（机械电子工程专业论文）基于嵌入式系统的装配机械手模块化控制系统设计研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 为提高装配机械手的适用性，以模块化装配机械手机械本体为研究背景，进行 模块化控制系统的设计与研究。在分析装配机械手的相关参数和运动情况的基础上， 根据减少机械手转动惯量的原则得出装配机械手逆运动学模型并计算相关关节转 角。在此基础上，对模块化装配机械手的控制系统设计方法进行探讨，从适应中小 企业推广和经济性角度考虑选择了基于嵌入式的控制方法和以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为 核心的嵌入式系统，并探讨了基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机实现模块化软硬件系统控制的 可行性及路径。 根据机械手功能特征划分模块，进行了模块总体构架设计。详细介绍了控制系 统的硬件模块设计和软件模块设计方法与具体实施内容。系统的硬件组成总体上包 括基本功能模块，预留功能模块和辅助功能模块。主要包括j t a g 接口模块，步进 电机驱动模块，电源电路，串口电路等模块，从而实现装配机械手的基本功能，并 预留若干输入输出端子口实现预留功能。在软件设计方面以适应软件模块化的角度 出发，采用c 5 1 语言开发设计，使用迪文公司的触摸屏作为控制系统信息交互的平 台，界面可自行设计易扩展，以此作为软硬件整合交互，人机交互的重要平台。软 件模块化编程设计主要包括主程序模块，单片机与触摸屏的通信程序模块以及各个 功能的程序模块。而功能模块的增减、调用基本上都是通过触摸屏界面设计来完成 的。命令按钮采用事件触发机制调用程序从而大大提高系统的可扩展性和模块性。 具体设计出各个功能模块，完成了以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心的嵌入式系统相关软 件模块的设计和硬件实物的制作。对硬软件整体联机调试，控制系统达到了控制功 能要求。 为扩展模块化系统设计研究，提高硬件设计灵活性，适应控制系统较高的模块化 要求，在理论上探讨了基于f p g a 软核m i c r o b l a z e 和其它p 核的控制系统设计方法。 利用f p g a 的软核m i c r o b l a z e 的特性，使用x i l i n xi s e 软件构造各口核，利用口 核可自定义，独立性强的特点，将相关口核从控制系统中添加或删除，从而增减机 械手的功能，提高控制系统的开放性。使用f p g a 软核的自身特性为模块化的设计 提供了一种新思路。 关键词：嵌入式系统，模块化，装配机械手，c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，i p 核 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ea s s e m b l i n gm a n i p u l a t o r ，w i t ha s s e m b l i n g m a n i p u l a t o rm o d u l a rm a c h i n eb o d ya st h eb a c k g r o u n do fr e s e a r c h ，t h em o d u l a rc o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e da n dr e s e a r c h e d o nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y s i n gt h ea s s e m b l i n g m a n i p u l a t o rr e l a t e dp a r a m e t e r sa n dm o t i o na n da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fr e d u c i n gt o t h ei n e r t i a ，t h ea s s e m b l i n gm a n i p u l a t o r si n v e r s ek i n e m a t i c sm o d e li sb u i l ta n dr e l a t e d j o i n ti sc a l c u l a t e d t h ed e s i g nm e t h o do ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h em o d u l a ra s s e m b l i n g m a n i p u l a t o r i s d i s c u s s e d c o n s i d e r i n g t h es m a l la n dm e d i u m - s i z e de n t e r p r i s e st o p o p u l a r i z ea n de c o n o m y ，t h ec o n t r o lm e t h o db a s