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独创性声明 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。据我所知：除了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，也不包含为获得扭越型堂班究院或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 。 学位论文作者签名：上雨确签字日期：一6 年7 月，宁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭撼型堂班塞陵有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门威机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权扭! 越抖堂受究院可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王丽，确 签字日期：，”5 年7 月3 9 目 导师签名： 签字日期= 别年7 月加 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 机械科学院硕士学位论文 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 摘要 机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的前沿，它在人类生活中的应 用不断扩大。本文在广泛研究了机器人技术的现状与发展趋势、目前机器人控制器的技 术特点与存在问题的基础上，根据课题研制的要求，提出了机器人设计方案，对其控制 系统的硬件与软件进行了设计与开发。 文章介绍了机器人的机械结构、关节运动参数、机器人系统组成与特点、以及机器 人控制系统的结构和原理。该机器人控制系统为二级控制结构，分为机器人上位控制计 算机( 上位机) 和伺服控制器( 下位机) 两部分。上位控制计算机实现系统的监控、运动控 制算法以及人机交互功能：伺服控制器又分为以d s p ( p m a c ) 为核心的运动控制器和伺服 驱动控制器两部分，它与上位机软件相结合，对机器人六个轴进行插补运算和伺服控制， 通过p c i 总线，实现上位机和下位机之间的通讯。文章重点分为两部分：第一部分是基 于d s p 的运动控制板的原理分析、实现运动控制的方法、以及p i d 参数的整定；第二部 分是机器人运动控制算法包括逆运动学与轨迹规划插补算法的研究以及下位机软件结 构的分析。运行结果表明，本课题的研制达到了机器人控制实验项目的设计要求。 关键词：p i a c 运动控制卡机器人运动学运动控制p i d 整定 真空镀膜机器人运动控制系统的研究机械科学院硕士学位论文 r e s e a r c ho fv a c u u mc o a t i n gr o b o tm o t i o nc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h er o b o tt e c h n o l o g yh a sc o l l i g a t e dt h ed e v e l o p m e n tf r u i t so fm a n ys u b j e c t s i tr e p r e s e n t st h ef r o n t a lo ft h eh i g ht e c h ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fi ti nh u m a n l i f eh a se n l a r g e dm o r ea n dm o r e o nt h eb a s i so ft h ew i d e l ys t u d yo nt h ea c t u a l i t y a n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h er o b o tt e c b l r 】i o l o g y ，a n dt h er e s e a r c ho nt h ep r e s e n t t e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c sa n de x i s t i n gp r o b l e m so ft h er o b o tc o n t r o l l e r ，t h e a u t h o rp u t sf o r w a r dt h ec o n t r o lt a c t i ca n dt h ed e s i g n ，a n dd o e st h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m i nt h ep a p e rt h er o b o tm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h el