（控制理论与控制工程专业论文）水火弯板机器人控制问题的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 船体曲面钢板水火加工成型( 也称水火弯板) 是造船过程中对船体外板进行加工成 型的工艺。目前这种加工技术主要是靠作业工人的经验积累才能掌握。在实际工作中， 对于一个有经验的熟练工人来说，要加工出一块弯板，通常需要经过两三遍的水火加工 过程才能完成。而对于一个新手来说，这个工作就是相当困难的。基于这个原因，本文 研究了水火弯板机器人设计过程中的相关问题，希望可以通过对机器人的精确控制来代 替人工操作，提高水火弯板的加工效率。 本文首先对水火弯板的加工工艺进行了详细阐述，并据此确定了水火弯板机器人的 自由度，运动空间以及运动特点，设计了控制系统方案。然后再根据所确定的自由度和 运动空间，以控制系统为依托，深入研讨了水火弯板机器人的运动学问题与动力学问题。 其中运动学问题主要是解决操作机末端执行器的位置和姿态与各关节弯曲角度的对应 关系；动力学问题主要是解决关节力矩与关节位移、速度和加速度之间的关系。由于水 火弯板加工工艺的特殊性，所以本文对机器人的运动轨迹进行了合理的规划。 文章的后半部分阐述了如何在v i s u a lc h 平台下，利用o p e n g l 技术设计的水火弯 板机器人手臂的三维仿真软件。仿真首先模拟了机器人运动学问题，基于此对运动中的 路径进行了规划。仿真软件可以实现三个问题的仿真操作：静态仿真：未进行轨迹规划 的动态仿真；已进行轨迹规划的动态仿真。仿真结果表明，所求解的运动学方程以及所 规划的运动轨迹可以完全满足水火弯板工艺的要求。 关键词：水火弯板；控制系统；运动学；动力学；o p e n g l 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho f r o b o tc o n t r o lp r o b l e mf o rs t e e lp l a t ef o r m i n g a b s t r a o t s h i ph u l ls t e e lp l a t eb a n d i n gb yl i n eh e a t i n g ( s t e e lp l a t ef o r m i n g ) i st h et e c h n i q u eu s e dt o m a k es h i pp l a t ef o r mi nt h ep r o c e s so fs h i p b u i l d i n g a tp r e s e n t ，t h et e c h n o l o g yi ss t i l la p p l i e d b yh a n dr a t h e rt h a nb ym a c h i n e f o ra ne x p e r i e n c e dw o r k e r ，h en e e d sad o z e nt i m e st oh e a t t h es t e e li no r d e rt of i n i s hap i e c eo fs t e e l h o w e v e r , i ti ss od i f f i c u l tf o ran o v i c e f o rt h i s r e a s o n , t h ep a p e rm a k e st h er e s e a r c ho nt h es e v e r a lr o b o tc o n t r o lp r o b l e m sf o rs t e e lp l a t e f o r m i n g i ti se x p e c t e dt h a tm a k i n gg o o db $ eo f r o b o t si n s t e a do f w o r k e r si no r d e rt oi m p r o v e w o r ke f f i c i e n c y f i r s tt h et h e s i si n t r o d u c e st h et e c h n i q u eo fs t e e lp l a t ef o r m i n ga n dd e s i g n st h ef r e e d e g r e e ，m o t i o ns p a c e ，m o t i o ns p e c i a l t yo fs t e e lp l a t ef o r m i n gr o b o t sa n dc o n t r o ls y s t e m a n d t h e n ，b a s e do nt h ef r e ed e g r e e ，m o t i o ns p a c e ，m o t i o ns p e c i a l t yo fs t e e lp l a t ef o r m i n gr o b o t s a n dc o n t r o ls y s t e m ，t h ek i n e m a t i c sa n dk i n e t i c sp r o b l e