（机械电子工程专业论文）m10ia型fanuc机器人控制系统研究与应用.pdf

m 1 o 认型_ u c 机器人控制系统研究与应用 摘要 近些年来，伴随着科学技术的发展以及人类文明程度的提高，机器人已逐 渐融入人类社会，在社会各行各业中随处可见。在机器人应用非常活跃的同时， 我国需要大量机器人技术方面的人才。因此，培养机器人的设计、开发、生产、 维护等方面的人才显得十分重要。 论文以合肥工业大学工程认知博物馆的机器人建设项目为背景，对引进的 m 1 0 i a 型f a n u c 六自由度关节机器人进行了控制系统的研究，并在此基础上 对m 1 0 i a 型f a n u c 机器人进行码垛应用的开发。 首先，对工业机器人国、内外的发展状况做了介绍并简单分析了m 1 0 i a 型 f a n u c 机器人的本体结构，给出了该机器人技术参数，基于d h 法则对机器 人进行运动学建模，描述其末端执行器中心点的位姿状态并对机器人正向和逆 向运动学问题进行分析求解。在关节空间上对机器人进行轨迹规划，提出了三 次多项式插值和三次b 样条插值的连续轨迹插补算法，并对机器人p i d 控制进 行分析。 其次，对机器人控制系统的控制结构进行研究，其控制系统为主从式的控 制结构，分为上、下两个控制层次：上级为主板上的3 2 位嵌入式微型计算机， 对整个系统进行组织和控制；下级为实时控制级，来驱动机器人机构来完成期 望的运动和操作，并对上、下两个控制硬件平台进行了分析。采用面向对象的 开发技术和模块化的结构形式设计了机器人控制系统软件的主要模块。 再次，针对合肥工业大学工程认知博物馆对机器人的码垛作业任务要求， 选取真空吸盘作为机器人末端执行器，对其控制电路进行设计，编写码垛作业 程序，为了控制系统的可靠性和稳定性，在机器人仿真环境r o b o g u i d e 中先 对程序仿真运行，然后进行了现场调试，能很好地完成所要求的任务。 最后，对全文进行了总结，并提出了进一步研究的设想。 关键词：机器人，运动学，控制系统，模块化，码垛 t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mo fm 1 0 i a f a n u cr o b o t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n di m p r o v e m e n to f h u m a nc i v i l i z a t i o n ，r o b o th a sb e e ng r a d u a l l yi n t e g r a t e di n t oh u m a ns o c i e t y i th a s b e e nu s e di nv a r i o u si n d u s t r i e s a tt h es a m et i m et h ea p p l i c a t i o n so fr o b o ti s v e r y a c t i v e ，s ow en e e dl o t so fr o b o tt e c h n o l o g yt a l e n t s t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i n c a n tt o c u l t i v a t et h et a l e n t sw h oa r eg o o da tr o b o td e s i g n i n g ，p r o d u c i n g ，m a i n t a i n i n ga n d s oo n t h i sp a p e rw a sb a s e do nt h er o b o tc o n s t r u c t i o n p r o j e c to fe n g i n e e r i n g c o g n i z i n gm u s e u mo fh f u t ，t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h em 10 i at y p ef a n u cr o b o t w i t hs i xd o f j o i n tw a sa n a l y z e d ，a n do nt h i sb a s i s ，t h ep a l l e t i z i n ga p p l i c a t i o no f t h er o b o tw a sd e v e l o p e d f i r s t l y ，t h ed o m e s t i ca n df 0 r e i g ns i t u a t i o no fi n d u s t r i a lr o b o t sw a sp r e s e n t e d ， a n dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h er o b o tw