機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

《機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述（5頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、一、刖S 1 ?課題研究的意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1.1課題研究的意義 隨著機(jī)器人在工業(yè)裝配線的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，工業(yè)環(huán)境對(duì)其控制系統(tǒng)的要求 也越 來(lái)越高，所以開(kāi)放式機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有工程實(shí)際意義 。 課題以一四自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人研制為背景，設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電 路和軟件結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照預(yù)定軌 跡或自主 運(yùn)動(dòng)控制功能。 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： ① 以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等 的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。

2、 ② 以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故 在咼溫、咼壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性 污染 以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的 ，而 應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。 ③ 可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用 機(jī)械 手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜 合加工自動(dòng) 線上，目前幾乎都沒(méi)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的 進(jìn)行工作生產(chǎn) 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)機(jī)器人

3、的性能提出了更 高的要求，因此，如何有效地將其他領(lǐng)域（如圖像處理、聲音識(shí)別、最優(yōu)控制、人工 智能等）的研究成果應(yīng)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作中 ，是一項(xiàng)富有 挑戰(zhàn)性的研究工作。而具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人，其控制系統(tǒng)的研究無(wú) 疑對(duì)提高機(jī)器人性能和自主能力，推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。1.2國(guó)內(nèi)外研 究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制器的缺陷，開(kāi)發(fā)具有開(kāi) 放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”是當(dāng)前機(jī)器人控制器的一個(gè)發(fā)展方向。近幾 年，日本、美國(guó)和歐洲一些國(guó)家都在開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制 器，如日本安川 公司基于PC開(kāi)發(fā)的具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)

4、、網(wǎng)絡(luò)功能的機(jī)器人控制器。我國(guó)863計(jì)戈U智 能機(jī)器人主題也已對(duì)這方面的研究立項(xiàng) 。 由于適用于機(jī)器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)發(fā)一個(gè)結(jié) 構(gòu)完全開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器存在一定困難，但應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，如工業(yè)PC良好 的開(kāi)放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)接口 等，打破現(xiàn)有機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)封閉的局面，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)開(kāi)放性、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī) 器人控制器是完全可行的。 新型的機(jī)器人控制器應(yīng)有以下特色： (1) 開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 采用開(kāi)放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便的擴(kuò)充功能，使其適用不同 類型機(jī)器人或機(jī)器人化自動(dòng)生產(chǎn)線。 (2) 合理的

5、模塊化設(shè)計(jì) 對(duì)硬件來(lái)說(shuō)，根據(jù)系統(tǒng)耍求和電氣特性，按模塊化設(shè)計(jì)，這不僅方便安裝和 維護(hù)，且提高了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為緊湊。 (3) 有效的任務(wù)劃分 不同的子任務(wù)由不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能。 (4) 實(shí)時(shí)性、多任務(wù)要求 機(jī)器人控制器必須能在確泣的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)外部中斷的處理,并且珂以使多 個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。 (5) 網(wǎng)絡(luò)通訊功能 利用網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，以便于實(shí)現(xiàn)資源共享或多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作 。 (6) 形象直觀的人機(jī)接口 另外，機(jī)器人控制器中，運(yùn)動(dòng)控制板是必不可少的。由于機(jī)器人性能的不 同，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制板的要求也不同。美國(guó)DeltaTau公司推出的

6、PMAC(Programinable Multi-axies Controller) 在國(guó)內(nèi)外引起重視。PMAC 是一種 功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器，它全面地開(kāi)發(fā)了 DSP技術(shù)的強(qiáng)大功能，為用戶提供了很 強(qiáng)的功能和很大的靈活性。借助于Motorola公司的DSP56001數(shù)字信號(hào)處理器， PMAC可以同時(shí)操縱軸，比起其他運(yùn)動(dòng)控制板來(lái)說(shuō)，有很多可取之處。 由于適用于機(jī)器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)發(fā)■個(gè)結(jié)構(gòu) 完全開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器存在一定困難 ，但應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，如工業(yè)PC 良好的開(kāi)放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng) ，標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié) 構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)接口等，打破現(xiàn)

7、有機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)封閉的局面 ，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)開(kāi)放性、功 能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器是完全可行的。 1.3目前機(jī)器人控制器存在的問(wèn)題 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步 ，對(duì)機(jī)器人的性能提出更高的要 求。智能機(jī)器人技術(shù)的研究已成為機(jī)器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方向 ，如各種精密裝配 機(jī)器人，力/位置混合控制機(jī)器人，多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進(jìn)制造系統(tǒng)中的機(jī) 器人 的研究等。相應(yīng)的，對(duì)機(jī)器人控制器的性能也提出了更高的要求。 但是，機(jī)器人自誕生以來(lái)，特別是工業(yè)機(jī)器人所采用的控制器基本上都是開(kāi) 發(fā)者 基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，采用專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語(yǔ)言、專用操作系統(tǒng)、 專用微處理器。這樣的機(jī)器

