【毕业论文】双机器人协调运动控制设计

双机器人协调运动控制设计 摘要 在现在工业生产中，机器人正扮演着日益重要的角色。其中，多机器人协调工作系统由于其突出的智能性，快速性以及高效率等特点更是成为现代生产企业的新宠。本文主要在基于日本安川 器人结构分析的基础上，利用 计控制程序，完成双机器人协调运动，模拟人机象棋对战的过程。 本文在对当前国内外双机器人协调控 制技术进行分析的基础上，对器人的控制系统进行了深入的研究，采用 立双机 I/O 通讯控制系统；然后利用 计下棋程序，并在棋盘重绘过程中，提取人机双方棋子移动坐标；在此基础上，调用 器人通信软件 的控制函数，实现程序对机器人的运动控制，使机器人能够根据人的棋子移动和计算机博弈算法产生的象棋移动结果实现象棋的正确移动，并对机器人的各种运动位置进行了校正，整个控制程序可以满足下象棋的控制需求，这些工作为进一步进行双机器人实现人 为双机器人协调运动控制的深入研究提供了一个较新颖的思路。 关键词：双机器人，协调，象棋程序，运动控制 n of is a is of is on to C+. of of a in on On of a of of up a , of be to to of by of to be As of is to a of an to on of of 录 第一章 前言 . 1 题背景 . 1 内外机器人协调系统的发展概况 . 2 机器人系统研究的发展 . 多机器人协调系统研究概况 . 国内外相关技术发展概况 .题来源 . 6 文研究内容、方案及步骤 . 7 章小结 . 9 第二章器人结构概况及方案选择 . 10 . 10 算机- 机器人数据通讯的选择 . 12 器人运动控制方案的选择 . 14 章小结 . 15 第三章 计算机象棋对弈程序设计 . 16 算机对弈程序介绍 . 16 关资料的表示 . 棋盘棋子的显示 .索算法的设计 . 19 子坐标的提取和转换 . 20 算机下棋坐标的提取 . 鼠标位置的判断 .子事件的判断 . 25 户吃子的判断 . 计算机吃子的判断 .章小结 . 28 第四章 信软件 . 29 讯软件组成 . 29 讯软件的使用 . 30 2 的使用 . .章小结 . 35 第五章 机器人控制程序的设计 . 36 制程序设计思想 . 36 器人运动分析 . 37 棋过程的分解 . 走棋程序的命名 .器人运动互斥的判断和处理 . 38 讯软件设置 . 38 器人控制函数程序设计 . 39 器人设置对话框设计 . 响应函数分析 .章小结 . 42 第六章 实验结果 . 43 验步骤 . 43 章小结 . 44 第七章 结论和展望 . 45 论 . 45 术经济分析报告 . 45 术可行性分析 . 经济优越性报告： .进一步研究的展望 . 48 参考文献 . 49 附录 1 . 50 附录 2 . 57 致 谢 . 64 声 明 . 65 一章 前言 题背景 在机器人向智慧化的发展历程中，多机器人协作系统是一类具有覆盖性的技术集成平台。如果说单个机器人的智慧化还只是使个体的人变的更聪明，那么多机器人协作系统则不但要有一批聪明的人，还要求他们能有效地合作。所以它不仅反映了个体智慧，而且反映了集体智慧，是对人类社会生产活动的想象和创新探索。 多机器人协作系统有着广泛的应用背景，它与自动化向非制造领域的扩展有着密切的联系，由于应用环境转向非结构化，多移动机器人系统应能适应任务的变化以及环境的不确定性，必须具有高度的决策智慧，因而，对多机器人协作的研究已不单纯是控制的协调，而是整个系统的协调与合作。在这里，多机器人系统的组织与控制方式在很大程度上决定了系统的有效性。 多机器人协作系统还是实现分布式人工智能的典范。