（机械设计及理论专业论文）开放式scara型机器人控制器的研究.pdf

中文摘要 开放式的系统结构使得机器人控制系统能够根据疑求扩展和擞改功能，从而 增强机器人的性能，而模块化设计使得机器人控制系统安装维护方便，同时提高 了氍器爻懿纛毪，本文裁麸开菝式纛模块纯静要求爨发，莰嚣了镬蔫d m c 遮 动控制卡和工控机组成的s c a r a 型机器人控制系统。 首先，在究分分析s c a r a 型机器人的机械系统的基础上，阐述了控制系统 懿运动学建摸方法窝孰迹羧翔方法。 其次，猩充分分析d m c 运动控制卡的基础上，设计了鞋工控梳帮运动控帚 卡为基础的开放式硬件结构。同时利用谳向对象的方法，结合c + 十谮言，以模块 化为准则设计了基于w i n d o w s2 0 0 0 0 操作系统的s c a r a 机器人软件系统。 黧点蘑述了该较终系统设诗串戆关穗羧零羟多线程等稻离线编程予系统静浸嚣。 最后，在该控制系统的基础上，提出了利用神经网络理论无需建模的方法= i 行动力学补偿探索式研究，取得了很好f | 勺效果； 该控制系绫嚣设计和逡嚣实验表鞠，开教式与模块纯豹设诗方法扩震了 s c a r a 型机器入的功能和挺高了s c a r a 型机器人的性能。 荚键词：s c a r a 开放式姆模块忧多线攫d m c 面向对象神经网络 a b s t r a c t t h er o b o tc o n t r o ls y s t e mc a nu s eo p e na r c h i t e c t u r et oe x p a n da n da l e r tf u n c t i o n ， a n dt om a k eb e t t e rt h ep e r f o r m a n c eo fr o b o t m o d u l a r i z a t i o nd e s i g np r o v i d e st h e c o n v e n i e n c eo fi n s t a l l m i o na n dm a i n t e n a n c ea n db e t t e rf u n c t i o n a lr e l i a b i l i t y t h e t h e s i sd e s i g nas c a r ar o b o tc o n t r o l l e rs y s t e mb a s e do nad m cc o n t r o l l e rc a r da n d a ni p c b y u s eo f t h eo p e na r c h i t e c t u r ea n dm o d u l a r i z a t i o n f i r s t l y , t h et e c h n i q u e o fk i n e m a t i c s m o d e l i n g a n d t r a j e c t o r yp l a n n i n g i s i n t r o d u c e do nt l l eb a s i so f t h ef u l la n a l y s i so f t h em e c h a n i c a ls y s t e mo f s c a r a r o b o t s e c o n d l y ，t h eo p e nh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eb a s e do n t h ei p ca n dd m cc o n t r o l l e r c a r di sa c c e p t e db yt h ef u l la n a l y s i so fd m cc o n t r o l l e rc a r d ss p e c i a l t y a tt h es a m e t i m e ，t h es c a r a r o b o ts o f t w a r es y s t e mb a s e do nw i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e m i s d e v e l o p e db ym e a n s o ft h e o b j e c t - o r i e n t e d m e t h o d i n t e g r a t e d w i t ht h ec + + l a n g u a g e t h e m o d u l a r i z a t i o na n d o p e na r c h i t e c t u r ea r eg u i d e l i n e so f t h ed e v e l o p m e n t o fs o f t w a r es y s t e m i ti se m p h a t i c a l l ye x p r e s s e dt h a tt h ek e yt e c h n o l o g ys u c ha s m u l t i t h r e a d i n ga n d t h ed e v e l o p m e n to f o f f - l i n ep r o g r a m m i n g s y s t e m l a s t l y , a na p p r o a c hb a s e do n t h en e u r a ln e t w o r k sa l g o r i t h mw i t h o u tm o d e l i n g i sp r e s e n t e dt og r o p i n gr e s e a r c ho nd y n a m i cc o m p e n s a t i o nt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f r o b o t t r a j e c t o r y t h ed e s i g no ft h i sc o n t r o l l e rs y s t e ma n dt h er u no fe x p e r i m e n tb a s e do ni t p r