e do ne m b e d d e da n du s i n gc 8 0 5 1 f 0 2 0 s c ma st h ec o r eo ft h ee m b e d d e ds y s t e mi ss e l e c t e d ，a n dh o wt or e a l i z et h em o d u l a r c o n t r o lh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m 丽t l lc 8 0 51 f 0 2 0s c m , w h i c hi sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d u l ef u n c t i o nt od i v i d em o d u l e s ，t h e m o d u l a ro v e r a l ls t r u c t u r ei sd e s i g n e d n eh a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l a rd e s i g no f m e t h o da n dc o n c r e t ei m p l e m e n tc o n t e n to ft h ec o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e di nd e t a i l 们忙 s y s t e m sh a r d w a r eg e n e r a l l yi n c l u d e sb a s i cf u n c t i o n a lm o d u l e ，r e s e r v ef u n c t i o n a lm o d u l e a n da u x i l i a r yf u n c t i o n a lm o d u l e t h eh a r d w a r es y s t e m sc i r c u i tm o d u l em a i n l yi n c l u d e s j t a gi n t e r f a c ec i r c u i tm o d u l e ，s t e p p i n gm o t o rd r i v ec i r c u i tm o d u l e ，t h ep o w e rs u p p l y c i r c u i tm o d u l ea n dt h es e r i a lp o r tc i r c u i tm o d u l e ，s oa st or e a l i z et h eb a s i cf u n c t i o n so ft h e a s s e m b l i n gm a n i p u l a t o r a n da l s os o m ei n p u t o u t p u tt e r m i n a lp o r t sa r er e s e r v e dt or e a l i z e r e s e r v ef u n c t i o n i no r d e rt oa d a p tt ot h es o f t w a r em o d u l a r ，c 5 1p r o g r a ml a n g u a g ei s a p p l i e da n dd e s i g n e di ns o f t w a r ea n dt h ed i w e nc o m p a n y st o u c hp a n e li sap l a t f o r mo f i n t e r a c t i v ei n f o r m a t i o n i t so w ni n t e r f a c ec a nb ed e s i g n e da n da l s oe a s yt od e v e l o p i t st h e i m p o r t a n tp l a t f o r mo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n t e g r a t i o na n da l s oh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n ，n l cs o f t w a r e p r o g r a m m e s i n c l u d e st h em a i np r o g r a mm o d u l e ，t h e m i c r o c o n t r o l l e ra n dt o u c hp a n e lc o m m u n i c a t i o np r o g r a mm o d u l ea n dt h ev a r i o u s f u n c t i o n a l p r o g r a mm o d u l e 1 1 1 e f u n c t i o n a lm o d u l ep r o g r a m m e sa r ei n c r e a s e do r