分布式人工智能的核心是把整个系统分成若干智能、自治的子系统，它们在物理和地理上分散，可独立地执行任务，同时又可通过通信交换信息，相互协调，从而共同完成整体任务，这无疑对于那些要求完成大规模且结构复杂的任务的领域是非常富有吸引力的，因而很快在军事、通信及其它应用领域得到广泛的重视。多机器人协作系统正是这种理念的具体实现，其中每个机器人都可看作是自主的 智能体，这种多机器人系统已成为机器人学中一个新的研究观点1。 而在实际应用中，双机器人协调系统是最常见的，也是需求量最大的。通常情况下，每个机器人都由一个操作手柄，或一个控制箱控制，在工作中，由专门操作人员进行操作。这不仅要求操作人员具有扎实的操作技巧，同时也需要操作人员之间良好的相互协调和沟通能力。这在一定程度上限制了机器人的工作领域，并对操作人员提出了更高的要求。 也因此，在当今机器人领域，世界各国都对双机器人协调运动加大了投资和研发力度，并且已有了丰富的成果。但是，双机协调仍存在诸多问题： (1) 如何使机器人个体之间相互通信和相互作用。 (2) 如何在各机器人之间表达，描述问题，分解和分配任务。 1双机器人协调运动控制设计 (3) 如何保证机器人在行动中行为协调一致。 (4) 机器人彼此之间如何识别和解决冲突2。 本课题旨在通过机器人自带仿真软件和通信软件胞没通过分析通信协议，设计算法，编写通信程序，力图解决上述问题，并利用计算机控制实现能够完成模仿中国象棋的对弈过程3。 内外机器人协调系统的发展概况 机器人系统研究的发展 在机器人研究的早期，单机器人的结构、运动学、控制和信息处理是研究的重点。随着机器人技术的发展，单个机器人的能力、鲁棒性、可靠性、效率等都有很大的提升。但面对一些复杂的、需要高效率的、并行完成的任务时，单个机器人则难以胜任。为了解决这些问题，机器人学的研究一方面进一步开发智慧更高、能力更强、柔性更好的机器人；另一方面在现有机器人的基础上，通过多个机器人之间的协调工作来完成复杂的任务。 从 20 世纪 80 年代中期到 90 年代，分布式人工智能和复杂系统的研究工作逐渐开展并活跃起来，一些学者开始研制各种多机器人系统，并将其作为实验平台以进行相关的理论研究和仿真。这些研究的出现将分布式人工智能、复杂系统、社会学、管理学等其它研究领域的理论及方法引入机器人学的研究中，丰富了机器人学的研究内容。而且，这方面的研究通常从系统角度出发，探讨机器人群体乃至机器人社会的各种组织方式、信息交互方式、进化机制的基本问题，为机器人学的发展提供了一条新的思路4。 机器人学的理论和技术与其在不同领域总日趋广泛深入的应用密切相关。在工业领域，制造业进入 90 年代后开始面对用户对个性化产品的需求，从而导致对新一代制造系统理论的探讨和研究5。工业机器人作为现代制造系统中不可或缺的重要组成部分必学适应这种变革的要求6,而对于工业机器人群体之间协调协作的研究为工业机器人适应这一变革提供了基础。在军事领域，军用机器人已被用来替代士兵完成一些危险任务，如侦查、排雷等。对于这些危险的工作，通过不同功能的价格低廉的据用机器人群体协作将提高完成任务的效率和成功率。在航空航天领2双机器人协调运动控制设计 域，很多学者已经针对多个太空机器人，外星探索机器人的协调协作开展研究工作。在服务业，清洁机器人，擦窗机器人，搬运机器人等服务机器人的应用也对协调工作提出了公告的要求。 机器人协调系统研究概况 80 年代以来，多机器人协调作为一种新的机器人应用形式日益引起国内外学术界的兴趣与关心，1987 年在美国圣地亚哥召开的多机器人协调研讨会上，着重提出了多机器人协调研究的主要问题。1989年国际杂志门推出了多机器人协调研究专辑，足见对该问题的重视。