（机械电子工程专业论文）机器人远程监控实验室系统的研制.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 通过h t e m e t 网络进行机器人的远程监控是机器人控制研究领域一个重要的 研究方向。为了开展这一方向的研究，同时为了提高机器人设备的利用率，让学 生能通过网络开展异地机器人控制课程实验，中南大学机器人实验室立项研制了 两台实验机器人，并且设计出了机器人远程监控实验系统方案。根据该方案实现 了机器人远程监控原型系统，用于机器人控制课程实验，并作为智能控制方法和 先进控制算法的研究平台。 本文首先研究了传统的基于w e b 的工业现场监控方案，在此基础上提出基于 c o r b a 和j s p j a v a b e a n 技术的机器人远程监控系统方案，解决传统远程控制结 构在可扩展性、通用性等方面的问题，实现了w 曲技术与c o r b a 技术在工业 控制领域的应用；其次，本论文对s r 机器人的p c i 通信控制方式和p r 机器人 的串口通信控制方式进行了详细分析，利用j a 、，a 语言设计和开发了两台机器人 在c o r b a 结构环境下的远程监控软件；本文还对网络的数据传输延迟进行了实 际测量，对网络延时对系统性能的影响进行了理论分析，提出了机器人远程监控 系统补偿的方法和采样延时处理方法。 在机器人远程监控实验室系统的开发过程中，本论文运用了软件工程方法对 系统进行需求分析、概要设计、详细设计和代码实现。还提出了若干能够提高网 络性能，保障系统顺利运行的技术，如实时数据库技术、实时数据采集与发布技 术和安全保障机制等。 关键词：机器人，远程监控，c o r b a ，j a v a ，网络性能，延时。 中南大学硕士学位论文a b s n 鼍c t a b s t r a c t p r o c e e dt 1 1 el o n gr a l l g es u p e r v i s e sa i l dc o n n d lo fr o b o tn u o u 曲 1 1 1 t e m e ti s a l l i m p o r t 趾td i r e c t i o n i nr o b o tc o n t r o lr e s e a r c hr e a i m p l a n n i n gt oc a r qt i l l o u 曲t i l i sd i r e c t i o n a lr e s e a r c h ，a tt 1 1 es 锄et i m ef b r t l l es a l ( eo fi l l c r e a s i l l gm er o b o te q u i p m e n t su t i l i z a t i o nt ol e tt 1 1 es t u d e n t s d os o m er o b o t s c o n t r 0 1e x p e r i n l e l l t sv i an e t ，m er o b o tl a b o r a t o 拶o f c e m r a ls o u mu n i v e r s i 锣e s t a b l i s h e dap 叫e c tf o rm a n u f a c t u r i i 唱铆os e t s o fe ) ( p e r i m e n t 访gr o b o tw i t l las y s t e md fr e m o t e l ys u p e r v i s i f l ga i l d c o n t r o l l i n g u s i i 培l i ss y s t e mf o rr o b o tc o n t le x p e r i m e m sa n da sa g r o u i l d 、v o r kf o rr e s e a r c h i n gi n t e l l i g e n c ec o r l 血- 0 1m e m o da i l da d v a i l c e d c o n t r o la l g o r i 恤s t h i st h e s i si sac o m p l e t e l ym e o r i e sa r l dm e t h o d sr e s e a r c ha i ma t p r o c e e d i n gl o n gr a l l g e r o b o t g u p e r v i s ea n dc o 曲幻l a tt l l ei n t e m e t e n v i 埘u n e m f i r s t l y ，i nc o n n a s t i n gt r a d i t i o n a lr e m o t e l ys u p e i s ea i l d c o n t r o l t e c l l l l i q u e ，m et h e s i sp u tf o n v a r dt od e v e l 叩j s p j a v a b e a nw e b s y s t e mw i t l lt h ec o r b at e c