机械电子工程硕士论文-经济型喷漆机器人轨迹规划及关节控制研究.pdf

中南大学 硕士学位论文 经济型喷漆机器人轨迹规划及关节控制研究 姓名：彭南华 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：陈欠根 20090510 中南人学硕士学位论文摘要 摘要 喷漆作业的工作环境十分恶劣，油漆对人体危害很大。因此，为 保护工人的身体健康，提高喷漆质量，提高劳动生产率等，应实现喷 漆自动化。而目前国外的喷漆机器人，功能非常强大，造价相当昂贵， 仅在我国个别实力雄厚的大型企业，要求喷漆质量很高且品种多的产 品中有用武之地。在我国众多生产家具、家用电器、小型机械设备等 产品的中小企业中，喷漆这种单调、重复的工作仍多采用人工方式。 恶劣的环境对工人的身体造成严重危害，很难提高喷漆质量。其原因 是因为我国没有经济且实用的喷漆机器人。经济型喷漆机器人正是应 这一需要而产生的。基于以上情况，本文设计了一种新型的经济型喷 漆机器人，并对以下几个方面展开研究： 综述国内外喷漆机器人的发展状况及研究方向，分析我国发展经 济型喷漆机器人的必要性；阐述机器人设计的特点，从机构学角度出 发，研究机器人机械臂和手腕的构形，采用一种差速手腕结构，设计 经济型喷漆机器人本体结构，并对其结构特点进行分析；利用d h 表示法对机器人进行运动学分析，建立机器人连杆变换矩阵，并推导 和验证机器人运动学正逆解；结合机器的机械结构，分析机器人各关 节的运动范围，研究并给出机器人的工作空间；介绍机器人轨迹规划 中的关节空间和直角坐标空间轨迹规划原理和几种关节空间轨迹插 值方法。重点研究直角坐标空间连续路径直接轨迹规划问题。利用弗 莱纳雪列三矢量关于连续空间路径曲线方向的表示法，探索出一种 直角坐标空间的直接连续轨迹规划方法，并对几种常见机器人轨迹进 行详细轨迹规划；考虑到该经济型喷漆机器人的功能及其经济性，控 制系统采用主从分布式控制结构，重点研究机器入单关节的伺服控制 系统。搭建一个机器人单关节伺服驱动系统实验平台，并对伺服系统 的特性进行分析。 本文设计了经济型喷漆机器人本体结构，分析了机器人运动学， 对其进行了轨迹规划，研究了机器人的单关节伺服控制系统并进行实 验研究。本文的研究结果对开发经济型喷漆机器人和发展其应用技术 有着重要的应用价值和指导意义。 关键词喷漆机器人，手腕，运动学分析，轨迹规划，关节控制 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n v i r o n m e n to fp a i n t i n gh o m e w o r ki sv e r y p o o ra n dt h ep a i n ti s h a r m f u lt oh u m a nh e a l t h t h e r e f o r e ，i no r d e rt op r o t e c tt h eh e a l t ho f p a i n t i n gw o r k e r s ，t oi m p r o v et h es p r a yq u a l i t ya n dt oi m p r o v et h el a b o r p r o d u c t i v i t ya n ds oo n ，w es h o u l dr e a l i z ea u t o m a t i o np a i n t i n g a tp r e s e n t ， f o r e i g np a i n t i n gr o b o ti sv e r yp o w e r f u l ，b u tt h ec o s ti sv e r ye x p e n s i v e ，s o t h eu s eo ft h e s er o b e r t si no u rc o u n t r yi s o n l yi naf e wl a r g e s c a l e e n t e r p r i s e s ，o ri ns o m es p e c i a lp r o d u c t sa r e aw h i c hr e q u i r e sh i g hq u a l i t y s p r a yp a i n ta n dh a v em a n yv a r i e t i e so fp r o d u c t s i nm a n ys m a l la n d m e d i u m - s i z e dc o m p a n i e so fo u rc o u n t r yw h i c hp r o d u c el a r g ep r o d u c t i o n o f f u r n i t u r e ，h o u s e h o l da p p l i a n c e s ，s m a l lm a c h i n e r ye q u i p m e n t sa n do t h e r p r o d u c t s ，m o s to ft h em o n o t o n o u s ，r e p e t i t i v ew o r ko fs p r a y p a i n t e di s a r t i f i c i a l t h ep o o re n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sc