o c o m o t i o np a r a m e t e r so f t h ej o i n t s ，t h ec o m p o s i n ga n dt r a i t so ft h er o b o ts y s t e m ，a n dt h es t r u c t u r ea n d t h et h e o r yo ft h er o b o tc o n t r o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h er o b o tc o n t r o ls y s t e m i so ft w o - r a n kc o n t r o ls t r u c t u r e 。t h eu p p e rc o n t r o lc o m p u t e r ( u p p e rc o m p u t e r ) a n dt h es e r v oc o n t r o l l e r ( 1 0 w e rc o n t r o l l e r ) t h eu p p e rc o n t r o lc o m p u t e rr e a l i z e s t h em o n i t o ro ft h es y s t e m , l o c o m o t i o nc o n t r o la r i t h m e t i c ，a n dh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n t h es e r v oc o n t r o l l e ri sa l s od i v i d e di n t ot w op a r t s ，t h el o c o m o t i o n c o n t r o l l e rw i t ht h ed s p ( p m a c ) a st h ec o r ea n dt h es e r v od r i v ec o n t r o l l e r t h e s e r v oc o n t r o l l e rc o m b i n e d w i t ht h eu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r e d o s e t h e i n t e r p o l a t i o no p e r a t i o na n ds e r v oc o n t r o lo ft h et h r e ej o i n t s ，a n dr e a l i z e st h e c o m m u n i c a t i o no ft h el o w e rc o n t r o ll e ra n dt h eu p p e rc o m p u t e rv i at h ep c id a t a b u s t h ep a p e rc a nb ed i v i d e di n t ot w om a i np a r t s t h ef i r s tp a r ti sb a s e do n t h ep r i n c i p l ea n a l y s i so ft h ed s pl o c o m o t i o nc o n t r o l l e r i nt h i sp a r tt h e r e a l i z i n gm e t h o do ft h el o c o m o t i o nc o n t r o la n dt h ep i dp a r a m e t e ra d j u s t m e n ta r e i n t r o d u c e d t h es e c o n dp a r ti sm a i n l yo nt h es t u d ya n dt h ed e d u c t i o no ft h er o b o t k i n e m a t i c sc o n t r o la r i t h m e t i ci n c l u d i n gt h ei n v e r s ek i n e m a t i c sa n dt r a j e c t o r y p r o g r a m m i n g ，a n dt h es o f t w a r es t r u c t u r ea n a l y s i so ft h el o w e rc o n t r o l l e r t h e r u n n i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sp r o j e c th a sm e tt h en e e d so ft h ei t e mo ft h e r o b o tc o n t r o ll a b o r a t o r y 2 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 机械科学院硕士学位论文 k e y 哟r i ) ：p m a cr o b c r rk i n e m a t i c sm o t i o nc o n t r o lp i d 3 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 机械科学院硕士学位论文 图2 一l 图2 2 图3 - l 图4 - 1 图4 - 2 图4 3 图4 - 4 图4 _ 5 图4 6 图4 7 图4 - 8 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图6 1 插图清单 机器人实物图1 3 控制系统框图 直角坐标系绕x 轴旋转。