h n i q u e ，r e s o l v i n gt h et r a d i t i o r m l1 0 n gr a l l g e c o n 们lc o n s t r u c t i o n sp r o b l e m so fe x p a n d i n g 加dg e n e r a lu s e e t c ， i m p l e m e n tu s i n gm et e c h n i q l l eo fw e ba l l dc o r b ai ni n d u s t l yc o n t r o l f i e l d s e c o n d l y ，l i sm e s i sr e s e a r c hs rr o b o t sp c ic 衄m u n i c a t i o nw a y a n dp rr o b o t ss e r i a l sc o 舢n u _ i l i c a t i o nw a y ，u s ej a v al a n g u a g e 柚d c o at e c h n i q u ed e s i 伊a n dd e v e l o pl o n gr a n g es u p e n ，i s ea n dc o n 们l s y s t e mf o rt w or o b o t s t h i st 1 1 e s i sm a l ( et 1 1 ed e t a i l e dh a r d w a r ed e s i 印a n d n l es o f t w a r ed e v e l o p n l e n ta c c o r d i n gt om ei m p l e m e n t s p r o c e s sa n d s y s t e m s 如n c t i o nm o l d s ，m a d el l s eo f m es o f h a r ee n 西n e 萌n gm e t l l o dt o p r o c e e d 也ed 锄a n da n a l y s i s 、e s s e n t i a l sd e s i 印、d e t a i l e dd e s i g i la n d c o d ec o m 西l et om es y s t e m 0 l i lt h eo t h e rh a n d ，m i sm e s i sr e s e 甜c ht l l ec o n n o lt l l e o r i e sa n dt l l e a n a l y z em e t l l o d s o ft h er o b o ts y s t e mw h i c hh a ec o 衄e c t e dt o l e n e t 、) l r o r k ，p r o c e e dt h e o r i e sa 1 1 a l y s i sa n d a c _ 七u a ls u n ，e y st om e p e r f o 】m a i l c e i n f e c t i o no fm en e t 、；l ，o r kp o s t p o n e ，p u tf o n ) l r a r dt h es y s t 啪c o m p e n s a t e c o n c 印ta n ds a m p l i l l gp o s t p o n eh a n d l i l l gt e c i l l l i q u e i l la d d i t i o n ，廿1 e a r d c l es t i l l p u t f o f w a r ds o m e t e c h n i q u e s t h a tc a n i m p r o v e 也e p e r f o m a i l c eo ft l l en e 铆o r kt og u a r a i 】t e em es u c c e s s 如1 1 ym o v e m e mo f 中南大学硕士学位论文 a b s n 甚c t t l l es y s t e m ，s u c ha sr e a lt i m ed a t a b a s et e c l l l l i q u e 、r e a l t i m er e n o 删o no f t 1 1 ed a t a a n ds o o n k e yw o r d s ：r o b o t ，1 0 n gr a l l g es u p e r v i s i n ga 1 1 dc o n t 】r o l l m g ，c o r b a ， j a v a ，n e t 、啪r kp e r f - o m a n c e ，p o s t p o n e 中南大学硕士学位论文原创性声明 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在论文中作了明确的说 明。 作者签名：l ! 