a u s e ds e r i o u s p h y s i c a l h a r mt ow o r k e r s ，s oi ti sd i f f i c u l tt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h es p r a yp a i n t t h er e a s o ni st h a ti no u rc o u n t r yt h e r ei s n ta n yf i n a n c i a la n dp r a c t i c a l p a i n t i n gr o b o t e c o n o m i c t y p es p r a yp a i n t i n gr o b o ti sb o mb a s e do nt h i s i nt h ea r t i c l eih a v ed e s i g n e dan e wt y p eo fe c o n o m i c t y p es p r a yp a i n t i n g r o b o tw h i c hc o v e r e dt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： s u m m a r i z i n g t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hd i r e c t i o no fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l p a i n t i n g r o b o ta n d a n a l y z i n g t h e n e c e s s i t y o ft h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m i cp a i n t i n gr o b o t ；e x p a t i a t e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fr o b o td e s i g n ，f r o mt h ea g e n c yp o i n to fv i e w , r e s e a r c h i n gt h ea r ma n d w r i s to ft h er o b o tc o n f i g u r a t i o n ，u s i n gab a dw r i s tv e l o c i t ys t r u c t u r et o e s t a b l i s ht h e d e s i g n o fe c o n o m i c t y p e s p r a yp a i n t r o b o to n t o l o g y s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fi t ss t r u c t u r ea n a l y s i s ，u s i n gt h ed h e x p r e s s i o nt oa n a l y s i sk i n e m a t i c so f r o b o ta n dt os e tu pr o b o t l i n k t r a n s f o r m a t i o n m a t r i x ，t o d e r i v a t i o na n dv a l i d a t i o nr o b o ti n v e r s e k i n e m a t i c ss o l u t i o n a l s o ；c o m b i n i n gm a c h i n e m e c h a n i c a l s t r u c t u r e ， a n a l y z i n gt h er o b o tjo i n tr a n g eo fm o t i o nt os t u d ya n dg i v et h er o b o t w o r ks p a c e ；i n t r o d u c i n gt h ejo i n ts p a c eo fr o b o tt r a je c t o r yp l a n n i n ga n d c a r t e s i a nc o o r d i n a t es p a c et r a je c t o r yp l a n n i n gp r i n c i p l e sa n ds e v e r a ljo i n t s p a c et r a j e c t o r yi n t e r p o l a t i o nm e t h o d s f o c u s e so nt h ep r o b l e mo fc a r t e s i a nc o o r d i n a t es p a c ef o rt h ep a t h 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t o ft h ed i r e c tt r a je c t o r yp