角2 3 s 形速度曲线3 2 梯形曲线图3 2 纯s 形速度蓝线图3 2 t 形速度规划加速度图3 3 s 形速度曲线计算图3 4 位置速度计算图3 9 四种插补方法速度曲线比较图4 1 插补算法与误差分析图4 2 p 姒c p c 结构原理图4 8 p m a c 板i o 板a c c - 3 4 a 4 9 p i d 控制系统原理框图5 3 p 姒c 控制器p i d - 前馈调整界面5 6 阶跃响应的位置一时间曲线5 7 电机阶跃响应曲线( 调整后) 5 9 跟随误差曲线6 0 电机抛物线运动跟随误差曲线( 阻尼过小) 6 l 电机抛物线运动跟随误差曲线( 调整后) 6 1 运动程序框图 # l 电机p i d 调整前后7 2 7 真空镀膜机器人运动控制系统的研究机械科学院硕士学位论文 1 1课题背景 第一章绪论 本论文是结合中心所承接的兰州真空磁控溅射镀膜机器人项目所写。磁控溅射镀膜 机器人是一种用于完成复杂结构、多层镀膜而研制开发的适合在真空环境下工作的镀膜 机器人。该机器人操作机为6 自由度机器人操作机，由3 个直角坐标轴、3 个回转轴和 一个真空手爪组成。真空磁控溅射镀膜机器人系统的研制在国内尚属首次，世界上此类产 品也不多。 1 2机器人概论 机器人( r o b o t ) 一词来源于1 9 2 0 年捷克作家k a r e lc a p e k 的科幻话剧g r o s s u m s u n i v e r s a lr o b o t 。剧中有一批听命于人的、能从事各项劳动的机器，名叫r o b o t ，我国 译为“机器人”在当今工业和科研领域中所使用的机器人，一般不具有人的外貌和全 部功能，而是一类能代替人从事多种工作的高度灵活的自动化机械的统称。目前世界上 对机器人尚无统一的严格定义，美国机器人协会( r o b o ti n s t i t u t eo f a m e r i c a n ) 定义机器 人为：“机器人是一种用来移动材料、零件、工具或特定装置的可重新编程的多功能操 作器，可以通过改变编程运动来执行不同的任务。”由上所述可看出：机器人是为了完 成多种任务而设计的，因此它必定具有能灵活执行多种任务的机械结构。通常它被设计 成类似于人手臂的结构，所以又常被称为机器人操作手( r o b o tm a n i p u l a t o r ) 或机械臂 ( r o b o ta r m ) 【l 】 早在第二次世界大战时期，为操作放射性材料，美国a r g o n n e 国家试验室设计了连 杆关节型遥控操作手为提高精度，1 9 4 7 年又研制了电动伺服控制的遥控操作手。1 9 5 3 年麻省理工学院( m i t ) 辐射实验室研制数控铣床成功这些为机器人的产生准备了技 术基础。 1 9 5 4 年美国人g e o r g ed e v o l 巧妙地将遥控操作手的连杆机构与数控铣床的伺服轴 连接起来，设计制成了世界上第一台可编程的通用工业机器人，首次提出了“示教，再现 机器人的概念”1 9 5 8 年，美国推出了世界第一台工业机器人实验样机不久，c o n d e c 公司与p u l l m a n 公司合并，并于1 9 6 1 年制造出了用于模铸生产的工业机器入( 命名为 u n i m a t i o n ) ；与此同时，美国a m f 公司也研制生产出了另一种可编程的通用机器，并 8 真空镀膜机器人运动控制系统的研究机械科学院硕士学位论文 以。i n d u s t r i a lr o b o t ”( 工业机器人) 为商品广告投入市场。 自2 0 世纪7 0 年代以来，随着微电子和计算机技术的飞速发展，以及机器人研究的 不断深入，机器人产业蓬勃兴起，机器人研究也掀起了高潮。当前，世界上已有几百种 不同类型、数以万计的机器人被广泛应用于生产和研究。 在我国，机器人研究与应用是在2 0 世纪7 0 年代末逐渐发展起来的。机器人研究先 后列入国家。七五”、“八五”科技发展计划及“8 6 3 ”计划等。经过二十多年的不懈努 力，取得显著进展，其中一些成果接近或已达到国际先进水平中国已自行研制出许多 不同种类和用途的机器人用于生产、国防及社会生活的某些方面。 机器人的分类有许多种，最常见的是按照发展程度将机器人分为三代： 第一代机器人是以“示教一再现”方式工作的机器人。这种机器人目前已在生产中 得到广泛应用。 第二代机器人是具有一定传感装置，能利用所获取的环境与操作对象的简单信息进 行反馈控制的机器人。这种机器人目前已有少量应用。 第三代机器人是具有多种感知功能，可以进行推理判断，能在未知工作环境中独立 工作的机器人。这种机器人尚处于试验阶段。 