（机械电子工程专业论文）三自由度并联机器人控制系统.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h e m a s t e r sd e g r e e r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo f3 - - d o f p a r a l l e lm a n i p u l a t o r b y d o uw e i s u p e r v i s o r p r o f z h a ox i n h u a j a n u a r y2 01 0 独创性声明 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和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天洼理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 王一 学位论文作者签名：j 囊傈 签字日期：叫矿年 月乙7 日 。 。 i 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天津理工大釜可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和 电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 段伟 签字日期：叫矿年r 月7 日三鞘4 - 月7 - - 7 日 签字日期：加肜，月 日 摘要 本文对三自由度并联机器人控制系统的设计问题进行了深入的研究。 本文采用p m a c 和i p c 实现基于p c + d s p 模式的机器人控制系统，同时又 对基于w i n d o w s 作为桌面操作系统进行设计开发。采用以w i n d o w s 操作系统为 控制平台，设计一个针对于3 - r r r t 机器人的控制系统。在上位机的人机界面中 包含了控制部分、数据显示部分和数据查询部分。每个部分都是在v c 6 0 平台 下实现的。 ( 1 ) 在v c 平台下建立友好的人机界面。 ( 2 ) 机器人控制系统的运动分析和硬件的组成。 ( 3 ) 建立s q l 数据库，利用数据结构来进行数据交换，并在v c 平台下显示 调用。 ( 4 ) p m a c 和通过p c o m m 与v c 平台建立通信，设计实现通信程序将数据 实时显示在界面 关键词：人机界面，数据结构，p m a c ，实时显示 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ed i r e c t e dt o w a r d st h ep r o b l e mo fd e s i g n i n gt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo f 3 - d o f p a r a l l e lm a n i p u l a t o rw a sr e s e a r c h e df u r t h e r t oa i ma ta d o p t i n gt h ep m a ca n di p ct or e a l i z et h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo f m a n i p u l a t o rb a s eo nt l l em o d eo fp c + d s p 。a t t h es a m et i m ea sad e s k t o po p e r a t i n g s y s t e mb a s eo nw i n d o w s i nt h i sp a p e r , i no r d e r t oc o n t r o lt h ew i n d o w so p e r a t i n g s y s t e mp l a t f o r m ，d e s i g n e df o ro na3 - r r r tr o b o tc o n t r o ls y s t e m m a n - m a c h i n e i n t e r f a c ei nt h eh o s tc o m p u t e rc o n t a i n st h ec o n t r o lp a r t ，d a t ap a r ta n dt h ed a t aq u e r y p a r t e a c hp a r ti sr e a l i z e di nv c 6 0p l a t f o r m ( 1 ) v cp l a t f o r mt oe s t a b l i s hf r i e n d l ym