l a n n i n g u s i n ge x p r e s sd i r e c t i o no ft h ep a t hc u r v e m e t h o dw h i c hf r o mf r e n e t s e r r e tf o ra b o u tt h r e ev e c t o rs p a c e s ，a n dt o e x p l o r eac a r t e s i a nc o o r d i n a t es p a c eo fd i r e c t l yc o n t i n u o u st r a je c t o r y p l a n n i n gm e t h o d s ，a n d s e v e r a lc o m m o n t r a je c t o r y d e t a i l e dr o b o t t r a j e c t o r yp l a n n i n g ；t a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o nt h ef u n c t i o no fp a i n t i n g r o b o ta n di t se c o n o m y ，t h ec o n t r o ls y s t e mu s e sam a s t e r s l a v ed i s t r i b u t e d c o n t r o ls t r u c t u r e ，a n df o c u so nas i n g l er o b o tjo i n ts e r v oc o n t r o ls y s t e m ， t ob u i l das i n g l er o b o tjo i n ts e r v od r i v es y s t e me x p e r i m e n tp l a t f o r m ，a n d t oa n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e r v os y s t e m i nt h i st h e s i s ，id e s i g n e dt h eb o d ys t r u c t u r eo ft h ee c o n o m i cp a i n t i n g r o b o t ，a n a l y z e dt h er o b o tk i n e m a t i c s ，c a r r i e do u tt r a je c t o r yp l a n n i n ga n d h a ds t u d i e dt h es i n g l e - jo i n tr o b o ts e r v oc o n t r o ls y s t e ma n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c h t h eo u t c o m eo ft h i st h e s i sh a ss i g n i f i c a n c ea p p l i c a t i o na n d r e f e r r i n gv a l u et ot h er e s e a r c ho fe c o n o m i c t y p ep a i n t i n gr o b o ta n dt ot h e d e v e l o p m e n ta n du s eo ft h e r o b o t k e yw o r d s s p r a yp a i n t i n g r o b o t ， r o b o tw r i s t ，k i n e m a t i c a n a l y s i s ，t r a je c t o r yp l a n n i n g ，j o i n tc o n t r o l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：竺翌年j ! 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 嗍手年自卫日 中南大学硬学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 机器人由操作机( 机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置等构 成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机 电一体化和自动化生产设备，如图1 - 1 所示。它特* 惜合于多品种、变批量的 柔性生产，对稳定、提高产品质量，提高生产效率、改善劳动条件和产品快速更 新换代起着十分重要的作用。机器人技术综合了计算机、自动控制、机构学、人 工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术和仿生学等多种学科和技术，两 院院士宋健曾说过：“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成 就，是当代最高意义上的自动化”。