m so fs t e e lp l a t ef o r m i n gr o b o t sa r e e n t e r e di n t o d e e p t h ek i n e m a t i c sp r o b l e mm a i n l ya n a l y s e s t h er e l a t i o n s h i pb e t - w = n a r t i c u l a t e dm a n i p u l a t o rl o c a t i o na n da r t i c u l a t i o nc u r v i n ga n g l e ；t h ek i n e t i c sp r o b l e mm a i n l y a n a l y s e s t h e r e l a t i o n s h i pa m o n g a r t i c u l a t i o nm o m e n t , a r t i c u l a t i o nd i s p l a c e m e n t , a n d a r t i c u l a t i o n v e l o c i t ya n d a r t i c u l a t i o na c c e l e r a t i o n b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t yo ft h e t e c h n i q u eo f s t e e lp l a t ef o r m i n g ，t h ep a p e r p l a n st h em o t i o np a t ho f s t e e lp l a t ef o r m i n gr o b o t s t h el a s tp a r to ft h ep a p e ri n t r o d u c e st h a th o wt ou s et h eo p e n g lt e c h n o l o g yt od e s i g n t h ee m u l a t o rs o f t w a r eo fs t e e lp l a t ef o r m i n gr o b o t sb a s e do nt h ev i s u a lc + + t e c h n o l o g y i t s i m u l a t e st h ek i n e m a t i c se q u a t i o no fs t e e lp l a t ef o r m i n gr o b o t sw i t hp a t hp l a n n i n g t h e e m u l a t o rs o f t w a r eh a st h r e ef u n c t i o n s ：e m u l a t o ro fs t a t i cs t a t e ；e m u l a t o ro fd y n a m i c m o v e m e n tw i t h o u tp a t hp l a n n i n g ；e m u l a t o ro fd y n a m i cm o v e m e n t 研t 1 1p a t hp l a r m i n g t h e e m u l a t i o nr e s u l tp r o v e st h a tt h ek i n e m a t i c se q u a t i o na n dt h ep a t hp l a nf u l f i l lt h et e c h n i q u eo f s t e c lp l a t ef o r m i n g k e yw o r d s ：s t e e lp l a t ef o r m i n g ；c o n t r o ls y s t e m ；k i n e m a t i c s ；k i n e t i c s ；o p e n o l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：丑士彤日期： 大连理丁大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：丑盥作者签名：盟盘i 丝 翩虢搋聋 丝卫年卫月丝曰 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 各种船舶的外表面大都是由复杂的、不可展的空间曲面构成，把钢板加工成这样的 曲面，目前世界各国造船厂采用的方法都是线状水火加工工艺。一艘万吨级的舰船，占 总数1 4 1 3 的船体表面钢板要经此工艺进行加工。然而此项工艺过程对经验和手艺依 赖性极大，效率低、成本高、质量不稳。所以为了缩短建造周期、降低造船成本、转换 造船模式、提高造船质量，使水火弯板加工不再成为影响造船速度和质量的一个“瓶颈”， 需要对此项工艺实现自动化。而在工业加工中充当主力军角色的工业机器人，也就成了 最佳的“人选”【旧。 1 1水火弯板的工艺特点及研究方向 3 , 4 1 水火弯板也称为线状加热冷却成型，其加工工艺具有很强的复杂性。