（机械设计及理论专业论文）开放式结构平台上puma560机器人控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 l 机器人技术在各个行业得到了广泛应用，已经成为自动化生产的主要组成部分。 计算机技术与控制方法的快速发展，大大拓展了机器人技术应用的灵活性，更是对 控制系统的性能、系统的结构等多方面都产生了极为深刻的影响。机器人控制系统 由封闭向开放转变成为一种趋势。 本文对p u m a 5 6 0 机器人乜u 控制器进行了深入研究，以p m a c ( p r o g r a m m a b l e m u l t 卜a x l e sc o n t r o l l e r ) 代替原控制器，将其改造成为具有开放式结构的控制器。 本文讨论了改造的过程，改造方法己在本实验室p u m a 5 6 0 机器人上进行了验证。 改造后的控制器基于工业p c 和w d i d o w s 操作系统，突破了传统工业机器人封闭 式结构，并具有良好可拓展性，在功能上既具备了工业机器人控制器的基本特性， 同时又是一个良好的机器人控制算法实验平台。对于机器人控制工程来说，这种方 、 法具有一定的理论价值和实际的工程意义 本论文分为七个章节。 第一章首先扼要叙述了机器人技术的现状和最新发展趋势：然后介绍了机器人 控制器的发展状况和发展方向，着重介绍了现有控制器的不足；接着介绍了开放式 + ， 控制器的思想及其优点；最后指出了对p u m a 5 6 0 控制器进行改造的可能性，：指出了 本文研究的主要内容。 第二章首先介绍了p u m a 5 6 0 机器人的结构及特点；接着研究分析了p u m a 5 6 0 机 器人控制系统，详细介绍了控制器各个主要部件在控制系统中的作用。 第三章对p m a c 的软硬件进行了详细的分析研究，给出了p u m a 5 6 0 机器人控制器 改造的策略与步骤。 第四章以对p u m a 5 6 0 控制器的分析为基础，详细说明了把原控制器改造成开放 式控制器的过程；最后对机器入各关节的相对位置进行了标定。 第五章在对机器人建立了d - h 坐标系的基础上，绘出了机器人的运动学方程； 然后运用机器人逆运动学的知识对p u t 雌5 6 0 进行逆运动学求解，得到各个关节变量 的封闭解。 第六章先简单介绍了c 8 语言的特点，接着对用c ”编写的与p m a c 进行通讯、 p 1 2 雌5 6 0 机器人控制系统初始化及机器人运动控制程序进行了说明。 第七章是总结和展望。 a b s t r a c t a bs t r a c t r o b o t t e c h n i q u ei st h ek e yc o m p o n e no f a u t o m a t i cp r o d u c t i o na n dh a sb e e nw i d e l y a p p l i e di ne v e r yi n d u s t r yo rt r a d e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u ea n d c o n t r o lm e t h o d ，n o to n l yt h ea p p l i c a t i o na d a p t a b i l i t yo fr o b o tt e c h n i q u eh a sb e e ng r e a t l y w i d e n e d ，b u th a sh a dad e e p g o i n gi n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c ea n dt h es t r u c t u r eo f c o n t r o ls y s t e m t h a tr o b o tc o n t r o ls y s t e mc h a n g e df r o mc l o s et oo p e ni sb e c o m i n ga t r e n d t h i st h e s i sd e e p l yr e s e a r c h e so np u m a 5 6 0v a l 1 7c o n t r o l l e r o nt h eb a s i so fi tt h e o r i g i n a lc o n t r o l l e ri sr e t r o f i t t e dt ob ea no p e n a r c h i t e c t u r eo n ew i t ht h ev a l i ic o n t r o l l e r i n s t e a db y p m a c ( p r o g r a m m a b l e m u l t i a x i e sc o n t r o l l e r ) t h ed e t a i l so f r e t r o f i t t i n ga r e d i s c u s s e dh e r e a l lm e t h o dp r e s e n t e di nt h i st h e s i sa r ev e r i f i e dw i t h e x p e r i m e n t a l p u m a 5 6 0r o b o ti no u rl a b t h er e t r o f i t t e dc o n t r o l l e ri sb a s e