a sg i v e n ，t h e nb a s e do nt h ed hr u l e ， k i n e m a t i c sm o d e l i n go ft h er o b o tw a se s t a b l i s h e d ，s ot h a ti t sp o s i t i o na n dp o s t u r eo f t h ec e n t e ro ft h ee n de f f 色c t o rw a sd e s c r i b e d ，t h e nt h ef b r w a r da n di n v e r s e k i n e m a t i c sp r o b l e m so ft h er o b o tw e r es o l v e d t h et r a j e c t o r yi nj o i n ts p a c eo ft h e r o b o tw a sp l a n n e d ，c u b i cp o l y n o m i a l i n t e r p o l a t i o na n dc u b i cb - s p l i n ei n t e r p o l a t i o n o ft h ec o n t i n u o u sp a t hi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mw a sp r o p o s e d ，a n dp i dc o n t r o lo ft h e r o b o tw a sa n a l y z e dt h e n s e c o n d l y ，t h ec o n t r o ls t n l c t l l r eo ft h er o b o tc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ns t u d i e d ，i t s c o n t r o ls y s t e mi st h em a s t e r - s l a v ec o n t r o ls t r u c t u r e ，d i v i d e di n t ou p p e ra n dl o w e r c o n t r o ll e v e l s ：t h e32 - b i te m b e d d e dm i c r o - c o m p u t e ro nt h em o t h e r b o a r di nt h e h i g h e rl e v e li su s e dt oo r g a n i z ea n dc o n t r o lt h ee n t i r es y s t e m ；l o w e rl e v e l si s t h e l e v e lo fr e a l - t i m ec o n t r o l ，w h i c hi su s e dt od r i v et h er o b o tt oc o n l p l e t et h ed e s i r e d m o v e m e n ta n do p e r a t i o n t h e nt h eu p p e ra n dl o w e rc o n t r o lh a r d w a r ep l a t f o r mw a s a n a l y z e d a n dt h em a i nm o d u l eo ft h er o b o tc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ew a sd e s i g n e d b a s e do nt h eo b j e c t o r i e n t e dd e v e i o p m e n tt e c h n i q u e sa n dm o d u l a rs t r u c t u r e t h i r d l y ，a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n t s t ot h er o b o to fp a l l e t i z i n gt a s k ，a v a c u u ms u c t i o nc u pw a ss e l e c t e da st h ee n de f 佗c t o ro ft h er o b o t ，t h e ni t sc o n t r o l c i r c u i tw a sd e s i g n e d ，t h ep a l l e t i z i n gp r o g r a mw a sa l s ow r o t e f o rt h er e l i a b 订i t ya n d s t a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ep