为了能够实现 自动加工的目标，国内外许多专家对其进行了多年的研究。 1 1 i 水火弯板的工艺特点 船体曲面钢板水火加工的工艺是首先把钢板在滚床上加工成筒型，然后对钢板边缘 ( 或中间) 用氧乙炔焰( 或激光热源、高频热源) 进行线状加热到红热状态后再浇水急剧冷 却，使钢板发生局部收缩变形，形成所需要的三维曲面。其原理主要是利用金属板局部 受高温冷却后产生的局部热弹塑性收缩变形而达到整体弯曲成型。图1 1 所示几种常见 船体曲面钢板的加热线布置情况： 。皿砀口盈一_ 昏一易昏一历。 表示加热线 图1 1 常见船体曲面钢板水火加工的加热线布置 f i g , 1 1 p o s i t i o no f h u l ls t e e lp l a t eh e a d i n gl i n e s 水火弯板机器人控制问题的研究 在实际生产中，有经验的工人通过对曲面板整体形状的观察，首先估算出各部分所 需要的收缩量，然后再进一步考虑如何布置加热线确定其他工艺参数。并且在加工过程 中，还需要根据总体变形情况，修改工艺参数。对于经验丰富的老技术工人来说，加工 较常见形状的曲面板，成功率和加工效率会比较高，但当曲面复杂时，也要反复思考， 往往经过几遍加工才能完成。 水火弯板工艺的复杂性表现在： ( 1 ) 影响金属板局部收缩变形的参数较多。如火焰的移动速度、加热线的长度、加 热线的间距、板的几何尺寸、冷却方法、火焰的功率、喷嘴尺寸、喷嘴离板表面的距离、 金属板材质、气温、加工钢板的边界支撑条件等。 ( 2 ) 由于钢板局部热弹塑性变形机理复杂，所以加工过程中的热交换条件等难以准 确模拟。 1 1 2 水火弯板的研究方向 研究水火弯板这个问题，最终目标是研制成数控自动弯板机。但由于工程的复杂性， 要达到最终目标，就需要分步骤的进行试验分析和理论研究。水火弯板的研究工作主要 应分为下面的几个阶段： 第一阶段，属于对水火弯板加工方法的定性研究阶段。主要研究方面有：根据金属 板的材质和强度要求，限定金属板表面最高温度；根据不同加热线形状，确定较好的冷 却方法；研究主要工艺参数对成型效果的影响规律等。 第二阶段，是对水火弯板加工过程中工艺参数影响变形参数的定量分析阶段。主要 研究方面有：水火弯板数学模型的建立和完善；不可展曲板的最佳展开方法；水火弯板 计算机模拟方法等。 第三阶段，是对水火弯板数控系统的研究阶段。主要研究方面有：水火弯板专家系 统；水火弯板人一机交互控制系统；水火弯板自动控制系统。 纵观上述的三个研究阶段，第一阶段是定性阶段，这个阶段在国内外的研究中已基 本完成。第二阶段是水火弯板课题研究的关键阶段，也是技术难度最大的阶段。其主要 的研究目的是要找出工艺参数对变形参数的定量的影响关系，建立一套比较完整的数学 模型，完成计算机辅助水火弯板工艺参数的软件系统。为此，国内外的许多船舶专家做 了大量的研究工作，并取得了许多优异的成果。其中2 0 世纪9 0 年代初开始，大连理工 大学的纪卓尚教授等人和大连新船重工有限责任公司共同合作，在试验板测试分析、实 验室实验分析、水火弯板热弹塑性机理及计算机模拟方法等方法作了较多的研究工作 到目前为止，已取得了一些阶段性成果： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 计算分析了水火弯板瞬态温度场，并同实验结果进行了比较分析。 ( 2 ) 提出了可以计算局部收缩的船体曲面外板展开方法，并研制开发了造船厂可以 使用的计算程序。 ( 3 ) 通过大量的实船板实验测试，建立了比较准确的数学模型。 ( 4 ) 提出了水火弯板工艺参数的优化设计方法。 ( 5 ) 研制开发了水火弯板工艺参数自动预报软件系统，在大连新船重工有限责任公 司投产使用多年。 本文正是在第二阶段研究结果的基础上，进行第三阶段的研究。按照纪尚卓教授等 人的研究成果及得出的优化工艺参数，设计自动控制的工业机器人对船体钢板进行水火 加工。在这些工艺参数中，以火焰的速度、加热线的长度、加热线的间距以及喷嘴离板 面的距离为关键参数。本文所研究的机器人也主要以精确控制这四个参数为主要目的。 1 2 工业机器人的概述【5 】 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，是当代最高意义的自动化”。机器人应用 情况是一个国家工业自动化水平的重要标志。 1 2 ，1 国内外工业机器人发展状况 国外工业机器入的起步比较早，1 9 5 4 年，美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念， 并申请了专利。1 9 5 8 年，被誉为“工业机器人之父”的j o s e p h f e n g l e b e r g c r 创建了世 界上第一个机器人公司u l i | i l 州o n ( u n i v e r s a l a u t o m a t i o n ) 公司，并参与设计了第一台 u n k n a t e 机器人。6 0 年代随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入了成长期， 机器人开始向实用化发展，并被用于焊接和喷涂作业中。7 0 年代随着计算机和人工智能 的发展，机器人进入实用化彰r 段。