机器人学代表了高技术的进展前沿，而科学 的进步与技术的创新同时又为机器人的研究与应用开辟了广阔的思路空间口枷。 图1 - 1意失利c o m a u 机器人系统1 4 1 自1 9 6 1 年第一台商用工业机器人u n i m a t e ( 意为“万能自动”) 问世以来， 经过4 0 多年的发展，工业机器人已广泛应用于各个工业领域，成为制造业生产 闩动化中重要的机电一体化设备。它延伸和扩大了人的手足和大脑功能，可替代 人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作，代替人完成繁重、 单调重复的劳动，提高劳动生产率，保证产品质量口】。 喷漆正是有害、有毒、单调、重复的一种劳动。利用人工喷漆其喷漆质 量只能取决于工人的经验，由于喷涂效果( 如漆膜厚度的均匀性、喷涂时间等) 与物体表面形状及喷枪参数等诸多因素有关，因此单凭经验无法获得极佳的喷涂 效果。而且喷漆过程费时、费力、费料，油漆的大量消耗亦加重了环境污染这 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在喷涂大面积工件( 如汽车车身) 时，表现得尤其突出。喷漆过程中，工人始终 处于有害的环境中。计算机控制的喷漆机器人早在1 9 7 5 年就投入运用，它能避 免危害工人健康，提高经济效益( 如节省油漆) 和喷涂质量【6 ，7 1 。 1 2 喷漆机器人国内外发展概况 喷漆机器人【8 】( s p r a yp a i n t i n gr o b o t ) 是一种可进行自动喷漆或喷涂其他涂 料的工业机器人。中国研制出了几种型号的喷漆机器人并投入使用，取得了较好 的经济效果。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统以及油漆 供应系统等组成，液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如液压泵、油箱、控 制阀和电机等。喷漆机器人大多采用5 6 自由度关节式结构，手臂有较大的运 动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2 3 个自由度，可灵活运动。 较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动 作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机 器人一般采用电动驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示 教或点位示教来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷、小型 机械设备等产品的喷涂工艺上。 1 2 1 国外喷漆机器人发展概况 喷漆机器人技术在过去几十年里在国外得到了很大发展，包括机器入、编程 技术、喷涂设备及油漆材料、涉及运动学和加速度性能得到改进的防爆机器人及 其配套辅助设备( 如转台、滑台等) 、高速静电旋杯、油漆双组分系统以及溶剂 性和水性油漆材料等。国外促使喷漆机器人在汽车及其零部件、各类塑料件及消 费类电子产品等喷涂方面的应用不断增加的原因包括：可重复且稳定的喷涂质 量、随产品型号改变的高灵活性和适应性、有效组织多品种产品混线生产以及可 减少对人的安全和健康的危害等因素。另外，企业的耗材和能源使用可以更有效 稳定的得到控制，还可以进行长期的、多班制的生产计划安排，从而提高企业生 产率和固定资产利用率【9 。1 。 喷漆机器人在国外的使用可以追溯到2 0 世纪中叶1 1 2 , 1 3 。1 9 5 1 年，美国a u s t i n m o t o r sl o n g b r i d g e 公司开始尝试利用简单的3 轴机器人定点自动涂装汽车外身。 1 9 5 8 年，美国m o r r i sm o t o r sc o w l e y 公司成功安装了一条高产出的涂装生产线， 把所有的汽车外身的涂装工作交给3 台3 轴机器人( 其中，2 台安装在流水线的 两侧，l 台安装在流水线上方) 完成。那时由于受机器人的自由度和汽车内身形 状复杂等因素的限制，3 轴机器人还不能对汽车内身进行涂装作业。到了七、八 十年代，随着第二代多轴机器人的研制工作取得很大进展，美、日、欧等国的汽 2 中南大学碗士学位论文第一章绪论 车涂装线，己使用多轴机器人对车身内部难以到达的地方进行涂装作业，朝着喷 漆车间无人化的目标迈进了一大步。例如，t r a l l f a 公司8 0 年代推出的柔性机器 人喷漆系统t r a c s 。 在过去的几年里，a b b 在为喷涂机器人提高性能方面作出了重要贡献，特别 是为高端汽车喷涂开发出高性能的i r b 5 5 0 0 喷涂机器人以及为低成本的消费类 电子产品喷涂开发了小型的i r b 5 2 喷涂机器人【1 4 , 1 5 。在汽车喷涂方面，最新的 喷涂工艺可保持油漆雾化装置( 即旋杯) 在其最佳路径而尽可能减少非喷涂时间。 对机器人而言，该新工艺则要求其具备高速度和高加速度能力。i r b 5 5 0 0 喷涂机 器人具有独特的运动和加速特性( 2 6 m s 2 ) ，允许喷漆室更窄更短使得整个车 身的喷涂可以在一个更加紧凑的喷涂室内进行，从而有效改善油漆流量和传递效 率并能省去喷漆室内的轨道轴。i r b 5 5 0 0 机器人一般安装在喷漆室墙壁中间的 高度上，这样能够让机器人手臂在车身表面平行移动，如图1 - 2 所示。