r o g r a mw a sr u ni nt h er o b o g u i d er o b o t s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h e nt h er o b o th a sb e e nd e b u g g e da tt h es c e n e ，a n dt h e r e s u l tp r o v e si ta c h i e v i n gt h ea n t i c i p a t e dg o a l t t f i n a l l y ，t h es u m m a r yw a sm a d ea n dt h ei d e ao ff u r t h e rs t u d yw a sa l s op u t f o r w a r d k e yw o r d s ：r o b o t ；k i n e m a t i c s ；c o n t r o ls y s t e m ；m o d u l a r i z a t i o n ；p a l l e t i z i n g i i i 致谢 时光飞逝，转眼间近三年的研究生生活已经快要结束，在此论文即将完成 之时，向我的导师朱华炳教授表示感谢，在生活中，朱老师待人宽厚，乐于关 心学生，最大限度的为我们提供帮助；在科研中，朱老师渊博的知识和他一丝 不苟、实事求是的学术态度深深的感染了我。在朱老师的悉心指导下，我才能 有今天的成果，这将是我人生中一段重要的经历，是我一生的财富，在此，向 我的导师表达崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢合肥工业大学工业培训中心曹斌老师在我论文写作过程中不厌其烦的 指导、建议以及督促，感谢杭州英纳福自动化工程有限公司汪军工程师对论文 提出的意见和提供的帮助。 感谢何春华师兄对我的论文提供了多种思路，感谢机电6 0 6 实验室的冯霄、 罗祖平、余先照、余锋、董亮以及各位师弟师妹们，谢谢你们，在你们的支持 和帮助下，我才能够顺利的完成课题! 我还要感谢在一起愉快的度过研究生生活的范攀攀、赵健、陈琛、张亚玎、 王歆侃、李雪冬、周益等同学，感谢你们在我失意时给我鼓励，在我失落时给 我支持，感谢你们和我一路走来! 感谢合肥工业大学以及所有帮助过我的老师们，同学们，向你们表达最诚 挚的敬意! 最后，要感谢我的家人一一我的父母和两位兄长，这么多年来，你们默默 的支持和给我的帮助无法用言语表达，你们是我最坚强的后盾也是我前进和努 力的源动力! i v 作者：张卫荣 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图2 1 m 一1 0 i a 型机器人本体及坐标一8 图2 2 基座标系与末端执行器坐标系1 0 图2 3 位置向量的表示1 0 图2 4 向量在动坐标系和固定坐标系之间的转换1 2 图2 5 转动关节连杆d h 坐标系1 3 图2 6m 1 0 i a 型机器人d h 连杆坐标系1 5 图3 1 轨迹规划框图2 1 图3 2 关节的运动轨迹2 2 图3 3 机器人作业路径点2 4 图3 4 位置控制方式2 7 图3 5 单关节反馈控制框图2 8 图3 6 带速度反馈的单关节位置控制系统框图2 9 图4 1 工业机器人控制控制系统的要素31 图4 2r 一3 0 i am a t e 控制器原理框图3 3 图4 3r 一3 0 i am a t e 的夕h 夏9 已3 4 图4 4r 一3 0 i am a t e 的内部结构3 4 图4 5 嵌入式主板结构示意图3 5 图4 6 伺服驱动原理图3 7 图4 7 伺服放大器连接框图3 8 图4 8 电机传动装置示意图3 9 图4 9i 0 连接图一4 l 图4 1 0 示教盒4 1 图5 1 系统软件模块4 3 图5 2 系统各模块间的关系4 4 图5 3r s 2 3 2 接线图4 5 图5 4 串口通信流程图4 6 图5 5 机器人程序解释系统4 7 图5 6 轨迹插补模块运动学计算4 8 图5 7j 指令轨迹插补4 9 图5 8r o b o g u i d e 系统结构5 0 图5 9r o b o g u i d e 仿真流程图5l 图5 1 0m 一1 0 i a 机器人仿真模型51 图5 1 1 机器人与机床干涉图5 2 图5 1 2 工作单元布局和运动轨迹模拟图5 2 图6 1 机器人与料台示意图5 3 v t t t 图6 2 校徽模块表面图案5 4 图6 3 真空吸盘系统方案图5 5 图6 4 吸盘提升力示意图5 6 图6 5 真空吸盘系统接线图5 7 图6 6 作业路径规划5 8 图6 7 模块1 6 的运动路径点示意图5 9 图6 8 仿真运行6 4 图6 9 机器人现场作业图6 5 i x 表l l 表l 一2 表l 一3 表2 1 表2 2 表3 1 表5 1 表5 2 表6 1 表6 2 插表清单 机器人的应用领域分类2 为现代机器人发展史上的标志性事件3 国内主要研发单位近年来工业机器人研发生产应用情况5 m 1 0 i a 型机器人的技术参数9 机器人连杆的d h 参数1 5 单关节位置控制器的方框图参数及拉式变换对照表2 8 指令的数据编码4 6 机器人基本动作指令4 7 位置寄存器数据6 0 位置寄存器赋值6 3 x 第1 章绪论 1 1 引言 机器人技术集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论等学 科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活 跃的领域之一【lj 。