（机械电子工程专业论文）njr工业机器人控制系统的研究与开发.pdf

华 中科技大学硕士学位论文 摘要 i 本课题柬源于华i f l 数控与宁 l 几床，合作 ：发的项目n j r ( n i n g j i a n gr o b o t ) p 机器人。 在现代制造业生产中，j ：业机器人有着重要的作川。它的发腱经历】，j 二个小 的阶段：从最初的示教再现机器人，到具有定信息反馈功能的机器人，再到智能 化蚋机器人。 体文弼顺了机器人控镭4 器的发腱过程，住应蹦研究的臻础l ? ，) r 发了 n j rf l i 业机器人控制系统。 华 l2 0 0 0 型数控系统是! 括巾数控公司丌发的，i ：放式数控系统。本史在华r i t2 0 0 0 型 放式数控5 f 台的丛础f ：，结合n j r 一川p 机器人的艟本结构，j j 了j e 托刹蟓理 和方式，介窖f j 了工业机器人的硬件结构，并提出了系统的软件结构和实现方案。 根抛- r ：, j k 机器人的功能和需要，本文研究了机器人控制系统中的j j 蜚算澎：，包 括机器人运动学分析，逆运动学求解的实现以及确i 关节空i n j 君l l 笛 尔空删t f ，的轨迹 规划，并针对笛卡尔空间中空间直线和圆弧轨迹的插补实现做了深入的研究。 在华巾2 0 0 0 型数控系统解释器的基础j ：，本文构造了n j r r q p 机器人的i 磐南解 释系统，该解释系统不仅可以识别机器人语言，而且可以兼容数控g 代码的解释运 行。 ， f 在实现丁q k 机器人的挞小功能的魑础i ：，木文剥机器人的图形仿真技术进行了 研究，构造了机器人的三维模型，结合运动学分析，描述了机器人实时运动的化姿， 并作了消隐处理。j 关键词：i = 业机器人j 机器人运动学、运动学反解解 p 轨迹规划，图形仿真 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si s s u p p o r t e db yt h ep r o j e c to fn j r 烈i n g j i a n gr o b o t ) i n d u s t r i a l r o b o t c o n t r o ls y s t e m ，d e v e l o p e db y1l n a z h o n gn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mc ol , t d f o rn i n g j i a n g m a c h i n et o o lc o m p a n y t h ei n d u s t r i a lr o b o tp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h em o d e r nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i t s d e x t e l o p m e n te x p e r i e n c e dt h r e es t a g e s ：r o b o tw o r k i n gb y o n l i n et e a c h i n g ，i n t e l l i g e n tr o b o t f u n c t i o n i n go nc e r t a i ns e n s o ri n f o r m a t i o nf e e d b a c ka n dt h ea d v a n c e di n t e l l i g e n tr o b o t t n t h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo f r o b o tc o n t r o l l e ri sr e v i e w e d b a s e do nt h eh n c 2 0 0 0s y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n e dt h ef i a m e w o r ko fn j r i n d u s t r i a lr o b o tc o n t r o ls y s t e m ，i n t r o d u c e di t sc o n t r o lp r i n c i p l ea n dm o d e ，d e s c r i b e dt h e s t r n c t u r eo fh a r d w a r e ，a n dd e s i g n e dt h es o f t w a r e a c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o n so ft h ei n d u s t r i a lr o b o t ，k i n e m a t i c sf t o l nj o i u ts p a c eo r c a r t e s i a nc o o r d i n a t ea n di