a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ( 2 ) r o b o tc o n t r o ls y s t e mf o rm o t i o na n a l y s i sa n dh a r d w a r ec o m p o s i t i o n ( 3 ) t h ee s t a b l i s h m e n to fs q ld a t a b a s e s ，u s i n gd a t as t r u c t u r e sf o rd a t ae x c h a n g e ， a n dd i s p l a yc a l lv c p l a t f o r m ( 4 ) p m a c a n dt h r o u g hp c o m mw i t ht h ev c p l a t f o r mi sb u i l to nc o m m u n i c a t i o n , d a t ac o m m u n i c a t i o np r o g r a md e s i g n e dt oa c h i e v er e a l t i m ed i s p l a yi n t h e i n t e r f a c e k e yw o r d s ：m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，d a t as t r u c t u r e s ，p m a c ，r e a l t i m ed i s p l a y 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及状况综述1 1 2 国内外研究状况综述3 1 3 基于p c 的机器人控制系统6 1 3 1 基于p c 的开发式控制系统的优点6 1 3 2 使用w i n d o w s 作为操作系统的优点7 1 4 主要研究内容8 第二章机器人硬件平台的设计与实现9 2 1 构型设计基本思想9 2 2 控制硬件结构体系1 2 2 3 机器人控制器的组成1 2 2 4 外围接口及其实现1 3 2 5 伺服系统的选用1 4 2 6p m a c 硬件系统1 4 2 7 本章小结1 6 第三章机器人软件系统的设计与实现1 7 3 1 系统的总体软件结构1 7 3 2 机器人工作流程1 9 3 2 1 原点回归子程序1 9 3 2 2 手动控制子程序2 0 3 2 3 自动控制子程序2 1 3 3 主c p u 程序设计2 2 3 4 运动控制器程序设计2 3 3 4 1 参数设置2 3 3 4 2 原点回归子程序实现2 4 3 4 3 手动控制子程序实现2 4 3 4 4 自动控制子程序实现2 5 3 5 人机界面设计2 5 3 6 本章小结3 0 第四章数据结构的设计与应用3 1 4 1 数据库表的关系与功能3 l 4 1 1 主要数据库表的设计3 l 4 1 2 数据库在整个系统中的作用3 2 4 1 3 数据库在整个系统中的作用3 3 4 2 数据库在v c + + 中的设计3 4 4 2 1a d o 概述3 4 4 2 2 在v c 中引用a d o 3 4 4 3 数据采集系统设计3 6 4 3 1 软件设计需求分析3 6 4 3 2 软件设计方法概述3 6 4 3 3a d oa p i 数据库编程3 7 4 3 3 1o d b c 3 7 4 3 3 2 动态加载数据库：3 7 4 4 本章小结4 0 第五章数据的实时性与v c 平台下的p c 0 删与p m a c 的通讯研究4 1 5 1 实时操作系统4 l 5 2p m a c 数据采集4 2 5 3w i n 3 2 应用程序与p m a c 之问的通信4 3 5 4 通信程序设计4 4 5 4 1 接收中断处理程序4 5 5 4 2 发送中断处理程序4 6 5 4 3 通信处理程序4 7 5 4 4p c 机通信程序设计4 7 5 4 4 1 实现过程4 7 5 5 本章小节5 0 第六章结论与展望5 l 参考文献5 2 攻读硕士学位期间参加的科研项目与发表的学术论文5 5 致谢5 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 9 5 2 年，麻省理工与帕森斯公司合作的发明了令世界震惊的，第一台能在三 坐标系下工作的数控铣床。整个控制装置由多达2 0 0 0 多个电子管构成，其规模 大概等于一个实验室。此系统的伺服机构使用了- d , 伺服电机来改变液压电机 的斜盘角度，且还用其来控制液动机转速。系统的插补装置是脉冲乘法器。此n c 机床的设计开发成功标志一个新的数值控制时代的正式的开始。 当代c n c 系统的性能与功能都有了很大的提高了，对于致命的故障率来 讲，已降至了0 o l ( 月台) 。