鲤日期：皇型l 年上月旦日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：闻龃 导师签名雠日期：皇华年旦月堡日 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源与研究目标 第一章绪论 由于机器人具有灵活性高、适应性强、能够胜任各种领域工作的特点，国内 外都投入了大量的人力和物力对高性能机器人及其产业化进行了大量的研究，取 得了不少成果，在诸如劳动强度大、工作条件恶劣、重复性且枯燥无味的工作领 域替换了人类的劳动、发展了生产力。机器人学以及机器人的产业成为广大科研 工作者致力研究的领域。我校信息工程学院机器人研究所对机器人控制基础理论 研究开展得较早，本科生、研究生都有机器人控制课程，但在机器人课程实验方 面还没有必要的条件，因此，中南大学机器人控制实验室于2 0 0 2 年1 2 月正式立 项，共投入科研经费1 0 余万元，由研究所的师生共同研究开发，开发期历时1 年，现已完成了大部分的研制工作。 1 1 1 机器人控制实验室项目的研究目标 研究目标如下： ( 1 ) 开发一套完整的“四关节”p r 型伺服控制机器人系统，包括机器人操 作机的设计制造，机器人控制器的硬件和软件的研究开发； ( 2 ) 开发一套完整的“三关节”s r 型伺服控制机器人，包括机器人操作 机的设计制造，机器人控制器的硬件和软件的研究开发； ( 3 ) 以上述两台机器人作为控制对象创建机器人控制网络，开发网络监控 软件，利用网络的广泛性与自由性提高机器人设备的共享性，使学生能通过网络 远程进行机器人课程实验，同时推进机器人技术在科研和工程领域应用的广度和 深度，构建本科生、研究生机器人控制课程的实验平台和机器人的研究平台。 根据以上目标，机器人控制实验室项目的研究内容如下： ( 1 ) 研究机器人运动学、轨迹规划、动力学及机器人的控制模型等机器人 及其控制理论，结合先进控制理论与控制方法，推导机器人控制所必须的控制算 法； ( 2 ) 设计、制作、安装与调试两台机器人操作机； ( 3 ) 研究机器人控制器的硬件系统，包括机器人控制箱，设计机器人伺服 控制器硬件电路并制作相关控制板卡： ( 4 ) 研究与开发两台机器人的控制软件： ( 5 ) 创建机器人控制网络，开发设计机器人远程监控软件，探讨与研究网 上机器人控制实验的方法，同时研究网上监控实验的若干关键性技术。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 本课题的研究目标 本课题为机器人控制实验室的子课题。根据项目组的要求，在参与机器人控 制实验室全部研制工作的前提下，本课题重点研究机器人远程监控技术，研究如 何在机器人控制系统中的前向通道和反馈通道中引入远程网络环节，实现机器人 控制信息和反馈信息的远程传递。同时解决在开展机器人远程监控中遇到的问 题，当机器人本地控制系统引入网络开展远程控制，网络的延时、安全等问题也 都加入到系统的研究工作，本课题需要对这些问题进行研究和解决，从而构造 个集研究和实验为一体的机器人远程监控平台，以提高机器人设备的资源共享 率，实现机器人远程监控。 1 2 相关技术的现状与发展 远程监控技术的发展历程与网络通信和传输技术的发展密切相关。首先是基 于专用网络和专用控制协议的远程监控系统逐渐兴起，产生了如r s 一2 3 2 c 、 i e e e 一4 8 8 ( g p i b ) 等著名的传输控制协议和相应的硬件实现“3 。但是，由于它本 身的缺陷，这种基于专用网络和专用协议软硬件的远程测控体系发展受到了限 制。因为不仅需要大量的设备和资金的投入进行网络建设和专用软硬件的配置， 而且整个体系缺乏通用性。随着客户服务器模式的广泛应用，局域网开始逐步 取代专用网络，通用网络协议也相应取代专业协议。客户服务器模式无论是在 整个体系结构的灵活程度，还是系统构造的周期和难度方面，都使得远程监控系 统向前迈进了一大步。但是客户服务器模式存在着一个重要的缺点，就是用户 必须安装、配置和维护本系统专用的客户端软件。在很多情况下，尤其是客户端 软件的安装与配置比较复杂时，这个限制是很不方便的，一旦软件配置或者安装 不正确，就很可能使系统无法工作。 i n t e r n e t 的出现和爆炸式增长，网络技术更新之快令人目不暇接，这给远 程监控体系的发展注入新的活力，浏览器和h t t p 协议在全球范围的广泛使用， 给客户服务器模式的软件安装和配置问题提供了满意的解决方案。只要有一个 网络接口和一台安装了浏览器的计算机，用户就可以通过浏览器实现全球范围内 的监控、诊断和维护。由于i n t e r n e t 遍及全世界，已经连接了庞大的电信网络， f 在连接有线电视网络和电力网络，而且i n t e r n e t 拥有成熟的通信协议，用较 少的资金和设各投入，较短的开发周期就可以构建整个系统。此外，任何适用于 i n t e r n e t 的技术均可以加以利用，来实现系统功能的扩充而不需要修改软硬件。 所以基于i n t e r n e t 的远程监控系统的研究和实现可以为远程监控、远程诊断和 远程维护等系统的发展提供技术基础。 2 中南火学硕十学位论文 第一章绪论 机器人远程控制是随着计算机技术、网络技术、通信技术飞速发展，特别是 技术综合水平的体现、即多媒体信息在世界范围内自由传输的技术成果，使科研 人员开始注目于这些成果能否在机械对象的远程控制中得到实现。