du p o ni n d u s t r i a lp ca n d w i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m i tb r e a k s t h r o u g ht h e c l o s ea r c h i t e c t m eo ft r a d i t i o n a l i n d u s t r i a lr o b o ta n dh a sf a v o u r a b l ee x p a n d a b i l i t y i tn o to n l yp o s s e s s e st h ef u n d a m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c so f c o m m o ni n d u s t r i a lr o b o tc o n t r o l l e r , b u ti sa na p p r o v e dc o n t r o la l g o r i t h m e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo f r o b o t t h er e s e a r c h e sa r ee s s e n t i a lb o t hi nt h e o r ya n de n g i n e e r i nr o b o tc o n t r o le n g i n e e r i n g t h ew h o l et h e s i sc o n s i s t so fs e v e ns e c t i o n s c h a p t e ro n ef i r s tb r i e f l ys t a t e st h ec u r r e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o na n dt h ef r o n t i e r so f r o b o tt e c h n i q u e ，t h e ni n t r o d u c e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t ea n dt h ef i e n do fr o b o t c o n t r o l l e r ，e s p e c i a l l y i n t r o d u c e st h el a c ko fc u r r e n tc o n t r o l l e r ，t h e nt h ec o n c e p ta n d a d v a n t a g e so fo p e n a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r i nt h ee n dt h i s c h a p t e rp o i n t s o u tt h e p o s s i b i l i t yo fr e t r o f i t t i n gp u m a 5 6 0 r o b o tc o n t r o l l e ra n dt h es u b j e c t so fm a i nr e s e a r c h w o r k c h a p t e r t w of i r s t l yi n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f p u m a 5 6 0 ，t h e n t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h er o b o ti sr e s e a r c h e da n da n a l y z e da n dt h ef u n c t i o no ft h em a i n p a r to f t h e c o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d i nc h a n p t e rt h r e e ，t h es o r w a r ea n dh a r d w a r eo fp m a ca r er e s e a r c h 幸da n da n a l y z e d d e e p l y t h em t r o f i t t i n gs t r a t e g ya n ds t e po f p u m a 5 6 0 c o n t r o l l e ra r ep r e s e n t e d i i a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y z i n go fp u m a 5 6 0 c o n t r o l l e r ，c h a p t e rf o u rp r e s e n t st h ep r o c e s so f r e t r o f i t t i n gt h eo r i g i n a lc o n t r o l l e r t ob ea n o p e na r c h i t e c t u r eo n ep a r t i c u l a r l y a tt h ee n d o f t h i sc h a p t e rt h er