如f a n u c 公司在9 1 年开发的f s l 5 系统与7 1 年代开 发的f s 2 2 0 系统进行对比，在体积方面缩小为原来的十分之一，对于加工精度来 说大大提高了1 0 倍，同时加工速度也提高了2 0 倍，最客观的是可靠性，整整的提 高了3 0 多倍。现在，当下，n c 技术已是先进制造技术的基础和关键旺1 。 l 电子元件技术的发展 随着微电子技术的快速发展，同时对数控技术也有巨大的推动功效。日本 f a n u c 公司在5 6 年就开始使用电子管去开发n c ，n 5 9 年就开始采用锗晶体管来构 成n c ，随着时间的推进，6 3 年开始出现用硅晶体管研制出的f s 2 2 0 、f s 2 4 0 等控 制系统，到2 0 世纪的7 0 年代，开始运用3 s i ，这个期间推出了f s 3 、f s 7 、f s 5 、 f s 6 、f s l 6 、f s l 8 、f s o 、f s l 5 、f s 2 1 、f s 2 0 等一系列c n c 系统。1 9 9 6 年，f a n u c 公司使用了最新的专用芯片作为微处理器，从而推出了小型的高性能化i 系列 数控系统，其体积有缩小了原来的1 4 ，并且同时增强了系统的可靠性和性能要 求埘。 2 软件的应用 伴随着芝加哥举办的展览会上，展出的由小型机构成的c n c 数控系统。英特 尔公司也发明出了微处理器。至u 1 9 7 4 年，美、同等国相继的研制出了用微处理器 为核心功能原件的c n c ，有的也被称为m n c h 射。它应用存贮器旱已有的程序来完 成工作要求。其软件实现了它全部或大部分的控制功能，其中包含译码功能、速 度的处理、刀具补偿、直线插补以及位置控制等等。利用半导体存贮器对一些零 件的加工程序进行存储，这种程序便于检查、修改及对其进行编辑。软件控制的 应用大大增加系统的柔性同时也降低了系统的制造成本。 3 数控标准的引入 当n c 逐渐变为自动化加工的重要设备时，在管理与操作中，都需要有统一 的术语、符号、技术要求和图形，即有统一的标准模式，以便有利于进行世界性 的技术交流。随着n c 技术的发展，同时也形成了多个通用的标准：即i s o 国际 第一章绪论 标准、e i a 美国电子工业协会标准和i e c 国际电工委员会标准等。这些标准的出 现，对数控技术的发展起到了规范和推动的重要作用哺1 。最近，i s o 基于使用者 的需求和对未来5 年间信息技术的预测，又准备推出新的标准“c n c 控制器的数 据结构”。既是c a m 和c a d 、c a e 等的二级的数据结构。 4 伺服技术的发展 数控系统的重要组成部分之一就是伺服装置。世界上的第一台数控机床进给 驱动采用的为液压驱动。由于液压系统会产生比电气系统大出2 0 倍的力，并且它 的惯性小、反应速度快，使得当时的大多数n c 系统的进给伺服装置都为液压系 统。由于7 0 年代初期石油危机，和考虑到其对环境的污染以和低效率等原因， g e t t y s 公司设计了大惯量直流伺服电动机，无论是它的静力矩还是它的起动力 矩都非常大并且具有良好的性能，此电机很快被f a n u c 公司引进并将其用于n c 机床上。从此以后，人们开始全面接受闭环系统，并用电气伺服系统全面的取代 液压伺服系统埽。 由于技术的限制在电气伺服领域运用的初期是模拟控制阶段，它存在的缺点 是噪声大、漂移大。伴随着微处理器的应用，数字控制逐渐引用。相比之下它的 优点为：1 不受温度影响稳定性好。2 存在高的精度。3 应用参数接口对控制系 统进行调整工作量小。4 方便实现a s i c 电路。到现代我们的伺服技术取得了重 大的突破交流驱动的引用，这时我们逐渐发现交流伺服系统的强大优势。后来又 应用全数字伺服驱动开发了直线电动机，在刚性、频响和速度方面都有了强大的 提高西1 引。 5 自动编程的采用 编程大体上就是手工和自动两种方法。根据对比，手工编程时间与加工时间， 我们发现大概是3 0 ：1 ，这样就有些过于浪费效率了。所以现在逐渐采用计算机或 是编程器来进行编程n 。这样又出现了编程语言的问题，其中最典型的是a p t 语 言。在后来又出现了图象数控编程技术，它可以解决几何造型、零件形状的显示、 尺寸的修改及轨迹规划、运行的仿真等等，促使了c a d 和c a m 走向一体化的方向。 6 可编程控制器的采用 由于原来数控器和机床的顺序控制都是靠继电器来实现的。之后出现了半导 体元件，在后来第一台能提高系统的快速性与可靠性p l c 在美国诞生。由于p l c 的优越性，很快得到工业届的认可。原于它避免了继电器的接触不良、线圈烧断 等缺点。n 刨。而且，由于p l c 的体系很小对于整个系统来说解决了空间浪费问 题。 7 传感器技术的发展 数控系统当和机械系统联合成套时，它的机械因素将会影响它整体的控制精 度，但是发现即使是如何的提高机械配合度还是达不到理想的精度，这时我们必 须要对所使用的传感器进行分析，与其要去考虑如何选择位置和速度类的传感 第一章绪论 器，比如要用直线感应同步器来测量直线的位移、要采用圆光栅或圆的感应同步 器去测量旋转角度等等。