也常按功能将机器人分为： 工业机器人( i n d u s t r i a lr o b o t ) ，它是应用于工业生产自动化领域的机器人。这类机 器人绝大多数是按“示教一再现”方式进行重复作业的第一代机器人，少数具有第二代 机器人的功能。 遥控机器人( t e l e r o b o t ) 。它是接受遥控指令而进行远距离作业的机器人，主要用于 宇航、海底、核工业及真空等领域。 智能机器人( i n t e l l i g e n tr o b o t ) ，它是具有运动、感知、学习、适应、逻辑判断及 人机通信功能的机器人，属于第三代机器人【2 1 。 1 3运动控制技术的研究现状 运动控匍 ( m o t i o nc o n 的1 ) 通常是指在复杂条件下。将预定的控制方案、规划指令转 9 真空镀膜机器人运动控制系统的研究机械科学院硕士学位论文 变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或 力的控制。 按照使用动力源的不同，运动控制主要可分为电气运动控制和热机运动控制。据资 料统计，电气运动控制应用最为广泛。电气运动控制是由电力拖动发展而来的，电力拖动 或电气传动是对以电动机为对象的控制系统的通称从电力拖动开始，经历四十多年的 发展过程，现代运动控制己成为一个以控制理论为基础，涵盖电机技术、电力电子技术 ( 电力电子器件、电力电子线路) ，微电子技术、传感器检测技术、信息处理技术、自动 控制技术、微计算机技术和计算机仿真和辅助制造( c a m ) 技术等许多学科，且与多种不 同学科交叉应用的控制技术。运动控制技术作为这些周边技术的有机结合体，随着科学 技术的发展而不断向前迈进，出现运动控制系统( m o r o nc o n t r o ls y s t e m ) 这一术语。 运动控制系统多种多样，但从基本结构上苷，一个典型的现代运动控制系统的硬件 主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构和传感器反馈检测 装置等部分组成。其中的运动控制器是指以中央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号 敏感元件，以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。它的主要任务是 根据运动控制的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑、数学运算，为电机或其它动力 和执行装置提供正确的控制信号。 传统的运动控制系统经过几十年的市场竞争，其技术被少数几家专业制造商所垄 断并且随着现代科学技术的进步，传统的运动控制系统由于其自身的特性限制，如封 闭式结构、控制软件的兼容性差、容错性和可靠性不高、缺少网络功能等，已不能满足 现代工业和社会发展的要求。为此，美国在1 9 8 1 年制订了下一代控制器n g c ( n e x t g e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 的研究计划。目的就是要建立一种开 放式的控制系统标准，使不同的设计人员可依据规范开发具有互换性和互操作性的控制 器部件，打破少数制造商的技术垄断，加快控制系统的发展步伐。其后有许多相关的研 究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有美国的开放式模块化结构控制器 0 m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 、欧洲的自动控制结构的开放式系统 0 s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o n ) 和日木的控制器 结构开放系统环境0 s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e ra r c h i t e c t u r e ) 等计划。美、德等发达国家的公司一直致力于研究开放式运动控制器，并已开始在机器 人控制、半导体加工、电子装配系统、飞行模拟器等新兴行业得到应用，其在传统的机 1 0 真空镀膜机器人运动控制系统的研究机械科学院硕士学位论文 床控制领域所占的市场份额也在不断扩大 运动控制器是一种基于工业p c 机、用于各种运动控制场合( 包括位移、速度、加 速度等) 的上位控制单元。目前，运动控制器从结构上主要分为如下3 大类： 基于计算机标准总线的运动控制器具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制 器与计算机相结合构成。这种运动控制器大都采用d s p 或微机芯片作为c p u ，可完成 运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和p l c 功能，开放的函数库可供用户根据不 同的需求，在d o s 或w i n d o w s 等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统。如 美国d e l t a t a u 公司的p m a c 多轴运动控制器和固高公司的g t g h 系列运动控制器产品 等。目前这种运动控制器是市场上的主流产品。 