機器人控制系統(tǒng)設(shè)計文獻(xiàn)綜述

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

2、 ② 以改善勞動條件，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合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的 ，而 應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 ③ 可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用 機械 手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜 合加工自動 線上，目前幾乎都沒有機械手，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) 隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，對機器人

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、聲音識別、最優(yōu)控制、人工 智能等）的研究成果應(yīng)用到機器人控制系統(tǒng)的實時操作中 ，是一項富有 挑戰(zhàn)性的研究工作。而具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機器人，其控制系統(tǒng)的研究無 疑對提高機器人性能和自主能力，推動機器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。1.2國內(nèi)外研 究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 隨著機器人控制技術(shù)的發(fā)展，針對結(jié)構(gòu)封閉的機器人控制器的缺陷，開發(fā)具有開 放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機器人控制器”是當(dāng)前機器人控制器的一個發(fā)展方向。近幾 年，日本、美國和歐洲一些國家都在開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的機器人控制 器，如日本安川 公司基于PC開發(fā)的具有開放式結(jié)構(gòu)

4、、網(wǎng)絡(luò)功能的機器人控制器。我國863計戈U智 能機器人主題也已對這方面的研究立項 。 由于適用于機器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)一個結(jié) 構(gòu)完全開放的標(biāo)準(zhǔn)化機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 的開放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實時多任務(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)有機器人控制結(jié)構(gòu)封閉的局面，開發(fā)結(jié)構(gòu)開放性、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機 器人控制器是完全可行的。 新型的機器人控制器應(yīng)有以下特色： (1) 開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便的擴充功能，使其適用不同 類型機器人或機器人化自動生產(chǎn)線。 (2) 合理的

5、模塊化設(shè)計 對硬件來說，根據(jù)系統(tǒng)耍求和電氣特性，按模塊化設(shè)計，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現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能。 (4) 實時性、多任務(wù)要求 機器人控制器必須能在確泣的時間內(nèi)完成對外部中斷的處理,并且珂以使多 個任務(wù)同時進(jìn)行。 (5) 網(wǎng)絡(luò)通訊功能 利用網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，以便于實現(xiàn)資源共享或多臺機器人協(xié)同工作 。 (6) 形象直觀的人機接口 另外，機器人控制器中，運動控制板是必不可少的。由于機器人性能的不 同，對運動控制板的要求也不同。美國DeltaTau公司推出的

6、PMAC(Programinable Multi-axies Controller) 在國內(nèi)外引起重視。PMAC 是一種 功能強大的運動控制器，它全面地開發(fā)了 DSP技術(shù)的強大功能，為用戶提供了很 強的功能和很大的靈活性。借助于Motorola公司的DSP56001數(shù)字信號處理器， PMAC可以同時操縱軸，比起其他運動控制板來說，有很多可取之處。 由于適用于機器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)■個結(jié)構(gòu) 完全開放的標(biāo)準(zhǔn)化機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 良好的開放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實時多任務(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、有機器人控制器結(jié)構(gòu)封閉的局面 ，開發(fā)結(jié)構(gòu)開放性、功 能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機器人控制器是完全可行的。 1.3目前機器人控制器存在的問題 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會進(jìn)步 ，對機器人的性能提出更高的要 求。智能機器人技術(shù)的研究已成為機器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方向 ，如各種精密裝配 機器人，力/位置混合控制機器人，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 器人 的研究等。相應(yīng)的，對機器人控制器的性能也提出了更高的要求。 但是，機器人自誕生以來，特別是工業(yè)機器人所采用的控制器基本上都是開 發(fā)者 基于自己的獨立結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的，采用專用計算機、專用機器人語言、專用操作系統(tǒng)、 專用微處理器。這樣的機器

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器人控制器來看，串行處理結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)封閉，功能單 一，且計算能力差，難以保證實時控制要求，所以目前絕大多數(shù)商用機器人都是采用單 軸PID控制，難以滿足機器人控制的高速、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)開放。并行處理結(jié)構(gòu)控制器雖然能從 計算速度上有了很大突破，能 保證實時控制的需要，但我們必須看到還存在許多問題。目前的并行處理控制器研究一 般集中于機器人運動學(xué) 、動力學(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、來設(shè)計 ，即通過分解給定任 務(wù)，得到若干子任務(wù)，列山數(shù)據(jù)相關(guān)流圖，實現(xiàn)各子任務(wù)在對應(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，如程序設(shè)計不當(dāng)則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn) 象。 綜合起來，現(xiàn)有機器人控制器存在很多問題，如：（1）開放性差（2）軟件 獨立 性差（3）容錯性差（4）擴展性差（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)鍵問題 21課題研究的目標(biāo)、內(nèi)容 本設(shè)計通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識進(jìn)行整合， 完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設(shè)計 ，能夠比較好 地體現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平 ，實踐

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

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

12、,—方面， 9.金廣業(yè)編譯?工業(yè)機器人與控制?東北大學(xué)出版社，1991.3 10?周伯英編著?工業(yè)機器人設(shè)計?機械工業(yè)岀版社,1995 11-(俄)索羅門采夫主編?工業(yè)機器人圖冊?機械工業(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 簽名