一般来说传感器是由精密的机械配合加以光学和电子等 部件构成，一般的分辨率是o 0 l 0 0 0 1 m m ，测量精度是4 - _ 0 0 2 - 0 0 0 2 m m m 。随 着时代的推进数控系统的精度要求越来越高，同时原来传感器的分辨率和精度是 远远不够的。从而高分辨率传感器从此诞生，后来将它使用到数控系统中，对于 超精控制来说是必然的条件3 1 。 从上文的叙述我们知道，经济发展带动工业发展，工业发展又会加强经济的 发展，随着二者不断的发展到数控类的机器人的发展过程中，并联机器人又出现 在时代的需求中，但对于传统的数控系统是不能用于并联机构的n 利。所以开发 一个开放式的控制系统是发展数控技术的首要任务。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外研究状况 美国是最早开发开放式体系结构控制器的。1 9 8 1 年，美国发起了一个叫 n g c ( n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 的控制器，以实现互 操作和分层形式的软件模块。n g c 主要由两部分内容组成：1 制定用于开放式体 系结构的标准规范( s o s a s ) 2 建立n g c 的参考模型。而标准规范的内容为，对 于那样具有可以实现任意设计者去制造适合自己的n g c 单元，同时囊括所有数控 兼容产品的功能，便于进行下次开发和改造。因为经济的原因，这项计划在1 9 9 1 年被迫中断。自1 9 9 2 年以来，美国、日本、欧盟等工业非常发达的国家对开放 式数控系统相继进行了项目研究。 主要有： ( 1 ) 欧洲的o s a c a 项目，目的为设计出自动化控制系统中的开放式的体系 结构。o s a c a 计划于1 9 9 2 年5 月的时候启动了，第一阶段( 1 9 9 2 年5 月到1 9 9 4 年4 月) ，制订了至生产厂家以外的开放式控制系统的基本规范。其中规定了系 统平台的基本规范，规定由操控系统、配置系统和通信系统三个方面来组成系统 软件。第二个阶段( 1 9 9 4 年5 月到1 9 9 6 年4 月) ，由于要进行测试、扩展和验 证固要求所有参加开发的成员为平台软件建立了一个公用系统的软件库。同时第 一批的示范软件被开发出来。此后的就是要把o s a c a 建立为开放式控制系统的工 业标准模式。该项目在1 9 9 8 年7 月结束。其主要的目的是创建一个与厂商无关 的开放式控制器体系结构。 o s a c a 将开放系统定义为：“开放的控制系统是由一组逻辑独立的功能 ( c o m p o n e n t ) 组成，这些部件和其实现平台之间具有开放、标准的接口定义， 一个完整的控制系统可由多个厂商的部件协作而成，这种控制系统可以运行在多 种平台上，而且具有与其他自动化系统一致的人机接口”u 4 1 。 从中看出，“功能部件”是o s a c a 开放系统的核心单元，要把功能部件的集 成关系和属性进行有效的描述，o s a c a 使用了面向对象的分析方法。参考i s o 的 第一章绪论 o s i 模型，基于对已有系统的详细分析，给出了一个“分层的系统平台和结构功能 单元”的结构。o s a c a 给出的开放式数控系统模型如图1 1 所示。 i c o n f i g u r a - t i o ns y a t e r p p l i c a t i o np r o g 。i n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o n o p e r a t in gs y s t e m e l e c t r o n i c a ic o m p o n e n t s a o ：a r c h i t e c t u r e0 b j e c t 图1 i o s a c a 体系结构 l o n a p p l i c a t i on - s o f t w a r e s y s t e m p l a t f o r m ( 2 ) 日本o s e c 项目 o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o ll e r ) 项目与1 9 9 4 年1 2 月在日 本的提出，本项目是由东芝公司、m a z a k 公司和丰田三家机床制造商和日本的i b m 公司、三菱电子与s m l 系统公司共同提出的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r c o n t r o l l e r ) 项目。此项目分为三个阶段，在1 9 9 9 年3 月结束。o s e c 目的为为 自动化控制器创建一个开放性的体系结构规范。 o s e c 是使用功能组来对开放式数控系统进行定义的。如图1 2 所示，包含 了4 个功能组：运动生成、资源管理、加工控制、设备控制n 引引。