舫年代，机器人发展成为具有各种移动机构、通过传 感器控制的机器。工业机器人迸入普及时代，开始在汽车、电子等行业得到大量使用。 推动了机器人产业的发展。为满足人们个性化的要求，工业机器人的生产趋于小批量、 多品种。9 0 年代初期，工业机器人的生产与需求进入了高潮期，还出现了具有感知、决 策、动作能力的智能机器人，产生了智能机器或机器人化机器。现在，国外的工业机器 人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而形成了一批在国 际上较有影响力的、著名的工业机器人公司。他们包括：瑞典的a b br o b o t i c s 日本的 f a n u c 、y a s k a w a ，德国的k u k a r o b o t e r ，美国的a d e p t t e c h n o l o g y 、a m e r i c a n r o b o t 、 e m e r s o n i n d u s t r i a l a u t o m a t i o n 、s - t r o b o t i c s ，意大利c o m a u ，英国的a u t o t e c h r o b o t i c s ， 水火弯扳机器人控制问题的研究 加拿大的j c di n t e r n a t i o n a lr o b o t i c s 。以色列的r o b o g r o u pt e k 公司，这些公司已经成为 其所在地区的支柱型企业。 我国工业机器人起步于2 0 世纪7 0 年代初期，经过3 0 多年的发展，大致经历了3 个阶段：7 0 年代的萌芽期，8 0 年代的开发期和9 0 年代的实用化期。2 0 世纪7 0 年代是 世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发 射了人造卫星。世界范围内工业机器人的应用掀起了一个高潮，尤其在日本发展更为迅 猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1 9 7 2 年开始研制自己的工业 机器人。进入2 0 世纪8 0 年代后，随着改革开放的不断深入在高技术浪潮的冲击下， 我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金， 对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发、研 制出了喷涂，点焊、弧焊和搬运机器人。1 9 8 6 年，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 开 始实施，经过几年的研究，取得了一大批科研成果成功地研制出了一批特种机器人。 从2 0 世纪9 0 年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮 的经济体制改革和技术进步热潮，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的 腾飞奠定了基础。虽然我国工业机器人技术起步较晚。但发展势头强劲，在国内也形成 了几家著名的公司。其中，首钢莫托曼机器人有限公司是目前国内最大、最先进的机器 人生产基地，年生产能力为8 0 0 台。沈阳新松机器人自动化股份有限公司由中国科学院 沈阳自动化所为主发起人投资组建的高技术公司，该公司是在国内率先通过i s 0 9 0 0 1 国 际质量保证体系认证的机器人企业，并在福布斯2 0 0 5 年最新发布的”中国潜力1 0 0 榜”上名列第4 8 位。 目前我国机器人研究的主要内容如下： ( i ) 示教再现型工业机器人产业化技术研究 ( 2 ) 智能机器人开发研究 ( 3 ) 机器人化机械研究开发 “) 以机器人为基础的重组装配系统 ( 5 ) 多传感器信息融合与配置技术 1 2 2 工业机器人的基本组成 工业机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部 分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人环境交互系统、人机 交互系统和控制系统。可用图1 2 来表示。 4 一 大连理工大学硕士学位论文 人机交互系统 控 掣 1 + a d x i j e 镕f 1 7 i 1 1 1 。1 i ， i 感 l 受 上 系 驱动系统 机 统 j鬈 1 ， 机械结构系统 分 l 上 机器人一环境交互系统 传悬邵分 图1 2 工业机器人的基本组成 f i g 1 2 b a s a ls t r u c t u r eo f i n d u s t r yr o b o t s 机械部分是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体，形成开环运动学链系。连杆 类似于人类的小臂、大臂等，关节通常为转动关节和移动关节。移动关节允许连杆作直 线运动，转动关节仅允许连杆之间发生旋转运动。由关节一连杆结构所构成的机械结构 一般有3 个主要部件，即臂、碗和手，他们可在各个方向运动，这些运动就是机器人在 “做工”。 