1 ，所以机器人 远程监控技术正成为机器人领域中的一个重要的前沿课题。目前，基于网络的远 程操作机器人控制结构可分为直接控制、共享控制、监督控制、混合控制等。华 中科技大学提出一种基于a g e n t 的远程控制机器人模型”1 ，即人智能体机器人 模型。远程操作者不是直接控制机器人，而是与基于船e n t 的机器人控制器进行 交互，间接地控制机器人。采用基于a g e n t 的方法对机器人控制器进行“封装”， 并运用多传感器融合技术，以提高机器人对所处环境的感知能力和实时任务处理 能力，增强对环境的适应性。 国外已经在i n t e r n e t 上进行了许多异地机器人远程监控的实验，均显示通 过i n t e r n e t 进行机器人远程监控在远程教学、设备共享、远程医疗、远程诊断 和危险复杂环境下的装配作业等领域均有很大的应用前景。1 9 9 3 年美国国家航 空航天局( n a s a ) j o h n s o n 航天中心与德州的四所大学成功地进行了机器人远程 分布式控制试验“1 。该项试验是通过i n t e r n e t 在j o h n s o n 航天中心控制位于 t e x a sa m 大学和t e x a s 大学a u s t l n 分校的机器人，并同时在a r l i n g t o n 分校和 r i c e 大学进行监测和性能分析。1 9 9 4 年美国南加州大学完成m e r c u r y 项目：该 项目允许远程用户通过w e b 浏览器控制一个机械手进行文物挖掘。同时南加州大 学在i n t e r n e t 上已公开的另一个比较有趣的项目是“t e l e g a r d e n ”：w e b 访问 者可以控制一个a d e p t 机械手进行种植，灌溉花园等活动。与此较类似的有英国 b r a n d f o r d 大学工业技术系( d e p t i n d u s t r a i lt e c h ) 于1 9 9 6 年开始研制的名为 b r a n d f o r dr o b o t i ct e l e s c o p e 天文望远镜。该天文望远镜已在i n t e r n e t 对外 开放，天文爱好者可以通过w e b 浏览器访问其主页，控制望远镜的角度和焦距，而 且一般可以在第二天从你的e 一眦i l 信箱里收到观测结果。另外还有b e r k e r l e y 大学研制的m e c h a n i c a l g a z e 系统，西澳洲大学的t e l e r o b o t 等，都是研究机器人 或类似机械设备远程监控的例子。 我国的智能机器人和特种机器人在“8 6 3 ”计划的支持下，也取得了不少成果。 其中最为突出的是水下机器人口】，6 0 0 0 米水下无缆机器人的成果居世界领先水 平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人 等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少 工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自 主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起 步，与国外先进水平差距较大。因此根据国内外机器人发展的经验、现状及近几 年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况，在智能机器人开发研究领域，基 中南大学硕十学位论文第一章绪论 于计算机屏幕的多机器人远程监控技术成为我们国内科技工作者重点地系统攻 关的重要方面。 1 3 机器人远程监控系统的技术概要 机器人远程监控系统的研究综合了机器人技术、i n t e m e t 通信技术、虚拟现 实技术和计算机可视化技术等前沿科学的研究内容和成果，具有重大的理论意义 和应用价值。 1 3 1 机器人技术 机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，也是当代高新技术发 展的一个重要内容。人们制造机器人是为了让机器人来代替人的工作，所以希望 机器人能够具有人的劳动机能。第一代遥控机器人诞生于1 9 4 8 年美国的阿贡实 验室”1 ，当时用来对付放射性材料进行远距离操作，以保护原子能工作者免受放 射线照射。第一台工业机器人诞生于1 9 5 6 年，是j e n g l e b e r g e r 将数字控制技 术与机械臂相结合的产物。这台机器人可通过编程来灵活改变作业程序。至今绝 大部分使用中的工业机器人仍采用这种编程方式。这种机器人只是单纯从技术上 仿人的某些功能，由于人工智能和其它智能技术落后于人们对它的期望，致使绝 大部分研究成果始终走不出实验室。因此2 0 世纪8 0 年代末，各国把发展的目标 调整到更现实的基础上，即把以多传感器为基础的计算辅助遥控加上局部自治作 为发展非结构环境下工作的机器人的主要方向，而把智能自治式机器人则作为 个更长远的科学问题去探索“。这就是新一代机器人化的机器。 从机器人诞生到2 0 世纪8 0 年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展 过程。