n v e r s ek i n e m a t i c sa r ed i s c u s s e dc a r e f i d l y t h e n ，s o m ee l l e c t i v e t r a j e c t o r yp l a n n i n gm e t h o d sf o rs p a t i a ll i n ea n d a r cm o t i o no f m a n i p u l a t o ra r ew o r k e d ( ) l i t t h ek i n e m a t i c sf r o mj o i n t s p a c e t oc a r t e s i a nc o o r d i n a t e ，i n v e r s ek i n e m a t i c sf r o m c a l l e s i a nc o o r d i n a t et oj o i n ts p a c e ，a n ds o m ee f f e c t i v et r a j e c t o r yp l a n n i n gm e t h o d sf o r s p a t i a ll i n ea n d a r cm o t i o no f m a n i p u l a t o ra r ed i s c u s s e d b a s e do nt h ei n t e r p r e t i n gs y s t e mo f h n c 2 0 0 0 ，i n d u s t r i a lr o b o tl a n g u a g ei n t e r p r e t i n g s y s t e mi sc o n s t r u c t e d ，w h i c hc a ni n t e r p r e tr o b o tl a n g u a g eo rg c o d e s t h e n ，a c c o r d i n g t ot h e p r i n c i p a l f l m c t i o n so fi n d u s t r i a l r o b o t ，t h i sd i s s c r t a t i n n r e s e a r c h e dg r a p h i c a ls i m u l a t i o no f r o b o t ，m o d e l i n gt h e3 - dm o d e lo ft h er o b o t w i t ht 1 。 a n a l y s i so f t h ek i n e m a t i c s ，w ea n i m a t e dt h er e a l t i m e di m a g eo f t h er o b o to nt h em o n i t o r k e y w o r d s ：i n d u s t r i a lr o b o t ，k i n e m a t i c s ，i n v e r s ek i n e m a t i c s ，i n t e r p r e t ，t r a j e c t o r yp l a n n i n g ， g r a p h i c a ls i m u l a t i o n - _ _ 一_ _ _ _ - - _ _ - _ - - _ - _ _ _ - - _ - - - - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ - 。_ _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - _ _ - 一 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 机器人是一种复杂的系统，它的定义是多种多样的，很多幽家利幽l 钆il 业组 纵 都对其给出了定义。在产业界，国际标准化 f t g l c l s o ) 二j 二1 9 8 7 年对工、j k f j l 器人进行了 定义【l i ，_ t z ! i k 机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操t 4 j l - j l ，这 利，操作具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、r ：具和专川旋霄， 以执行各种任务。美国韦氏词典对机器人的解释足：机器人足一种自动化的设备， 可以执行某些属于人或机器的功能。我国科学家对机器人的定义是：“机器人足一 种自动化的机器，所不同的是这种机器具有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”。 关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，按j i 4 i 嗣的用途，州以将 机器人分为工业机器人、服务机器人、水下机器人、1 农林业机器人、娱乐帆器人等 等。