自从2 0 世纪6 0 年代初机器人问世以来，机器人技术得到了 迅速的发展，在传统的制造领域，工业机器人已在工业发达国家的生产中得到 了广泛的应用，目前世界上约有近百万台工业机器人在各种生产现场工作【2 】； 在非制造领域，上至太空舱、宇宙飞船、月球探险，下至极限环境作业、医疗 手术、日常生活服务，机器人技术的应用已拓展到社会经济发展的诸多领域【3 1 。 随着工业机器人数量的快速增长和工业生产的发展，对机器人的工作能力也提 出了更高的要求，需要机器人更加智能化和有高的灵活性。 作为机器人的大脑，机器人控制系统决定了控制性能的优劣，也决定了机 器人使用的便捷程度，是决定机器人功能和性能的主要因素。因此，为了将机 器人技术提高到更高的水平，离不开对机器人控制系统深入的研究与开发，从 而使更先进的机器人应用到社会生产生活中来。 1 2 机器人的定义和分类 1 2 1 机器人的定义 机器人是自动控制机器( r o b o t ) 的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类 行为或思想与模拟其他生物的机械( 如机器狗，机器猫等) 。狭义上对机器人的 定义还有很多分类法及争议，有些电脑程序甚至也被称为机器人【4 1 。为了规定 技术、开发机器人新的工作能力和比较不同国家和公司的成果，就需要对机器 人这一概念有一些共同的理解。现列举一些比较有影响力的对机器人的定义【5 】： ( 1 ) 英国简明牛津字典的定义：机器人是“貌似人的自动机，具有智力的 和顺从于人的但不具人格的机器”。 ( 2 ) 日本工业机器人协会( j r i a ) 的定义：一种准备有记忆装置和末端 执行器( e n de f f e c t o r ) 的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动 的专用机器。 ( 3 ) 国际标准组织( i s 0 ) 的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零 件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多 功能机械手。 ( 4 ) 美国机器人协会( r i a ) 的定义：机器人是一种用于移动各种材料、 零件、工具或专用装置的，通过可编程程序动作来执行各种任务并具有编程能 力的多功能机械手( m a n i p u l a t o r ) 。 ( 5 ) 我国科学家对机器人的定义：机器人是一种自动化的机器，这种机器 具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协 同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 由上述各定义不难看出，之所以各国对机器人的定义差别之大是由于人们 对机器人研究的侧重点不同，美国机器人协会给出的定义侧重于应用功能，目 前大多数国家都倾向于这种定义。尽管机器人的定义方法繁多，但他们也有共 同之处，即认为机器人应该具有以下三种特征【6 j 。 第一，机器人应该具有拟人功能，是模仿人或动物肢体动作的机器，能像 人那样使用工具。由此可知，汽车和数控机床不属于机器人的范畴。 第二，机器人具有智力或具有感觉与识别能力，可随着工作环境的变化而 做出相应的编程调整。一般的电动玩具由于没有感觉和识别能力，因此也不能 归为机器人一类。 第三，机器人应该是人造的机器或者是机械电子装置，该装置应该具有较 好的通用性，能做到通过更换机器人末端执行器便可执行不同的任务。 1 2 2 机器人的分类 机器人的分类也是多种多样的，从不同的角度看机器人，就会有不同的分 类方法【7 1 。通常有按照控制方式、几何结构以及应用领域来进行分类的几种分 类方式。 按照机器人的控制方式可把机器人分为： ( 1 ) 非伺服机器人。按照预先设定好的程序顺序进行工作，通过外部的限 位开关等来控制机器人的运动。 ( 2 ) 伺服机器人。伺服机器人具有控制器和反馈装置，是一个反馈控制系 统，根据其末端轨迹又可分为点位伺服控制机器人和连续轨迹伺服控制机器人 两种。 按照几何结构及坐标形式的不同又可将机器人划分为直角坐标机器人、柱 面坐标机器人、球面坐标机器人和关节型机器人等几类。 按照机器人的应用领域分类方式见下表1 1 。 