s o f t 型开放式运动控制器它提供给用户最大的灵活性，运动控制软件全部装在计 算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和夕卜郭i o 之间的标准化通用接口。 嵌入式结构的运动控制器它把计算机嵌入到运动控制器中，能够独立运行。它与 计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变 种。 开放式结构运动控制器是2 1 世纪运动控制技术的主要研究内容，具有可互换性、 可伸缩性、可移植性、互操作性、可扩展性等特性。开放式运动控制器与传统的运动控 制方法相比，具有以下显著特征：能方便地与机床、机器人等被控设备联接：一个 运动控制器从硬件上可以实现- n 多个坐标轴的位置、速度和轨迹伺服控制，从软件上 具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制功能；结构形式模块化，可以方便地相互 组合，建立适用不同场合、不同功能需求的控制系统；由于它采用开放化的技术，具 有维护、扩展、升级方便等特点。 运动控制器的应用遍及众多领域，因而运动控制技术的研究在国际上极为重视，目 前己进入普遍开发阶段。与国外相比，我国在运动控制器产品开发方面相对落后，固高 科技( 深圳) 有限公司，是国内第一家专业开发、生产开放式运动控制器产品的公司其 后，国内又有其他几家公司涉足该领域。但实际上，大多是在国内推广国外生产的运动 控制器产品，真正进行自主开发的公司较少。八五”期间，我国广大科研工作者也成 功开发了两种数控平台和华中i 型、蓝天i 型、航天i 型、中华i 型等4 种基本系统， 这些系统采用模块化、嵌入式的软硬件结构。其中以华中i 型较具代表性，它采用工业 真空镀膜机器人运动控制系统的研究机械科学院硕士学位论文 p c 机上插接口卡的结构，运行在d o s 平台上，具有较好的模块化、层次化特征，有一 定扩展性和伸缩性。但从整体来说这些系统是数控系统，不是独立的开放式运动控制器 产品。目前国内中高档数控系统基本上被国外产品所垄断。 1 4 本文研究的主要内容 本课题研究的内容主要有：一、齐次变换矩阵的方法、理论及在本文中的应用，并 对机器人作业工况下进行了轨迹插补；二、运动学的研究，包括机器人连杆系统的建立， 关节坐标矩阵的建立及运动方程理论，运动方程的建立，和运动学逆解的求取；三、利 用基于p c 的多轴控制器p m a c 及伺服驱动系统组建机器人的控制系统。四、机器人的软、 硬件调试：结合机器人的本体特性，对系统的p i d 参数进行了调试。在此基础上进行了 运动控制系统软硬件的系统联调。 1 2 2 1技术要求及要点 图2 - 1 机器人实物图 机器人操作机采用7 自由度直角坐标加回转的形式，是一种非标型式，用其来操作 磁控靶完成作业。根据真空镀膜的环境要求，设备应该专用化，高精度，低噪音，并具 有较强的耐高温、抗强磁场的能力。根据这些特殊要求，机器人操作机的驱动元件采用 真空专用交流伺服电机和专用减速器，并采用该伺服电机通过滚珠丝杠，直线滚动导轨， 齿轮齿条等传动机构，它的控制精度要求也较高。由于采用此种型式的操作机可简化机 械结构，便于编程及数据输入，并对可靠性提高也有好处。 机器人操作机必须具有一定的速度、一定的持重、较高的精度，以及操作机本体所 具有的优化的运动学和动力参数。因此，操作机的设计及制造采取如下措施：采用用于 1 3 真空镀膜机器人运动控制系统的研究机械科学院硕士学位论文 真空交流伺服电机作为驱动元件；采用编码器作为检测元件；采用进口减速器、滚珠丝 杠和直线滚动导轨作为传动部件；在设计上尽量采用国外机器人所采用的成熟技术。 2 1 1 镀膜机器人基本参数： 1 ) 工具末端最大持重 其中：工作载荷 额外工作载荷 2 ) 工作范围 3 ) 手爪夹持范围 4 ) 真空环境最大工作合成速度 5 ) 自由度数( 含级向移动轴) 6 ) 重复定位精度 7 ) 驱动型式 8 ) 示教方式 2 1 2 主要技术指标 5 0 k g 3 5 k g 1 5 k g 3 5 0 0 l 枷x 9 0 0 r a m 0 2 0 0 6 0 m m 1 ：5 m m i n 7 0 5 n u n 7 轴交流伺服驱动 手动示教离线示教 ( 1 ) x 向运动轴：为沿工件长度方向运动的轴，实现的功能是，沿工件长度方向 运动，以扫描工件的每一个横截面。 x 轴的机械结构及主要技术数据： a 驱动方式：交流伺服电机 b 传动方式：齿轮齿条传动 c 工作行程：全长导轨 d 真空中工作速度：1 5 m m i n e 最大运动速度：1 0 m m i n 1 4 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 机械科学院硕士学位论文 ( 2 ) y 向运动轴：为沿工件宽度方向运动的轴，实现的功能是，沿工件宽度方向 作连续运动，以扫描工件横截面上各个点的位置。 y 轴的机械结构及主要技术数据： a 驱动方式：交流伺服电机 b 传动方式：滚珠丝杠( 或齿轮齿条) 传动 c 工作行程：6 5 0 m d 真空中工作速度：1 5 m m i n e 最大运动速度：3 m m i n ( 3 ) z 向运动轴：为沿工件高度方向运动的轴，实现的功能是。