我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类：即t 业机器人和特 种机器人。所谓- f _ = ! l k 机器人就是而向 ：业领域的多关节机械手或多自i l l 度机器人。 而特种机器人则是除工业机器人之外的、川i 于t h 铕, l 造业并服务。1 二人类的各种先进机 器人。 ：i 二业机器人又称为机器人操作臂、机械手，足4 1 肌代制造业i ，j “泛成川的种 柔性自动化装置。而数控技术足柔性自动化的中心研：节，也是二i ：业机器人的技术鉴 础之一，现代工业机器人可以看成是数控操作臂。采用先进的数控技术成果，“j 以 大大缩短机器人的丌发周期。本文所枷f 究的；i l , j k l ! j l 器人的底层控制系统就是建住 华中2 0 0 0 型数控系统平台上，在研究和开发的过程中借鉴和参考了一些i 亥系统的) 1 发成果。 1 2 机器人技术发展概论 在技术的发展上，机器人经历了第一代( 运动轴可以自由编程) 和第二代( 装 有外部传感器) 的发展，技术上同趋成熟，应用领域不断扩大。目的，机器人技术 j 下处在第三代智能机器人的发展阶段口1 。 华中科技大学硕士学位论文 第一代机器人是示教再现型机器人。示教阿现型机器人通过爿教仃贮信息，一 作叫读这些信息，l 由执j 1 ：机构发 i i | 旨令， ，l j l 机构按指令l l 现示教的揲作。i l 丽 j i 在：l 业中应用的l 喷漆、搬运、i 乜焊机器人，人_ 占l f 偶j ：第一代机器人，j 仃爪教t i f 王见的功能或可编程的n c 装胃，没有位臀、速度、力等内部信息的检1 4 儿什( 内部 传感器) 和丛于这些传感器的控制系统t ：f i j f i i j 服机1 = f ：i 。 第二代机器人是基于感觉控制的机器人，它能利用外部传感器探洲外部环境和 操作对象的有关信息，来改变ij ：动，进行规划，适应外界的变化和l 二扰。几i 二代 以来，笫二代机器人以装配机器人为先导j “：- 以i u 了、 也l 及精密机械制造为先 导应用产业展丁f ：。第二代机器人的应用，改变了过去火规模! l i ，“系统依靠火 遗 t - s “ 同产品米降低成本的生产方式，以尘：产- i i ，j 、批量的敏捷制造生产疗武达到了生产 产：品的价格在批量越米越少的情况i - # j j 保持优辨，从而确矗：了该食, l k 7 1 i f h 场竞 争中的有利地位。 第三代机器人是基于知谚 控制的智能机器人。它是人一智能j ：l i 、l k j l 器人川结 合的产物，其本身能认识工作j j ；1 ：境、一l 作对象及其状念，能根据人给予的指令和“自 身”认识外界的结果来独立地决定：【：作方法，利用操作机构和移动机构求实现任务 i ：i 标，并能适应工作环境的变化。智能机器人技术的研究l 成为机器人领域i ：j 1 i 婴 发展方向，如各种精密装配机器人、；d i 位置混合控制机器人，多肢体协调系统以及 先进制造系统中的机器人研究等。 在工业先进的国家，过去长j n 】把，j ：产f i 动化的重点放n ! 机械i ：h i ( ij ，近j l i i 柬这个重点已逐步转移到装配方面，并n 已经涉及机电：1 二业、非制造部f 】等劳动密 集度高、重复性作业多、劳动强度人的领域。从ii 村的情况来看，机器人技术的发 展要求提高工作精度和运动速度，增加机构的白山度以提岛通j t j 性和灵活性，降低 结构自重，逐步采用标准化、模块化的组合结构，丌发传感器技术年l i 机器人语南， 同时根据内部信息和环境来控制机器人，采川离线编程及计算机仿真技术，以实现 机器人的智能化。 研究机器人的发展过程可以看到，发展智能机器人必须抓技术驱动，使丛础技 术过关，然后选准先导应刚产业和先导产 “实现商 州j 二，托1 l j 场的驱动f j 到酱 及应用。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 3 工业机器人发展现状 1 3 1 国外工业机器人发展现状 自1 9 6 2 年美国推i t li | 上界t 第一台u n i m a t e 型弄l ly e r s a l r a 裂：l 、i p 帆器人以米，机 器人在工业发达国家得到了迅速发展。根拥田际1 ：业机器人联合会( i f r ) 前儿 l 。的侦 测1 3 】，到2 0 0 0 年全世界工_ k t j l 器人的总数将达到8 2 万台，比1 9 9 6 年增加2 4 。其 r l t ，f _ 本将捌有4 2y j 台，占全吐界机器人总数的5 0 j d 右，继续保持“机器人l i 世” 地位。除h 本外，吐界j l 二还有y ：多1 业发达幽家，如荚幽、漪：联羊p q 欧q 毋家 的机器人产业也发展得很快。例如，在美国，1 9 7 0 1 9 8 0 年问的机器人台数增加2 0 倍以上。尽管美国所执j 有的机器人谯台数上小如i i i 本，但其技术水f 较商，1 1 1 有 定的优势。到1 9 9 8 年，美国拥有8 力多台机器人，德国为7 ，j 多台，分别占l 吐界机 器人总数的1 5 和1 3 左右，排名l l ! = 界第2 位和第3 位。