表卜l 机器人的应用领域分类 分类名称简要解释 产业用机器人 极限作业机器人 服务型机器人 按照服务产业种类的不同，又可分为工业机器人、农业机器人、林业机器人 和医疗机器人等；按照用途的不同，则可分为搬运机器人、焊接机器人、装 配机器人、喷涂机器人、检测机器人等。 作业于人们难于进入的极限环境，如核电站、宇宙空间。海底等特殊环境。 用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，代表着机器人未来的发展方 向。 1 3 工业机器人技术的发展状况 1 3 1 工业机器人技术的国外发展及现状 2 0 世纪中期，随着计算机和控制技术的迅猛发展，人们开始了对现代机器 人的研究。19 4 2 年美国的曼哈顿工程需要处理并加工大量具有放射性的物质， 这为机器人的开发提供了契机。为此，科学家们研究出了一种叫做 t e l e m a n i p u l a t o r ( 力反应远程机械手) 的装置来替代人们处理这些放射性物质， 由此拉开了现代机器人研究的序幕【引。 表1 2 为现代机器人发展史上的标志性事件【9 】。 表卜2 为现代机器人发展史上的标志性事件 年代事件 美国人g c d e v o l 提出了工业机器人概念并申请了专利 美国u n i m a t i o n 公司的第一台机器人u n i ma _ c e 在美国通用汽车公司投入使用 日本从美国购买了工业机器人生产许可证，日本从此开始了对机器人的研究和制造 美国斯坦福研究所研制了可以称为世界上第一台智能机器人s h a l ( e y 日本早稻田大学研发出第一台以双脚走路的机器人 美国u n i m a t i o n 公司推出通用型工业机器人p l ma 标志着工业机器人技术的成熟 1 9 5 4 年，美国乔治德沃尔( g e o g ec d ) 最早提出了工业机器人的概念， 并申请了专利【l 。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手 对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教 再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1 9 5 9 年，德沃尔与美 国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上 第一家机器人制造工厂u n i m a t i o n 公司。由于英格伯格对工业机器人的研发 和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。1 9 6 0 年，美国u n i m a t i o n 公司根据 d e v o l 的专利技术研制出第一台工业机器人，并定型生产u n i m a t e ( 译为“万 能自动”) 工业机器人。1 9 6 2 年，美国g e n e r a lm o t o r s 公司在压铸件的一条装 配线上，安装了第一台u n i m a t e 工业机器人。19 6 7 年，日本川崎( k a w a s a k i ) 重 工公司从美国购买了工业机器人的生产许可证，日本从此开始了对机器人的研 究和制造热潮。2 0 世纪7 0 年代，工业机器人商品化程度大大提高，并逐步在 工业中推广使用。由于计算机技术、控制技术和人工智能的发展，机器人的研 究开发，在水平和规模上都上了新的台阶。到了2 0 世纪8 0 年代，机器人制造 业成为发展最快和最好的经济部门之一，但在8 0 年代后期，由于传统的工业机 器人已趋于饱和，导致工业机器人产品大量积压，影响了整个国际机器人环境， 后来几年，机器人产业又出现短暂的复苏，到9 0 年代中期，世界机器人数量 逐年增加，增长率也较高。进入2 1 世纪以来，机器人也维持着较好的发展势头， 国外越来越成熟的工业机器人技术被工业界广泛应用，一批著名的工业机器人 4 2 7 8 9 9 眄 卯 品牌也伴随着工业机器人技术的发展而形成，它们包括：日本的f a n u c 、 y a s k a w a ，瑞典的a b br o b o t i c s ，美国的a d e p tt e c h n o l o g y 、s tr o b o t i c s ，德 国的k u k ar o b o t e r 等【1 1 】【12 1 。 1 3 2 工业机器人技术的国内发展状况 2 0 世纪7 0 年代是我国机器人研究的萌芽期，1 9 7 2 年，中国科学院沈阳自 动化研究所开始了机器人的研究工作，同年，上海、天津、吉林、哈尔滨、广 州和昆明等地方的十几个研究单位和院校分别开发了固定程序、结合式、液压 伺服型机器人，并开始了机构学( 包括步行机构) 、计算机控制和应用技术的研 究，这些机器人大约有l 3 用于生产。