d e c r e a s e do rc a l l e d ，w h i c ha r eb a s i c a l l yt h r o u g ht h ed e s i g no ft h et o u c hp a n e li n t e r f a c e c a l l i n gp r o g r a m m e sb yc o m m a n db u a o n sb yu s i n ge v e n tt r i g g e rm e c h a n i s mc a n b ee a s i l y i m p r o v et h es y s t e mm o d u l a r i t y e a c hs p e c i f i cf u n c t i o n a lm o d u l e sa r ed e s i g n e d ，a n dt h e d e s i g no ft h es o f t w a r em o d u l ei sc o m p l e t e da n dh a r d w a r ep r o d u c t i o nw i t hc 8 0 51 f 0 2 0 s c ma s t h ec o r eo fe m b e d d e ds y s t e mi sm a d e a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r e d e b u g g e da st h ew h o l e t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ea s s e m b l i n gm a n i p u l a t o rm e e t st h eb a s i c m 基于嵌入式系统的装配机械手模块化控制系统设计研究 c o n t r o lr e q u i r e m e n t s i no r d e rt og od e e pi n t ot h er e s e a r c ho fm o d u l a rs y s t e md e s i g n ，t oe n h a n c et h e f l e x i b i l i 哆o fh a r d w a r e ，a n dt oa d a p tt h eh i 曲m o d u l a rd e m a n do ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h e c o n t r o ls y s t e md e s i g nm e t h o dt h a ti sb a s e do nf p g as o f tc o xm i c r o b l a z ea n do t h e ri p c o r e si sd i s c u s s e di nt h e o r yt a k i n ga d v a n t a g eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fm i c r o b l a z eo f f p g aa n du s i n gx i l i n xi s et os t r u c t u r et h ei pc o r e s a n da l s om a k eu s eo ft h ef e a t u r eo f i pc 0 r ec a nb ed e f m e da n di n d e p e n d e n c e ，a n da d d i n go rd e l e t i n gt h er e l e v a n ti pc o r ef r o m c o n t r o ls y s t e mt oi n c r e a s eo rd e c r e a s et h ef u n c t i o no ft h ea s s e m b l i n gm a n i p u l a t o rt o i n c r e a s ec o n t r o ls y s t e m so p e n i n g t h ef p g ao w nf e a t u r ei se x p l o i t e df o rm o d u l a rd e s i g n w h i c hp r o v i d e san e ww a y k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，m o d u l a r ，a s s e m b l i n gm a n i p u l a t o r ，c 8 0 51 f 0 2 0 ，i pc o r e i v 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 本课题所研究的对象是装配机械手的控制系统。装配机械手是用于装配生产线上 对零件或部件进行装配作业的工业机器人的一种，装配机械手是一种逐步实用化的 装配机器人，它是装配生产线上必不可少的设备【1 l 。