在过去十多年里，人们对多机器人协调控制中的协调和集中、负载分配、运动分解、避免轨迹规划、操作柔性体等问题上进行了大量的研究。 由于多机器人(主要是多机器人臂)操作物体时形成的闭链系统，存在受限运动以及冗余度控制问题，因此多机器人协调控制问题十分复杂，但它基本上不涉及系统组织与合作机制等高层的控制问题，在多机器人协调控制中，机器人之间的组织与合作关系已经人为的事先确定了7。 内外相关技术发展概况 经过二十多年的发展，多机器人系统的研究已在理论和实践方面取得了很大的进展，并建立了多机器人仿真系统和实验系统。但是国内关于多机器人系统的研究刚刚起步，而国外的研究则比较活跃 ，并设立了一个进行多机器人系统研发的题“用于搬运的多自动机器人系统(。 日本对多机器人系统的研究开展得比较早，著名的研究有口设备和计算机等连接起来的自主多机器人智能系统，这个系统的主要特点是系统的单个动作和合作动作的并存。日本名古屋大学的 它的研究是受生物细胞结构的启发，将系统中众多具有相同和不同功能的机器人视为细胞元，这些细胞元可以移动，寻找和组合，形成更加复杂的机器人系统。细胞结构机器人可以自组织成器官化机器人，多个器官化机器人可以进一步自组织，形成更加复杂的机器人系统。细胞结构机器人系统强调是单元体的组合如何根据人物3双机器人协调运动控制设计 和环境的要求动态重构。因此，这种机器人具有多变的构型，可以具有学习和使用的组智慧( 并具有分布式的体系结构。对讯、信息交互等许多方面8。 主要特点是机器人本身被认为无智能，它们在组成系统后，将表现出群体的智慧。在国内已开发出在车辆拥挤时自行移动的全方位移动结构，还开发了使用带有桶型自由辊的车轮，用3个传动装置驱动可自由地前后左右移动或旋转的递补结构9。 小规模，独立性强的，疏松配合关系的机器人协调的一种机构。通过传感器信息和精确的广播(感知自身的行动效应和其它机器人的行动。每个机器人是基于行为控制的。该结构 的扩展，通过再学习来调整行为控制器的参数。该结构成功的应用于仿真和实物机器人，完成了如推箱子、捡垃圾、编队行进等任务。 加拿大了一个实现对昆虫社会的人工模拟的实验系统，集体机器人系统（他们提出系统的初衷是将许多简单的机器人组织成一个团队来完成一些有意义的工作。为实现这个目标，研究针对集体任务（as k）的机器人控制体系结构和算法以及传感信息地分析等。具体来说，在机器人之间没有建立显式通讯的条件下，如何利用分布式控制方式实现多机器人系统的协作。这种分布式无通讯系统易于机器人的添加、去除。多个移动机器人协作推箱子的实验结果表明，在不存在显式通讯和集中规划器的条件下，尽管运行的结果不是一个最优解，但可以得到一个可行解10。 美国自主如人机协作，移动机器人协作，多慧们研究的协作机器人是集成了感知、推理动作的智能系统、着重研究在环境未知且任务执行过程中环境动态变化的情况下，机器人如何协作完成任务。 为了将各种协作算法应用于系统，他们开发了写作机器人的实验系统（如下图）。这是一种适用于户外的实验系统，包括各运输车，四个微机器人，且在机器人上安装激光扫描仪、摄像头、声纳传感器以及无线以太网等。另外还有一种适用4双机器人协调运动控制设计 于室内应用的系统，包括四个机器人，机器人上安装有各种传感器，包括测距仪、接触传感器、声纳、红外、视觉、罗盘以及基于激光的 2器人还装有无线以太网以实现机器人之间的通讯以及机器人和工作站之间的通讯11。 图 1 1们采用自上而下的路线，基于行为的方式研究分析、设计机器人群行为的表现，在多机器人学习、群体行为、协调与协作等方面展开工作12。 他们针对多机器人协调，协作建立的实验系统有下图所示。 