使各种机械部件产生运动的装置为驱动系统，驱动源可以是气动的、液压的或电动 的，他们可以直接地与臂、碗或手上的机械连杆或关节联接在一起，也可以使用齿轮、 带、链条等间接联接起来。传感部分是将有关机械部件的信息传递给机器人的控制部分， 控制部分通过这些信息确定机械部件各部分的正确运行轨迹、速度、位置和外部环境， 使机械部件的各部分按预定程序在规定的时间开始和结束动作。 1 3 论文的主要研究工作和内容安排 本课题是以大连理工大学船舶系的8 6 3 课题“大型复杂曲面钢板水火成型智能机器 人”为背景。在综合考虑了水火弯板加工工艺的前提下，本文主要研究了水火成型智能 机器人控制部分所包括的运动学控制和动力学控制两大内容，并在此基础上采用了计算 水火弯扳机器人控制问题的研究 机三维仿真技术对机器人手臂的运动进行了仿真。以下列出了本文的所做的具体工作及 内容安排： 第一章首先以水火弯板为对象，介绍了它的加工工艺，并深入分析了其加工过程的 复杂性以及研究方向。然后对工业机器人的国内外发展状况和系统的基本构成进行了概 述。 第二章主要是在现有数控系统的基础上，对水火弯板机器人控制系统方案进行设 计，其中包括硬件部分设计和软件部分设计。 第三章主要是以机器人的运动学控制为研究主体，在充分分析了水火弯板工艺的基 础上，建立了水火弯板机器人的自由度和运动空间，推导了运动学的正解和逆解方程， 并根据加工中所要求的运动特点对机器人的运动进行了轨迹规划。 第四章介绍了本文用到的一些数学定理，针对三自由度机器人为控制对象通过拉格 朗日方程建立动力学模型。 第五章在v i s u a lc + + 的平台下，利用o p e n g l 技术，根据所建立的水火弯板机器人 的运动学方程，以及所进行的运动轨迹的规划，成功的对机器人手臂运动进行了三维仿 真。仿真结果表明了算法的可行性和运动模型的正确性。 最后在结束语部分，对整个工作进行了总结，提出了对未来的工作展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 水火弯板机器人的控制系统 研究水火弯板机器人控制问题，首先应该先以稳定的数控系统为依托，它是各种控 制问题的硬件基础。所以本章对当前现有的数控系统进行分析，先确定可行的数控系统 方案，为后面章节研究机器人运动学与动力学的控制问题奠定基础。 2 1 控制方案设训6 ，7 】 近年来，机器人控制系统的结构与特性越来越为人们所重视，为了从关节这一级来 改善和提高系统的性能，迫切要求机器人具有开放和人机交互特性。然而，现在绝大多 数机器人的结构都设计成封闭式的。为此，从8 0 年代末期开始，人们对机器人系统的 结构开展了研究，并取得了一些进展坤以4 】。现在市场上开放式数控系统的类型有很多， 其组成也是各不相同，不过本质上都是向基于p c 的开放式数控方向发展。世界上许多 数控系统开发厂家利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系 统。就基于p c 的开放式数控系统的结构形式而言，开放式数控系统可分为以下四种类 型：p c 连接n c 型、p c 嵌入n c 型、全软件n c 型和n c 嵌入p c 型。 ( 1 ) p c 连接n c 型：是将现有的原型c n c 与p c 通过通讯线直接相连。其优点是 实现起来比较容易，且c h i c 几乎可以不加改动的使用，并且可以使用通用软件。缺点 是这种数控系统的响应速度、通讯速度比较慢。 ( 2 ) p c 嵌入n c 型：p c 与c n c 之间用专用总线连接。其优点是原型c n c 几乎可 以不加改动的使用，且通讯速度快、系统响应快。但因其体系结构还并不是完全开放的， 所以通用性不强，用户也无法介入数控系统的核心。 ( 3 ) 全软件n c 型：完全采用基于p c 的全软件形式的数控系统。先前n c 的全部 功能全由p c 完成，并通过装在p c 扩展槽中的接口卡进行控制。其优点是c n c 软件全 部封装在计算机中，编程处理相当灵活，而硬件部分又仅是计算机与伺服驱动和外部 之间的标准化通用接口，所以其机件的通用性能也较强。但缺点是，仅通过p c 进行实 时处理比较困难，较难保证系统的可靠性。 ( 4 ) n c 嵌入p c 型：即运动控制卡插入工业控制计算机来构建的数控系统。这种 数控系统实际上采用了一种主从式的c p u 结构。工控机采用w i n d o w s 操作系统，这种 操作系统具有很好的人机界面，但其本质上不是一个实时操作系统，因此我们利用工控 机c p u 作为主c p u 以完成系统的初始化、文件输入输出、数控代码生成、对运动控制 卡的控制、生成裁剪管理信息等非实时性任务，而采用运动控制卡的从c p u 完成控制 运动指令的解释、自动加减速控制、插补及运动控制等实时性任务。如今这种控制系统 水火弯板机器人控制问题的研究 已经被广泛应用于制造业自动化控制各个领域，它能充分保证系统的性能，软件的通用 性强且编程处理简单灵活。 通过对以上四种数控方案的性能、实现难度、工作量和成本的系统比较，本控制系 统采用了n c 嵌入p c 型的数控系统。下面就具体介绍此系统的硬件组成及软件结构。 2 2 控制系统的硬件设计 本课题的水火弯板机器人系统，采用的是“n c 插入p c ”式的工业控制系统，运动 控制卡采用美国g a l i l 公司的d m c 1 8 x 2 系列。