安装在中 间高度也使得维修人员更容易到达机器人维修部位。常规的七轴喷漆机器人需要 喷漆室宽度大约为5 5 m ，而该机器人能够在宽度为46 m 的喷漆室内工作。这样， 它可以取代现有喷漆室内已安装的侧喷机和顶喷机。减少喷漆室宽度，意味着减 少固定设备投资和能源消耗，得到更低的运行成本。该喷漆机器人还允许省去一 般机器人所需要的轨道( 第七轴) ，简化了安装和维护，并减少了油漆和压缩空 气管的复杂性。在中小零件的喷涂方面，a b b 的i r b 5 2 机器人提供另外一套完 整的解决方案。它更轻的质量( 仅2 5 0 k g ) 、更灵活的安装方式( 倒挂、壁装、 倾斜安装和地面安装) 、更大的手腕荷重( 7 k g ) 及相对较大的工作范围，使得该 机器人能够用于绝大多数中小型零部件的高效喷涂，如手机外壳、便携电脑外壳、 汽车外壳、数码相机外壳等消费类电子产品和车灯等汽车零部件。 图1 - 2a b b 公司i r b 5 5 0 0 喷漆机器人 中南火学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 国内喷漆机器人发展概况 随着我国机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开 发和应用工程等方面取得了可喜的进步。中国工业机器人研究开始于上世纪7 0 年代，但由于当时基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种 原因，未能形成真正的产品。8 0 年代中期，在国家科技攻关项目的支持下，中 国工业机器人研究开发进入了一个新阶段，形成了中国工业机器人发展的一次高 潮。以焊接、喷漆、装配、搬运等为主的工业机器人，以伺服驱动器、谐波减速 器、薄壁轴承为代表的元部件，以及机器人本体设计制造技术、控制技术、系统 集成技术和应用技术都取得显著成果。从8 0 年代末到9 0 年代，国家8 6 3 计划 把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键 技术与机器人元部件、目标产品、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自 动化工程上的应用【1 6 珈】。 随着我国改革开放的不断深化，技术和经济水平也越来越高。作为特种机器 人之一的喷漆机器人，机器人喷涂作业在我国汽车、家电、机械制造等行业中已 发挥了重要作用【2 1 2 3 1 ，如汽车整车自动喷漆，汽车发动机、保险杠、弹簧、板簧、 驾驶室等自动喷漆，卫生陶瓷等自动喷漆，玻璃纤维加强水泥预制板的喷涂，电 视机、电冰箱、洗衣机、电脑、手机等外壳自动喷漆，减速器等自动喷漆，汽车 灯、车门防水帘、车身底板、塑料件等自动涂胶等。而且有向其他行业扩展的趋 势，如陶瓷制品、建筑工业、船舶等。喷漆机器人作业既可单机喷涂，也可多机 喷涂，还可组成生产线自动喷涂，自动化程度越来越高。如第二汽车制造厂东风 系列多种混流机器人系统喷涂线，可实现面喷涂作业全面自动化，已获得明显的 经济效益。近年来国内已经拥有相当数量的喷漆机器人，如南航研制的p r 1 型 喷漆机器人，在大规模的涂装生产线上，用于喷涂工件表面的喷枪通常被置于机 器人的手臂上，即由喷漆机器人去完成对工件的喷涂作业。p r 1 型喷漆机器人 是为适应生产自动化发展的需要，改善劳动条件，提高产品质量和劳动生产率， 降低生产成本而研制的自动化喷涂装置，也是机电一体化的高技术产品。p r - 1 型机器人为计算机闭环控制，电液伺服驱动，示教再现式，多关节型工业机器人。 具有设计方案合理，机、电、液匹配协调，控制系统先进，元件国产化程度高等 特点。达到国内自行设计同类产品的先进水平，其关键性能指标( 重复位置精度) 处于国内领先地位。机器人主要由操作机械手、液压站和微机控制柜三部分组成。 在我国，喷漆机器人最早应用于汽车工业。随着经济的发展，技术的进步， 机器人的应用逐渐推广开来，进入家电行业。上世纪8 0 年代中期，一些家电企 业的塑胶厂认识到喷漆生产要走现代化、机械化和自动化的道路，引入了国外的 机器人生产线。据某彩电厂一位领导介绍，他们当时引入了一条日本的机器人喷 4 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 漆生产线。使用前，必须将电视机壳的样件邮寄到日本，由设备商制作夹具和示 教作业程序，十分不便。后来，喷漆机器人出现故障，维修费用高昂。综合考虑 之后，停用了这条生产线。类似情形在许多企业出现过。 随着国内机器人开发能力的增强，机器人价格的降低，越来越多的喷漆机器 人出现在手机外壳、笔记本电脑外壳等中小件的自动化喷漆生产线上。但是在大 中型号彩电机壳、等离子彩电机壳、大型号电子琴机壳等较大型工件喷涂生产中， 尽管厂家日益感觉到对机器人的迫切需要，却面临着投资成本高、成功风险大等 问题，多数企业处于观望状态。 目前，国内的喷漆机器人工程项目大多采购如f u n a c ，s t a u b l i ，a b b 等国外 品牌的机器人，然后根据需要设计机器人的末端执行器，配置机器人的软硬件及 周边设备。这种工程方法周期短、见效快。但是成本高。 我国机器人使用厂家，最关心的是机器人的价钱和可靠性，至于喷漆机器人 的性能指标和技术水平，只要能满足工厂实际生产需要即可。