同时由多个功 能模块组成一个功能组，把一个功能模块视为一个对象元件，并将其封装了o s e c a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) 形式的对象消息作为接口协议。每个功 能模块间是无层次关系的，应用o s e ca p i 来进行通讯和协作。这个体系结构只 是单一的对功能模块和消息接口协议进行了定义。 4 淌磅 第一章绪论 图1 2 0 s e c 体系结构 c a p i e a p l ( 3 ) 美国0 m a c 项目 o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 于1 9 9 4 年底被美国g m 公 司、f o r d 公司和克莱斯勒公司( c h r y s l e r ) 首次提出了，其实质的开放化就是可 以任意的将刚刚问世的硬件或是软件随意的搭配成自动化控制器。且试用于实际 上的标准环境。o m a c 的任务为明确使用人员对开放式体系结构控制器的需求； 开发一个公共的a p i 用于满足这样情况；使得各种开放控制器的设计有一个共同 的解决方案。 o m a c 使用组件技术用以来实现即插即用的模块化，接口类为a p i 。同时o m a c 设计了很多不同类型的可以重复使用的“组件”，对于不同的“组件”来说都有 各自独特的功能以供使用。多个组件构成了一个模块，模块的任务就是一个将具 有可编程能力组件囊括起来的容器。 1 2 2 国内研究状况 “八五 和“九五期间，以p c 机为基础的中华i 型、航天i 型、华中i 型和 蓝天i 型等4 种基本系统在我国出现。它们尽管是被建立到了计算机平台上但是它 们还不属于开放式。 2 1 世纪以来，如山东大学、清华大学、哈工程等高校开始从事相关的研究与 开发工作。同时华中理工大学的周祖德教授提出了一种开放式数控系统是以软件 芯片为基础的，其实质就是欧盟的o s a c a 的面向对象编程的研究方法。对于不同 的数控系统将其功能划分，运用面向对象的机制，将其功能进行封装，把软件开 发为有通用接口的且可以重复并稳定应用的芯片，每个芯片都个单独的功能模 块可完成特定系统的功能，例如要去选择合适的插补芯片来完成工作中相应的插 补功能。各个功能的芯片可以通过数控系统软件芯片库来查找与功能的检索甚至 一一一一一一 第一章绪论 维护，如果没有合适的芯片，还可以定制。当开发者开发一个新的适合工作的系 统时，只需去合理的在库中挑选满足要求的芯片进行组合就能实现川。 北航教授陈五一等人提出了以r t - l i n u x 为基础的开放式数控系统概念引。并 在r t l i n u x 的平台上，开发了以组件为基础的数控系统的开放式结构。这个方式 以配置硬件去获得系统的集成，使用功能模块方式作为系统单元，用软件程序构 成虚拟模块去完成数控系统单位间的信息交互。且系统支持重新启动后重构的功 能，这样对于使用人员来讲，他们可以在离线状况下进行编写工作程序。从而实 现了比较好的开放性。 尽管我国对开放式数控系统有了比较深与广度的研究，但是对于大多数都是 理论上的分析还在概念的束缚下，很难将其应用到实际中，总体水平和国外先进 的技术比起来还有相当大的距离。我国要加强对其的进一步的研究与实现，尽快 的拉近与发达国家之间的技术水平。 1 3 基于p c 的机器人控制系统 1 3 1 基于p c 的开发式控制系统的优点 采用将个人p c 的功能开发到数控系统中去从而实现c n c 的开放式的体系结 构基本上有三种方法。第一种方法是把控制板的插件插入计算机的主板上，使计 算机的数据总线与插入的插件相连接，这样可以保证p c 与数控的c p u 单元间进 行高速的数据传送。二是利用高速数据的总线来实现系统的数据通讯。最后一种 方法为把传统的数控显示和输入控制与个人计算机相连，发展为上位机的智能 人机界面来实现，这种方式可以使得数控的控制更加人性化、编程更加方便且编 程语言也可应用高级的c 语言来实现。 现在，可用p c 做为控制基础的数控产品的控制器已经全面的发展到可完全 与专用控制器相比较的地步。例如，美国d e l t at a u 公司的p m a c 已经成功的运行 在5 力多个项目遍布与全世界。它全面对数字信号处理器d s p 5 6 0 0 1 、d s p 5 6 2 0 0 、 d s p 5 6 3 0 0 进行研发。p m a c 多轴运动控制器可以在同一个时间内对8 个轴进行控 制，并且这8 个轴可以完全独立的被控制，也就是可以在一个时间内控制8 个不同 的机器，当然对于同一个系统中的8 个轴也可以实现联动或是单独运行。当将两 者之间任意组合时，还可以实现级联运行，这时可以控制多达2 2 4 根轴运动。对 于p m a c - n c 来说可以完成的功能有，目标的连接和嵌入、动态数据交换和多媒体 服务器等输入和输出图形甚至还可以应用c a d c a m 的编程系统瞳。