d m c 1 8 x 2p c i 总线4 轴运动控制器是为 满足对价格极为关心的应用场合而设计的新产品。d m c - i s x 2 运动控制器采用3 2 位微 处理器，可控制4 轴，其本身具有多轴直线插补、圆弧插补、轮廓控制、电子齿轮和电 子凸轮( e c a m ) 等功能，板上有2 mf l a s h 可擦写存储器及2 mr a m ，可存储用户程序、 数量、数组和控制程序，并可脱机运行。d m c 1 8 x 2 运动控制器与外部接口采用1 0 0 p i n 高密度屏蔽电缆。用2 字符直观易懂的命令及全套支持软件工具使得应用编程更加简单。 它本身自带的i o 口还可以用来获得限位开关等信号 j s j 6 1 。下图为在p c 机中采用g a l i l 运动控制卡，组成的水火弯板机器人控制系统硬件框图： 仁冷 一 一 一 一臣困 图2 1 控制系统的硬件组成 f i g 2 1 h a l d w a r es 自m c m o f c o n t r o ls y s t e m 一8 大连理工大学硕士学位论文 2 3 控制系统的软件设计 g a l i l 运动控制器提供了功能强大且使用方便的编程语言，使用户能快速编程来解决 任何运动控制方面的难题。用户能够把程序下载到存储器，无需主机干预，即可执行。 多任务功能同时执行8 个用户程序，允许同时执行各独立任务。除标准运动命令外，d m c 还提供许多命令，使其做出自行决定，这些命令包含各种程序跳转、事件触发及子程序 调用等。此外d m c 还提供了用于检测、修正系统误差及处理来在外部开关中断的子程 序。为了方便用户在c c + + 或v b 里进行二次开发，在d m c 1 8 x 2 卡驱动程序的安装中 包含有对g a l i l 控制卡进行控制的d l l 动态连接库，可以将控制程序文件载入伺服控制 卡并执行已载入到控制卡的程序。 另外，为了可以使机器人能够更加灵活和形象的操作，提高编程效率，可以利用现 在数控技术中的c a d 技术。目前a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 软件在c a d 领域已经占 主导地位，被广大用户接受。它是一个非常完整的图形编辑系统，具有完善的图形数据 库，可以存储有关当前图形的所有数据和管理信息。但是由于a u t o d c s k 公司没有完全 公开d w g 图形文件格式，因此d x f 格式就成为了与a u t o c a d 接口的唯一数据格式。 d x f 文件格式是a u t o d e s k 公司为其产品a u t o c a d 与外部c a d c a m 系统c a d 图 形标准数据交换格式，是以a s c i i 码存储的文本文件。目前d x f 文件格式己在c a d 领 域成为一种标准的数据交换文件，它储存着零件图形的所有数据信息，这些信息可以用 来生成数控加工所需要的数控加工代码，这样就极大的减少了从c a d 到c a m 的编程 工作量，提高了设计和生产的效率。d x f 文件一般包括头段( h e a d e r ) 、类段 ( c l a s s e s ) 、表段( t a b l e s ) 、块段( b l o c k s ) 、实体段( e n t i t i e s ) 和对象段( 0 b j e c t s ) 等六个段，在本软件设计中，我们只关心d x f 图形文件中的图形元素的几何信息和数 据，所以除了实体段( e n t i t i e s ) ，可以把那些存放在文件中的其他类段予以忽科1 7 l 。 经过以上分析，下面总结出水火弯板机器人控制系统软件的系统数据流程图： 利用a u t o c a d 设计 机器人运动轨迹 机器人按照设定程 序运动 d x f 标准图形文件 利用v c 程序对 d x f 文件进行译码 l 利用v c 程序输入到控 皇垫丝型笪呈 l 制卡中并执行电机控 l 制信号 图2 2 控制系统软件的数据流程图 f i g 2 2 d a t af l o wc h 1o f c o n t r o ls y s t e ms o t t w a m 9 一 呈 n 的 加 工 代 码 水火弯板机器人控制问题的研究 3 水火弯板机器人的运动学控制 机器人运动学是将机器人相对于固定参考系( e p 关节坐标系) 的运动作为时间的函 数进行分析研究，而不考虑引起此运动所需要的力矩，其研究的重点是关节变量空间和 机器人末端位姿的关系。运动学控制的本质是解决坐标变换的问题。机器人轨迹规划则 是在运动学的基础上讨论关节空间和轨迹空间中运动轨迹生成方法，根据任务要求，计 算出预期的运动轨迹。 3 1机器人的自由度及工作空间的分析 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪( 末端操作器) 的 开合自由度【5 1 。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态( 简称位姿) 需要六个自由度。 其中包括沿着坐标轴o x 、o y 和o z 的三个平移运动正，五和正；绕着坐标轴o x 、o y 和o z 的三个旋转运动r ，r ，和r ，。