国外一台标准的喷 漆机器人售价为8 “ - - 1 0 万美元( 不含关税) ，这种费用对于一般用户厂家来讲是 接受不了的，一般用户厂家比较能接受的国产喷漆机器人的价格在2 0 “ - 2 5 万元 人民币，如果每台价格低于2 0 万元人民币，能接受的用户将是很多的 1 9 , 2 0 】。 2 0 0 3 年9 月，北京中拓机械有限责任公司看准了这个市场，于同年1 1 月开 始开发直角坐标型喷漆机器人p r b t ( p a i n t i n gr o b o t ) 。2 0 0 4 年3 4 月，第一台 样机在天津元亨塑胶厂喷出第一个合格的电子琴外壳，证明了开发思路的正确 性。2 0 0 4 年5 月，研发取得了t c l 王牌模塑中心的支持，由其提供生产试验环 境，合作开发机器人自动化电视机外壳喷漆生产线。其目标是为企业提供较低价 格的机器人自动喷漆线，达到高效、高质量、低油耗( 指油漆消耗) 三个要求。 开发采用步步为营的策略，首先开发半自动化机器人喷漆生产线，即在现有人工 喷漆线上安装喷漆机器人，工人取放电视机壳，机器人进行喷漆作业。此后，2 0 0 4 年5 6 月，第二台样机在t c l ( i 为蒙古) 王牌塑胶厂成功喷出2 1 、2 5 、2 9 英寸三 个型号的电视机壳。2 0 0 4 年1 0 月至2 0 0 5 年1 月，第三台样机在t c l 王牌( 惠 州) 第一基地投入试生产，结果表明机器人能保证正常的生产运作。 对我国几百家机器人用户( 汽车、电子电器、机械制造和其他行业) 进行了 统计，结果列于表1 1 中。 由表1 - 1 可见，就全国而言目前用得最多的是弧焊、点焊、装配、喷涂机器 人；其次是搬运、上下料( 冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人) ： 再是包装、码垛、拆垛机器人、a g v 车和密封涂胶机器人。就行业而言，汽车 行业以焊接、喷涂、涂胶为多，冲压、搬运、装配次之；电子电器集中在装配， 其次是搬运和喷涂；机械制造主要集中于弧焊，喷涂其次。因此，喷漆机器人在 5 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 我国有着巨大的市场发展前景。 表1 - 1 我国工业机器人应用机型分布f 2 4 , 2 5 行业 汽车电子电器机械制造其他行业总计 机型( 1 6 8 家)( 5 4 家) ( 2 9 家) ( 5 4 2 家) 1 2 3 机器人轨迹规划算法的研究现状 为了提高机器人的生产效率和跟踪精度，机器人轨迹规划技术一直在不断发 展中【1 4 , 2 5 。机器人轨迹规划算法的性能优化指标有很多，如时间最优和系统能量 最优等。其中对最优时间下机器人轨迹规划算法研究得较多。 在过去的十多年中，对全驱动刚性机械手最优时间轨迹规划问题的刻划和描 6 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 述以及计算一直是个活跃的研究领域。现有的大部分工作可以被广泛地分为两 类：沿着一条预设路径的最优时间动作轨迹算法；针对最优时间下点到点 ( p o i n t t o p o i n t ，p p ) 动作的优化处理算法。下面分别介绍这两类工作【1 2 , 4 0 期】。 ( 1 ) 最优时间下沿着一条特定预设路径运动的动作序列求解算法 可以分别基于机器人的运动学和动力学设计多种不同的算法，主要有以下几 个成果。 l i n 等人( 1 9 8 3 ) 在考虑了机器人在位置、速度、加速度和二阶加速度方面 的运动学约束后提出了一种最优时间下的轨迹规划方法，并使用柔性多面体搜索 ( f l e x i b l ep o f y h e d r o ns e a r c h ，f p s ) 算法来进行具体求解，这种方法通过使用高 次多项式曲线来连接机器人关节空间中一系列的关键点而得到满意的轨迹。但是 这种算法只是一种局部搜索算法，算法的性能与初始条件的选取紧密相关。t o n d u 等人( 1 9 9 4 ) 基于同样的约束条件，提出了类似的最优时间下轨迹规划方法。不 过为了简化起见，这种方法使用了带有光滑转折的直线段来连接关节空间中的关 键点，这样做的缺陷是在产生的轨迹中不能对给定的中间点进行插值操作。此后， b a z a z 等人( 1 9 9 9 ) 对前面的方法进行了一定的综合，提出利用带有光滑转折的 三次曲线段来连接关键点的新方法，据此设计的算法取得了一定的效果。另外， g e e n n g 等人( 1 9 8 6 ) 基于p o n t r y a g i n 最小化原理，在考虑了机器人力矩约束的 前提下，研究了机器人最优时间下路径移动中的动作结构，并指出该种动作在力 矩上是b a n g b a n g 类型或是b a n g - b a n g 奇异类。k i m 和s h i n ( 1 9 8 5 ) 基于机械 手的动力学模型，在关节空间中设计了一种满足力矩约束的最小时间路径规划方 法。在这种方法处理之后，最后的路径就是在隅角点处具有特定路径偏差的一系 列直线段构成。s h i l e r 和d u b o w s k y ( 1 9 8 9 ) 还在综合考虑了工作环境中障碍物 的影响以及机械手关节运动的约束后，提出了一种机械手的最优时间动作规划算 法。此外，还有一些比较高效的基于动力学方法的机器人最优时间轨迹规划算法。 另外，还有在同时考虑了机械手运动学和动力学约束条件的前提下而设计的 时间最优轨迹规划算法。