到了2 0 世纪9 0 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速 发展，机器人技术也得到了飞速的发展。智能机器人的研究是目前机器人研究中 的热门课题。近几年，机器人智能控制在理论和应用方面都有了较大的发展。在 模糊控制方面，由j ，j b u c k l e y 等人论证了模糊系统的逼近特性：e h m a m d a n i 首次将模糊理论运用于一台实际机器人，使模糊控制技术在机器人中的应用得以 展现。并且，模糊系统在机器人的建模、控制、对柔性臂的控制、模糊补偿控制 以及移动机器人路径规划等各个领域都得到了广泛的应用。在机器人神经网络控 制方面，c m c a 是应用较早的一种控制方法，它的最大特点就是实时性好，尤其 适应于多自由度操作臂的控制，w t m i l l e r 等还进行了实验研究，验证了该方 法的有效性。 此外，将机器人联入i n t e r n e t 以实现远程控制也正成为目前控制领域的一 个新兴研究方向。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2i n t e r n e t 通信技术 有些应用，譬如放射性检测、海洋、深井作业等，不适合人到现场指导作业， 远程控制机器人是基于这种思想而提出的。传统的远程控制机器人技术硬件系统 非常复杂，并且需要专用的数据通道，这一技术一直没有得到有效的推广应用。 i n t e r n e t 为这一思想提供了一个低成本策略。将机器人控制系统与i n t e r n e t 相 连，人们可以在很远的地方监控机器人作业，从而在作业过程中融入人的智慧， 使机器人能够完成过去不易或不能完成的任务。1 。这一连接还可以在任何个地 方实现对人的控制，可以及时吸收世界各地科学家的智慧，也为一般兴趣者控制 机器人提供了可能。 i n t e r n e t 互联网具有最大的广泛性，人们通过i n t e r n e t 可以连接世界进行 数据交换、数据共享。i n t e r n e t 现在主要还是应用在办公自动化和日常工作中， 随着广泛应用于企业信息网的以太网技术的成熟，1 0 m b s 和1 0 0 m b s 己经得到 广泛应用，1 0 0 0 m b s 网络已经有了很多产品，l o g b s 的网络也正在研究。把现 有的得到成功应用的以太网技术应用到工业控制中，实现控制网络和数据网络的 融合，成为控制系统结构的一个新的发展方向m ，。 随着互联网技术的发展和以太网进入控制领域，基于服务器一浏览器工作模 式的w e b 技术己成为工业数据通信与控制网络中的新宠。在一些新近开发出的 p i 。c 、变频器等控制设备中，除增添以太网通信接口之外，还嵌入w e b 服务器， 使服务器一浏览器成为工业数据交换的方式之一“0 3 。基于w e b 方式实现远程监控 是一个趋势。在基于w e b 的远程监控系统中，客户端使用通用w e b 浏览器，通过 i n t e r n e t 完成对生产现场的远程监控的任务。这种方式使纷繁多样的客户软件 得到了统一，用户不再需要为不同的控制系统安装不同的应用软件，任何授权系 统及个人都可使用普通互联网浏览器来针对生产现场进行实时监控。同时企业的 控制网络与数据网络的信息也得到集成，更有利于企业的信息管理。利用w e b 技术实现远程监控系统，由w e b 服务器利用c g i 、a s p 、或者j a v a 技术形成服务 器与数据库之间的接口，访问数据库中的数据，并生成带有这些数据信息的h 聊l 文件。用户在远程运行i e 测览器等，借助远程监控系统对数据库进行访问，实 现数掘交互。 13 3 虚拟现实技术和计算机可视化技术 虚拟现实是2 0 世纪耒发展起来的种可以创建和体验虚拟世界的计算机系 统。它在计算机中生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境。通常个虚 拟现实系统由建模模块、检测模块、反馈模块、传感器、控制模块等构成。建模 模块运用知识库、模式识别、人工智能等技术建立模型，通过动画实现虚拟环境 的视觉模拟，通过音响制作声音模拟、人的动作由传感器进行检测，然后通过控 中南大学硕十学位论文第一章绪论 制模块对虚拟环境进行操纵。同时，通过反馈作用给人以动感、触觉、力觉等感 受。此外，在开放式的虚拟显示系统中、还可以通过传感器与现实世界构成反馈 闭环，利用虚拟环境对现实世界进行直接操作或远程操作。计算可视化技术是指 运用计算机图形学和图像处理技术将科学计算过程中产生的数据和计算结果转 换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。其研 究的核心问题是将数据变成图像，使繁多枯燥的科学数据变得更加直观，易于理 解。因此计算机可视化技术可以对虚拟现实技术提供信息数据的处理依据。 虚拟技术运用于机器人控制技术中，可以利用反馈的传感器信息虚拟机器人 的位置与状念，当机器人动作时，相应的虚拟也以相同的方式动作。如果机器人 手臂的实际位置和计算机产生的图像没有相对延迟，则机器人手臂的视觉再现就 可以代表其真实的动态。