工业机器人控制系统架构介绍.docx

工业机器人控制系统架构介绍工业机器人与智能制造导语：本文比拟了机械臂和挪动机器人两种工业机器人的控制系统方案，对其特点进展了介绍。本文比拟了机械臂和挪动机器人两种的控制系统方案，对其特点进展了介绍。以上分类是根据应用对象，此外，市面上更多的是通用型运动控制器，即控制非标设备的。1控制器底层方案1.1机械臂类机械臂类的控制器开展较早，相对成熟，先来看看现有的控制系统底层方案。1.2挪动机器人类挪动机器人的控制器属于较新的方向，工业挪动机器人有AGV、无人驾驶工程机械等形式，控制系统底层方案如下：1.3比照机械臂对精度和运动稳定性的要求较高，因此计算量大、周期短，比挪动机器人一般要高1到2个量级。挪动机器人一般对同步精度要求不高，其配置相对较低。机械臂一般工作于固定的区域，其控制器通常放置于机箱内，因此防护等级不高，一般是IP20。挪动机器人由于需要经常运动，尤其是室外工程机械，要考虑防水防尘，其防护等级较高，一般是IP67。2CoDeSys介绍2.1CoDeSys的组成你会发现，很多的机器人控制软件都是借助CoDeSys实现的，那么什么是CoDeSys呢？CoDeSys是一款付费的软开发软件，简单来讲，它包括两局部：DevelopmentSystem和RuntimeSystem。DevelopmentSystem就是用来编程的软件界面就像VisualStudio、Eclipse等软件，也可以称为IDE，设计、调试、编译PLC程序都在IDE中进展，这局部是用户经常打交道的；PLC程序写好了以后，就要把它转移到硬件设备中运行。可是这时生成的PLC程序自己是无法运行的，它还要在一定的软件环境中才能工作，这个环境就是RuntimeSystem，这局部是用户看不到的。二者安装的位置通常不同，IDE一般安装在开发电脑上，RuntimeSystem那么位于起控制作用的硬件设备上，二者一般使用网线连接，程序通过网线下载到Runtime中运行。CoDeSys在国内知名度不高，但是在欧洲久负盛名，尤其在工业控制领域。我们上面提到的很多机器人公司都使用了它的产品，例如KEBA、倍福、固高，还有几乎所有的挪动机器人控制器厂家。设计CoDeSys的3S公司只卖软件，不卖硬件。硬件电路需要由用户自己设计，3S公司负责将RuntimeSystem移植到客户的硬件上。RuntimeSystem可以裸跑在硬件上，但一般是运行在操纵系统上，配置操纵系统也是客户的工作。假如客户要求，CoDeSys的IDE可以定制，换成客户的logo和外观，这就是为什么你会发现不同厂家的开发平台长得不一样，但风格又比拟相似。当然，用户也可以使用其它IDE，例如倍福就使用了微软的VisualStudio，而背后的编译器等内核以及函数库仍然采用CoDeSys的方案。CoDeSys的Runtime具有强大的适应性，支持绝大多数的操纵系统和硬件芯片架构。2.2CoDeSysRuntime原理CoDeSys的IDE局部是免费的，你可以从其官网下载体验体验。真正收费的是运行系统RuntimeSystem。CoDeSys在设计之初就将功能划分为假设干组件模块，例如总线协议栈、可视化界面、运动控制、平安控制等等，用户可以像搭积木一样选购必须的模块搭建自己的系统，最后形成一个定制化的控制软件平台。一些初次接触软PLC的用户可能对这局部感到生疏，但其实这种设计方式非常普遍。举几个例子，MATLABSimulink的实时工具箱Real-Time就是这样的工作方式，用户在Simulink的图形界面里通过拖拽设计控制程序，然后下载到真实的硬件中跑，可以在这里理解。还有像倍福也是这样的使用方式，用户在TwinCATIDE里进展编程，然后下载到倍福的控制器中，控制器里面其实已经预装了一个Runtime。西门子的STEP7也是一款IDE，它的PLC中也存在一个配套的Runtime。