5图 1机器人协调运动控制设计 图 1我国多机器人系统的研究相对于国外起步较晚，目前已逐渐引起人们的重视，上海交通大学，中国科学院，哈尔滨工业大学机器人研究所，东北大学等已先后开发出各种形式的多机器人系统。 中科院沈阳自动化研究所以制造环境应用多机器人装配为背景，建立了一个多机器人协作装配系统(该系统采用集中与分散相结合的分层体系结构，分为合作组织级和协调作业级。合作组织级的协作控制调作业级则由别与和用对多机器人协作系统的实际应用具有参考价值13。 在多机器人系统中，最集中的和关键的问题表现在多机器人系统的体系结构以及相应的协调机制上。因此，如何定义和评价机器人群体的活动和准则，是群体机器人系统面临和需要解决的首要问题。目前对于多机器人评价方法和准则的研究还处于初级阶段，许多方面还有待更深入的研究，这是一项富有挑战性的工作，在理论上，技术上实现都需要我们做更多的工作。 题来源 机器人技术的发展使机器人的能力不断提高，机器人应用的领域和范围正不断扩展，从自动化工厂的装配工厂到深海作业乃至核工业的故障处理、太空中操作任务等都迫切需要机器人进入角色。一方面，由于任务的复杂性，在但机器人难以完6双机器人协调运动控制设计 成任务时，人们希望多机器人之间的协调与合作来完成。另一方面，人们也希望通过多机器人间的协调与合作，来提高机器人系统在作业过程中的效率，进而当机器人工作环境发生变化时或系统局部发生故障时，多机器人之间仍可通过本身具有的协调与合作关系完成预定的任务。 机器人技术的发展使得机器人的应用领域和范围不断扩展，机器人面临着更复杂的作业，这些复杂的作业由单一机器人已难以完成，需要多个机器人协调与合作共同完成。另外，目前的由多台、几十台甚至上百台机器人组成的自动化生产线系统柔性较差，机器设备组织的改变既困难又昂贵，仅适于长周期、单一式产品的大批量生产，而难以适应小批量、多品种的生产，从而缺乏敏捷制造的能力，难以适应灵活多变的市场需求。因此，多机器人系统的组织与控制方法对系统性能的影响极大，如何组织由多个机器人构成的群体，以及在这样的群体中如何实现机器人的协调合作问题已成为当前的机器人研究领域的一个新课题，具有重要的理论和现实意义。 双机器人协调系统的应用领域非常的广泛，尤其是在我国的机械装备制造业飞速发展的今天。在汽车，机械，航天及高精度仪器等科技含量高的领域，拥有巨大的市场。本课题主要基于我校机电工程系机器人专业实验室的两台首钢莫托曼机器人有限公司在利用计算机网络技术，实现双机器人的协调工作，能完成较复杂的工作任务。 文研究内容、方案及步骤 本文主要基于用其自带的通信软件用计算机网络技术和 等手段编写象棋对弈及机器人控制程序，实现对机器人的计算机控制，并实现一定的智慧化，为以后的机器人协调控制二次开发奠定基础。 总体方案的拟定: 本课题主要由两个部分组成： 1) 象棋对弈程序：通过参考相关数据，根据象棋的走棋规则设计出符合条件的算法，要求在一方走完之后，另一方可以根据新的棋局，生成所有合法的走棋规则，并能从中选出最优走法，同时对计算机屏幕进行重绘，用图形的方式显示当前7双机器人协调运动控制设计 棋局。此部分需要完成以下功能： 棋盘显示程序：这里，我们通过在建新的位图。要求分别设计出红黑双方的棋子及棋盘，并根据整个屏幕的显示尺寸，调整位图尺寸。在对弈过程中，该部分要提取棋子坐标并将其转换成屏幕坐标用来将棋子显示在屏幕上。 算法程序：中国象棋算法的研究已有接近30的历史，现在也开发出了多种成熟的对弈算法。鉴于本文重点放在如何实现对机器人的协调控制，所以我们根据相关数据选取了几种较优秀的算法加入到我们的程序中来，完成我们所设定的功能。 