它模拟人手臂的部分动作，按预 定的程序，轨迹和要求实现抓取，搬运和装配工作的自动化装置，在减轻入的劳动 强度，提高装配质量和提高效率方面所起的作用是显而易见的【2 】。 工业机器人的基本机能是示范再现机能。通常示教的内容存储在机器人的控制装 置内，通过再现自动实现机器人的各种单纯的重复性动作 3 1 。从机器人整体发展的趋 势来看，当代的工业机器人需要满足不同用户的个性化需求，即应具备形态和功能 的多样性。传统的机器人开发模式已无法满足产业发展的要求。 目前我国中小型企业发展迅猛，而该类企业所需要的装配机械手，往往要求开放 性，灵活性要强，可适应多种生产情况，能根据不同的情况要求拼装控制系统，改 变传统的“一种工况需求，一次重新设计 的设计方法，从而满足多种工况下的控 制要求，以便真正的提高产品的性价比。这样可避免低水平重复开发，使系统柔性 大大的增强。所以必须采用先进的设计方法，对实现装配机械手工作要求的控制系 统软硬件进行设计与研究。 1 2 嵌入式系统简述 根据i e e e 的定义，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是“控制，监视或者辅助设备、 机器和车间运行装置( d e v i c e su s e d t oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h e o p e r a t i o no f e q u i p m e n t , m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精 髓。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，并 且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功耗有严格要求 的专用计算机系统 4 1 。目前嵌入式系统在众多的领域中得到广泛应用，在机器人控制 中嵌入式系统的应用也不断深入 s l ，但针对装配机器人的特殊控制要求，嵌入式系统 的应用还有较多的关键技术问题需待解决。这些问题的解决或突破将促进装配机器 人进入实际应用，这对机器人的推广具有重要的意义。 1 基于嵌入式系统的装配机械手模块化控制系统设计研究 1 3 嵌入式系统在装配机械手的应用现状及发展趋势 按照从低级到高级的发展程度，可将机械手划分为三代。第一代机械手，主要 指只能以“示教一再现方式工作的机械手，目前国际上商业化的大部分都属于第 一代机械手。第二代机械手叫自动型机械手能对动作进行反馈控制，具有初步的智 能，目前这类机械手只有少数可以普及应用。第三代机械手指具有高度适应性的自 治机械手，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中独立行动。这种类型 的机械手属于智能型机械手，目前仍处于实验研究阶段【1 】。 目前国外在机械手模块化设计研究当中，机械本体模块化研究较为深入。而基 于嵌入式系统的控制器大部分是在上层控制中使用，如：j a m e sm u m d u b o i s n 等。 在我国，经过多年来的努力，在装配机器人控制方面有了很大的进步。 “大连贤科机器人技术有限公司 与国内高校、科研所合作，开发出具有自主 知识产权的系列化模块化坐标型装配机器人c a d 设计平台、平面关节型装配机器人、 直角坐标型装配机器人；研制出基于开放式体系结构的机器人控制器 7 1 。 南通大学的张兴国、殷爱华采用基于d s p 的伺服控制系统研制了s c a r a 型装 配机器人，并采用p i d 算法实现各关节的伺服控制【8 】。 中科院自动化所的钟华等人提出了以d s p 为核心的模块化控制单元设计方法。 控制单元由c p u 、驱动、通讯、i o 等模块组合而成，可以通过增减模块实现功能的 重组，使系统具有一定的开放性，实现了功能的可配 9 1 。 浙江大学赵亮，闫华晓，俞剑江设计研究了关节模块的模块化工业机器人。在 控制系统方面，v h 模块化工业机器人采用触摸屏来对工业机器人实现各种控制操 作。在控制程序方面建立单个模块的程序控制库，调用不同模块的控制策略嵌入到 主体控制程序中，来生成相应的模块化工业机械人的控制策蚪埘。 随着嵌入式系统在硬件与软件交替发展的双螺旋的支持下逐渐趋于稳定与成 熟，已广泛的应用于装配机械手的控制系统中。深入研究以往基于嵌入式的装配机 械手的控制系统发现在相对低端的微处理器上如何实现如模块化、冗余设计等先进 设计思想的研究并不多。如果能根据装配机械手实现控制系统的灵活配置，从而满 足多种工况的控制要求将是一个值得研究的方向。 2 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的主要内容和意义 本课题来源于江苏省企业博士自然科学基金资助项目。 本项目的基本目的是为江苏佳诚机械有限公司s 1 9 5 柴油机连杆轴套的压入装 配作业研制一台平面关节型机械手，改善工人的工作环境，提高企业生产效率，同 时考虑到为了适应多种工况的要求，及机械手模块化控制的需要，对机械手进行模 块化控制系统设计。 前期工作以完成模块化装配机械手机械本体的设计和制作。 