但是工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，由于 水火弯板的工艺是要求在钢板上进行线状加热，所以可以采用四个自由度的机器人来完 成加工动作。手腕，小臂，大臂以及底座之间各有一个转动自由度，底座包含一个移动 自由度用来移动到下一加热线的位置。下图3 1 为机器人自由度的示意图： 图3 1 水火弯板机器人的自由度 f i g 3 1 f r e ed e g r e eo f s t e e lp l a t ef o r m i n gr o b o t s 机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安装点所能到达的所有空间区域，不包括 手部本身所能到达的区域。机器人所具有的自由度数目及其组合不同，则其运动图形不 大连理工大学硕士学位论文 同；而自由度的变化量( 即直线运动的距离和回转角度的大小) 则决定着运动图形的大 小。在工作空间内要考虑连杆自身的干涉，以防止与作业环境发生碰撞。在实际系统中 根据关节的作业要求、防止碰撞障碍物、防止受到机械约束等实际情况，需要通过限位 开关控制其旋转范围。 机器人末端所到达的空间受到一定的限制，这是根据机器人自身的一些物理参数确 定的，任一时刻机器人末端所能到达的空间点都在其各关节伸展范围以内。考虑到机器 人的旋转关节都不能在空间作任意角度的旋转，对它们的关节变量的旋转范围作如下限 定： 大臂的旋转范围为：0 。鼠s 1 5 0 。 小臂的旋转范围为：一1 5 0 。0 2s 0 。 手腕的旋转范围为：一1 5 0 9 只s0 。 以下是利用m a t l a b 对水火弯板机器人工作空间仿真的编程流程图及仿真结果f i s 】： 图3 2 工作空间r a t l a b 仿真的编程流程图 f i g 3 2 f l o wc l l a r to f m a t la ba n l u a t o r 水火弯扳机器人控制问题的研究 图3 3 工作空问g a t l a b 仿真的结果 f i g 3 3 r e s u l t o f m a t l a be m l u a t o r 3 2 机器人空间描述 1 9 5 5 年，j d e n a v i t 和r s h a r t e n b e r g 首次提到用齐次矩阵( d - h 矩阵) 来描述机构连 杆间的关系。d h 矩阵是一个4 4 的矩阵，它把一个矢量从一个坐标系转换到另一个坐 标系。每一个矩阵可同时实现以下两个作用：旋转和平移。原来的矢量必须用齐次坐标 系表示。1 9 7 2 年，p a u l 首次将d h 矩阵应用于机器人的轨迹计算，从此，齐次变换在 机器人运动学和动力学分析中广为应用。它为机器人的分析与控制提供了一种有效的手 段。 3 2 1 工业机器人的位姿描述【9 】 对于工业中常见的关节式机器人，机器人实际上可视为由一系列关节连接起来的连 杆组成，把坐标系固定在机器人上的每一个连杆的关节上，可用齐次变换来描述这些坐 标系之间的相对位置和姿态方向( 简称位姿) 。 ( 1 ) 位置描述 一旦建立了一个坐标系，我们就能够用某个3 x 1 位置矢量来确定该空间内任一点的 位置。对于直角坐标系似) ，空间任一点p 的位置可用3 l 的列矢量。p 大连理工大学硕士学位论文 吨 表示a 其中，以，p y ，p ：是点，在坐标系 中的三个坐标分量a ( 3 1 ) 。p 的上标a 代表参 为了研究机器人的运动与操作，往往不仅要表示空间某个点的位置，而且需要表示 物体的方位。物体的方位可由某个固接于此物体的坐标系描述。为了规定空间某刚体口 的方位，设置一直角坐标系佃 与此刚体固接。用坐标系协 的三个单位主矢量h ，y 。， z 。相对于参考坐标系伪j 的方向余弦组成的3 x 3 矩阵 h ：， ；尺= 【。h 。y j 。】- ir 2 lr 2 2 白i ( 3 2 ) 【_ ik j 来表示刚体b 相对于坐标系 的方位。：月称为旋转矩阵。式中，上标一代表参考坐 标系伽 ，下标口代表被描述的坐标系 斟。：r 共有9 个元素，但只有3 个是独立的。 由于；r 的三个列矢量。，。y 。和。都是单位矢量，且双双互相垂直，因而它的9 个 元素满足6 个约束条件( 正交条件) 。x a x 而= a y 占x 。y 口= z 口。钿= l 4 x b x 。y b 2 。y b x 。z 8 2 。z i x 。x b = 0 可见，旋转矩阵：胄是正交的，并且满足条件 j a 月一= 扣。；j ；劂= l 式中，上标t 表示转置；i i 为行列式符号。 对应于轴j ，y 或z 作转角为0 的旋转变换，其旋转矩阵分别为 水火弯板机器人控制问题的研究 凡( j ，力 r ( y ，力 r ( z ，们 ( 3 3 ) 式中，s 表示s i n ，c 表示c o s 。以后将一律采用此约定。 ( 3 ) 位姿描述 上面我们已经讨论了采用位置矢量描述点的位置，而用旋转矩阵描述物体的方位 要完全描述刚体曰在空间的位姿( 位置和姿态) ，通常将物体口与某一坐标系 口 相固接。 ( 占 的坐标原点一般选在物体口的特征点上，如质心等。相对参考系“) ，坐标系 b 的 原点位置和坐标轴的方位，分别由位置矢量。