虚拟技术的运用可以使机器人远程监控方案更加灵活， 利用虚拟机器人仿真结合视频监控可以保证机器人远程监控的有效性。计算可视 化技术是帮助人们表现数据或挖掘数据隐含信息的手段，目的是辅助人们得出某 种结论性观点。因此，计算可视化技术需要以信息采集和处理技术为基础。没有 信息采集技术，信息可视化技术就无从谈起：没有信息可视化技术，采集来的数 据得不到很好的应用，它们是相辅相成的。在基于网络的机器人远程控制系统中， 机器人控制器要代理远程用户控制机器人，必须要有良好的交互能力，需要对机 器人运行的场地有良好的感知能力，这种能力表现在数据的处理性能上，机器人 运行时产生的数据是很多的，利用计算可视化技术可以使数据更加易于分析与处 理并且直观有效，用于实验教学领域可以使教学更直观、更生动、更利于学生理 解。 1 4 课题的研究工作及论文主要内容 本课题研究如何通过i n t e r n e t 实现对机器人作业的远程监控，实现对设备 状态控制命令的发送和对设备进行状态监测、分析等操作，并对网络延时对系统 的影响进行分析，采用有效的控制理论和方法加以解决。 1 4 1 本课题主要研究内容 ( 1 ) 机器人远程监控系统实用化问题 基于i n t e r n e t 的机器人远程监控系统的实用化问题最终集中在研究和开 发本地机和远程机上的控制系统上。其中包括实现机器人的本地控制、w e b 服务 器的组建、机器人近程控制系统的远程调用的框架设计、网络数据库系统的设计 等。而机器人对象的远程控制器的通用化，即开发适合远程监控的运动执行元件 是本研究实用化的主要问题。 中南人学硕十学位论文第一章绪论 ( 2 ) i n t e r n e t 环境下的远程监控系统性能问题 由于i n t e r n e t 的工作是多变的，在本地监控系统中引入远程监控会带进不 少问题，对系统的稳定性、实时性都会有很大的影响，怎样进行系统性能的分析， 以及怎样确定系统的性能瓶颈，此外还要确定解决的办法，这些问题的研究也是 本研究项目的关键之一。 ( 3 ) 采样周期和网络延时的不匹配使远程接收端发生空采样和多采样现象 对系统控制品质的影响 机器人远程监控系统采用的是计算机采样控制，在i n t e r n e t 传输的延时会 导致系统的远程接收端在相同的采样周期内产生单采样、空采样和多采样。采样 信息的处理涉及到控制系统的反馈数据和控制数据的去除和保留，直接影响系统 的稳态控制精度。设计合理的采样信息处理机制将会对系统的控制品质和稳定性 产生重大影响，这也是研究的关键。 ( 4 ) 信息在i n t e r n e t 进行传递时的安全问题 基于i n t e r n e t 的远程监控系统在进行信息传递时，有可能面临着信息被盗 用、暴露和篡改等安全问题，这些对系统的危害是非常严重的，如何建立有效的 安全机制，保障系统的安全顺利运行是远程监控需要研究的问题。 1 4 2 论文的主要内容 论文在机器人系统研制工作的基础上，研究基于c o b r a 技术的机器人远程监 控系统的相关网络技术、实现方案、硬件构建、软件设计等。 论文的主要内容如下： 第二章对机器人实验室的组成进行介绍，其中包括对两台机器人的操作机、 运动控制系统，以及本地网络设备和监控设备等。 第三章对比现有的分布式技术，选择基于c o b r a 规范来实现远程分布式机器 人网络监控系统。从需求分析入手，规划系统组成，构建远程机器入网络监控系 统的功能模块，研究在c o b r a 环境中系统的实现方法。 第四章介绍利用j a v a 语言和c o r b a 技术开发机器人远程监控实验室系统软 件的步骤，对系统进行结构分析，以及主要应用程序的具体实现说明。 第五章阐述系统实现中的关键技术，对影响系统的数据传输延时进行分析， 引入延时采样处理技术和系统延时补偿技术加以解决，对网络数据库的组建和系 统安全保障机制的建立进行说明。 第六章总结课题的研究工作、创新之处，提出了今后的研究课题，展望基于 i n t e r n e t 的机器人远程监控的前景。 中南大学硕十学位论文 第二章机器人控制实验室的组成 第二章机器人控制实验室的组成 2 1 实验室的机器人组成 机器人控制实验室以台s r 实验教学机器人和一台p r 实验教学机器人为 主要控制对象构建机器人教学实验平台，每台机器人由操作机( 机械本体) 、控 制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，同时每台机器人是由独立的机器人控 制器( 包括上位控制机和下位控制机) 进行独立控制。 为了对多种控制方法进行对比研究，这两台机器人控制器的控制和通信方式 各有特点。 2 1 1s r 实验教学机器人 ( 一) 操作机的结构 卜竺坠叫与 升 d 。降 臂 ( a ) ( b ) 图2 1s r 实验教学机器人的结构 a 机器人结构示意图b 机器人实物图 如图2 1 所示，s r 实验教学机器人为三关节机器人，分别由大臂、小臂、 升降臂以串连方式连接构成，臂杆参数如表2 1 所示： 表2 一i臂杆参数 关节名称臂杆长度( 单位：m m )转角范围 大臂 2 3 00 3 0 0 。 小臂1 4 60 3 0 0 。 