它應用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向多結點數(shù)字通信,從而形成了新型的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS(FiledbusControlSystem)。在工廠生產(chǎn)網(wǎng)絡中,將可以通過現(xiàn)場總線連接的設備統(tǒng)稱為“現(xiàn)場設備/儀表”。從系統(tǒng)論的角度來說,工業(yè)機器人作為工廠的生產(chǎn)設備之一,也可以歸納為現(xiàn)場設備。在機器人系統(tǒng)中引入現(xiàn)場總線技術后,更有利于機器人在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的集成。
分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于:系統(tǒng)靈活性好,控制系統(tǒng)的危險性降低,采用多處理器的分散控制,有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行,提高系統(tǒng)的處理效率,縮短響應時間。
對于具有多自由度的工業(yè)機器人而言,集中控制對各個控制軸之間的藕合關系處理得很好,可以很簡單的進行補償。但是,當軸的數(shù)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(tǒng)中軸的數(shù)量或控制算法變得很復雜時,可能會導致系統(tǒng)的重新設計。與之相比,分布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(tǒng)有較少的軸間禍合和較高的系統(tǒng)重構性。
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