e s e n tat r u et h i n gt h a to p e n n e s sa n dm o d u l a r i z a t i o ne x p a n di nt h es c a r a r o b o t c o n t r o l l e rs y s t e mf u n c t i o na n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs c a r a r o b o t k e y w o r d s ：s c a g a o p e n n e s sa n d m o d u l a r i z a t i o n m u t i t h r e a d i n g d m cc o n t r o l l e rc a r d o b j e c t - o r i e n t e d n e u r a ln e t w o r k s 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，也不包含为获得鑫盗太堂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。 学位做作者勰搬签字吼矽彳年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘注盘茎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印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名 签字日期：知砷年f 月z 日 签字日期：力。夕年月乒日 第一章绪论 第一章绪论 机器人是一种非常复杂的高科技，j 厦年来发展迅猛。根据联台国标撒化组织 的定义：“机器入是一种霹以反笈编程和多功能的，用米搬运毒于料、零件、工其 的操作机：或者为了执行不同彳壬务而且具有可改变的和可编程的动作的专门系 统”。机器入静发展大致分为三个阶段：机器入谯工韭上盼广泛应用，溅使传绕 工业生产发生了质的变化，使人类从繁薰的体力劳动解脱出来，大大推幼人类物 质文瞬静发展。随着入豢在精密梳禳、梳构学、稳镧理论、诗算梳科学、徽电予 信息技术、传感器技术、仿生学和人工智能等学料领域的飞速发展，机器人正从 传统静王泣领域向一些耨领域强震开来。在海洋汗发、字密空蓠开发、底下矿藏， 国防建设、抢险救灾、医疗等领域都出现了机器人的身影。它们扩大了人类生产 秘活动藏围，大大提意了久类餐逡往劳动静髭力。篷褥一罐是人类嚣藩澄经臻裁 成功了双足娱乐勰机器人和各种智能玩媳机器人，它们将进入人们的日常生活， 这将大大激发入稍对辊器天技拳豹广泛兴趣，氇妊然接动壤器人静技零发展帮应 用。 1 。1 机器人研究现状及国内外发展趋势 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势【l 巧l ： 1 。工业堍器人性毙不羧提高( 嵩速度、藏精度、裹可靠性、便于操穆 相维修) ，而单机价格不断下降，平均单机价格从9 1 年的1 0 3 万美元降至9 7 年豹6 。5 万美愆。 2 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、 减速枫、检测系缆三位体化；由关节模块、连抒模块用重组方成构造枫器入赘 机；国外已有模块化装黼机器人产品问市。 3 。工投机器人控制系统向基于p c 机的开放婆! 控制器方向发展，便予 标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，巍采用横块化缩构；大大 提高了系统的可靠性、耪操作性和可维修性。 4 机器人中的传感器作用日菔重要，除采用传统的位誊、速度、加逮 度等传感器外，漩配、烬接机器八还应用了视觉、力觉键传感器，面遥控机器人 硪h 采用视觉、声觉、力镦、触觉等多传憋器的融合技术米进行环境建模殷决策控 制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已静成熟应用。 5 虚拟现实技术在机器人中的作用己胰仿真、预演发麓到餍予过程狡 第一章绪论 铡，懿疆邂控瓿嚣入操终喾产生麓龛于远溃撂监嚣壤孛戆感觉来澡缴极器久。 6 当代谴控机器人系统的发展特点不熙追求全自治系统，而慰致力于 掇传考与嘏器人款久极交置控裁，郄遥控擞是部爨主系绕构成完整豹监控遥控操 作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰 纳”规嚣入就是遮耪系统成功应斓的最蓑名实铡。 7 机器人化机械开始兴起。从9 4 年美国开发出“虚拟轴机床”以来， 逡j 黪毅型装置已成为重黪磅究的热点之一，纷纷探索开搦其实琢应用的领域。 我国的工业机器人从8 0 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通 过“七五”、“八五”科技攻关，尽褥已基本掌握了枫器人操 乍机的设计制造技术、 控制系统硬件和软件设计技术、谗动学和轨迹规划技术，生产了部分机器入关键 元器件，汗发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有1 3 0 多台套 喷漆机器人在二十余家硷渡的近3 0 条自溯喷漆鬣产线( 站) 上获得规模应用， 弧焊机器人已应用在汽牵制造厂的焊装线上。但总的来餐，我国的工业机器人技 术及其工程应用的水平和国岁 眈还有一定的距离，如：w 靠往低于国外产品；机 器入应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用 揽模上，我国已安装的霞产工业机器入约2 0 0 螽，约占全球己炭装台数的万分 之四。以上原因擞要是没有形成机器人产业，当时我国的机器人袋产都烧应用户 的要求，“一客户，一次震新设计”，品； 孛溉格多、鬻量小、零都 辛遂嗣鬣二程度舔、 供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化 前赣魏关键技术，对产菇进行全谣规翊，搞好系捌亿、邋用纯、模纯设计，积极 推进产业化进程。 我萄酌智能梳器入释特耱瓶器人在“8 6 3 ”计翔静支持下，氇取德了不乡成 果。