还有就是美国 的o r m e cs y s t e m s 公司仅在两年多的时间鹗开发了一个以i b m 电脑基础的1 4 轴的 运动控制产品o r i o n 。这两个成功的典范都是对基于p c 的开放式数控系统的很好 典范。 用p c 做为开放式模块化结构平台的特征是瞳刳： 6 第一章绪论 1 ) 开放性：将已有或流行的硬件与软件集成到适合不同情况的实际控制环 境中。 2 ) 模块化：由于允许部件“即插即用 ，可以寻找不同功能的模块来完成项 目，这样可以对一些特殊的控制达到最大程度地迎合。 3 ) 可塑性：控制器的更换或是升级可以方便有效的进行，或是重新对系统进 行再构造。 4 ) 可维修性：保证最长时问的正常工作和最短时间内系统的连接，使得易 于维修。 开发基于p c 开放式数控系统的优越性在于2 4 别： 1 ) 高灵活性。用个人电脑去开发数控系统存在着最大的优点就是它拥有很 强的灵活性。在提供一般的机床控制外，同时它还支持各种操作人员习惯的软 件程序，令使用者方便的进行控制，同时由于现代p c 技术的发达，伴随着可用 于p c 的软件资源去对图形、动态仿真、编程进行更人性的开发。例如，许多的 第三方软件都可以在p c 中对c n c 进行运行。这个不仅提高了数控系统的功能， 最重要的是给使用者带来了很大的灵活行。 2 ) 低成本。由于电脑的更新换代惊人的速度，使得p c 的功能逐渐的向上提 升，同时另一方面p c 的价格当然会因为换代而大规模的下降。如在1 9 9 2 年3 0 0 0 美元的p c 配置为8 m br a y ，2 0 0 m b 外存和6 4 k b 快速存贮器，仅在3 的时间内， 同等价格确可以得到1 6 m br a m ，1 g b 外存和2 5 0 k b 快速存贮器。所以用p c 为c n c 基础的价格会持续下降，导致基于p c 的c n c 会从中获益非浅。 3 ) 友好的用户界面。由于大多数控制器提供的标准用户接口，从而使得控制 器与w i n d o w s 系统方便的进行交互编程，使得工作程序的建立简便为控制器和 使用人员间的对话形式来完成。这样的功能主要目的就是使得工人们不用经过特 意的培训便可以编程工作。此外，还有的是将现有的成熟制图软件嵌入到系统 中，可以使用户直接用图形编程。 p c 已经成为了开放式数控结构控制系统的基础，把p c 从功能上集成到c n c 中 并开发出开放式系统己成现代主要的发展趋势，并且这个观念已经成为工业界 的共识。 1 3 2 使用win d o w s 作为操作系统的优点 相对于d o s 开发的控制系统来说w i n d o w s 操作系统有着无可比拟的优势，其 优势不仅在用户界面上、更在功能上和丰富的第三方软件上得到充分的体现。在 现在的研究开发中将w i n d o w s 操作系统作为实时数控系统的平台已经得到很大 的支持。即使在稳定性和实时性方面d o s 操作系统也能够满足要求，但考虑到 w i n d o w s 拥有强大的软件支持和图形功能，固我们的系统还是要首选w i n d o w s 作 为实时数控系统。其具体优势在以下几个方面瞄6 2 刀。 7 第一章绪论 1 ) w i n d o w s 操作系统本身就是一种开放性的系统，这样必然会比较容易的 实现数控系统开放的特性。 2 ) w i n d o w s 系统是运行在保护模式下对，而且所能访问的内存比较大。对 于数控程序长度的要求不再被限制且对程序的编辑也十分方便。对通信和系统的 配置来说也比传统的系统相比有了很大的灵活性，使得系统的研发周期有了明 显的缩短。 3 ) w i n d o w s 系统提供了高精度的实时响应。由于此种实时功能是基于中断 的，所以不需要程序员与硬件进行任何联系，并且有同时运用多个实时事例的 功能并且能保证高等响应精度。所以本系统完全能够满足数控技术的要求。 4 ) 支持多线程。w i n d o w s 操作系统的主要特点就是线程，因为对于高效的 控制系统来说在繁重的复杂和多个任务共同进行时必须要有实时性的保证，而多 线程的最主要的特点就是支持抢占式的多任务机制，这样不仅在各个线程之间达 到互不干扰，而且还能够保证系统的实时性。 1 4 本文主要研究内容 1 对自由度并联机器人的硬件构成进行了了解，推导出机构的反解。 2 机器人软件的设计与实现。 3 在v c 平台下，以数据结构的方式进行数据的采集和提取。 4 基于v c 下的p m a c 通信问题的研究。 8 第二章帆器人硬件j f 台的设计j 实现 第二章机器人硬件平台的设计与实现 为了实现控制器的开放式结构首先要选择合适的平台，要实现系统平台的 开放性。硬件平台要满足：( 1 ) 为了具有可伸缩性，硬件系统必须基于标准的 总线结构；( 2 ) 要有具备必要的实时计算能力的硬件结构；( 3 ) 硬件结构要模 块化，从而可以方便的更换传感器器件、通信的接口和特殊功能的控制器等； ( 4 ) 低成本。口町 目前为止，基于开放式的机器人控制器硬件平台可大致分为两类：基于 v m e 系统总线的和基于p c 总线的。