机器人与计算机之间的通信程序设计：计算机和机器人之间的通信数据主要由如下几部分组成：对弈双方的走棋坐标，被吃棋子的坐标，两机器人在任意时刻所处状态等。由于只有两台机器人和计算机进行通信，所以我们采用一台路由器完成两者的连接。 首先，我们从算法程序中提取出对弈双方的走棋坐标，并且判断走法下一步是否有对方棋子，若有则提取出被吃棋子坐标。然后通过这些已提取坐标来控制机器人的运动，完成走棋，吃棋的过程。 机器人之间通信程序设计：在本文中，机器人之间通信主要用来协调两机器人的运动顺序。在这里，我们在两个机器人的控制单元中各定义一个I/果机器人运动，则设定为 1，否则设定为 0。为了防止机器人运动发生干涉，也为了降低设计的难度，增加安全性，我们采用单机器人工作的方式，即每次运动，只有一台机器人工作。在棋子到达指定位置后，机器人会返回原始设定位置，在此之前，另外一台机器人不允许移动，以防发生干涉。 机器人控制程序设计：我们将关于机器人控制的各种控制程序统一封装在一个专门的类中，当人机双方完成每一步走棋后，会自动调用控制程序，完成机器人移动。 对机器人的控制主要是调用过其通信软件且还要用到示教控制盒的部分功能。 8双机器人协调运动控制设计 章小结 本章主要介绍该课题的研究背景，课题来源等内容，并对该课题的设计步骤和设计思路做了简要的分析，并预想了可能遇到的问题和解决方案，从而为下一步的工作打下了良好的基础。 9双机器人协调运动控制设计 第二章 器人结构概况及方案选择 器人结构 本文所使用的机器人是由日本安川株式会社最新研发的 列主要用于工业焊接及产品搬运等场所。 图 2器人实物图该机器人采用六自由度，空间开式结构。其执行机构主要包括机座、立柱、手臂、腕关节和手部等部件。 其中机座是机器人的基础部分。整个执行机构和驱动系统都安装在机座上，起10双机器人协调运动控制设计 到支撑和协调机器人作业的重要作用。立柱是机器人手臂的支撑部分，在某些情况下可以让立柱通过导杆或者导槽在机座上进行移动，这样可以增大工作空间。手臂是连接机器人机身、立柱与腕关节的纽带。它的运动范围直接影响着机器人的工作空间。腕关节连接着机器人手部与手臂，其功能在于根据需要改变、调整工作部件(手部)的方向、姿态等。手部是机器人直接与工作对象接触或发生关系的部分。由于该机器人主要用于工业焊接和产品搬运，因此手部采用启动手爪设计。 图 2器人手爪起动控制柜实物中主要驱动方式为电机驱动，整个机器人安装了5台电机，用来支持机器人的五个自由度。而手部采用启动驱动用来控制手爪，提高了抓取货物时的稳定性。对动系统的运动器，如电机、汽缸等是与执行机构直接相连的。 控制系统是机器人的重要组成部分并直接影响到了机器人的精度和工作范围。在 器人系统中，控制系统的主要作用是支配执行机构按照所要求的数需，沿规定的位置或轨迹进行运动。 在运动过程中，机器人控制主要由式教盒和 两种方式。通常情况下使用是式教盒模式。操作盒形式如下页图所示。 11双机器人协调运动控制设计 用来控制执行机构运动的指令是操作人员按所需要的运动编制好程序或用其它方式存储在控制系统中。在控制系统储存指令信息(如动作顺序、空间位置、运动速度、停顿时间、手爪的松开与夹紧等)后，通过驱动系统，操纵机器人完成规定作业。 当然在编程过程中，通过个人 会更加方便一些，这就需要调用 后面本文会详细介绍)。 一般情况下，一台机器人会配备一台控制柜。控制柜包含机器人控制单元，制卡，程序内存以及网络连接设备等。我们在设计多机器人协调运动方案时，也用到了控制柜里的相关设备。通过控制柜我们可以完成多台机器人的同时运动。利用这种功能，我们可初步的设计多机器人的协调作业。因此在要求不高的工厂自动化生产中，经常应用这种控制方法。 