用户编写的PLC程序就像我们电脑里的应用程序，它运行在RuntimeSystem上，而RuntimeSystem又运行在操纵系统之上。RuntimeSystem位于应用程序和操纵系统之间。所以可以被称为中间件Middleware。在机器人软件里面，处于同样地位的还有ROS、OROCOSReal-TimeToolkit等等。机器人的控制，像数控机床一样，对实时性有要求，因此我们选择的操纵系统最好是实时操纵系统RTOS。遗憾的是，我们经常用的操纵系统都不是实时的，例如Windows和Linux。但幸运的是，有人对它们进展了改造，也就是参加实时补丁。常用的实时操纵系统有：VxWorks、QNX、WindowsRTX、Xenomai、RTLinux、LinuxRTAI、WinCE、C/OS、SylixOs等等。考虑到Windows和Linux这两款操纵系统的用户较多，CoDeSys推出了相应的实时补丁RTE，为用户免去了改造的烦恼。想理解更多的CoDeSysRuntime信息可以浏览官方的文档MathProcessingError1212。2.3CoDeSys的缺点CoDeSys给我们开发控制器带来了便利，省去了从零开场的费事，但是依靠CoDeSys这类贸易软件开发自己的控制器产品也存在不少的缺点：1底层算法不公开CoDeSys集成的运动控制组件、总线协议栈都是封装好的，用户无法理解其内部细节，也无法针对自己的详细需求进展定制优化，只能简单地调用。用户只能依附于CoDeSys平台，难以形成自己的核心技术。2功能有限，难以扩展如今以机器视觉、人工智能、自动驾驶等为代表的新技术突飞猛进，而工业控制上的很多技术仍然停留在20年前。以挪动机器人中的导航场景为例，基于视觉或激光的导航方法需要收集大量的数据并对其进展处理，其中涉及相当多的矩阵计算。而如今PLC只能进展落后的一维数字计算，难以实现复杂的算法。与人工智能圈子喜欢开源的风格正好相反，工业控制圈子互相封闭，谁都不肯开放自家的函数库，开源函数库极少OSCAT，就连最根本的滤波算法、矩阵计算都要自己从头开场写。而且，国际标准提供的根本函数太过有限，完全无法适应新的场景，急需扩展。3难以更新由于完全依靠CoDeSys，客户自己产品硬件的晋级换代需要重新定制移植，导致本钱增加。3开源方案目前存在一些开源的控制系统方案，例如Beremiz、Orocos、OpenPLC、OpenRTM、ORCA。开发机器人控制器是个繁重的工作，要明确一系列性能要求，首先是实时性。实时性对于工业机器人来讲一般是必须的，对于效劳或者娱乐机器人那么未必。一般人很轻易错把“实时性理解为处理或响应速度快，但是其实“实时性表示时间上的“确定性，例如实时操纵系统RTOS中的中断响应或进程切换的延迟时间一定是在一个时间范围内。我们常用的操纵系统Windows、Linux都不是实时操纵系统，由于它们设计的初衷是吞吐量，不能保证每个事件都在一定范围内得到处理。再比方，标准以太网的传输速度比实时工业以太网快多了，但是它也却不是实时的，由于它同样不能保证数据在给定的时间内完成传输。理解实时性不太难，可是机器人哪些的任务需要实时运行呢？怎样根据机器人的性能要求确定程序运行的时间间隔呢是1ms还是10ms？实时性取决于硬件还是软件呢？怎样根据实时性选择详细的软硬件呢该选择ARM还是X86、LinuxRTAI还是VxWorks？网上缺少这方面的深化讨论，各大机器人厂家也不会公开自己的测试和试验结果，似乎这方面主要依靠经历和试错。这里我也只能提供几个指标，目前工业机械臂的控制周期是1ms左右，性能较高的位置环的控制周期可以到达125MathProcessingErrormuss。PLCopen定义了伺服和的一些标准，包括编程语言、运动控制根底函数块FunctionBlock、输入输出接口的参数等MathProcessingError33详细的实当代码细节，这个是由各个厂家提供的。声明：本文为转载类文章，如涉及版权问题，请及时联络我们删除2737591964，不便之处，敬请谅解！0