p 和旋转矩阵；r 描述。这样，刚体b 的 位姿可由坐标系 曰 来描述，即有 扫 = b 胄乍晶 ( 3 4 ) 当表示位置时，上式中的旋转矩阵：胄= ( 单位矩阵) ；当表示方位时，上式中的位 置矢量。p 晶= 0 。 3 2 2 齐次坐标变换嗍 受机械结构的限制，在工业机器人中，被视为刚体的连杆的运动一般包括平移运动、 旋转运动和平移加旋转运动。我们把每次简单的运动用一个变换矩阵来表示，那么，多 次运动即可用多个变换矩阵的积来表示，表示这个积的矩阵称为齐次变换矩阵。这样， 用连杆的初始位姿矩阵乘以齐次变换矩阵，即可得到经过多次变换后该连杆的最终位姿 矩阵。通过多个连杆位姿的传递，我们可以得到机器人末端操作器的位姿，即进行机器 人正运动学的讨论。 ( 1 ) 平移的齐次变换 由点a ( x ，y ，z ) 平移至点a ( 工。，y ，z ) ，即 一2 工+ a x l y k y + 缈 z = z + ：l 1j 1，j 1j翻鞠习 一 一 o，o卵毋o o胡卵， 口 一 。 。o o甜。吖胡卵。 以卜仨学 大连理工大学硕士学位论文 10 o1 o o o o 记为： a l = t r a n s ( a x , a y a z ) a ( 3 5 ) 其中，t r a n s ( a x ，a y ，a z ) 称为平移算子，x 、缈、z 分别表示沿x 、y 、z 轴的移动量。 映射关系如图3 4 所示。 图3 4 点的平移变换 f i g 3 4r e m o v et r a n s f o r mo f p o i n t ( 2 ) 旋转的齐次变换 由点a ( x , y ，z ) 绕z 轴旋转0 角后至点a ，y 。，z ) ，a 与a 之间的关系为 一2 石c o s p y s i n 0 1 y = x s i n o + y c o s o ， 一= z j 写成矩阵形式为 r l y 日 记为： c j0o t x jcoo 0y 1 001 0 忆l oo ol j l l j a 。r o t ( z ，o ) a 1 5 一 ( 3 6 ) 门i 川川l u|oooooooo且 缸缈& 0 0 l of 矿掣 l 成写或 查丝堑竖丝型塑壁塑塞 其中，绕z 轴旋转算子肋f ( z ，回左乘是相对于固定坐标系。映射关系如图3 5 所示。 同理 图3 5 点的旋转变换 f i g 3 5r o i l i n gt r a n s f o r mo f p o i n t r o t ( x ，力= r o t ( y ，力= lo o 0cs 0 ，c oo0 c0j o10 一s0c o o 0 对于点4 绕任意过原点的单位矢量t 旋转口角的情况。k x 、k ，、t 分别为七矢量在 固定参考坐标轴工r z 上的三个分量，且e + j | ；+ = 1 。可以证明，其旋转齐次变 换矩阵为 r o t ( k ，们= t k x ( 1 一c ) + c k k y ( 1 一c ) + t j k 。k z q 一曲一k 声 d k ，k i q c ，一k | s b 后，( 卜c ) + c k ，k z q 一曲+ k 1 3 o k z k i o 一曲+ k 。s 0 t k ( 1 一c ) 一k x s 0 t t ( 1 一力+ c 0 0l ( 3 7 ) 3 2 3 机器人运动学方程【1 9 1 可以把任何机器人的机械手看作是一系列由关节连接起来的连杆构成的。我们将为 机械手的每一连杆建立一个坐标系，并用齐次变换来描述这些坐标系间的相对位置和姿 o o o l o o o l 大连理工大学硕士学位论文 态。通常把描述一个连杆与下一个连杆间相对关系的齐次变换矩阵叫做一。变换矩阵，简 称a ，矩阵。如a 矩阵表示第一个连杆坐标系相对固定坐标系的位姿；a ：矩阵表示第二 个连杆坐标系相对第一个连杆坐标系的位姿；，表示第i 个连杆相对第f 一1 个连杆的位 姿变换矩阵。那么，第二个连杆坐标系在固定坐标系中的位姿可用4 和a ：的乘积来表 示，即： 五= 4 4 依此类推，对于六连杆机器人，有下列矩阵： 瓦= 4 4 a 4 4 a 6 ( 3 8 ) 该等式称为机器人运动学方程。方程右边为从固定参考系到手部坐标系的各连杆坐标系 之间变换矩阵的连乘；方程左边瓦表示这些矩阵的乘积，即机器人手部坐标系相对于固 定参考系的位姿。分析该矩阵：前三列表示手部的姿态；第四列表示手部中心点的位置。 可写成如下形式： r 泓：p _ - - “l 01 j n io i 以，d ， n ：口7 oo n 。p l a yp 7 4 zp 7 ol ( 3 9 ) 3 3 水火弯板机器人运动学分析 水火弯板机器人是一个具有腰、大臂、小臂、手腕四个自由度的关节式机器人，其 中3 个自由度是旋转关节，本文也主要以这三个自由度为分析对象。对于基座的平移运 动因为较为简单和独立，所以在本文中不再详细分析了。由于所要进行水火加工的船体 钢板的尺寸较大( 板长1 0 m 以上，板宽3 m ) ，再结合水火弯板的加工工艺，因此可以设计 两台机器人同时工作，每一台机器人的臂展分别为2 m 即可满足空间要求。图3 6 表示了 水火弯板机器人的的坐标系。 水火弯板机器人控制问题的研究 图3 6 水