在雅洲，韩i 斗的机器人产 业发展迅速，现排名世界第5 位；而f j 本、韩国和新加坡的机器人密度( 即制造业q ， 每灯名雇员占有的工业机器人数量) 居世界第l 3 位，包揽了i j 三名。西欧的意火利、 法国、英国和东欧的匈牙利、波兰、南斯拉夫以及北美的加拿大等，机器人制造业 及应用机器人的情况都有很大发展。 1 3 2 我国工业机器人发展现状 日i j f 在我国，机器人技术的f i j f 究和_ 川：发l ：彳 到前所k 柯n 勺噍视。我吲仃 i f 织订 计划的发展机器人事业，应该既是从“【二j i ”j 岿l l l j 的科技攻关戍实施“8 6 3 汁划” 始f f j ，经过i j l q ：- f f 1 4 i t f f l i 0 、生产、j , , zj t j ，从纵阳羁，f | - r 长足的进步。脱仃， e 一j b l k4 ：j l , 器人总装机量约为1 2 0 0 台，j c - i i 幽产：机； ； 人l i 仃齄约1 3 ，| j4 0 0 多f n 仪 ，i m 界机器人总装机台数7 0 万台的万分之卜七；对于一个1 2 亿人i 的人水i j 3 ， 差距足太大了。装机数量太少，色叫我的l ：, i k f e 氍度( 尤j c 姓f iz 力化槲j ! ! ) ! l ： 业发达国家的差烈i 太大，因为工业机器人的眦，卜刷应川发胀足以i 业乍产l 铈逆ej 动 化和柔他化为7 ，景的。除数鼠外，差距还表现n ! 已彳| 的机器人利1 j ；棼1 i 苛，以进li 的弧： l f ! 机器人为例，锯稠俞，完令i e ? i t 运4 ，充分发挥敛& 的八。l i1 3 ；，j 外1 3 处 j 二负1 | f 刁i 满或刁i 能完全i i - 1 1 ； 运转状态，原足7 l 产管耻及使i e 护存n ：n q 题；还钉 1 1 3 不能j 下常使用，直接影响了用户使用更多机器人的信一山。 尽管t j l i j k ，经过十几年的研制生产和应用，从纵向上看，我因的机器人事业有 3 华中科技大学硕士学位论文 了长足进展，目i j i 在某些机种方1 f ；| j ，姗帻涂、弧焊、点焊、搬运、城配、特种十j l 器 人水f 、爬壁、管道、遥控等机器人) ，【二经进 门 i j l 制。如北京机械1 ：、i p i t z 巩 化研究所已售出自行开发研制的各类机器人13 0 多台，其喷涂机器人系列产： m 日内 1 f 场i i 有率6 0 。北京机 u 研究所引进德的辊锻羽i 热模锻1 j 【器人技术，纶 余年 生，：应川已全部幽产化。- i 科院沈| ；r | 动化研究所研制的尤缆6 0 0 0 米水卜+ j 【器人已 达到世界先进水平。北京航空航天大学机器人研究所首次在我幽将机器人应川例卣 外科予术也获得成功。这都说1 1 j 】我国的机器入技术存世界- i 有“席之地。“，l “”期 川，8 6 3 计划智能机器人生题的发展战峪包括了以f l 个方l f l i ( 1 ) i f l i 阳汽1 、i u 予等支柱产业，j - r 展机器人与自动化生产：鹿川l ：程；( 2 ) 以怨劣环境实际心川为背 撩，发展先进机器人技术；( 3 ) 以应川l 程为儿导，带z 力机器人产q k 化发腱。 制约我国技术发展的) f i i 颈足1 1 f 场，虽然u 河我凼的机器人1 1 i 场较小，似从总体 上浼，机器人市场必将有一个快速增氏时期。这罩面有些具体问题要解决，一是要 形成产业化；二足有关各方( 包括主管部门和食q p 界) 要柯决心仡。刚k 机器人这 高薪技术领域实施“高投入高产出”的战略；三是要解决用好机器人的问题坚持以 实际应用带动机器人技术发展n 勺方向；叫是要犬力普及机器人的科学壹：| j 让 ，另外还 需要针对学生、专业人员等各方人：【：举办各利一内容f i j “机器人讲座”，为他们提供择 种实验设备，例如各种类型的教学科研用机器人。只有这样，我国的机器人事q k j 大有希望。 l 】科院院士、8 6 3 计划机器人学科首席科学家蒋新松十年以f j i 就，t - 。1i i ”，我机 器人起步晚，根据经济需要我们要从简单实用经济型- 1 ：业机器人入手，j l ：拓市场i j i 景。从目前来看，制约我国机器人技术发腱的瓶坝是市场。且主然我心机器人m 场较 小，但从总体上看，机器人市场是快速增长时j l j j 。 1 4 机器人控制器概述 1 4 1 机器人控制器的介绍 一个完善的工业机器人系统，必须山一个完善的机械系统和相应的控制器组成。 一个完善f h f l j l 械系统是机器人具备完成各种作h k 的必要条件i l ：臂机构能把终端操作 器仲刮作业区中任意的预定位置，腕机构能保持任意的预定姿态，终端揲作器能完 成诸如抓持、释放等操作。机器人控制器的功能是控制机械系统的运动和操作满 足作业的要求。在各种作业中，机器人的运动主要表现为终端操作器沿预定的路径 华中科技大学硕士学位论文 移动，并保持预定的姿态，诬运动l t 或在预定的某些位置【i 完成作业规定的操作。 为了实现秽【器人的上述锋种功能，锥个机器人邰配订川成的控制器。机器人控 制器由一组硬件和软件组成，相当于机器人的“大h 卤”。