v m e 总线：被广泛应用于工业制造、国 防、交通、航空、通讯以至于楼宇设备的工业总线。对于开放性总线的p c 总线 来说，能够使系统体系结构具备可嵌入、模块化、开放性和移植性等特点。原 于p c 系统友好的人机操控界面和主流的用户基础从而必然成为工业控制控制器 的首选。使用普通的p c 作为机器人控制系统的上层控制单元的优点为：硬件技 术发展成熟、高可靠性、大批量生产、低成本、高开放性。设计开发人员和操 作者可以根据需要选择合适的软件和硬件模块单元，用低成本来实现高性能的 系统，另一可方便的对其进行二次的开发：丰富的第三方产品；良好的通讯功 能使得方便的应用底三方产品，成熟的p c 通讯技术很容易实现机器人系统与其 它计算机系统或自动化设备通讯啪3 。 2 1 构型设计基本思想 并联机器人的构型设计是指在基于给定的机构期望自由度和性质的条件 下，寻找机构的具体结构，其中包括运动副在空间中的布置和所有分支链的布 置与运动副的数目和分支链的数目等。 本文机器人为在3 坐标系下运动，硬件构造最合理的方式为3 个电机驱动的 3 轴联动，据知目前的并联机床大多为6 自由度，使用6 个电机来完成5 根轴联 动，这样不仅使系统的结构复杂，还增加了很多的制造成本，而且在实际操作 中要考虑冗余加工对自由度的影响，从而增加控制系统的困难度。利用3 坐标 运动要求，设计出实用的3 自由度控制系统，是构型设计的主要任务。所以， 我们必须要了解如何减少自由度和要对并联机器人进行运动学的分析。 若使动平台自由度减少，可采用两种途径来增加结构约束：一种是添加外 部约束，即给3 自由度并联机构添加1 个少自由度的约束分支，整个机构的自由 度由这个约束支链决定；另一种是利用分支的几何约束，即所有分支都对动平 台施加一定的约束，整个机构的自由度由这些分支约束在一定几何条件下的合 成作用决定。 运动学分析是对并联机器人运动进行控制的基础，要开发并联机器人控制 系统，首先要研究并联机器人的运动学模型。位置分析是求解机构输入与输出 构件之间的位置关系，当已知机构输入件的位置，求解机构输出件的位置和姿 9 第二章机器人硬件甲台的设计实现 态是位置正解；若已知机构输出件的位置和姿态，求解机构输入件的位置是位 置反解。位置反解分析是机构运动学分析的基本任务啪1 。 3 - d o f 并联机器人的动平台( a d l d ：d ，) 和固定平台( 鲋，a ：a ，) 都是等边三角 形，o 是固定平台的中心点，p 是运动平台的中心点，固定坐标系o x y z 在 3 - d o f 并联机器人的固定平台的中心，o z 轴垂直于固定平台向上，o x ，o y 轴 在固定平台的平面内。第i ( i = 1 , 2 ，3 ) 分支的局部坐标系4 一x i y ，z f 在固定平台的4 点，x , t 轴垂直于转动副的轴线方向，y ，在洲；的延长线上，即沿转动副的轴线方 向，z ；轴与o z 轴平行。谚是从轴线o x 到轴线x t 的夹角，是常量，其中 秭= 0 欢= 1 2 1 7 ，呜= 2 4 1 7 。第i 分支的关节角和杆长的定义见图2 。q ，是从轴线 到线a i b ，夹角，岛，是从轴线x t 到线ec i 的夹角，岛，是从轴线q 口到线c ：f d j 的夹 角。动平台( a d 。d ：d ，) 和固定平台( 鲍么：a ，) 的外接圆的半径分别为屹和，4 ， 彳，丑，的杆长为厶，置c ；的杆长为，：，c ，d ，的杆长为，。参看图1 1 ，把第i 支链的 矢量闭环伽；e c ，d ，j p 写成在局部坐标系a i x i y ；z ，下的方程为： o p p d i o a f = a f b j + b f c i + c i d f ( 2 1 ) 图1 1 第i 分支的关节角和杆长的，j 意图 把式( 2 1 ) 写成矩阵形式为 l o 兑 第二章机器人硬件，f 台的设计1 i 实现 * m 引孙蹉卜2 ， 其中p = 易，p ，p ：r 是p 点在坐标系d 一船z 下的坐标。 展开式( 2 2 ) 得： p l c o s # i pv s i n i = i ic o s o i i + 1 2c o s e 2 i + t l c o s 0 2 is i n 0 3 i p js i n 矽f + p vc o s # j + r d 一= 1 3c o s 0 3 f p ：= l is i n e l f + 1 2s i n 0 2 f + z 3s i n 0 2 fs i n 0 3 f 由( 2 - - 4 ) 式得： 岛f = + c o s 。1 ( d w 1 3 ) s i n 0 3 f = 古 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 式中d 订= p ，s i n # f + p yc o s # f + 屹一屹： 由式( ( 2 3 ) 2 + ( 2 5 ) 2 ) 的整理简化得： d 三+ d ：- 2 l l ( d 矗c o s o l j + d z fs i n q f ) + 巧= ( ，2 + 1 3s i n 0 3 f ) 2 ( 2 8 ) 式中：d 一= p 。