图 2器人控制柜实物图 图 2器人控制柜内部结构 算机- 机器人数据通讯的选择 本文使用的人计算机，控制柜，示教盒等。软件方面包括 编程软件和 信软件。本文的基本思想是利用 高级语言编制象棋对弈程序，在对弈过程中实时提取双方移动棋子坐标然后传送给两机器人所属的控制柜以控制机器人的运动，12双机器人协调运动控制设计 完成双机器人协调工作任务，即实现仿真象棋对弈过程。在此过程中，象棋要根据对弈双方走棋的顺序和位置，拿走或移动棋子。 针对机器人和个人们设想了以下几种方案： 1) 第一种方案是通过路由器通信，主要步骤如下：从上文我们已经知道，每个机器人控制柜都安装有网卡，那么我们就在路由器上插三根网线，分别与两台机器人控制柜和个人在象棋程序中(即程序中数据通讯部分)，我们添加一个函数的功能设置定时器，同时我们分别设计两个分别为两机器人控制柜传送数据的函数和一个由函数调用的扫描函数。在棋子坐标提取过程中，我们定义一个型的变量 提取的用户走棋坐标(我们这里假设由甲机器人完成用户走棋)则设置为1，否则设置(我们假设由乙机器人完成计算机走棋)为0，当然还要对两个机器人分别设置不同的 址。通过这种方式，在对弈过程中，样果为1则向甲机器人发送坐标数据，否则向乙机器人发送坐标数据，这样就可以完成对两机器人的协调通信。 2) 第二种方案是通过串口通讯。一般样，我们恰好可以利用这一功能。 图 2算机路由器实物13双机器人协调运动控制设计 在这种方案中，我们可以利用一根串口线和一根网线同时和两个机器人相连，并且将两个机器人分别设置为网口通信和串口通信。在通信过程中，机器人只能同时使用一种通信方式，即如果设置串口通信那么网口就不起作用，反之亦然。这也同样可以达到我们所需要的双机器人协调作业的目的。 3) 第三种方案是利用两台计算机分别对机器人进行控制。这两台计算机之间通过串口通信传输数据。其中一台计算机(这 里我们称之为父机)用来进行人机对弈，所产生的坐标数据会通过串口传输到另外一台计算机(这里我们称之为子机)。 在子机上，我们需要设计一个和主机上对弈程序相似的接口，唯一不同的是它只是接收主机传输的数据，而不能由人来控制。这样两台计算机就可以分别同过网线同机器人相连控制机器人作业。 在这三种方案各有优势，第一种方案可以实现一台计算机通过一根网线对两台机器人的协调控制，这样做就节省了一个串口资源，但这样需要通过路由器，还要设计轮询函数，这样不仅增加了硬件上的投入而且降低了通信的速度；第二种方案实施起来最为简便，但是同时占用了计算机的串口和网口资源。第三种方案比较复杂，而且还要设计两计算机之间的通信程序，无疑增加了实现难度，但这种方案对于后续的人人对弈程序的开发提供了有利条件。 通过以上的分析，由于时间的限制，我们采用第二种方案，即同时利用串口和网口对两台机器人进行协调控制。 器人运动控制方案的选择 上文已经提到，针对两台机器人的协调运动控制，实际上就是利用程序中已提取的坐标控制机器人按照指定的路径运动。因此在这里，我们有如下两种方案： 1) 第一种方案，就是通过坐标直接控制机器人的运动。在这种方案中，我们首先通过坐标提取程序获得坐标数据，然后对是否吃子进行判断，最后通过串口或网口通信传递给机器人(这里包括起始坐标和目标坐标)。 这种方案的有点是，运动起来比较简便直接，速度快；缺点是运行起来比较复杂，需要对多种情况进行判断，实现起来比较困难。 2) 第二种方案，是首先利用示教编程器编写每一个棋盘点的子程序，然后当需要时，由主程序直接调用。 这里每一个棋盘点包括两个子程序即走棋程序和吃子程序。在这里，我们会设14双机器人协调运动控制设计 计一个固定的原点，用来初始机器人位置。当机器人走棋时，机器人会首先从原点运动到起始点，然后抓住棋子，再回到原