升降臂3 0o 3 0 m m 中南人学硕十学位论文 第二章机器人控制实验室的组成 大臂、小臂关节处安装了谐波减速器，其减速比为8 0 ：l ，谐波减速器减速 和放大扭矩的作用，关节传动方式如图2 2 所示： 所示 艇 图2 2 大、小臂传动方式 手爪固定于升降臂上，升降臂由步进电机驱动。升降臂的传动方式如图2 3 雕 图2 ，3 升降臂传动方式 传感器安装在机械手手臂的关节上。大、小臂关节的驱动电机的输出轴上固 装了每转2 5 0 0 个脉冲的光电编码器，作为关节位置和速度传感器，在每个手臂 的适当位置装置了零位传感器和极限位置开关。 ( 二) s r 机器人控制系统结构 系统采用双c p u 的主从式结构“，按功能分为下位控制子系统和上位监控 子系统，上位监控子系统( 工业p c 机) 为一级c p u ，它担当系统管理、复杂控制 算法的运算、机器人语言编译和人机接口等功能，负责接收用户操作指令，调用 相对的控制类，产生控制信息通过p c i 接口传递给下位机，同时上位机建立视频 监控系统，通过在数据缓冲区缓存机械手状态数据，建立服务器机制，提供接口 供远程控制客户机的调用；下位控制子系统( d s p ) 为二级c p u ，它负责接收上 位机的指令、进行插补运算、回零操作，产生p w m 脉冲，作为关节驱动伺服电 机位置与速度给定，完成全部关节的位置数字控制。整个s r 机器人控制系统由 以下设备组成： ( 1 ) d s p + f p f a 运动控制器； ( 2 ) 具有p c i 插槽的p c ( 3 ) 具有增量式编码器的伺服电机和步进电机 ( 4 ) 电机的驱动控制器 ( 5 驱动器电源 ( 6 ) 1 2 1 4 伏直流电源 中南人学硕十学位论文 第二章机器人控制实验室的组成 控制系统的工作流程为： 上位机根据用户给定的目标工作点和作业方式进行起始点到终点的轨迹规 划、逆运动学求解和相关轨迹插补操作，得到每一个上位控制周期内的控制量。 这些控制量被周期性地通过p c i 接口下传到下位d s p 伺服控制板。下位机实时 接收控制指令值，并在下位伺服控制周期内对指令值进行精插补，计算出每一插 补周期内电机的控制脉冲指令数，作为关节驱动伺服电机位置与速度给定，由关 节伺服电机伺服驱动器完成每个关节的位置数字伺服控制。 ( 三) 电机的选择 三个关节的电机因考虑其技术指标、重量、尺寸等因素，选择了两台松下 m s m a o l 2 a 1 g 交流伺服电机和一台三洋10 3 h 5 4 9 0 4 4 0 步进电机分别驱动大、 小臂旋转以及升降臂的升降。作为伺服系统的执行部件，我们选用的交流伺服电 机体积小、重量轻、力矩大，具有良好的控制性能，能够准确、快速地完成指令 要求的任务。调速性能好：在额定转速以下，为恒力矩调速方式：在额定速度以 上时，为恒功率调速，且过载和过速性能都很好。各电机都带有高精度增量式编 码器，电机转动一囤可提供2 5 0 0 个脉冲反馈，这就大大方便我们进行精确的位 置控制。 电机及电机驱动器的主要参数如表2 2 ： 表2 2电机及电机驱动器的主要参数 电机电机驱动器 型号：m s m a 0 2 2 a l g 松下交流 型号：m s d a 0 2 3 a 】a 伺服电机 小惯量、有键榜、无制动器 小惯量 输出功率：2 0 0 w 额定输出：2 0 0 w 人臂，小输入电压：3 相9 2 v 输出电压：3 相9 2 v 臂转动输入电流：16 a 输出电流：16 a 额定速度：3 0 0 0 r ，m m 输出频率：o 3 3 3 - 3 h z 带增量式编码器， 输入电压：3 相2 0 0 2 3 0 v 脉冲数：2 5 0 0 p ，r 输入电流：1 ，1 a 分辨率：1 0 0 0 0p ，r 输入频率：5 0 h z 或6 0 h z 型号：10 3 h 5 4 9 - 0 4 4 0 三洋步进 型号：0 2 h b 4 4 m c 电机 保持转矩：o _ 3 1 5 nm 驱动电压：1 2 4 0 v 转子惯量：o ，0 6 5 ( 1 0 k g m ) 驱动电流从o 5 a 相到4 a 相连续可调 升降臂 最高反应频率可达2 0 0 k p p s 相电阻：3 - 3 ( q ，p h a s e ) 双极恒流斩波方式 额定电流：l2 ( a p h a s e ) 设有1 2 ，8 档等角度恒力矩细分，最高2 0 0 细 相电感：3 8 ( m h p h a s e ) 分 步距角：1 8 0 中南火学硕士学位论文 第二章机器人控制实验室的组成 ( 四) 控制器硬件 机械人控制对实时性、数据量和计算要求很高，通常采用高速、高性能的 d s p 高速数字处理器为核心制作运动伺服控制板。传统上的d s p 用途是利用通 用可编程d s p 器件实现低速率的应用，而利用专用d s p 芯片组和a s i c 可以实 现高速的应用，f p g a 就是结合各种算法的典型例子。在一个f p g a 器件中构造 一个d s p 系统时，设计可以采用并行结构和分布式算法的优点，使资源最小化， 并超过单片或多片d s p 器件的性能。f p g a 中阵列乘法的分布式算法是增加设 计带宽和流量的一个方法，可以超过流行的d s p 方案几个数量级。因此s r 机器 人控制器的特点是采用d s p + f p g a 为核心的实时信号处理的机器人运动控制 器。