e l a t i v ep o s i t i o no f e a c h j o i n to f t h er o b o ti sc a l i b r a t e da n da s c e r t a i n e d b a s e do nt h ee s t a b l i s ho fd hc o o r d i n a t e s y s t e m ，c h a p t e r f i v e p r e s e n t s t h e k i n e m a t i c se q u a t i o no ft h er o b o t ，t h e ng i v e st h er e v e r s ek i n e m a t i c ss o l u t i o na c c o r d i n gt o t h ek n o w l e d g eo f r o b o tr e v e r s ek i n e m a t i c s a n dt h ec l o s es o l u t i o no f e a c l a j o i n tv a r i a b l ej s g o t t o n i nc h a p t e rs i x ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc “l a n g u a g ea r ei n t r o d u c e d f i r s t l y ，t h e nt h e p r o g r a m e sw r i t t i e ni nc hi n c l u d i n gh o w t oc o m m u n i c a t ew i t hp m a c m er o b o tm o t i o n c o n t r o la n dt h ei n i t i a l i z a t i o no f t h en e wc o n t r o l s y s t e m a r e p r e s e n t e d c h a p t e rs e v e np r e s e n t st h es u m m a r yo ft h i st h e s i sa n dt h ep r o b a b l ew o r ki nt h e f u t l 】r e i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 机器人技术的现状和最新发展趋势 1 1 1 国内外机器人技术的现状 所谓机器人，即是一种可编程的、能执行某些操作作业或移动动作的自动控制 机械。研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重而简单的重复劳动和替代 工人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域 得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域的焊接、搬运、装配等场合，已 经开始大量使用机器人。另外，在军事、海洋探测、航天、医疗、农业、林业甚至 服务娱乐行业，也都开始使用机器人”3 。“。从6 0 年代末工业机器人开始应用到1 9 9 8 年底，全世界累计销售机器人数约为1 0 2 万台，由于许多早期装备的机器人已经退 役，据联合国欧洲经济委员会及国际机器人联合会的估计，1 9 9 8 年末全世界实际装 备机器人的数量为7 2 万台，而1 9 9 7 年为近7 0 万台，增长率为3 ”1 。到2 0 0 0 年， 全世界服役的机器人约有1 0 0 万台。 在过去1 0 年中，国际机器人学研究和机器人产业最重要的标志为向智能化方向 发展，包括传感型智能机器人发展加快，新型智能技术不断开发，机器人的体系结 构和软件采用模块化设计方法，机器人工程系统明显增加，微型驱动器、微型机器 人和纳米技术的应用有所突破，应用领域向非制造业拓展，行走机器人和人形机器 人研究得到进一步重视，敏捷制造生产系统获得开发，开放式网络机器人技术的开 发成为新热点，以及军用机器人将用于装备部队等”1 。 我国研究机器人的起步时间，其实并不比国外晚很多，7 0 年代初北京自动化研 究所和沈阳自动化研究所就相继开展了机器人技术的研究工作。但是由于种种原因， 机器人技术及应用推广在我国十分缓慢。这种情况一直到9 0 年代初才有所好转，早 期的八六三计划已经把机器人技术作为重要的攻关内容，国家科委和国家自然科学 基金委员会也都相继资助了一些有关机器人的研究项目。在高等学校中也陆续开展 了机器人的教学课程和机器人技术的研究工作。到目前为止，我国机器人的技术研 究方面已经相继取得了一些重要成果，在某些领域已经接近国际前沿水平。随着我 第一章绪论 国经济与科技的发展，越来越多的机器人开始应用于生产和生活的各个方面。但是 从总体上看，我国的机器人技术同发达国家相比还比较落后。智能机器人方面的研 究可以说还是刚刚起步，机器人传感技术和机器人专用控制系统等方面的研究还比 较薄弱”+ 。 加强机器人技术的研究，是促进我国传统制造行业与老工业基地的技术改造与 产业升级，推动我国制造业的根本性转变，实现跨越式发展的迫切需要。不仅在制 造业，面向非制造业领域的机器人以及其它智能机器也将在海洋探索、工程与建筑 机械、医疗、生物工程、服务与娱乐、空间、军事，以及农林业、食品加工等领域 具有广阔的市场前景。”1 。 