随后是8 0 年代的开发期，“七五 期间， 国家投入相当的资金，进行了工业机器人基础技术、基础元件、几类工业机器 人整机及应用工程的开发研究，完成了示教再现式工业机器人成套技术( 包括 机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生 产的工艺技术等) 的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊、和搬运等作业机器人整 机，及几类专用和通用控制系统等，并在生产中经过实用考核，其主要性能指 标达到2 0 世纪8 0 年代初国际同类产品的水平，且形成小批量生产能力。2 0 世 纪9 0 年代，我国开展机器人柔性装配系统的研究，充分发挥工业机器人在c i m s ( 计算机集成制造系统) 中的核心技术作用，扩大应用领域，从汽车制造业逐 渐扩展到其他制造业并渗透到非制造领域。以后的近1 0 年中，在步行机器人、 精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域，我国逐步缩小 了与世界先进水平的差距【l3 | 。进入2 l 世纪以来，随着工业机器人的快速发展 和广泛应用，国内部分高校也开始自行开发工业机器人来用于教学和研究，如 哈尔滨工业大学、上海交通大学、清华大学、西安交通大学、北京航空航天大 学、北京理工大学等院校都相继开发出不同功能、结构形式的工业机器人，包 括4 自由度s c a r a 型机器人、4 自由度并联关节式搬运码垛机器人、5 自由度 串联关节式机器人、6 自由度串联关节式机器人等【1 4 】【”】。在国家技术发展( 8 6 3 ) 计划支持下，我国工业机器人已经在产业化的道路上迈开了步伐【1 6 l 。表1 3 为 国内主要研发单位近年来工业机器人研发生产应用情况【1 7 】。 4 表卜3 国内主要研发单位近年来工业机器人研发生产应用情况 1 3 3 工业机器人控制系统的发展趋势 工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化方向发展【l 引。其发展趋势 为：结构的模块化合可重构化；控制技术的开放化、p c 化和网络化；伺服驱动 技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和 作业的柔性化，以及系统的网络化合智能化等方面【l9 。具体体现在： ( 1 ) 模块化的控制系统体系结构：采用分布式c p u 计算机结构，分为机 器人控制器( r c ) ，运动控制器( m c ) ，光电隔离i 0 控制板、传感器处理板和编 程示教盒等。机器人控制器( r c ) 和编程示教盒通过串口c a n 总线进行通讯。 机器人控制器( r c ) 的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主 控逻辑、数字i 0 、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键 的输入。 ( 2 ) 模块化、层次化的控制器软件系统：软件系统采用分层和模块化结构 设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱 动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的 开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块 相互协作共同实现该层次所提供的功能。 ( 3 ) 机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进 行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。 ( 4 ) 网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作 站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上 具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人 控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。 1 4 论文选题背景与内容 1 4 1 论文选题背景、目的与意义 本课题来源于合肥工业大学工程认知博物馆的建设。 机器人技术是广大工程技术人员迫切需要掌握的一门技术【2 ，而学校作为 工程技术人员孕育的摇篮，需要对在校学生进行相关机器人技术课程的教学。 但由于往往硬件条件不能满足，学生仅从理论上对机器人进行认知，缺乏对机 器人实践的环节，无法进一步了解机器人内部构造和控制过程。合肥工业大学 工程认知博物馆为机器人的实践教学提供了可能，它是合肥工业大学进行工程 意识和工程基础培养的基地，在馆内，不仅收集了我国乃至世界上早期的工程 机械、通用机械、汽车、电子产品等设备实物，同时还利用资料、图片、宣传 片等形式介绍各类先进的机械和电子产品，本课题所研究的机器人即为馆内展 出并用于机器人实践教学的从日本引进的m 1 0 i a 型f a n u c 机器人，本文以后 对此机器人简称为m 1 0 i a 型机器人。 