作为机器人系统- 4 ：i ，j 分割的 部分，机器人控制系统的丁作原理、结构和机器人功能、精度的要求有密切的关 系。从基本工作原理和系统结构i ：，将机器人控制系统分为两类1 6 i ：非们服型系统年 伺服型系统。下图给出了两种非伺服型系统。其中图1 1 ( 1 ) 是末采j h 反馈信号的) i ：环 非伺服型控制系统。运行时，利序控制器依次根狮；存储器数槲控制驱动器骷功￥i 运 动，祚；控制过程- i 没有反1 ： f 信号。图1 1 ( 2 ) 给了采川j i ：关反戗越的州一j j j k 刑系统。系 统i l 应用了行程开关在预定位置上给：_ i j 反馈信号，它仅仅用以启动或停l i ：某+ 运动。 在运行巾，程序控制器根捌控制某关1 y 驱z 力器崩功，到达预定位背时j f 槲，f ：天给 信号并反馈到驱动系统，或用以控制运动停止，或用作下步程序的启动信号等。 这类系统的特点是机器人各关节只能停在设有行程开关的位置，i ? 。两个位置之i 口l 均 以一定的速度运动。每个关节除了始端、终端两个停止位置外，可以根掘需要没旨 中间停止位置。但停止位置在数量上受到各种限制，且调整修改难。非伺服型控 制系统的以上特点，表明它适合于作q k 棚对同定，操作程序简单，运动精度要求不 商的作业，采用这类控制系统的机器人，具有价格低廉，操作、安装、维护简j 簪可 靠性较好的特点。它主要用于各种加工过程中的材料、零件搬运工作，如铸造、码 垛、注塑成型、机床上下料。例如v a r s t a n 、p i a bf a 机器人l ”，均属1 ：这种类型的机 器入。 削11 州司服j 弘机器人控制系统 譬寓 华中科技大学硕士学位论文 陶1 - 一2 例服删机器人控制系统 图1 2 给f _ j 了两种伺服型控制系统。幽1 2 ( 1 ) 灶舆型的业j 【器人伺服控制系统。 其二 婪特点足系统i 1 采j | j 了传感器测量关竹参数，如关节位置、速度，并反馈到驱 动器构成闭环伺服系统。在伺服系统控制下，保证机器人各关节能正确跟踪给定位 旨、速度的变化，并能停在行程范刚内任意给定的位置l 。机器人运行时控制i t 算 机按照程序不断读出内存数据，作为各关节参数的给定值。伺服系统则控制各关1 i 跟随给定值，使机械系统完成预定的运动轨迹和操作。铂吖叫服控制卜，= | 【器人天铃 的运功速度、停留位霄准确、灵活。机器人的运z 力中要彳】火的托0 卜控制，m i 州序 的编制、修改、调整简便灵活，能方便的完成各种复杂灵1 0 的操作。这些优一7 i 是突 i j j 的。因此，干非伺服型控制1 1 i 比，虽然系统结构比较复杂，价格也比较商，f ! ! 仍 得剑) 泛应川。儿乎所有的多功能、商性能f l ( j 机器人，都采川例服型控制系统。陶 1 。2 ( 2 ) 足适应型或智能型机器人控制系统的简图。它和般的伺j j 慢型系统4 | i 比，域夫 的特点是增加了机器人环境的检测，并构成机器人总体的闭环反馈控制系统，使机 器人具有适应环境变化的智能特性，适应型及智能型机器人足f l 前机器人技术技眨 的毛要方向。 i 4 2 机器人控制器的功能 图1 3 表示机器人系统的功能框图，其一 ，虚线榧内的内锌表示机器人拧制器核一c 控制模块应具备的丛本功能。f 肼一个机器人控制器鄙应该具备的这些丛本功能， 并在此基础上进行扩充，形成一个完善的机器人控制器。图1 3 的各部分解释如f 1 1 l ： 6 华中科技大学硕士学位论文 图卜3 机器人系统的功能框| 璺| 1 作业内容示教 所硝作业内容示教指的足，为了订：机器人完成某项作、l k ，必须 世完成咳f 1 ：业 j = l 容的实现方法对机器人进行示教。随着机器人完成的作业内容复杂程度的提高，如 果还是采用示教再现方式对机器人进行示教，已经不能满足要求。目前。般采川机 器人语言对机器人进行作业内容的示教。作业内容包括让机器人产生应有的动作， 也包括机器人与周边装置的控制和通讯等方面的内容。 2 作业点示教 指的是对机器人的位置进行示教的功能。按照示教方式的不同，有鼠接乐敦法、 遥控示教法和间接示教法等。 3 轨迹生成 为了控制机器人在被j 教的作业点之问按j 机器人i 言所拙述的指定轨迹运 动，必须计算配置在机器人各关节处电机的控制量，包括l u 机的旋转角度、速度军 加速度等日标值。 4 伺服控制 从生成轨迹的部分接受输的f j 标他，按j ! 这个| j 标值的人小，例j j | i 倒j i 阍j 牟向 u 流指令值，这个i 乜流指令值控制安装n ：机器人备关节处电机的旋转运动。 5 f 【l 流控制 这一部分主要对实际流过电机的哇l 流值进行检测平l l 监控。保i j f f u 机按照水f j 伺 服控制部的电流指令值进行旋转运动。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 3 机器人控制器的现状与展望 1 4 3 1 机器人控制器的现状 ：i ：业机器人系统通常分为机器人本休和控制器两大部分。控制器的l j 要作川趟 根据用户的指令对机器人本体进行操作和控制。随着现代科学技术的e 速发胜和引 会进步，对机器人控制器的性能l j 三提 1 1 了更高的要求。