1 1 2 机器人技术的最新发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智 能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下1 0 个方面“： 1 工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步 提高负载自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。 2 机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好， 语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于p c 机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外， 离线编程的实用化将成为研究重点。 3 多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其 问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性 及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实 用化。 4 机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。 5 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器八和操作者之间 的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延勺情况下，建立 预先显示进行遥控等。 6 虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现 机器人的虚拟遥操作和人机交互。 第一章绪论 7 多智能体控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体 的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体 行为控制等方面进行研究。 8 微型和微小机器人技术：这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。 过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一 场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器 人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以 及行走技术等方面。 9 软机器人技术：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未 考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结 构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人 对人是友好的。 l o 仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进 ， 4 行一些基础研究。 一 由上述可见，具有开放式结构的智能机器人技术是目前机器人技术的发展趋势 及研究热点之一。 1 2 机器人控制器的现状概述 作为机器人的核心部分，机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一。它 从一定程度上影响着机器人的发展“。目前，由于人工智能、计算机科学、传感器 技术及其它相关学科的长足进步，使得机器人的研究在高水平上进行，同时也为机 器人控制器的性能提出更高的要求。对于不同类型的机器人，如有腿的步行机器人 与关节型工业机器人，控制系统的综合方法有较大差别，控制器的设计方案也不一 样。本文讨论的是工业机器人控制器问题。 1 2 1 机器人控制器类型 机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务 的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。 第一蕈绪论 常见的机器人控制器的分类方法主要是根据( i ) 按照机器人的类型；( 2 ) 按 照控制算法的处理方式：( 3 ) 按照控制器结构的形式：( 4 ) 按照基本功能单元的 类型等来划分“。而机器人控制器的性能主要决定于它的控制算法的处理方式。从 机器人控制算法的处理方式来看，可分为串行、并行两种结构类型。 1 串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理。对于这种类型 的控制器，从计算机结构、控制方式来划分，又可分为以下几种“” 1 ) 单c p u 结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。在早期的机器人中，如 h e r o i ，r o b o t i 等，就采用这种结构，但控制过程中需要许多计算( 如坐标变换) ， 因此这种控制结构速度较慢。 