虽然目前也有少数高校通过自行研制工业机器人来进行相关的研究和教 学，但由于其开发周期较长，技术层面也不很成熟，效果不是很理想。而日本 的机器人整体水平较高，几乎引领着工业机器人的发展方向【2 1 | ，在对日本成熟 机器人研究的基础上可以得到一定的借鉴，于是本课题通过对m 1 0 i a 型机器 人的控制系统进行分析和研究，在对控制系统研究的基础上进行实验和应用， 为以后自行研制或者将该机器人控制系统改造为开放式结构打下基础。 作为一个综合实验平台，m 1 0 i a 型机器人能帮助学生提高创新精神和实践 能力，使学生从系统的角度去认识工业机器人的机构设计、控制等功能，从而 掌握工业机器人控制系统的组成、功能及控制原理。同时，课题的研究还具有 重要的学术价值和应用前景，通过对机器人控制系统的研究与应用对提高工业 机器人性能和推动工业机器人技术的发展有特殊意义；通过对机器人的码垛功 能开发可以应用到实际生产线，推动工业自动化进程。 1 4 2 论文内容安排 本文论文内容安排如下： 第一章绪论。对国内外工业机器人技术发展现状及机器人控制系统发展 趋势做了，提出了本文的研究背景和研究意义。 6 第二章m 1 0 i a 型机器人运动学分析。对m 一1 0 i a 型机器人本体组成结构 进行分析，介绍了机器人的数学基础，并对m 1 0 i a 型机器人正、逆运动学方 程进行求解。 第三章m 1 0 i a 型机器人的轨迹规划和位置控制。介绍了机器人点位控 制与连续轨迹控制，用关节空间法对机器人进行轨迹规划，讨论了机器人位置 控制的p i d 算法设计流程。 第四章m 1 0 i a 型机器人控制平台。提出了m 1 0 i a 型机器人控制系统的 方案，研究了m 1 0 i a 型机器人的控制器内部硬件结构及其工作原理，对控制 器的嵌入式微型计算机和伺服放大器的接口进行了分析。 第五章m 1 0 i a 型机器人的软件结构。对控制系统的软件功能进行分析， 并提出模块化软件设计方案，并介绍了机器人的离线编程及其仿真软件。 第六章m 1 0 i a 型机器人的码垛应用。针对作业任务，选择真空吸盘作 为机器人末端执行器，对其控制电路进行设计，并对作业路径进行规划，编写 程序使机器人实现码垛任务。 第七章总结与展望。 第2 章m 1 0 i a 型机器人运动学分析 要实现对工业机器人在空间运动轨迹的控制，完成预定的作业任务，就必 须做到机器人手部在空间瞬时的位置与姿态。如何计算机器人手部在空间的位 姿是实现对机器人的控制首先要解决的问题。本章主要讨论机器人运动学的基 本问题，将引入齐次坐标变换，推导出坐标变换方程：利用d h 参数法，进行 机器人的位姿分析；对机器人正向与逆向运动学的问题进行求解。 2 1m 1 0 i a 型机器人的本体结构 2 1 1 m 1 0 i a 型机器人的机构构成 图2 一l 为m 1 0 i a 型机器人本体的三维模型，其为六自由度关节机器人。 图2 1m 一1 0 i a 型机器人本体及坐标 两个基座主要起支撑作用，连接机身与底座的腰关节儿产生回转运动，大 臂与机身构成肩关节j 2 驱动大臂的俯仰运动，大臂与小臂构成肘关节j 3 驱动 小臂的俯仰运动，j 4 、j 5 、j 6 这三个关节驱动着手臂的横摆，手腕的俯仰以及 回旋。这六种运动全部由各关节的交流伺服电机来驱动，可以满足驱动大惯性 力矩负载和快速运动精确定位的要求，且可根据实际作业的需要可以在机器人 手腕单元安装所需要的末端执行器。 2 1 2 m 1 0 i a 型机器人的技术参数【2 2 】 m 1 0 i a 型机器人的部分技术参数见表2 一l 。 表2 1m 一1 0 i a 型机器人的技术参数 项目规格 动作形态 乖盲名关节犁机器人 控制轴数6 轴( j 1 ，j 2 ，j 3 ，j 4 ，j 5 ，j 6 ) j l 轴 1 8 0 。- 1 8 0 。 j 2 轴 1 6 0o 9 0 0 动作j 3 轴 2 6 4 5o - 1 8 0 0 范围 j 4 轴 1 9 0 。，- 1 9 0 。 j 5 轴 1 4 0o - 1 4 0 。 j 6 轴 2 7 0 。- 2 7 0 。 j l 轴2 1 0o s j 2 轴1 9 0 。s 最大动j 3 轴2 1 0o s 作速度j 4 轴 4 0 0 。s j 5 轴4 0 0o s j 6 轴 6 0 0 0 ，s 可搬i 云重量 6 埏 位置重复精度 o 0 8 m m 机器人本体重量 1 3 0 k 2 2 机器人位姿分析与空间变换 2 2 1 位姿描述 物体在空间中的位姿描述包括位置和姿态( 方位) 两方面的描述【2 3 1 。位置 描述就是要确定物体在空间中的三个位置坐标( 位置自由度) ，姿态描述则是要 确定物体在空间中的三个旋转坐标( 姿态自由度) ，对于机器人来说，其位姿描 述就是要确定末端操作器能达到不同的空间位姿，从而满足期望的工作要求。 