但是，一l ：业机器人自诞乍以 冰，所采用的控制器基小l ：都足玎发者丛于一已的独莎结构进行丌发的，采川专川 l 鳍机、专用机器人语言和专用操作系统。川，、难以l a 1 t ； i 己的需要对j e 修l 攻、扩 充功能，通常的做法是对其详细解剖分析，然后对其改造。 国内机器人控制器，如原上海二l ：业大学和航天部6 3 3 所研制的s l r 1 1 型一业机 器人，采刚二级计算机系统作为控制器的核心部件，山i n t e l 8 6 3 1 0 机作为系统的l ： 位机，系统的下位机采用i n t e l 8 0 8 5 为c p u 的单板机，用来控制各关节的运动、焊接、 示教信息的传输、外部报警及传感信息的采集。我国的精密1 号装配机器人控制器， 采j hi n t e l 公司的i s b c 3 8 6 1 2 系列计算机_ ：f i fi r m x i i i 实时多任务操作系统，采川j ：、 下两级分御式计算机结构。国外机器人生产厂家各有自己的控制器，专i f j n 慢，1j 不j k 容。控制器大多采f h 分级方式，如并名的p i i m a 、a d e p l 、g r a c o 干l n l c l l e d e x i 机器人。控$ i i i 采j f j 的c p u 犬都停留在早期的芯片。l ：。 l 都采j j 多c p ij 分们式结 构，两级控制，而操作系统则都采用实时多任务操作系统i r m x 系列，成夺高，人 机界1 f 【 差。机器人控制器采j j 多c p u k - 要是为j ，觯决一删单c p u 运算i l ) j 小足的 问题。* i t l l 人控制器的硬件体系结构定程度，i ：决定了它采川似种操作系统。 综合起来，现在的机器人控制器存在很多问题，主要表现在以卜 几方两：肝放 性差，软件独立性、容错性和扩展一陀差，以及缺少刚络功能等1 8 i 。 i 4 3 2 以p c 为平台的机器人控制器 当今p c 机上的c p u 的运算速度平处理数删能力足8 0 8 0 c 1 u 的数r 倩。川i 尊 的c p u 替代早期多c p u 结构已r i y i i 。现在p cr q k 控制汁钟：机r l ：能越术越完薄， 功能越来越强火，具有很强的扩。展性、j f ：放。陀以及很高的4 胜能价恪比，l 埘的麒 于p c 总线工控机的c n c 数控系统，从侧面说明了商性能的p c _ 1 控机作为机器人 控制器硬件s f - 台是可能的【9 1 。 机器人系统是否先进很大程度上取决于其控制器，机器人控制器的成本较大程 华中科技大学硕士学位论文 艘i ：决定了机器人的价格。从h 前的发展和今质的趋势看，机器入控 i l l 器采j l 通川 f 算机将成为一个二卜流，机器人控制器艇4 1 。l 俞将采川3 2 化c p u 或6 44 tc i ij 的 1 控机，并具有多种传感器接口* u 嘲络接，软件3 f 台将采具有w i n d o w s 帆格的 多任务操作系统。例如占世界机器人市场份额第四、欧洲最早研究机器人的德图 k u k a 公司正在研究基于p e n t i u m 级i p c 和w i n d o w s 的和【器人控制器，以此术捉商 机器人控制器的性能价格比。这说明以p c 机及其上的通用操作系统为平台丌发机器 人通用控制器是符合机器人控制器发展方向的。 1 4 3 3 机器人控制器的展望 随着机器人控制技术的发展，钊对结构封闭的机器人控制器的缺陷，外发“具 有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方 向。近几年，同本、美国和欧洲的一些国家都在，r 发具有开放式结构的机器人控制 器，如日本安川公司基于p c 丌发的具有j 胁女式结构、网络功能的机器人控制器。我 国8 6 3 计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项。开放式结构机器人控制器是 指：控制器设计的各个层面对用，丌放，用户可以很方便的扩展和改进其性能。其 主要思想是； 利用基于非封闭式汁算机平台的开发系统，例如p c 常【。有效利_ i i j 标准汁算机，卜 台的软、硬件资源为控制器扩展创造条件。 利用标准的操作系统，如w i n d o w s 和标准的控制语言，如c ，c + 十。采川标准 操作系统和控制语言，从而可以改变各种专用机器人语言并存i 互不兼容的局面。 采川标准总线结构，使得为扩展控制器，r t 能i f | i 必须的蚀仆，丑符种传感器，i o 板、运动控制板可以很容易的集成到原系统一i t 。 利用网络通讯，实现资源共享或远程通讯。目前，绝大多数的控制器都没有m 络功能，利用网络通讯功能可以提高系统变化的柔性。利用网络通信还可以实现多 台机器人或者机器人与其他一些柔性自动化装备如数控机床的铷同工作。 1 5 本文的研究内容和主要工作 工业机器人是典型的机i 乜一体化的高技术产6 “稿湖：多牛产领域对提高生产的 自动化水平，提高劳动生产率、产品质量、经济效益，及改善工人作业条件等方面 起到不可替代的作用。许多劳动条件恶劣，要求生产质量稳定的场合使用工业机器 9 华中科技大学硕士学位论文 人是社会发展的必然趋势。