1 4 1 本课题研究的主要内容 以已完成的模块化装配机械手机械本体为研究背景，先分析了装配机械手的相关 参数和运动情况，根据机械手的功能需求探讨功能实现的控制方法，确定采用软硬 件模块化的设计思想，设计以高度集成的混合信号s o c 级单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心 的硬件控制系统，实现基本的控制功能，并有所预留和扩展。在软件方面设计触摸 屏界面和与单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 通信的相关程序及具体的功能模块程序，实现设计功 能。在此基础上，利用x l i n x 公司s p a r t a n 3 系列f p g a 软核m i c r o b l a z e 和口核的特 点，探讨基于f p g a 软核m i c r o b l a z e 控制系统设计方法，进一步在硬件上实现可编 程、模块化。 ( 1 ) 分析模块化装配机械手的有关模块，功能，相关参数，运动情况，建立逆运 动学关节角方程，探讨实现功能的控制方法，最后确定最终控制方案。 ( 2 ) 探讨了基于触摸屏的人机交互平台的架构并设计出以c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心的硬 件模块化控制电路。其中c 8 0 5 1 f 0 2 0 完成对触摸屏输入信号的读取，处理和通信以 及部分输出，实现相应步进电机的驱动。画出基本原理图和p c b ，并制作出p c b 板， 实现硬件控制要求。 ( 3 ) 采用模块化的方法编写软件程序。设计开发触摸屏的界面，完成人机界面设 计。编写机械手功能程序模块，并预留程序模块，最后软硬件调试。 ( 4 ) 理论上探讨基于f p g a 软核m i c r o b l a z e 控制系统设计方法，利用口核来进一 步实现模块化。 1 4 2 本课题研究的意义 工业机器人【1 1 1 是衡量一个国家自动化、现代化水平高低的一个重要标志。广泛 3 基于嵌入式系统的装配机械手模块化控制系统设计研究 采用工业机器人，对提高产品的质量与产量，保障人身安全，提高劳动生产率，降 低生产成本，有着十分重要的意义【1 2 1 。本课题通过在嵌入式系统上对装配机械手控 制系统的设计研究，开发具有一定开放性和模块化的装配机械手的控制系统以适应 中小企业的发展需要。因此本课题的研究对促进装配机械手在中小制造业的实用化 具有现实意义。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章模块化装配机械手及其运动学模型 2 1 模块化装配机械手简介 已研制的为连杆轴套压入装配作业的机械手本体，是一台平面型的机械手，为 考虑多种工况需要在装配机械手机械本体设计时采用模块化设计方法。主要有手臂 模块和末端央持器模块所组成，机械手机身是固定立柱，手臂可以绕立柱回转，占 地面积小，工作范围大，可根据动作需要，安装手臂模块。手臂模块主要有两关节 模块和i 关节模块。其中两关节模块作为基本模块，三关节模块作为预留模块。末 端央持器可按机械原理的不同主要有两种模块机械式模块和吸附式模块，其中机械 式的内撑式连杆杠杆型作为基本模块，可根据不同的装火要求换取央持器。同时又 可根据需要增加相关辅助模块，测量设备和传感仪器。 装配机械手的模块化变型需求主要为两关节模块和i 天节模块，并可选择不h 的 末端夹持器。其设想通过嵌入式硬件系统的模块化重构或软件系统的模块化调整， 实现装配机械手不同的功能特征和性能需求。 2 2 装配机械手逆运动学模型的建立 2 2 1 机械手的运动过程 在实验室搭建装配机械手的工作情况，如图2 1 所示。根据已设计机械本体工作 要求，绘制图2 2 和图2 3 如下所示。为了研究机械手运动情况绘制图2 4 如下所示。 图2 1 实验室搭建的装配机械手工作情况图 f i g 2 1s e t t i n gu p t h ea s s e m b l i n gm a n i p u l a t o ri nm y l a b o r a t o r y 基于嵌入式系统的装配机械手模块化控制系统设计研究 6 图2 2 实际装配机械手工作模拟图 f i g 2 2 t h ea c t u a la s s e m b l i n gm a n i p u l a t o rw o r ks i m u l a t i o n s 图2 3 装配机械手的总体结构和工作范围 f i g 2 3 t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h ea s s e m b l i n gm a n i p u l a t o ra n dw o r ks c o p e 兰传送带 0 t 0 r 0 )_i u ，i h 一j 噬一 一凸i孑手滚一! 性 露 卜、 l 配 线 ： ， 1 l 衄 龙 | | f 、0 、由 o 爿 i 、 也一 i 函 、 。+ ， 图2 4 装配机械手数学模型图 f i g 2 4a s s e m b l i n gm a n i p u l a t o rm a t h e m a t i c a lm o d e l 江苏大学硕士学位论文 根据图2 1 ，图2 2 ，图2 3 以及装配机械手实际工作时装配线、传送带情况制了 图2 4 ，方便用逆运动学模型描述。几点说明： ( 1 ) 本逆运动学模型以装配机械手手臂模块为两关节模块，末端夹持器模块为机 械式模块作为实物根据而建立，其它模块可作为参考。