c o s # j p ，s i n # i 利用三角函数的半角正切公式，令材= t a n ( o , f 2 ) 则s i n a i j = 2 u l f 0 + 甜：) ， c o s s l f = ( 1 一“j ) “l + “1 2 f ) 把s i n e , ，c o s l ，代入式( 2 8 ) 化简得： 后“1 2 f + 7 k 2 f “l f + k 3 j = 0 ( 2 9 ) 其中j = l ，2 。当j = l 时，s i n o ，。取正，当j = 2 时， 式中： 7 k l i = d 三+ a 2 + 砰+ 2 d 撕，l - ( 1 2 + 1 3s i n e 3 f ) 2 k 2 j = _ 4 d ：f 7 k 3 f = d 三+ d 三+ ，? 一2 d 撕，l - ( t 2 + ，3s i n e 3 f ) 2 当j = l 时，即s i n 0 3 ，取正，把式( 2 - 7 ) 代入式 1 k u 2 ，+ 1 k 2 f “l f + 1 k 3 f = 0 式中： i k l i = d 乙+ d 乏七l ；+ 2 d 畦l i 一( 1 2 + 1 k 2 f = - 4 d ：f ，l l k u = d ：+ d ：+ t ；- 2 d d l i - ( 1 2 + 2 2 s i n e 3 f 取负。 ( 2 9 ) 得： 当j = 2 时，既s i n 0 3 i 取负，把式( 2 7 ) 代入式( 2 9 ) 得： 2 霸f “：+ 2 k 2 川u + 2 k 3 j = 0 式中： 2 k i f = d 三+ d 三+ z ? + 2 d 一，l - ( t 2 2 k 2 j = - 4 d ：j ，l 1 1 ) 2 ( 2 - 1 0 ) ( 2 一1 1 ) 工 y ： p p p t。上 磁蚺。 出 o 暑 瞄。 孵 孵 第二章机器人硬件平台的设计与实现 ：后耐：d 三+ d 三+ ，? 一2 d 盯，l 一( ，：一阿) 2 对于并联机器人的逆运动学，当给定位置向量尸= b 。p ，p ：r ，利用方 程( 2 1 0 ) 和( 2 11 ) 就可求出q ，的全部结果，反解完毕。 2 2 控制硬件体系结构 本机器人平台系统可分为两大部分：机器人控制器和监控系统。系统采用3 一r r r t 并联形式呈现。使用p m a c 运动控制器实现伺服控制，采用p c 机进行 调试，程序直接固化在运动控制器的d s p 芯片中，开机可独立运行。机械结构 2 3 机器人控制器的结构组成 控制器是控制系统中的核心器件，它相当于人的大脑，来完成控制和协调 整个机器人系统的运作。用w i n d o w s 系统作为平台的机器人控制器的组成结构 如图2 - 2 所示 1 2 图2 2 控制器结构框图 同时针对图2 1 所示的机械结构开展控制系统总体设计，控制系统总体设计 主要考虑和外围接口的实现、硬件的构成和控制环路中关键环节的处理方式 等。 2 4 外围接口及其实现 由图2 3 控制系统的硬件结构图可了解平台需要和以下几结构相连接，开 关量i o 接口模板，d a 及a ，d 接口板，电脑主板，运动功能卡和电源模板等。 2 5 伺服系统的选用 图2 3 控制系统硬件结构图 据了解，交流伺服电机具有直流伺服电机无法比拟的优越性，如高可靠 性、节省安装空间、免维护性等。本系统a 、b 、c 轴选用的同本松下的全数字 第二二章机器人硬件平台的设计j 实现 交流伺服电机。控制单元用美国d e l t at a u 公司生产的p m a c 多轴运动控制卡。 该运动控制器具有高灵活性，可用于多种总线结构( p c 总线、s t d 总线、以及 v m e 总线) 、不同类型电机( 直、交流或步进电机) 、反馈元件( 增量编码器、光栅 编码器、绝对式编码器) 以及指令结构( p 姒c 汇编语言和g 代码及a u t o c a d 转 换) ，可以方便的对p m a c 硬件升级换代。而对数据的处理能力、轴特性和输入 信号方面，由于p m a c 控制器采用模块化结构，固输入编码的处理速度是大部分 控制器的1 0 到1 5 倍口。 p b l a c 一方面具有较强的运算功能，另一方面d e l t at a u 公司还为p m a c 提 供了执行程序p e w i n 3 2 。在上层控制系统中安装它并可以与p m a c 建立通讯，用 来完成p l c 程序和运动程序的下载、发送在线控制命令、p i d 目标恒定值的调 节、电机运动速度、加速度及位置显示等功能。本系统使用p m a c 的控制功能来 实现电机转速命令信号的发送和光电编码器位置反馈信号的采集，用以控制各 条之链的运动；使用p a