8、人控制器已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要 求。 從前面提到的兩類機(jī)器人控制器來(lái)看，串行處理結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)封閉，功能單 一，且計(jì)算能力差，難以保證實(shí)時(shí)控制要求，所以目前絕大多數(shù)商用機(jī)器人都是采用單 軸PID控制，難以滿足機(jī)器人控制的高速、高精度的要求。雖然分布式結(jié)構(gòu)在一定層 次上是開(kāi)放的，可以根據(jù)需要增加更多的處理器，以滿足傳感器 處理和通訊的需要，但 它只是在有限范圍內(nèi)開(kāi)放。并行處理結(jié)構(gòu)控制器雖然能從 計(jì)算速度上有了很大突破，能 保證實(shí)時(shí)控制的需要，但我們必須看到還存在許多問(wèn)題。目前的并行處理控制器研究一 般集中于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) 、動(dòng)力學(xué)模型的并行 處理方面，基于并行算法和多處理器結(jié)構(gòu)的映射特征

9、來(lái)設(shè)計(jì) ，即通過(guò)分解給定任 務(wù)，得到若干子任務(wù)，列山數(shù)據(jù)相關(guān)流圖，實(shí)現(xiàn)各子任務(wù)在對(duì)應(yīng)處理器上的并行處理。 由于并行算法中通訊、同步等內(nèi)在特點(diǎn)，如程序設(shè)計(jì)不當(dāng)則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn) 象。 綜合起來(lái)，現(xiàn)有機(jī)器人控制器存在很多問(wèn)題，如：（1）開(kāi)放性差（2）軟件 獨(dú)立 性差（3）容錯(cuò)性差（4）擴(kuò)展性差（5）缺少網(wǎng)絡(luò)功能 2課題的研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 21課題研究的目標(biāo)、內(nèi)容 本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合， 完成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì) ，能夠比較好 地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平 ，實(shí)踐

10、動(dòng)手能力以及 專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的 有機(jī)結(jié)合。 本課題以一四自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人研制為背景，設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的碩件 電路和軟件結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照預(yù)定 軌跡或自 主運(yùn)動(dòng)控制功能。主要的研究?jī)?nèi)容是對(duì)SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟碩件 選型和實(shí)現(xiàn)不 同位置間運(yùn)動(dòng)，包括上下料的控制程序的研究。 2.2擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 1、 確定本課題研究的機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)； 2、 對(duì)應(yīng)確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選用機(jī)器人控制系統(tǒng)的碩件結(jié)構(gòu)； 3、 設(shè)計(jì)運(yùn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件部分； —4、控制系統(tǒng)的電路圖設(shè)計(jì) 二、

11、設(shè)計(jì)方案的確定 1 ?研究路線、方法和擬使用的方法 (1) 機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 其中，機(jī)器人的關(guān)節(jié)均選用私服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，光電碼盤用來(lái)控制大臂和小臂的轉(zhuǎn)動(dòng) 量，極限開(kāi)關(guān)用來(lái)控制升降軸的上下移動(dòng)量。運(yùn)動(dòng)控制卡用來(lái)控制機(jī)械手關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)和 移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定位，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。 H業(yè)決制計(jì) (2) 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 通過(guò)小組初步討論決定控制計(jì)算機(jī)使用研華的主機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制卡選用ADT (深圳眾 為興)，電機(jī)選用伺服電機(jī)。 (3) 控制系統(tǒng)的軟件部分 主要采用VC進(jìn)行編程，構(gòu)建一個(gè)控制系統(tǒng)平臺(tái)，在程序中給定坐標(biāo)后，實(shí)現(xiàn)機(jī) 械手從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)進(jìn)行上下料的搬運(yùn)工作 。之所以使用VC

12、,—方面， 9.金廣業(yè)編譯?工業(yè)機(jī)器人與控制?東北大學(xué)出版社，1991.3 10?周伯英編著?工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)?機(jī)械工業(yè)岀版社,1995 11-(俄)索羅門采夫主編?工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)?機(jī)械工業(yè)出版1993.5 12. A. Mohammadia, n, M. Tavakoli b, nn, H. J. Marquez b, F. Hashemzadeh b.Nonlinear disturbanee observer design for robotic manipulators? Control Engin eeri ng Practice 21 (2013) 253 ?267 六、指導(dǎo)教師審閱意見(jiàn) 簽名