2 ) 二级c p u 结构、主从式控制方式 一级c p u 为主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能，同时也利 用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补，并定时的把运算结果作为关节运动的增 量送到公用内存，供二级c p u 读取：二级c p u 完成全部关节位置数字控制这类系 统的两个c p u 总线之间基本没有联系，仅通过公用内存交换数据，是一个松耦合的 关系。对采用更多的c p u 进一步分散功能是很困难的。日本于7 0 年代生产的m o t o m a n 机器人( 5 关节，直流电机驱动) 的计算机系统就属于这种主从式结构。 3 ) 多c p u 结构、分布式控制方式 目前普遍采用这种上、下位机二级分布式结构，上位机负责整个系统管理以及 运动学计算、轨迹规划等。下位机由多c p u 组成，每个c p u 控制一个关节运动，这 些c p u 和主控机联系是通过总线形式的紧耦合。这种结构的控制器工作速度和控制 性能明显提高。但这些多c p u 系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布 式结构，即每个处理器承担固定任务。目前世晃上大多数商品化机器人控制器都是 这种结构，包括p u m a 5 6 0 机器人在内。 以上几种类型的控制器都是采用串行机来计算机器人控制算法。它们存在一个 共同的弱点：计算负担重、实时性差。所以大多采用离线规划和前馈补偿解耦等方 法来减轻实时控制中的计算负担。当机器人在运行中受到干扰时其性能将受到影响， 更难以保证高速运动中所要求的精度指标。 4 第一翥绪论 由于机器人控制算法的复杂性以及机器人控制性能的亟待提高，许多学者从建 模、算法等多方面进行了减少计算量的努力，但仍难以在串行结构控制器上满足实 时计算的要求。因此，必须从控制器本身寻求解决办法。方法之一是选用高档次微 机或小型机；另一种方法就是采用多处理器作并行计算，提高控制器的计算能力。 2 并行处理结构 并行处理技术是提高计算速度的一个重要而有效的手段，能满足机器人控制的 实时性要求。从文献来看，关于机器人控制器并行处理技术，人们研究较多的是机 器人运动学和动力学的并行算法及其实现。1 9 8 2 年j y s l u h “钉首次提出机器人动 力学并行处理问题，这是因为关节型机器人的动力学方程是一组非线性强耦合的二 阶微分方程，计算十分复杂。提高机器人动力学算法计算速度也为实现复杂的控制 算法如：计算力矩法、非线性前馈法、自适应控制法等打下基础。开发并行算法的 途径之一就是改造串行算法，使之并行化，然后将算法映射到并行结构。一般有两 种方式，一是考虑给定的并行处理器结构，根据处理器结构所支持的计算模型，开 发算法的并行性：二是首先开发算法的并行性，然后设计支持该算法的并行处理器 结构，以达到最佳并行效率。 构造并行处理结构的机器入控制器的计算机系统一般采用以下方式： 1 ) 开发机器人控制专用v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 设计专用v l s i 能充分利用机器人控制算法的并行性，依靠芯片内的并行体系结 构易于解决机器人控制算法中大量出现的计算，能大大提高运动学、动力学方程的 计算速度。但由于芯片是根据具体的算法来设计的，当算法改变时，芯片则不能使 用，因此采用这种方式构造的控制器不通用，更不利于系统的维护与开发。 2 ) 利用有并行处理能力的芯片式计算机( 如：t r a n s p u t e r ，d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 等) 构成并行处理网络 t r a n s p u t e r 是英国i n m o s 公司研制并生产的一种并行处理用的芯片式计算机。 利用t r a n s p u t e r 芯片的4 对位串通信的l i n k 对，易于构造不同的拓扑结构，且 t r a n s p u t e r 具有极强的计算能力。利用t r a n s p u t e r 并行处理器，人们构造了各种 机器人并行处理器。如流水线型、树型等。 随着数字信号芯片速度的不断提高，高速数字信号处理器( d s p ) 在信息处理的 各个方面得到广泛应用。d s p 以极快的数字运算速度见长，并易于构成并行处理网 第一章绪论 络“。文献 1 6 介绍了一种基于d s p 的机器人控制器，采用并行流水线的设计 方案，提高控制器性能。 3 ) 利用通用的微处理器 利用通用微处理器构成并行处理结构，支持计算，实现复杂控制策略在线实时 计算。如文献 1 7 ，1 8 中设计的系统。 1 2 2 机器人控制器存在的问题 从前面提到的两类机器人控制器来看，串行处理结构控制器的结构封闭，功能 单一，且计算能力差，难以保证实时控制的要求，所以目前绝大多数商用机器人都 是采用单轴p i d 控制，难以满足机器人控制的高速、高精度的要求。虽然分布式结 构在一定层次上是开放的，可以根据需要增加更多的处理器，以满足传感器处理和 通讯的需要，但它只是在有限范围内开放。所采用的专用计算机( 如p u m a 机器人 采用l s i 1 1 作为上层主控计算机) 、专用机器人语言( 如v a l ) 、专用微处理器并将 r ，一 控制算法固定在e p r o m 中的结构限制了它的可扩展性和灵活性，因此说它的结构 是封闭的。 并行处理结构控制器虽然能从计算速度上有了很大突破，能保证实时控制的需 要，但我们必须看到还存在许多问题。目前的并行处理控制器研究一般集中于机器 人运动学、动力学模型的并行处理方面，基于并行算法和多处理器结构的映射特征 来设计，即通过分解给定任务，得到若干子任务，列出数据相关流图，实现各子任 务在对应处理器上的并行处理。