如杨国军和崔平远( 2 0 0 2 ) 提出了一种基于模糊遗传算 法的机械手时间最优轨迹规划算法，该算法将模糊原理应用于遗传算法，对遗传 算法中的交叉概率和变异概率进行模糊控制，综合考虑了机械手的运动学和动力 学特性，克服了传统的非线性规划方法易于陷入局部极小的不足，不过他们对机 械手运动学及动力学特性的考虑不甚全面( 如没有考虑加速度或二阶加速度方面 的约束等) ，另外仅对低自由度的机械手进行了仿真。王建滨等人( 2 0 0 2 ) 研究 了一种超冗余度机械臂同时受速度和力矩约束的时间最优轨迹规划算法，引入b 样条曲线拟合无碰撞离散路径，使用动态规划技术来进行具体的优化求解，但是 因为是采用数值方法进行求解，所以在最优时间计算结果的精度与计算机的仿真 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 时间之间存在折中问题，当问题规模增大时，求得一定精度解的计算代价也随之 急剧增加。 ( 2 ) 针对最优时间下点到点( p p ) 动作的优化处理算法 基于( p p ) 动作的机械手工作任务，一般是指需要机械手在工作空间中设 定的各个工作点之间来回移动来完成的一类工作任务，其中限定机械手必须到达 每个工作点，并在相应的各点停留。( p p ) 工作任务具有广泛的工业应用背景。 传送带上的产品组装、电路板上的电子元件插接、汽车部件或其它自动化设备器 件的点焊和切割操作、外太空中机械手的货物传输操作以及一些高级的工作夹具 生产等都是主要的应用实例。目前，己经有一些具有代表性的处理最优时间下机 械手( p p ) 动作的优化控制算法。d u b o w s k y 和b l u b a u g h ( 1 9 8 9 ) 特别结合了 工业上一些应用实例，讨论了多种高效的特定应用算法。p e t i o t 等人( 1 9 9 8 ) 针 对以往算法仅能对移动机器人起作用的局限性，同时针对机械手和移动机器人这 两个对象，使用弹性网络算法解决了类似问题，得到了更加高效的优化解，并进 一步地拓展了算法的工业应用领域。在国内，张凯等人( 2 0 0 2 ) 特别针对i v e c o 横梁的焊接，研究了6 r 机器人在焊接过程中进行( p p ) 运动的轨迹规划算法。 不过，在机械手执行一些相对复杂的( p - p ) 工作任务中的求解算法研究上，就 较少有相应的研究成果。 除了以时间最优作为优化指标之外，目前也有一些算法以能量最优作为优化 指标。例如，h i r a h a w a 和k a w a m u r a ( 1 9 9 6 ) 讨论了冗余机器人的轨迹产生问题， 通过引入变分法和b 样条曲线来对机器人系统消耗的能量进行最优化。g a r g 和 k u m a r ( 2 0 0 2 ) 特别针对一个两连杆机器人和两个协操作机器人，以机器人的力 矩最小为优化目标，通过使用自适应模拟退火算法和遗传算法，求得了机器人移 动的最优轨迹。 1 2 4 机器人关节电机伺服控制系统研究状况 伺服系统也称随动系统，属于自动控制系统的一种，它用来控制被控对象的 转角( 或位移) ，使其自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律【5 】。早 期的伺服系统一般采用直流电动机作为执行机构，步进电机主要应用于控制精度 和速度要求不高的场合。上世纪六十年代欧美一些国家开始采用液压伺服系统， 液压伺服系统与当时的伺服电机相比，具有驱动部件的外形尺寸小的优点，但其 存在有效率低、易污染环境、发热量大和不易维修等缺点。上世纪从七十年代到 八十年代中期直流伺服系统开始占居主导地位。直流传动系统的优点是：控制简 单，输出转矩可以线性控制、快速响应、无超调、定位精度和跟随精度高。在要 求调速性能较高的场合，直流传动系统一直占主导地位，但是直流电动机电刷和 中南大学硕上学位论文第一章绪论 换向器易磨损，需要经常维护，如果电动机安装在不易维修的场所，造成了保养 维修等困难或无法维修。另外，直流电动机的结构复杂，成本也比较高。因此， 就系统的可靠度而言，交流电动机较为优越。由于微电机技术、控制技术和电力 电子技术的迅猛发展，以及微型计算机性能的提高，变频调速及高性能交流伺服 控制技术己逐渐进入实用化阶段，并己在机器人、机械手以及各种精密数控机床 等方面得到越来越广泛的应用。但是交流电动机的调速比直流电动机调速复杂的 多，使得在短期内交流伺服系统不可能完全取代直流伺服系统，所以在一定时期 内交流伺服系统和直流伺服系统将会并存【6 孓8 2 】。 机器人的直流伺服控制系统用来控制机器人的某种状态，即通过对系统的输 出量和给定量进行比较，组成闭环控制，使其能自动地、连续地、精确地复现输 入信号的变化规律。它由三个模块组成：电源模块：包括给控制模块、电机驱动 模块和励磁电压模块提供不同电压等级的直流电压。信号检测模块：主要包含位 置信号、速度信号和电流信号的检测，电流反馈环节主要是抑制电网电压扰动和 提高系统的电流跟踪速度，实际系统中主要采用无接触式的电流霍尔传感器。位 置检测的精度直接影响到伺服系统的定位精度，实际应用的位置检测器有光电编 码器和电位计等。速度信号的检测主要是通过测速电机、光电编码器等测量。接 口单元模块：包括指令输入接口、和p c 机通讯接口( 串行接口、总线接口等) 、 各检测单元和总线接口等。 直流伺服系统的研究内容归纳为两个主要方向：一是直流伺服电动机驱动技 术；二是包括执行机构在内的整个系统的伺服控制技术。