国外二r ：业机器人技术已经趋于成熟，应刖领域相当普及， 已制作各种型号的机器人，刈完成点：【! i ! ，弧焊，圳割，搬运，麸配等择种i 作。 但在我国，工业机器人的应1 1 j 还只在起步阶段，离： 业机器人诅 我幽：l ：, j k g - j “ ，广 泛应刖还有较长的一段距离。为尽快缩短与州k 先进国家确：r ：业机器人应j f 】方嘶的 差距，目前许多火专院校和科研单位，1 i 断地进行着研究、探索和实践，经过多年的 努力已经研制i t 几种不同负荷的_ 1 ：、i k 机器人样机，有的在丁、j k 乍产中得到了部分j 、t ，1 j ，f i i 挪没有达到能够进行? 刚k 化生，“的烈馊。小文所作的i i 作心j ：机器人成川研 究，来源于华中数控系统股份有限公司与宁 i ：机床厂合作丌发的项n j r f n i n g j i a n g r o b o t ) i 业机器人控制系统”，主要作了以下几方面的工作； 1 基于华中2 0 0 0 型开放式数控系统的平台，进行了n j r ：l 业机器人的控制系统的 设i 卜工作。 2 研究了n j r 工业机器人的运动学，得出了机器人山笛卡尔空n j 向关节空问的逆 运动学求解的方法。 3 在华中2 0 0 0 型数控系统解释器的基础上构造了机器人语言的解释系统，运川g 代码语言和机器人语言对机器人进行控制。 4 对机器人在关节空间中的轨迹规划进行了研究，并对机器人在笛忙尔空洲中的直 线和圆弧运动的轨迹规划给出了具体的实现方法。 5 结合计算机图形学的成果，对机器人的图形仿真进行了_ i j f 究。 一一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 基于开放式数控平台的工业机器人的系统设计 2 i 工业机器人系统的基本结构 工业机器人是一个机电一体化的设备，从控制的观点术分，i ：业机器人系统可 以分为四部分：机器人、控制器、环境和任务，如图2 - 1 所示。 柠制器 ( 计算机) 图2 1 r 业机器人系统的鉴奉结构 机器人 机器人足“i 连杆、关节和米端执行装置构成。环境指机器人所处的剧刚j ：境， 它包- 括几何条件及棚互关系等。任务是机器人要完成的操作，它需要川适当的i 磐苦 水述，控制器足个计算机，足机器人的人腑。控制器的j i 婴作川足根据作q k l r 务 和内部与外部的反馈信息对机器人本体进i r 操作和控制。人和计算机之m 通过机器 人沿吉编程来实现各种机器人操作任务。 2 2 工业机器人的控制原理和方式 ： 业机器人本体就是一个机械手，机器人的直接操作对象足机械二f 未端的f - ) r 。 驱动装置可分为伺服型和非伺服型两类。绝大多数：1 ：业机器人川伺服驱动，进行 闭环控制，闭环控制有反馈环节，控制精度较高。工业机器人的控制原理如图2 - 2 所示。 一一 i l 华中科技大学硕士学位论文 关节空问的轨迹 关节审u 】的轨迹规划 笑节卒f i j j 的h 标点序列 坐标变换( 逆运动学) 直角卒u j 的轨迹规划 直角审u j j 轨迹 塑掣鼍反馈 一l 传怂器 幽2 2i 业机器人的控制坂理 各关节驱动的给定值由主计算机计算后给h j 。如果给定的足直角空m 的f ：i 钿i 点 并按要求的路径运动，主计算机根据直角空间的位置、方位及速度先进行点与点的 插补，得到空间轨迹在各采样时刻的数据。然后通过逆运动学计算把空删数据转变 为各关节变量给定值。机器人根据这些计算值可进行平滑、快速与无撞击的运动。 机器人是个软件可控的机械装置，通过可编程运动操作物体，进行作业，因m 表现出通用、柔软、灵活等特点。实现机器人的控制必须进行人和机器人之阳j 的通 信。i ：j 前与机器人通信的方法主要有三种：示教再现，机器人滔吉t f | | 离线编稚。一 业机器人采用示教和机器人语言相结合的方法。 示教再现是目前工业机器人使用的最广泛的方法。一股采川小数盒乐敏，小敏u 、i 根抛任务的需要，n ；t j 示教盒把机器人的术端执行器移动剑所j * 的位姿i ：，然后把 每一个姿念存储起来，编辑并_ 冉现示敦过的动作，如果求教i i ：确，则机器人j 重复 再现运行。使用这种方式的示教盒必须具有存储器和运算器刚于汜录位姿信息和进 行简单的i t 算。这样的示教盒实际上也是_ 个小型的独立控制器。显然采川这种， 教盒的成本较高。对于工业机器人来说也许并一：是一种较好的方法。圳此我们采用 图2 - 3 示教编程方式 一种f f i j 接示教的方泄：米达到样的放粜。 我们可以把示教盒的址忆功能转移剑汁算 机上，示教盒只是个于动控制盒，类似 数控机床的操作面板。在计算机的控制下， 用特定的语占编制示教程序，在编程过程 中通过手动控制盒控制机器人达到所需位 华中科技大学硕士学位论文 置并记录下来。我们称这种方式为示教编程。示教编程可用图2 3 米表示。 机器人语占提供了一种通川方式来解决人一机通信问题。机器人沿南足机器人系 统先进水平的重要标志之一。我们开发的工业机器人语言，可与示教柏结合进行示 教编程也可以赢接使用该语苦进行离线编程，通过图形仿真进行程序校验。 