对机器人的位姿描述须先对其坐标系做出选定，假设固定于机器人基座上 的坐标系为 d 0 ：，z o ；i ，j ，k ) ，也叫做基座标系，末端执行器的坐标系为 q ：，蚝，乙；n ，o ，a ) ，且末端执行器坐标系 q ：，乙；n ，o ，a ) 是由基坐标系 q ：j c o ，乩，z 0 ；i ，j ，k ) 经过平移、旋转变化得到的，如图2 - 2 所示： 9 tt 翻 图2 2 基座标系与末端执行器坐标系 1 位置描述 如图2 - 3 ，对于基坐标系 d o ，末端执行器中心点p 的位置都可用3 1 的 列矢量p = p ，b ，见】7 来表示，p 也称为位置矢量。其中：见、岛、见是点p 在坐 标系 q 中的三个坐标分量。 图2 3 位置向量的表示 2 姿态描述 在上述的机器人坐标系中，视基座标系 q ) 为静坐标系， q ) 为动坐标系。 末端执行器中心点的姿态可以用动坐标系三个坐标轴上的单位矢量n ，o ，a 的方 向来描述，也就是用n ，o ，a 相对于静坐标系的方向余弦即( i n ，j n ，k n ) ， ( i o ，j o ，k o ) ，( i a ，j a ，k a ) 来表示。其中，i a 表示i 轴与a 轴两个单位 矢量间的方向余弦，因为i a - | i | i j i c o s a = c o s 口，其他类推。令 i k l n j 。n k n r 为3 阶矩阵，表示动坐标系 q ) 相对静坐标系 d 0 ) 的姿态，称作姿态矩阵或旋 转矩阵。 对应于轴x ，y 或z 做转角为p 的旋转变换，其旋转矩阵分别为： 1 0 、ji2，l 1j a a a 1j k o o o 1j k r c x ，a ，= r 壹 兰 垆雕 脚川2 i 式中，c 表示c o s 9 ，s 表示s i n p ，本文中以后出现也将按此约定。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 2 2 2 齐次坐标变换 m l o i a 型机器人为串联式链结构，可以把其看作是由6 个关节连接起来的 连杆所组成的，每个关节的运动都会影响到机器人末端执行器的位姿，坐标系 是固定于每一个连杆的关节上的，每个关节的运动情况都是在其各自的坐标系 下来描述的，这就涉及到从一个坐标系的描述到另一个坐标系的描述之间的变 换，于是采用具有较直观意义的齐次坐标变换来描述这种变换关系。 1 点的齐次坐标 齐次坐标是指在原有刀维坐标的基础上，增加一维坐标而形成的疗+ 1 维坐 标，增加的这一维分量称作比例因子【2 4 1 。齐次坐标的引入可以给矩阵运算的数 学表述带来极大的方便。如用四个数组成的( 4 1 ) 列阵表示三维空间直角坐标 系 瓯) 中点p ，则该列阵称为三维空间点尸的齐次坐标，如下： 有： 尸= p x p y p z 1 ( 2 5 ) 齐次坐标并不是唯一的，当列阵的每一项分别乘以一个非零因子时，即 p = p l p v p z 1 口 6 c ( 2 6 ) 其中：a _ p 。，b 2 p ，c - p ：。该列阵也表示尸点，因此，齐次坐标的表示 不是惟一的。在机器人的运动分析中，总是取：1 【2 5 1 。 l l o 心 c s o c 0 0 1 2 齐次变换 三维空间中的齐次变换是通过一个f o p 矩阵来完成的，它可以表示平移、 旋转及复合变换。坐标变换矩阵描述了一个动坐标系绕另一参考坐标系旋转和 对参考坐标系的平移的三个轴的方向和原点的位置。 分别将基座和末端执行器设置为固定坐标系和动坐标系，如图2 4 所示。令r 为尸 在 q 系中的矢径；r o = o 。o 。，表示 q ) 系原点在 哦 中的矢径；r n = o 。p ，表示尸在 q ) 中的矢径，并令各自的齐次坐标为： r = r n 2 u v w l r 0 2 图2 4 向量在动坐标系和固定坐标系之间的转换 则三矢量之间的关系可表示为： 令： 丁= 尼。3 o 恐。3 ： 口 ；6 c ； 1 “ v w 1 o ( 2 7 ) ( 2 8 ) ；口 ；6 i cl ( 2 9 ) i 1 - j 则丁就是其次坐标变换矩阵，其前三个列向量称为方向向量，由旋转变换 ( 分别绕孙y 。、z 。轴转p 角) 确定，第四个列向量为平移向量，由平移变换( 沿 孙y 。、z 。轴的平移量) 确定。 1 2 沿孙y 。、z 。轴平移齐次变换矩阵和绕孙y 。、z 。轴转p 角的旋转齐次变换 矩阵分别为： 阢船( 口，6 ，0 = 砌晚，回= lo 0l 0 o 0 o 0口 o 6 1c 01 c 9 os 90 oloo s a 0c p o oool 础瓴，回= 砌，回= 1 0o0 0c p s p0 os pc po oo0l c p _ s 9o o s 9c p 0 o oo10 0o01 ( 2 1 0 ) 2 2 3 连杆坐标变换 1 转动关节连杆d h 坐标系建立 在建立坐标变换方程时，把一系列的坐标系建立在连接连杆的关节上，用 齐次坐标变换来描述这些坐标系之间的相对位置和方向，就可以建立机器人的 运动学方程【2 引。为了确定每个关节坐标系的方向以及确定相对两个坐标系之间 的相对平移量和旋转量，d e n a v i t 和h a r t e n b e r g 提出了广义d h 连杆以及相应 连杆坐标系的分析方法，即d