沿工件高度方向 作连续运动，以扫描工件横截面上各个点的位置。 z 轴的机械结构及主要技术数据： a 驱动方式：交流伺服电机 b 传动方式：滚珠丝杠( 或齿轮齿条) 传动 c 工作行程：6 0 0 m m d 最大工作速度：1 5 m m i n ( 4 ) 腰回转r 1 轴；为换靶及其它辅助功能的实现，以及到达端部不易进行镀膜 部位的镀膜作业。 r l 轴的机械结构及主要技术数据： 乱驱动方式：交流伺服电机 b ，传动方式：齿轮传动 c m 作转角范围：2 7 0 0 d 最大角速度：3 0 0 秒 ( 5 ) 腕摆动勉轴：在镀膜的过程中，不断的变换角度，以调整磁控靶与工件横截 面曲线的法线的夹角，为机器人的姿态控制轴。 1 5 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 机械科学院硕士学位论文 r 2 轴的机械结构及主要技术数据： a 驱动方式：交流伺服电机 b 传动方式：齿轮减速机传动 c 工作转角范围：2 7 0 0 d 。最大角速度：6 0 0 秒 ( 6 ) 腕转动髓轴；在镀膜的过程中，当横截面变换时，变换角度，以调整磁控 靶与工件纵截面曲线的法线的夹角，为机器人的姿态控制轴。r 3 轴的机械结构及主要技 术数据： 山驱动方式：交流伺服电机 b 传动方式：齿轮减速机传动 c 工作转角范围：1 8 0 。 d 最大角速度：6 0 。秒 ( 7 ) 机器人手爪驱动轴；机器人手爪的机械结构及主要技术数据： a 驱动方式：交流伺服电机 b 传动方式：齿轮传动 c 夹持工件范围：d 2 0 - 驴6 0 叫 d 最大直线速度：4 0 0 m m m i n 2 2系统组成 真空磁控溅射镀膜机器人是一个在真空高温的恶劣环境下工作的特殊专用机器人。 操作人员在真空室外面通过计算机控制机器人的各种运动，图像监视系统为操作人员提 供清晰的真空室内各种设备工作状况，便于在出现故障时，操作人员可及时处理。 机器人通过以下两种方式进行运动控制 a 示教再现方式。计算机记录示教时各运动轴的运动轨迹参数及控制命令，并经 优化计算后保存。再现时计算机将这些优化后运动轨迹参数及控制命令下传到运动控制 1 6 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 机械科学院硕士学位论文 卡，再经伺服电机驱动器控制电机转动，实现机器人示教时的各种运动姿态。 b 离线编程方式。计算机根据工件尺寸的c a d 软件文件，经编译优化后产生机器 人运动姿态的各种位移指令和控制命令，下传给运动控制卡，命令伺服电机驱动器的控 制电机转动，拖动机器人的移动。 系统框图( 见图2 - 2 ) 。、 u l | 白 厂 剑晶掣溉胁e _ i 1 - j g 取 ：西t 兰呵 煳至薪p 。 田口口 ：伊机 控制k 驱动器 图2 - 2 控制系统框图 电控系统各控制单元说明： 1 、计算机控制单元 冒7 。，弓 工控机是整个控制系统的核心控制单元，基本配制c p u 采用奔腾，工作频率1 g h z ，4 0 gb 硬盘，2 5 6 mbr a m 内存，w i n d o wn t 操作系统。 在工控机的显示屏实时显示机器人，室内外各种设备的工作状态。真空室内真空度、 湿度、磁场、电场强度等文字参数或图形。 操作人员利用这些显示内容，在结合图像监视系统拍摄的真空室内图像，可方便、 直观、详细地监视真空室内各种设备工作情况。必要时可通过计算机键盘或操作控制台 修改真空室内工作环境参数，也可以对机器人其他设备的工作状态进行干预，达到安全、 方便、可靠的运行。 2 、机器人的运动控制单元 采用八轴运动控制卡，最多可实现8 轴联动。 主要功能如下： 1 7 真空镀膜机器人运动控制系统的研究机械科学院硕士学位论文 i s a p c i 总线 r s 2 3 2 6 4 kb y t er o l l 用户存储区 5 1 2 kb y t es r a m 控制周期用户可调( 默认2 0 0 微秒) 模拟量输出4 轴范围：一1 0 v + l o v 脉冲量输出4 轴“ 占空比可调l 轴 编码器输入4 路四倍频增量式，最高频率8 姗z 辅助编码器2 路四倍频增量式，最高频率8 姗z 限位信号输入每轴左、右限位光隔 原点信号输入 每轴1 路光隔 驱动报警信号输入每轴l 路光隔 驱动使能信号输出每轴1 路光隔 驱动复位信号输出 每轴1 路光隔 通用数字信号输入1 6 路光隔 通用数字信号输出1 6 路光隔 探针信号输入占用1 路通用数字输入信号 1 8 真空镀膜机器人运动控制系统的研究机械科学院硕士学位论文 a d8 路 看门狗实时监控d s p 工作状态 在线直线、圆弧插补d s p 底层实现 程序缓冲区实现运动轨迹预处理 s 一曲线、梯形曲线、速度控制和电子齿 点到点运动 轮运动控制方式 滤波器p i d + 速度前馈+ 加速度前馈 编码器i n d e x 信号 硬件捕获 原点h o m e 信号 设置跟随误差极限 安全措施设置加速度极限 设置控制输出极限 3 、机器人的驱动单元 目前商品化的交流伺服电机只能工作在常温常压下。环境温度5 0 c 以下，气压一个 大气压。电机工作时产生的热量靠热传导热辐射散掉。保证电机温升在5 0 。c 以下。电机 内部温度1 0 0 以下。 