由于并行算法中通讯、同步等内在特点，如程序设 计不当则易出现死锁与通讯堵塞等现象。 综合起来，现有机器人控制器存在很多问题，如： ( 1 ) 开放性差。 局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构。封闭 的控制器结构使其具有特定的功能、适应于特定的环境，不便于对系统进行扩展和 改进。 ( 2 ) 软件独立性差。 软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件，难以在不同的系统问移植。 ( 3 ) 容错性差。 第一章绪论 由于并行计算中的数据相关性、通讯及同步等内在特点，控制器的容错性能变 差，其中一个处理器出故障可能导致整个系统的瘫痪。 ( 4 ) 扩展性差。 目前，机器人控制器的研究着重于从关节这一级来改善和提高系统的性能。由 于结构的封闭性，难以根据需要对系统进行扩展，如增加传感器控制等功能模块。 ( 5 ) 缺少网络功能。 总起来看，前面提到的无论串行结构还是并行结构的机器人控制器都不是开放 式结构，无论从软件还是硬件都难以扩充和更改。例如，商品化的双j m a 机器人的 控制器是不开放的，用户难以根据自己需要对其修改、扩充功能，通常的做法是对 其详细解剖分析，然后对其改造。 1 3 开放式控制器 现代化工业生产和机器人研究对机器人控制器开放性的要求越来越迫切。制造 业要求工业机器人具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多 品种小批量的生产。计算机集成制造( c i m ) 要求机器人能和车间中的其它自动化设备 集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人控制器 具有于f 放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统均采 用封闭结构的专用控制器。这种专用系统很难( 或不可能) 集成外部硬件( 包括传感器 和软件) 。修改封闭系统的的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下 技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用开放结构的机器人控制 器一。 1 3 1 开放式机器人控制器现状 国外在开放式机器人控制器方面的研究投入了大量的人力、财力和物力。目前， 仍然处在“百家争鸡、百花齐放”阶段，还没有形成一个国际公认的技术标准规范 和文件1 。我国开放式机器人控制器的研究也还处在开始阶段。“。基于p c 的机器人 控制器开放程度高、用户基础广泛，具有良好的应用前景，但实时处理比较困难， 而采用实时操作系统的纯软件型控制器是值得关注的研究方向。3 ：”。 第一章绪论 1 3 2 开放式控制器的思想 目前，国际上对机器人控制器的开放性还没有明确的定义。根据i e e e 对“开放” 的官方定义，开放系统应满足系统的应用能在不同的平台之间移植。能与其它应用 系统交互，为用户提供一致的交互方式。l o t h a rr o s s o l ( t r e l l i ss o f t w a r e c o n t r o l i n c ) 认为开放系统应该运行在商品化的标准计算机硬件和操作系统上，具有开放的 硬件和软件接口以及标准工业用户图形界面。b r a i nc h r i s t e n s e n ( d e n e br o b o t i e s i n c ) 认为开放意味着一种即插即用策略。系统的元素可以是真实的、虚拟的或两者 兼有，实现真实或虚拟的机器人单元与真实p l c p c 或整个虚拟工厂之间的无缝通讯。 p e t e rm a n l e y ( c i m e t r i xi n c ) 认为开放系统应该基于标准计算机体系( 如v m e 或i s a 总线) 和标准处理器( 如m o t o r o l a 6 8 0 x o 、p o w e r p c 或基于i n t e li x 8 6 p e n t i u m 的系 统) ，运行于u n i x 或w i n d o w sn t 等标准操作系统，采用v i s u a l8 a s i c 和v i s u a c + + 或c c + + 和x + m o t i f 等标准语言编程，控制软件允许集成新的控制算法，如运动学、 力控、运动和i o 子系统等”1 。针对开放式机器人控制器已有的的研究工作集中于机 器人控制结构的定义，实现系统部件的模块化，接口的标准化，提高软件代码的复 用性、效率、可维护性、正确性以及程序的易读性，为用户提供方便的任务描述和 编程环境。目的是提高系统的开放性和交互性，便于任何机器人控制研究，如综合 和使用外部传感器，轨迹规划和生成，伺服控制算法研究，提高系统的可配置性和 可扩展性，便于修改和扩展系统以适应新的应用提供一致友好的用户接口。 w i l l i a me f o r d 总结了开放式机器人控制器的主要思想“： ( 1 ) 利用基于非封闭式计算机平台的开发系统，如s u n ，s g i ，p c s 。有效利用 标准计算机平台的软、硬件资源为控制器扩展创造条件。 ( 2 ) 利用标准的操作系统，女f l u n i x ，v x w o r k 和标准的控制语言，如c ，c + + 。采 用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且互不兼容的 局面。 ( 3 ) 采用标准总线结构，使得为扩展控制器性能而必须的硬件，如各种传感器， i o 板、运动控制板可以很容易的集成到原系统。 ( 4 ) 利用网络通讯，实现资源共享或远程通讯。目前，几乎所有的控制器都没 有网络功能，利用网络通讯功能可以提高系统变化的柔性。 第一章绪论 1 - 3 3 开放式控制器的优点 开放结构控制器大大提高了系统的柔性、可配置性、可扩展性、交互性、可交 换性、可移植性、可伸缩性、可靠性和复用性。与传统的专用系统相比，开放式机 器人控制器的优点主要有删： ( 1 ) 开放式机器人控制器的设计可以由用户或第三方开发人员更换或修改，用 户可以根据需要进行机器人控制器改型。开放式机器人系统的应用范围更广。 ( 2 ) 硬件和软件结构很容易集成传感器、操作接口，新的伺服控制规律等。 ( 3 ) 开放式机器人控制器采用模块化技术，开发机器人系统的过程中可以使用 经过测试、性能良好的子系统模块。功能模块的复用可以降低开发成本，提高系统 的质量和安全性能，保证控制器能满足需求，不会产生意想不到的致命错误，使机 器人系统安全性能得到可靠的保证。采用通用模块使得重复性的开发工作大大减少， 简化了编程工作，从而减少了整个系统开发的时间和成本。 ( 4 ) 开放式控制器便于实现平台、操作系统和用户接口的标准化。通用开放式 控制器具有减少培训需求、降低系统支持需求和减少维护成本的前景。 ( 5 ) 硬件和软件实现的开放式方法使得任何符合接口标准的第三方硬件和软件 包都可以添加到系统中或替换功能相同的部件，从而刺激系统供应商之间的竞争。 通过竞争，一方面用户可以获得更丰富的硬件和软件资源，降低实现成本。另一方 面也加速了从研究系统向可操作系统的转化。这样缩短了从研究到商品化产品的周 期。 1 4 课题的提出和本研究的先进性 1 4 1 课题的提出及本研究的意义 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有5 0 年了，在这短短的几十年里，伴 随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步，机器人的 发展已经历了3 代。“：( 1 ) 可编程的示教再现型机器人；( 2 ) 基于传感器控制具有 一定自主能力的机器人：( 3 ) 智能机器人。作为机器人的核心部分，机器人控制器 是影响机器人性能的关键部分之一。它从一定程度上影响着机器人的发展。目前， 9 第一帚绪论 由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步，使得机器人 的研究在高水平上进行，同时也为机器人控制器的性能提出更高的爱求。但是，机 器人自诞生以来，特别是工业机器人所采用的控制器基本上都是开发者基于自己的 独立结构进行开发的，采用专用计算机、专用机器人语言、专用操作系统、专用微 处理器。这样的机器人控制器已不能满足现代工业发展的要求。随着机器人控制技 术的发展，针对结构封闭的机器人控制器的缺陷，开发“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，日本、美国 和欧洲一些国家都在开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 开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制器汹1 。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。m 1 由于适用于机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展，开发一个 结构完全开放的标准化机器人控制器存在一定困难，但应用现有技术，如工业p c 良好的开放性、安全性和联网性，标准的实时多任务操作系统，标准的总线结构， 标准接口等，打破现有机器人控制器结构封闭的局面，开发结构开放性、功能模块 ， 化的标准化机器人控制器是完全可行的。“。本课题组在胡旭东博士的带领下，对 t p u 2 v l a 5 6 0 机器人v a l i i 控制器进行了详细分析，可以为我国在相关领域的研究工 作起到一定的借鉴作用。保留了原控制器电机伺服板，并利用可编程多轴控制器 p i v l a c 代替原v a l i i 控制器，建立了具有开放式结构的机器人控制器。本论文是浙 江省教委重点课题“具有局部自主智能行为的遥操作机器人系统研制”的部分内容。 这种基于p v l a c 的开放式机器人控制器的建立对于改造旧自动生产线，开发新的控 制策略，扩展机器人的应用，缩短机器人工程项目的研制周期以及研制新一代机器 人系统都具有重大意义。 1 4 2 本研究的先进性 本研究的先进性主要体现在，改造后的控制器基于工业p c 和w i n i ) 1 3 w s 操作系统， 突破了传统工业机器人封闭式结构，并具有良好可拓展性。在功能上。既具备了工业 机器人控制器的基本功能，同时又是一良好的机器人控制算法实验平台。 作为工业机器人控制器，该系统具有如下功能和性能： ( 1 ) 运动控制功能 第一章绪论 控制器提供了两种运动模式：关节运动和直线运动。每种运动都可设置运动速 度。 ( 2 ) 多坐标变换功能 控制器除提供了二种基本坐标系，即关节坐标系和基坐标系外，还提供了另外 两种坐标系：工具坐标系和用户自定义坐标系，它们都属于笛卡尔坐标系。各种坐 标系可以相互转换，可以自由选择。 ( 3 ) 多种型号的机器人控制功能 由于p m a c 的强大的多轴控制能力，只要在软件中加入该类型机器人的运动控制 参数，本控制器就可用于控制不同自由度，不同种类的机器人。 作为机器人控制算法的实验平台，该系统具有如下功能和性能： ( 1 ) 对上层运动规划算法开放 由于系统是用具有移植性的c c + + 开发，又具有良好的模块化结构，所以新的 上层规划算法易被加入到现有系统中。 ( 2 ) 对低层控制算法开放 。本系统采用了具有良好开放性能的数字运动控制器p m a c ，使得用户对低层运动 j 伺服算法可以通过上位机实现软件控制。一 ( 3 ) 实时采集运行数据 能否对系统的运行数据进行实时采集，对评价和分析控制算法的效果至关重要。 该系统可以同时对机器人六个轴的位置实时数据采集。 1 5 本论文的主要工作 在对本领域国内外研究现状分析的基础上，本文开展了如下的研究工作： ( 1 ) 研究分析了p u m a 5 6 0 机器人控制系统的结构与组成，详细介绍了控制器各 个主要部件在控制系统中的作用。 ( 2 ) 对p m a c 的软硬件进行了详细的分析研究，给出了p u m a 5 6 0 机器人控制器 改造的策略与步骤。 ( 3 ) 以对p u m a 5 6 0 控制器的分析为基础，详细说明了在保留原控制器功能的基 础上，把原控制器改造成具有开放结构的控制器的过程。 ( 4 ) 对机器人进行了标定，通过实验对机器人的绝对位置进行了确定。 第一章绪论 ( 5 ) 建立了机器人运动学数学模型，给出了p u m a 5 6 0 机器人的各个关节变量的 运动学逆解。 ( 6 ) 用c “语言编写了与p m a c 进行通讯、p u m a 5 6 0 机器人控制系统初始化及机 器人运动控制程序。 2 第二章p u m a 5 6 0 机器人控制系统 第二章p u m a 5 6 0 机器人控制系统 本章介绍p l r i v i a 5 6 0 机器人，对它的控制系统进行了详细的分析与研究，总结了 控制器各个部件的作用和特点，为控制器的改造打下基础。 2 1p u m a 5 6 0 机器人 p u m a 5 6 0 机器人是由原美国u n i m a t i o ni n c 生产的一种先进的工业机器人。它 是一种具有6 自由度的通用机械手，包括6 个可旋转的关节，这些关节组合后可分 别模仿人类的腰部、肩部、肘部和手腕的运动。这种模仿能力使得p u 姒5 6 0 得到了 非常广泛的应用。由于具有6 个自由度，机器人的手臂可以以规定的姿势到达工作 范围内的任何一个点。这种灵活性使得p u m a 5 6 0 机器人能够完成各种不同的任务， 是种理想的研究与实验设备。p u m a 5 6 0 机器人系统包括3 个基本的部件：机器人、 控制器和示教器。p u m a 5 6 0 机器人的整体外观如图2 1 所示。 图2 1p u m a 5 6 0 机器人 整个机器人的伺服系统是作为一个单独的部分来设计的。应用这个系统可以针 对特定的任务进行程序设计。有两种编程方式可供选择：在线方式和离线方式。在 第二章p l r m a 5 6 0 机器人控制系统 线的编程方式是利用示教器控制机器人运动到指定的位置，当机器人以正确的位姿 到达正确的位置时，用示教器上的保存键把这个位置保存起来。当描述机器人运动 路径的一系列的点坐标生成后，用户就可以通过v a li i 编程语言定制机器人的运动 动作，使得它到达正确的位置。而离线的编程方法则要求在程序中明确的包含机器 人运动路径中点与点之间的转换清单。一旦这些点被确定，用户同样的用v a li i 来 编程使得机器人运动到指定的位置并完成相应的动作。“。 2 2p u m a 5 6 0 机器人控制系统 p u m a 5 6 0 机器人控制系统采用的是美国数据设备公司( d a t ae q u i p m e n t c o m p a n y ，d e c ) 标准数据总线，整个系统是按照层式结构布置的，从上而下分别是： 处理器，中间接口板，伺服板，电机。如图2 2 所示。 手臂接口板 么心 甲甲p ；3 j 甲甲甲t，ttt 功率放大控制板 l 专专步 么夕 手臂电缆接线板 数字伺服板 带状数据线 功率放大器 伺服电机 图2 2p u m a 5 6 0 控制系统 l s i i i 的中央处理器( c p u ) 与伺服系统的其余部分之间的信息交流是通过中间 接口板进行的。中间接口板的作用类似于一个网关。处理器与中间接口板之间的数 1 4 墨= 皇 ! 旦坚垒! ! ! 型! 堡丝型至竺 据和控制信号的流通则是通过一个d r v 1 1 并行总线完成的”“。这也是处理器获得一 些重要反馈信号的通道，例如增益编码器和电位计的反馈信号，系统完整性信息等。 利用这些信息，处理器就可以知道伺服系统的状态，执行运动控制程序，计算将要 送往电机的控制信号。一旦这些工作完成，数据就通过中间接口板被送往数字信号 伺服板。数字信号伺服板的作用类似伺服系统的数字信号部分与模拟信号部分之间 的一个缓冲器。这些数字信号伺服板从微处理器得到运动命令的数字信号值，通过 处理转换成模拟量，并控制各自的电机，同时处理一些来自电机的反馈控制信号。 2 2 1 控制器底板 p u m a 5 6 0 的控制器底板是由d e c 标准的接线端阵列组成的。这些接线端是用来 联结卡片槽和底板的插脚矩阵。每块卡的每个i o 口都是通过这些插脚来联通的。 这样，信号就可以通过接线端之间的规格为3 0 线规的标准绕接线从一个卡槽到达另 外一个。整个控制器底板都是通过这种方法接线的。图2 3 为控制器底板各个插卡 的总体布置图。 1 l s i - 1 12 删o s