其中机械手臂模块部分l 1 为 大臂，l l = 4 0 0 m m ；l 2 为小臂，l 2 = 3 0 0 m m 。 ( 2 ) 为减少运动时间，减少机械手运动时的转动惯量，将抓取点( x 。，x ) 和装配 点( x ：，y 2 ) 都置于第一象限。为初始时l 1 的转角，为初始时l 2 的转角，为 了便于初始时的调整以及回零判断安装时岛1 = 9 0 。，：9 0 。( 图中未标出) 。岛，为抓取 ( x 1 ，x ) 时l 1 的转角，1 2 为抓取点( x 。，x ) 时l 2 的转角。睦t 为装配点( x ：，y 2 ) 时l 1 的转角，为装配点( x ：，y 2 ) 时i _ 2 的转角。 ( 3 ) 其中传送带和装配线宽都为2 0 0 r a m ，装配机械手与两带的安装距离为 d l = 7 0 0 m m ，d 2 = 6 0 0 m m ，d 3 = 6 0 0 m m ，d 4 = 7 0 0 m m 。工件的放置点( x f ，x ) 必须在传 送带的中线上。装配点( x ：，y 2 ) 也必须在装配线的中线上。 ，一 ( 4 ) 阴影区域为机械手可能经过的范围。0 ) 【l 4 7 0 0 2 - 6 0 0 2 ( 3 6 0 5 ) 。同理 o y 2 顾丽( 3 6 0 5 m m ) 。 机械手的工艺过程为：第一步工件由工人放置到传送带上的定点位置( x ，x ) ， 并传向装配机械手；第二步当工件移动到抓取点( x ，x ) 时传送带会停顿，同时装配 机械手从初始点( x o ，y o ) 转过一定角度，将传送的工件抓取；第三步机械手从抓取 点( x 。，x ) 运动到装配点( x ：，y 2 ) 即工件安放到装配线上的装配位置，实际为活塞 连杆的小孔内；第四步装配线自动传向冲压机位置，冲压机将衬套压入小孔内，装 配过程完成；第五步机械手从装配点( x ：，y 2 ) 回到初始点( x o ，y o ) ，等待下个工件。 根据装配操作的工艺过程设定了装配机械手的动作过程： ( 1 ) 机械手根据工作环境手动调到初始点( x o ，y o ) 。 ( 2 ) 立柱升起( 控制电机1 ) 。 ( 3 ) 根据输入的抓取点坐标( x 1 ，y 1 ) ，计算大小臂各转角，由初始点( x o ，y o ) 转到 抓取点( x 。，x ) ( 控制电机2 ，3 ) 。 ( 4 ) 抓夹工件( 末端夹持器，由继电器通过电磁铁控制通断) 。 7 基于嵌入式系统的装配机械手模块化控制系统设计研究 ( 5 ) 根据输入的装配点坐标( x ：，y 2 ) ，y , g 取a ( x 。，x ) 转到装配点( x ：，y 2 ) ( 控 制电机2 ，3 1 。 ( 6 ) 立柱落下( 控制电机1 ) 。 ( 7 ) 装配工件。 ( 8 ) 立柱升起，由装配点( x ：，y 2 ) 重新回到初始点( x o ，y o ) 。 第二循环直接由( 3 ) 开始。 可知模块化装配机械手所需的控制方式为顺序控制。流程图如图2 5 所示。 ， 调w 褫 l | l 予翻剜始点 上 克 秀筵f 赶磐1 1 ) i 天小露转础簏抓敬点( 毽桃2 ，3 )l 掇必下联：( 缆咆器) 允小锈转渤捌装蹴点 山 z 携敝f 山 装院f 份 矗：孝菪升起 上 l j 或砚始盎 上 令循环彩i 隶，下个缀绨歼鳓 图2 5装配机械手动作过程流程图 f i g 2 5a s s e m b l i n gm a n i p u l a t o ra c t i o np r o c e s sf l o wd i a g r a m 2 2 2 逆运动学模型的建立 机器人运动学主要有以下两个基本问题【1 2 1 ： ( 1 ) 对一给定的机器人，已知杆件几何参数和关节变量，求末端执行器相对于给 定坐标系的位置和姿态。 ( 2 ) 己知机器人杆件的几何参数，给定末端执行器相对于总体坐标系的位置和姿 态，确定关节变量的大小。 8 江苏大学硕士学位论文 第一个问题称为机器人运动学正问题，第二个问题称为机器人运动学逆问题。 由图2 4 得( 单位：m m ) - 放置点( x ，x ) 初始点( x o ，y o ) 抓取点( x ，y ) 装配点( x ：，y 2 ) 放置点：x f - 0 d 0 ( 2 1 ) 初始点： 【x y o o ：= 7 0 0 0 ( 2 2 ) 抓取点： 装配点： k c o s e i l + l 2 c o s o , 2 = ) ( 1 l i s i n 0 1 1 + l 2 s i i l q 2 = x 约束：x = 6 0 0 0 ) 【l 3 6 0 5 l l c o s 0 2 1 + l 2 。c o s = x 2 l l s i n 0 2 1 + l 2 s i n = y 2 约束：x ，= 6 0 0 0 y 3 6 0 5 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 本节主要是讨论机器人运动学中第二个问题即运动学逆问题由己知机器手杆件 的几何参数，给定末端夹持器相对于总体坐标系的位置和姿态，确定关节变量的大 小的问题。l 1 比l 2 长，且在转动的过程中l 1 会带动l 2 ，为了减少整个系统的转 动惯量应尽量少转，并应在整个抓取，装配过程中都在第一象限中，这样既能满足 工作要求，又减少了整个系统的惯性，提高了精度。