主要采用的芯片型号为：a d s p 2 1 8 1 芯片、p c i 9 0 5 2 芯片、e p f 6 0 1 6 芯片， 加以辅助输入出电路、光电隔离电路。其主要电路功能模块逻辑结构图原理如 2 4 所示： i o 总线越处理器 _ 1 接口 塑垡堂堡 通讯接口 图2 4 电路功能模块逻辑结构图 我们选用的美国a d i 公司的d s p 芯片a d s p 2 1 8 1 应用广泛、性价比较高。 主要特性如下：采用改进的h a r v a r d 结构体系。a l u 、m a c 、桶形移位器这三 个独立的运算部件均可以单周期操作。还有丰富的双缓冲串口、中断( 分外中断 和内中断) 等，a d s p 一2 1 8 1 从物理上将程序存储区和数据存储区将两者分开， 这就使多功能指令操作显得非常方便。因此，a d s p 2 1 8 1 系列程序实现比较其 它d s p 更有高效性。a d s p 一2 1 8 l 指令系统使用代数符号来表示算术运算和数据 传送，源代码具有较高的可读性，且不会损坏运行特性。它的指令系统很精简， 程序员可以快速掌握。同时它完全在并行处理方式下工作，所有的指令都是真正 的单周期指令。a d s p 2 1 8 1 与e p f 6 0 1 6 构成的运动控制器作为下位机系统，通过 双端r a m 与p c 机进行高速数据交换。运动控制器接收来自计算机的轨迹设定 中南人学硕十一学何论文 第二章机器人控制实验室的组成 点，即时更新由关节插补设定点和增量式编码器反馈的位置之差所得到的误差驱 动信号，经d ，a 转换并放大成模拟电压，送至驱动器，驱动各关节电机运转。 ( 五) 数据通信方式 s r 实验教学机器人控制是采用主从式结构，主c p u 与d s p 不直接进行通 讯、它们是通过公用内存来交换数据，主机和d s p 均可读写内存，从而达到相互通 信的目的。同时主机c p u 。也可直接读写i o 信号和读取位置反馈信号。这种采 用共享内存的通信方式为整个控制系统提供了高速数据信息交换的通道，并且 d s p 的引入使控制系统具有高速高精度定位与联动控制的能力。d s p 控制器使 用一种简单而特有的计算机结构实现先进的计算和实时控制功能。它不要求主机 任何时候都处于通讯状态，只有在需要信息传送或命令运行时，计算机才进行读或 。巧数据总线，而且任何运动命令均可暂存在d s p 的内存中等待执行。通信芯片本 系统采用了p c i 9 0 5 2 芯片。p c i 9 0 5 2 提供高性能的从目标p c i 接口板卡与p c i 总线的连接，支持宽范围速率的本地总线最高可达1 3 2 m b s 的传输速率。对9 0 5 2 编程可实现复用非复用的8 位、】6 位、3 2 位的本地总线接口。9 0 5 2 还有内部 f i f o 可以加速本地总线的操作，此外它还有以下功能：支持p c ir 2 ，l 版本， 可以方便地将i s a 卡转换为p c i 卡：支持从目标传输模式，可以对存储器空 阃进行突发读写，对i o 空间单次访问；2 个本地中断总线配置；可编程的 本地总线配置：串行e 2 p r o m 配置：4 个本地片选引脚，5 个本地空间； 多种本地读写操作模式，方便地实现p c i 与本地的接口。 2 1 2p r 实验教学机器人 ( - 一) 操作机的组成 小臂书 孓 ( a ) ( b ) 图2 5p r 机器人结构示意图 a 机器人结构示意图b 机器人实物图 其中，1 = 2 0 0 m m ，l 严1 2 0 m m ， ；一6 0 唧，= 3 2 7 m 肌a ，= 9 1 m m ，a 产a 。= 2 8 m m 。 中南人学硕十学位论文第二章机器人控制实验室的组成 我们设计的p r 实验机器人操作机，是采用四连杆通过转动关节串联而成的 丌式链。开链的一端固定在机座上，另一端是自由的，安装有末端执行器，用以 操作物体完成各种作业。如图2 5 所示操作机示意图，操作机的结构就像人的骨 架，具有腰、肩、肘、腕四个关节，依次连接机器人的基座、肩、大臂、小臂、 手等连杆装置。每一关节对应机器人一个自由度，因此，末端执行器可以在三维 的操作空白j 中灵活作业。机器人杆件均采用不锈钢制作而成，其刚性符合作业要 求；关节均采用专用交流伺服电机驱动，且在电机轴上安装了高精度弹性变速齿 轮( 变速比为l ：8 0 ) 作为电机的传动装置，可以使关节传动装鹭轻便且保证精度和 足够的传动力矩。此外，操作机还具有自我保护功能。操作机每个臂杆关节的正 向和反向行程都设置了限位开关，能有效防止关节臂杆超出行程范围而损坏机械 装置。 ( 二) p r 机器人控制系统结构 p r 实验机器人的控制部分也是基于双c p u 的控制机模型。整个控制系统按 功能，可以分为下位控制子系统和上位监控子系统两级。下位控制子系统：由伺 服控制板、鉴相电路板和伺服驱动器组成。主要实现机器人各关节( 电机) 直接、 精确的位置数字控制。该子系统以自行研发的基于d s p 的伺服控制板为控制中 心，实现机器人各关节运动的轨迹精细插补、协调运动。并能实时接收上位监控 子系统下传的控制参数，反馈各关节的实时的位置参数给上位控制子系统。上位 监控子系统：由监控计算机组成。主要对机器人系统进行实时的监视与控制。该 子系统具有友好的人机界面，依据用户给定的末端执行器的位姿信息