工业机器人晌位置控制方式i 分为两类： 1 ) 点位控制p t p ( p o i n t t op o i n t ) 方式。这种方式只关心起始点和日丰，j i 点的 位置和姿念，而不必考虑两点问的运动路径。p q p 控制比较简堆，使川j i 搬运、点 焊等作业。 2 ) 连续路径控制c p ( c o n t i n u o u sp a t h ) 方，。在此方式下，要求机械于沿 着直角空间某给定轨迹运动。轨迹可为直线、圆弧等形式，微处理机进行轨迹规 划，汁算出轨迹上所需各点的关节坐标，作为位崔：控制川。 对机器人的控制主要是控制机器人程序的执行。山示教编程或离线编程得到的 机器人程序首先输入系统，经过解释、轨迹规划、插补、位置控制，“i 驱动系统执 行输出的指令驱动机器人完成作业。这个过程可以用图2 - 4 表示。 嚣固巨啄人 2 3n j r 工业机器人控制系统的硬件配置 n j r 工业机器人的控制系统结构如图2 5 所示，主要包括关节驱动、运动控制平l t o 控制( 丌关量控制) 等。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 图2 5n j r l z 业机器人控制系统硬件结构 n j r 工业机器人的侮个关节有一套驱动装置，驱动系统采髓l 坯挖州系绞，驱动 单元为交流伺服单元。 - 运动控制主要是对关节轴逑行位置控制，当用交流伺服i 乜帆馋为驱动无f - t ：1 1 、f ， 位谢控制接口川f l c 4 4 0 6 化销1 州：扳。t l l _ j ：模拟j 交流倒服单j a i x j i j ! i 禽f r 速艘环弧 不禽位置环，计算得出的每个采样周期的移动量，必须与测量装戡检测的位置反馈 值进行比较，经位旨调节形成速度指令后2 j 能通过位罱环板送到桐应的伺服啦，己。 位筲反馈信息通过位管j = _ f ：扳送州控制系统，0 i 仪j i jj 二娃示妊标4 1 1 1 “1 l m 他胃、趴随漩 差等，而n 更煎要的足参与计弹位筲环的输 j 速度指令1 ”j 。 i t 0 控 j l | 主要_ i j 于读取或擦制示教撩竹：盒呻0 玎关量状态信息或数：，倩，目，j , oj r 、r 还 | 以对系统桶+ 塑状态 矗固、避行 卒制。j 蛾们f 1 ：湔i f i i 心纷挺j 、上，n 、i r l q k 机器人的 示毅操作盒其实只是个平动绦 ；简檄，本身没有存谙器盒运算器，j 是一o i 丌必 整。陶l e 我们采j | j4 8 潞光l 郾鬲离输入板l i c 4 1 0 3 、4 8 蹄光i u 隔离输 i j 扳i i c 4 2 0 3 求 实筏 愆，控淄。i i 7 4 1 0 3 、i f c 4 2 0 3 均采用j 毙i n 隔离技术，他衙它能j 山j 衄j - m 曲 执 的1 ：俸环凌1 f ： 笮。在主羧系统与受控设备之间实现了 h 隔离，从而免除了1 ：控 系绞与受控没备存在公共堍线所带来的箨矛i - i 二抗，侵那些通常能够通过r 笑爨输f | j 逶遂窜入主控系统，二f 扰：曼控系统稳定运行的符稀共有破奶：惟的暂态过稚 jj i 机系 统宠全隔离歼了，钛瑟探谣差控系统在任褥时候不受控翻对象所帮采的干扰彩响， 可爨地运锊在豫定数环境中。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 4n j r 工业机器人控制系统软件设计 2 4 1 软件功能模块划分 n j rt 业机器人控制系统足一个腆型的实i 多任务系统j 。闪此它的系统利序包 括锊理和控制两人部分。系统的管理包捅人机界而管理、机器人程序的输入输、 示教编程、故障渗断、显示与仿真等，这类程序实时性要求不高。根据机器人的控 制原理，控制部分可以分为轨迹规划、坐标变换、关节插补、关n 位置控制、丌关 量i o 控制等。而机器人的控制主要足根抛机器人程# 进行控制，凶此机器人程序的 解释也是控制的一部分。工业机器人软件的功能模块划分如图2 - 6 所示。 辨 2 4 2 软件总体结构设计 机器人软件 管理 雕 柠制 删俐篓 图2 6n j r i ：业机器人软件功能模块幽 i l j f n j r 工业机器人控制系统的软件足在华t t2 0 0 0 型数控系统的软件产台l ：外 发的。冈此如何将t 业机器人的所有软件功能希：4 # 巾2 0 0 0 型数控系统的软什，f i 台j j 实现是软件设计的r 卜要任务。 华t t ，2 0 0 0 型数控系统以工业p c 机为基本硬件支持环境，以d o s 操作系统为软 什支持环境，实现了一个丌放式的数控系统软件s | 台，提供了个方便的：次j 1 ：发 环境，能够供不同的数控系统灵活配截、使川，片提供了一种柏i 砌：风格的软件抖嘶。 i5 华中科技大学硕士学位论文 一一= = ；= = = = 口= = = # = = 自= = ；= ；= = = = = = = = = = 图2 - 7n j r q ：业机器人软件结构 在华中2 0 0 0 型数控系统平台，l 构建的刊k 机器人系统的软件结构如图2 - 7 所1 。 图中的底层软件即为华中2 0 0 0 型数控系统的软件平台，其中的r t m 为自行厅发的 实时多任务管理模块，负责数控系