即0 。- 9 0 。，0 。倪，9 0 。， 且l 1 尽量比l 2 少转，这作为本设计的计算原则。 ( 1 ) 抓取点关节变量q - ，岛z 的确定： 如图2 6 抓取点位置图如下所示。 9 基于嵌入式系统的装配机械手模块化控制系统设计研究 摹、传送带名f 、1 啼、r 尥哪 ( x f , y t j i。天 燃) ：噍 9 丁kl 一2 鼬，。， 嘲囊 怒荔 ，j ，j 7 d ld 2 | | ff 、 it 0 八由爿 |l 。 、 一一一7 微 j 。l， 、j 图2 6 抓取点位置 f i g 2 6 t h eg r a bp o s i t i o n 在可抓取的范围内有一个极限点抓，y 抓) ，x 抓= 4 3 0 0 2 2 0 0 2 2 2 3 6 m m 即由x 抓点将抓取位置分成点1 和点2 两种情况。末端夹持器在点1 位姿有两种， 在点2 位姿也有两种。由计算原则在点1 时取6 i ， 9 0 。的这种位姿。在点 2 时，取毋。 q ：这种位姿。 点1 时：抓取点 l l 。c o s 0 1 1 + l 2 c o s o , 2 = x 1 k 。s i n 0 1 1 + l 2 s i n o t 2 = y 1 f 5 1 1 9 0 。，0 1 2 9 0 。 ( 2 5 ) 约束：x = 6 0 0 0 x x 2 2 3 6 l 2 l c o s 2 q 1 + 2 l 1 l 2 c o s 岛l c o so , 2 + l 2 2 c o s 2 q 2 = x 2 l l 2 1 s i n 2 0 1 1 + 2 l 1 l 2 s i n o , 1 s i n 毋2 + l 2 2 s i n 2 q 2 = y 2 1 解( 2 5 ) 两边平方 q 。 蚶 600约束：y = 、7 0 x 1 2 2 3 6 江苏大学硕士学位论文 由和差化积得： 【久+ r 2 + 2 l 1 l 2 c o s ( o l l - 0 1 2 ) = x 2 1 + y 2 1 鼋l 9 0 。，q 2 9 0 。 0 xs 2 2 3 6 得：i 儡l 一日2 = a r c c o s x 1 2 + x 2 l 2 1 l 2 2 2 l 1 l 2 - ( 岛1 一q 2 ) = a r c c o s x 2 1 + y 2 1 e 1 l 2 2 2 l 1 l2 q ：= a 心。s 茎1 譬拿墨生量+ 岛，再联立方程组得： 2 l l ， “ 卜一s 堕学讽 【l l c o s 0 1 1 + l 2 c o s o , 2 = x 1 并且令茎1 学= a ， 由代入法解得： c o s 6 i 1 ( 1 固= ( 2 8 ) ( 2 9 ) 由设定的条件取正得 q 。= q 2 = 2 ( 匕+ 2 1 1 l + e 2 ) ( 2 1 0 ) 点2 时：抓取点 按照解点1 的方法 k c o s 0 1 l + l 2 c o s 0 1 2 = x 1 h s i n 0 1 1 + l 2 s i n 0 1 2 = x q l 日2 约束：y = 6 0 0 2 2 3 6 如的这种位姿。在点4 时，取 e 2 l 0 。，2 2 ( 2 1 5 ) 约束：x 2 = 6 0 0 2 2 3 6 y 2 0 。， o 。 ( 2 1 9 ) 约束：x 2 = 6 0 0 0 y 2 2 2 3 6 ( 2 2 0 ) 锡：一墼唑匝裂磊雳互巫一s b ( 2 2 1 ) ( 3 ) 说明：计算点1 ，2 时的关节量q 。，o l ：和点3 ，4 时的关节量岛，是为了 在软件自动运行部分设计算法。其抓取点和装配点的组合一共有四种：( 点1 ，点3 ) ， ( 点1 ，点4 ) ，( 点2 ，点3 ) ，( 点2 ，点4 ) 在自动部分软件设计时会自动判别是哪种 组合，从而调用不同的子程序。两关节模块的逆运动学转角计算方法对于三关节模 块同样有参考价值。逆运动学模型的建立是为控制系统的软件设计服务。 基于嵌入式系统的装配机械手模块化控制系统设计研究 2 3 本章小结 本章首先简介已设计制作完成的模块化装配机械手，明确装配机械手的动作过 程。在此基础上根据装配机械手实际工作时运动情况建立逆运动学模型，并根据尽 量减少转动惯量的原则求解大小臂的转角，是装配机械手控制系统软件设计程序编 程的理论基础 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章模块化装配机械手控制系统模块化设计研究 3 1 模块化装配机械手的控制要求 根据装配要求，模块化装配机械手不仅要将零、部件准确、快捷地抓到并移送到 指定的位置，而且要求符合装配的节拍，与配套的夹具、工具、其他的机器手协同 工作，进行各种不同的操作。模块化装配机械手功能应用的不断深入对控制系统提 出了较高要求【。 ( 1 ) 控制动作可靠、快捷。即要求装配机械手的大小臂，末端执行器的驱动夹紧 必须既可靠又快捷。 ( 2 ) 控制系统具有模块性。根据模块化装配机械手设定的工作要求，配合机械本 体的模块化，故要求控制系统能够针对设定的不同的要求，选择相关的硬、软件模 块等，实现较强的模块性，同时设计的人机界面也要符合开放性的要求，简单直观， 易升级。硬件电路标准化，模块化。 ( 3 ) 控制系统要有较低的成本。从适应中小企业应用推广和经济性考虑。 3 2 模块化装配机械手控制系统的选型与分析 现在装配机械手的控制系统一般有如下几种方式 2 1 ： ( 1 ) p l c 控制系统 ( 2 ) t 控机控制系统 ( 3 ) 嵌入式控制系统 p l c 控制系统运行可靠，编程简单，使用维修方便，抗干扰性强，优势明显， 但是p l c 一般成本较高，不满足控制系统成本要求较低的原则。工控机凭借其良好 的实时性，开放性的特点己在机械手的控制系统逐渐成为一种发展趋势，它可以较 好的满足分散式的控制要求但对于本系统而言仍价格较高在具体针对模块化装配机 械手方面体现不出应有的优势。嵌入式系统在为模块化机械手控制功能的实现方面 提供更好的解决方案，嵌入式系统开发灵活，反应速度快，功能设计时可模块化可 预留，友好的软件界面开发起来较为容易，控制效果也理想。所以采用以嵌入式为 核心的控制系统来控制模块化装配机械手。 基于嵌入式系统的装配机械手模块化控制系统设计研究 3 3 装配机械手控制系统模块化设计方法探讨 嵌入式系统的设计方法的演化总是因为应用需求的牵引和软硬件技术的不断推 动而产生的。当今嵌入式系统的设计方法有自上而下设计，软、硬件协同设计，接 口设计，结构化设计，模块化设计等。其中模块化设计是系统设计和建立的一种现 代方法。 模块化设计( b l o c k - b a s e dd e s i g n ) 是指对一定范围内的不同功能或相同功能不同性 能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过 模块的选择和组合构成不同的顾客定制的产品，以满足市场的不同需求1 1 3 】。模块化 可使系统开放性强，易于修改，重构和扩展升级。开发“具有开放式结构的标准化， 模块化机器人控制器”是今后机器人控制研究的一个发展方向。考虑到适应模块化 装配机械手机械本体的要求，便于模块化组合，软硬件在客观要求上必然要采用模 块化的设计方法，其它设计思想不能较好的适应模块化机械手，所以采用模块化的 嵌入式系统的设计方法。 模块化设计技术是由产品组合化，通用化和标准化的需求而孕育的。组合化是 采用一些基本模块与较少的预留扩展性模块组合而成产品。通用化是借用原有产品 的成熟模块r 比如在控制系统硬件模块设计中一些标准化的电路设计，软件设计中一 些初始化程序模块，一些预设好的头文件) ，可达到缩短设计周期，降低设计成本， 提高质量可靠性的目的。标准化将是以后机器人制造行业更大范围内机构零部件模 块，控制器模块等的高度通用化。 装配机械手的模块化设计是便于根据用户的功能需求，将具有一定功能的相关 模块进行组合构成特定功能的装配机械手。对于机械手控制系统而言这种设计是为 适应机械手机械部分的模块化及重构而设计硬件系统，软件系统的模块化。 装配机械手系统的模块化分解主要包括机械系统功能模块的划分和控制系统功 能模块的划分。控制系统功能模块的划分原则是根据机械系统功能模块而设定的， 是本论文研究设计的对象。控制系统功能模块的划分原则是根据机械手功能而设定 的，可以根据系统的复杂程度分解为多层结构。本文设计研究中装配机械手控制系 统软硬件模块的划分是按照功能特征模块进行划分，并与机械本体模块化的要求和 功能相吻合的。即将装配机械手系统的总体功能按照功能特征分解为若干较小的， 完成特定功能的模块。如两关节，三关节驱动模块等。采用分层结构，最顶层为整 个系统层，中间层为功能层大体分为基本功能和预留功能，底层为具体的功能模块 1 6 江苏大学硕士学位论文 执行层。底层的执行层之间要有标准的接口和通信协议以及一定的通用性。 3 4 基于嵌入式模块化控制系统的总体架构 就本课题而言，在基于嵌入式模块化控制系统的研究中，模块化的思想主要体现 在两方面： ( 1 ) 硬件系统的模块化设计。硬件设计上以功能特征作为划分模块的依据，分为 基本功能模块和预留功能模块两大部分，考虑到硬件设计的独特性又增设了辅助功 能模块。其中触摸屏作为硬件和软件交互，人机交互的平台。 ( 2 ) 软件系统的模块化设计。在程序设计中常采用模块设计的方法，这种方法已 成为当今程序设计的主流方法，尤其当程序比较复杂时，更有必要拿到一个程序任 务以后，根据程序模块的功能将它划分为若干个子模块，如果这些子模块的规模还 嫌大，可以再划分为更小的模块。整体上软件设计也是以功能特征作为划分模块的 依据，分为基本功能模块和预留功能模块两大部分。程序中的各个模块在c 语言中 通常用函数来实现。程序中的各个模块一般不超过一页，这样的规模便于组织，也 便于阅读。划分模块时应注意模块的独立性，即使用一个模块完成一项功能，耦合 性越少越好【州。 作为人机界面触摸屏的界面设计，命令按钮设置是模块切换，模块调用的关键。 触摸屏作为载体，就是通过命令按钮采用如同v b 式的事件触发机制调用设计完成 的功能模块。由于选用的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机有6 4 k 字节在系统编程的f l a s h 存储 空间有充分的存储空间编写程序，由k e i lu v i s i o n 4 软件自动分配空间。同时此单片 机有可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口所以程序，数据存储空间都是 充裕的。 总体系