目前直流伺服电动机驱 动器的设计和生产在国际市场上已呈现较大规模，各种性能优良的驱动装置纷纷 问世，这在很大程度上己经能够满足绝大多数领域的使用要求。同时利用直流伺 服电动机构成的系统越来越呈现多样化和复杂化，主要表现在：使用同一规格电 动机和驱动装置的不同系统，其数学模型可能相去甚远；即使对于同一确定系统 ( 如机械手) ，当工作状态发生变化时，系统参数( 如转动惯量) 亦有显著变化。 工业对象的多样化和复杂化对伺服控制提出了更高的要求，即希望伺服系统具有 一定的自适应能力和较强的抗干扰能力，这一方面可降低用户调试系统的难度， 另一方面可在参数时变及干扰强烈等恶劣的工况下，保证系统良好的动态响应和 较高的稳态精度。许多专家学者及生产厂家近年来积极致力于这种具有较强自适 应能力( 或智能) 的伺服控制器的研究和开发，己有一些产品问世，但其性能尚 不十分完善。面对不断增长的市场需求，预计在未来相当长的一段时间里，高性 能伺服控制技术的研究和产品开发将具有很大潜力，所以本论文拟将直流伺服控 制技术作为研究方向。 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 5 我国喷漆机器人主要研究方向 对喷漆机器人的机械结构、控制系统和控制软件不断改进和完善是目前我国 喷漆机器人主要的应用和研究方向，主要包括以下几个方面【2 倒。 ( 1 ) 开发重复精度满足喷漆生产要求、成本较低的经济型喷漆机器人，重 点研究其机械结构和控制系统； ( 2 ) 研究和开发喷漆机器人实现喷漆功能的机械结构，并进行运动学、动 力学分析： ( 3 ) 研究和开发喷漆机器人的控制系统，包括硬件和软件两个方面： ( 4 ) 研究示教程序( 或离线编制的工作程序) 的可移植性问题； ( 5 ) 研究型喷漆机器人的控制算法，包括控制任务调度和轨迹规划算法。 ( 6 ) 研究和开发喷漆机器人配套设施，如漆料的自动供应、调制等，开发 配合喷漆机器人的自动喷漆生产线。 1 3 课题来源、论文研究意义和主要内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于工程实践，目的在于开发设计出适合我国国情的经济型喷漆机 器人，并对其关键技术展开深入研究。 1 3 2 论文研究意义 目前，乃至将来相当长的一段时间，制造业仍占我国国民经济发展的重要位 置，随着改革开放的深入及与国际市场的接轨，新产品、新工艺的要求需要有新 的装备来武装制造业，尤其在汽车、电子、家电、机械、轻工等行业尤为必须。 喷漆机器人不仅在制造业中担负简单、重复的体力劳动，更重要的是在保证产品 质量，提高生产效率，把人从恶劣、危险作业环境中解放出来等方面显示出巨大 的优越性【2 7 1 。经过大约2 0 年的研究与实践，我国已形成一批较有经验的机器人 研究与开发队伍，并具有一定的市场价值，已经初步掌握了机器人的设计技术， 如机器人本体设计，控制系统硬件设计，实时操作系统，机器人语言、通讯、可 靠性等。加之国民经济的发展必将推进喷漆机器人市场需求的扩大，同时要求从 事机器人产品研制、开发、应用的队伍必须转变观念、改革机制、培育新人、走 向市场。而在机器人科学和工程方面有了较开放的国际环境，使我们有条件学习、 借鉴、引进和消化吸收国外的先进技术，因此，喷漆机器人的研究与应用在我国 有着非常光明的前景。 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 众所周知，喷漆作业的工作环境十分恶劣，油漆对人体危害很大。因此，在 喷漆行业，为保护工人的身体健康，提高喷漆质量，减少喷漆废品，提高劳动生 产率等，应实现喷漆自动化。国外的机器人公司于上世纪中叶研制出了喷漆机器 人，功能非常强大，从机器人及其控制柜、机械装置到喷漆控制柜、输送带控制 柜到小型计算机及外围设备等。从选择漆料的颜色到选择漆料的厚度，再到选择 喷涂速度、喷涂精度等一应俱全。这种机器造价相当昂贵，仅在个别实力雄厚的 大型企业，要求精度较高且品种多的名牌产品中有一席用武之地。在我国众多的 中、小企业生产家具、家用电器、小型机械设备等等产品的过程中，虽然在漆料 控制、物料传送以及烘干过程等都有不同程度的机械化、自动化，但喷涂操作这 样一个单调、重复的动作仍多采用人工喷漆或刷漆。恶劣的环境使得工人只能戴 面罩坚持两个小时，且操作的随意性大，很难保证喷漆质量的稳定性。究其原因， 是没有造价便宜且实用的喷漆机器人【2 8 ，2 9 1 。因此，开发经济实用的喷漆机器人在 我国有着现实意义。 经济型喷漆机器人正是应这一需要而产生的，它具备一般喷漆机器人的一般 特点，而且结构简单，操作简单，成本低廉，能够满足国内许多厂家的需求。本 文将对这种机器人展开深入研究。 1 3 3 论文研究主要内容 本文从经济型喷漆机器人基础研究出发，主要针对机器人的机械结构、运动 学分析、基本路径轨迹规划和关节控制等方面进行深入研究，具体包括以下几部 分内容： ( 1 ) 根据机器人设计的特点，从机构学的角度出发，经过归纳和分析确定 机器人机械臂和机械手腕的构形：然后设计机器人的结构并对其结构进行分析。 ( 2 ) 利用机器人运动学d h 表示法，建立机器人连杆坐标系与连杆参数， 推导出连杆变换矩阵，解出机器人运动学正、逆解，并验证其正确性。根据机器 人各个关节的运动范围，研究机器人的有效工作空间。 ( 3 ) 研究机器人轨迹规划中的关节空间插值和直角坐标空间插值。重点研 究直角坐标空间