3 p 一3 0 0 0 型磁控溅射镀膜机器人工作在真空( 1 0 - p a r ) 高温( 环境温度1 2 0 1 2 ) 条 件下，一般交流伺服电机无法正常工作。因为一般交流电机的转子用钕铁硼永磁材料制 成，这种材料在温度1 3 0 c 时开始永久退磁。电机定子线圈用普通漆包线制成耐温1 2 0 机器人各轴的驱动控制电机采用专为真空高温环境下设计的交流伺服电机a 主要特 1 口 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 机械科学院硕士学位论文 征为采用无油脂的轴承及双外壳水冷方式。满足真空高温环境下的工作，这些电机可以 在1 5 0 高温下正常工作。电机功率从2 0 0 w 到5 0 0 0 w ，电压2 0 0 v 。 4 、电缆控制单元及接口 动力电缆、信号反馈电缆全部采用高温、聚氯乙烯电缆。电缆从真空室内通过真空 插头与真空室外的电缆实现联接。这些电缆使用温度达2 0 0 c ，完全满足真空室内环境 要求。 真空镀膜机器人运动控制系统的研究机械科学院硕士学位论文 3 1 概述 第三章机器人运动学 机器人运动学是机器人技术的重要组成部分，机器人运动学研究的主要是机器人操 作臂各连杆间的位移关系、速度关系和加速度关系。其研究范围主要涉及两个问题：运 动学正问题和运动学逆问题。机器人运动学正问题讨论的是已知机器人各关节变量的 值，求末端操作器相对于基座坐标系( 定系) 的位置和姿态。机器人运动学逆问题讨论 的是给定末端操作器相对于基座坐标系的位置和姿态，计算出各种可能的关节变量的相 应取值。 进行逆运动学分析及仿真具有极其重要的意义，它是机器人运动控制和轨迹规划的 基础，可以有效地了解所设计的机器人结构是否达到预期的技术、性能指标，能否适应 其工作环境，从而及时地修改达到预定目的，以提高设计的效率及准确性，优化机器人 结构设计。通常通过运动学逆解得出关节位移，用逆雅可比求出关节速度，用逆雅可比 及其导数求解关节加速度。 3 2 刚体的位姿描述与齐次坐标变换 3 2 1 刚体的位姿描述 在刚体g 上固联一坐标系b ，b 的原点为p ，则刚体g 在坐标系a 中的位 姿可以采用矩阵表示为：f ：r p 】，其中：r 表示b 在a 中的姿态， ：r = 【“x 。y b z 。】= lr 2 i lr i i r 1 2 fr 3 l 耋 ，列向量“x 。、“k 、z 。分别为b 的x 、 y 、z 坐标轴方向的三个单位矢量在a 中的方向余弦，p 表示b 在a 中的位置 p = | p hp ，p z aj 7 ，p “、p ，、p ：分别是点p 在a 中的三个坐标分量。 上式也可以写成齐次变换的形式乞t = 警? ，名t 就叫齐次变换矩阵，同样也 代表了b 相对于a 的位姿描述若名t 为b 相对于a 的齐次变换矩阵，：t 为 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 机械科学院硕士学位论文 c 相对于b 的齐次变换矩阵，则c 相对于a 的齐次变换矩阵：t = 0 0 用4 x 1 的列向量来表示三维坐标系内的点坐标，称为点的齐次坐标，如上面的点p 在a 中可用齐次坐标表示为【pl r 。设空间有一点m 在b 中的坐标为8 m ，则齐 次坐标【ml r = 分 b ml r 3 2 2 齐次坐标变换 在本系统中，为了达到准确控制的目的，需建立对应于各个自由度的运动方程，在 建立和求解这些方程的过程中，既有空间向量的运动问题。也有三维直角坐标系的旋转 问题，为了便于解决这些问题，要用到两个坐标系问相对位置和方向的变换知识：其次， 在本系统的实时控制算法中也要用到坐标平移和坐标旋转的知识。运用齐次坐标变换的 方法不仅具有较直观的几何意义，特别是在计算机中进行计算，可使算法的复杂程度简 化，同时还能容易的求出运动方程的数值解。 三维空间的直角坐标系与齐次坐标有对应的关系，用i ，j ， k 表示直角坐标系x 、 y 、z 轴的单位向量，向量v 可表示为v = a i + b j + c k ，设三维空间的两个向量a 和b 分 肄j 为： 则两向量的和为：a + b = ( a 。+ b 。) i + ( a y + b y ) j + ( a ：+ b ：) k 两向量的数积为：a b = a x b 。+ a y b y + a ：b ： 舶骱舶啪触枷0 s o 2 荫 用四维向量( a ，b ，c ，1 ) 1 来表示前述三维直角坐标( ( a ，b ，c ) 7 ，这种方法称作齐次坐标 表示法。设向量0 ：( x 。，y 。，z 。，1 ) 1 ，向量= ( x ，y ，z ，1 ) 7 ，向量声= ( a ，b ，c ，1 ) 7 ，已知 一k - k z z a b + + j j y y a b 件 件 t a b = = 一a _ b ，、【 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 机械科学院硕士学位论文 v = p + u ，则必然存在一个变换矩阵h = t r a n s ( a b ，c ) ，使得v = t r a n s ( a ，b ，c ) u ， 该变换矩阵h 叫做平移变换矩阵，由向量蚕来决定： h = t r a n s ( a ，b ，c ) = io 01 oo o 0 0a 0 b 1b ol 在直角坐标系中除了平移变换外，还有直角坐标系绕某一坐标轴旋转的旋转变换。 设r 。和r 是共原点的两个直角坐标系，j e r i + l 是f 1 3 r 绕x 。轴旋转口角得到的，空间任 一点a 在r 中的坐标( x i 。y i ，z ，) ，在r 。+ 1 中的坐标为( x 。，y i + l ，zj + 1 ) x i 。x 嘲 由图3 - 1 可得： 图3 - 1直角坐标系绕x 轴旋转。角 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 机械科学院硕士学位论文 眺鬈0 x i y i z i lo 0c o s o 0s i n o 0o o s i n 目 c o s o o 写成简化形式为：【x 。 y 。z ；l r = r o t ( x ，p ) 【x 。+ y i + lz v , i1 】 其中r o t ( x ，0 ) 为绕x 轴旋转。角的旋转变换矩阵。 同理可求出绕y 轴和z 轴旋转。角的旋转变换矩阵r o t ( y ，e ) 和r o t ( z ，0 ) 分别 如下： r o t ( y ，0 ) = c o s 0 0 一s i n 口 0 0s i n o0 loo 0c o s o0 o0l ，r o t ( z ，0 ) = c o s 口- s i n oo 0 s i n oc o s o0 0 ool0 ooo1 多个坐标同时旋转时，要注意旋转的次序，变换的顺序是“从左向右”，次序不同 结果不同。 3 2 3 机器人运动方程的建立 机器人的位姿方程也称为运动方程，是进行机器人位姿分析的基本方程。它的建立 和求解是机器人机构学的基本问题之一 建立坐标系的方法有多种，常用的有d - h 法( 四参数法) 和五参数法及矩阵变换法 等。本文采用d 埘法建立机器人位姿矩阵。d e n a v f t 和h a r t e n b e r g 于1 9 5 5 年提出一种 2 4 跚瞄酝 h “ “毛孔毛 下oooo且 o ：藿础 一 c 。 =ooooooo卫 o o 0 1 真空镀膜机器人运动控制系统的研究机械科学院硕士学位论文 为关节链中每一杆件建立附体坐标系的矩阵方法，即d - h 法d _ h 法用齐次变换来描述 相邻各个连杆相对于固定参考系的空间几何关系，用一个4 4 的齐次变换矩阵描述相 邻两邻杆的空间关系，从而推导出末杆坐标系相对于参考系的等价齐次变换矩阵，建立 操作臂的运动方程 首先给连杆依次编号，然后在每一个杆上固结一个坐标系，与基座固结的坐标系称 为坐标系o ，与杆1 固结的坐标系称为坐标系l ，依此类推各中间连杆的坐标系 按下述原则规定；坐标系1 的z 轴z 与关节轴i 共线，指向任意定。坐标- 系i 的x 轴x ，与连杆两关节轴的公垂线重合，指向从关节轴i 到关节轴i + 1 。坐标系的y 轴 y - 按右手法则确定。对于首端杆和末端杆，其坐标系的选取，应尽量使问题简化。d - h 法可分为固联坐标系前置模型和固联坐标系后置模型两种。将各中间杆的坐标系原点取 在各杆从基座算起的第一个关节所建立起的连杆坐标系，就叫固联坐标系前置模型。利 用连杆坐标系，则连杆参数可明确定义如下：连杆长度4 ，从z 一到z 沿x t 测量的距 离：连杆扭角从互到z i + ，绕置旋转的角度：连杆间距t 从以- 到置沿乙轴 测量的距离；关节转角只从五- 到置绕互旋转的角度。 根据d - h 表示法，杆件的结构参数8 。，和相对位置参数d i ，只，按下述方法求 得： ( 1 )鼠为从x 。绕2 t 轴( 按右手规则) 的关节角( 逆时针为正) 。 ( 2 ) d 为从x i - i 到x ，沿2 。测量的距离。 ( 3 )4 一为从2 i i 轴到2 沿x 1 i 测量的距离。 ( 4 )啦为从z i 1 轴到z i 绕x s - i 旋转的角度( 逆时针为正) 。 根据上述建立笛卡尔坐标系的规则和杆件的参数的求取规则，并根据机器人的本体 简图，可以确定机器入的坐标系。 一旦建立了任意杆件的p h 坐标系，即可方便地确定联系i 坐标系和i _ 1 坐标系的 真空镀膜机器人运动控制系统的研究 机械科学院硕士学位论文 齐次变换矩阵。根据前面的齐次坐标变换理论，可以得到几个转换矩阵的 积：州e 联这六个转换矩阵之积表示了机器入最后坐标系( 末端执行器坐标系) 相 对于基坐标系的转换，即： t = t l o ( 1 。) e ( 1 ：) 耳( 1 ，) 曰( b ) ( 岛) ( 岛) ( 3 1 ) 这就是机器人正向运动方程，下面就用d h 方法求解运动学正解根据齐次变换原 理和位姿理论得到各关节的位置矩阵如下： ( 1 ) 沿x 。轴平移l 。的坐标变换矩阵为： 耳= 1o ol o 0 o 0 0 1 1 0 o 10 ol ( 2 )沿y 2 轴平移l ：的坐标变换矩阵为： lo ol o0 o o 00 0 1 2 10 ol ( 3 ) 沿z z 轴移动8 - ，沿z ，轴平移1 3 的坐标变换矩阵为： 霹= looo oloo 0 01 a 1 + 1 3 o o o1 ( 4 ) 沿z ，轴移动8 z ，绕z 轴转动只角的坐标变换矩阵为： 曰= c l s 1 0 0 s ic l 0 0 001 8 2 o00l ( 5 ) 沿z 移动乱，绕x t 轴转动9 0 a ，绕z ，轴转动岛角的坐标变换矩阵为