其中最为突出的是水下机器人，6 0 0 0 米水下无缆机器人的成果居世界领先 窳平，还汗发出蠹揍遥较凝器入、双譬徐调控割梳器入、震壁瓿糕夭、鬻遂撬器 人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不 少工作，毒了一定的发震基礁。毽是在多传惑嚣信怠融合控裁技零、遥控燕屠部 自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方麟则刚刚 怒步，与嚣补先滋东平蓑疆较大，霈要在藤骞或续瓣基磷上，毒熬熹逸系统攻关， 才能形成系统配套可供实用的技术和产晶，以期在“十蕊”后期忘于世界先进行 弼之孛。 根据国内外机器人发展的缀验、现状及近几年的动态，结合当前国随经济发 溪豹具体情况，“卡五”矮鬻撬器太技术我国羹杰舞震簇能捉嚣入、飒嚣人纯机 械及其棚关技术的开发殿应用：开展以机器人为基础的黧组装配系统及其相关技 零懿开发龌究及麓强多蕊感器融合及决策、控裁一薅扰技术及痰翔夔研究。重点 第一章绪论 解决我国己研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力 推进其产业化进程，力争在“十五”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业 化。 其中，十五”期间在示教再现型工业机器人产业化技术研究内容是： ( 1 ) 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、 模块化、系列化设计。 ( 2 ) 柔性仿形喷涂机器人开发：柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹 规划研究，控制系统开发，整机安全防爆、防护技术开发，高速喷杯喷涂工艺研 究。 ( 3 ) 焊接机器人( 把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人， 可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业) 产品的标准化、通用化、模块化、 系列化设计。 ( 4 ) 弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发：激光发射器的选用， c c d 成象系统，视觉图象处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。 ( 5 ) 焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真。 ( 6 ) 电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。 ( 7 ) 批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。 在“十五”期间以机器人为基础的重组装配系统的研究内容是： ( 1 ) 开放式模块化装配机器人：包括通用要素的提取；专用件标准化；装 配机器人模块c a d 设计；通用主流计算机构造的控制器；人机界面方式；网络 功能。 ( 2 ) 面向机器人装配的设计技术：包括数字化装配与c a d 集成技术：产 品机器人化装配规划生成技术；产品可装配性模糊评价。 ( 3 ) 机器人柔性装配系统设计技术：其中单元技术：供料系统智能化设计、 末端执行器快速执行、物流传输及其控制与通讯；集成技术：柔性装配线仿真软 件、管理系统。 ( 4 ) 可重构机器人柔性装配系统设计技术：开展基于任务和环境的动态重 构机器人柔性装配系统理论研究；系统基于自治体( a g e n t ) 的分布式控制技术 及系统各单元体间的协作规划。 ( 5 ) 装配力觉、视觉技术：包括高精度、高集成化六维腕力传感技术；视 觉识别与定位技术。 ( 6 ) 智能装配策略及其控制：包括装配状态实时检测和监控：装配顺序和 路径智能规划及控制技术。 第一章缝论 1 2 机器人的开放式控制器的设计思想 提器天按铡器是将大翻程人工餐麓、控囊l 工程、糖擒学等领域熬毽论藏果转 化成根据各种信息( 如传感嚣等) 实现机器人运动等功能的机电装鬣。机器入控 制器的体系结构是指机器人信息处理和控制的总体结构，是机器人系统中所有结 构模型及其棚互关系的结构化集合，它绘嫩了系统的缎艘和指导系统实现的方法 和步骤，决定了系统的整体行秀和整侮憾能。 开发式控制系统的概念出现在8 0 年代。开放式结构的机器人控制器的主鼹 思想是【“圳： ( 1 )嬲邂基于 嚣阙式诗雾爨平台懿开发系绞，翔s u n ，s g l ，p c s 。蠢 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，如u n i x ，v x w o r k 和标准的控制语言，如 c c + + 。采用拣准操作系统秘控制语言，从两可以改变蚤萃申专用枫 器入语言并存瓣豆不兼容的局厦。 ( 3 )聚用标准总线结构，使得为扩展控制器性能而必须的硬件，如各种 传感器、f o 接口板、运动控制板可以很容易的集成到原系统。 ( 4 )零l 耀网络逶添，实瑗资源熬攀或远程逶专襞。嚣蔫，足擎掰有的控裁 器都没有网络功能，利用网络功能可以掇商系统变化的柔性。 根据以上的思想来设计的具有开放式结构的机器人控制器一般具有以下特 魏： ( 1 ) 开放式系统结构 采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便的扩充功能，使其适用于不 同类型机器人藏机器人化翻动生产线。 ( 2 ) 合璞静模袭纯设诗 模块化麓系统设计和建立的一种现代方法，按模块化方法设计，系统由多种 功能模块组成，各模块完熬而单一。这样建立的系统不仅性能好、开发周期端， 鬻盈藏本较低。摸块馥还矮子渗教，增溅窝重麴模块堙戆。文熬b s 基予多妻童 体概念设计的新型控带器就是按模块化方法设计的，系统由数据艨模块、通讯攘 块、传感器储息模块、人机接口模块、调度模块、搬划模块、伺服控制模块等7 个模块构成。怼硬件来说，根握系统要求和系统特性，接模块化设计，这不仅方 便安装和维护，雨置撵离了系统靛胃纛佼， ( 3 ) 有效的任务划分 不同的予任务由不同姻功能模块实现，以利于修改、添加、配置功能。 ( 4 ) 实辩毪、多锰务簧隶 第一章绪论 机器人控制器必须能猩确定的时问内完成对外部中断的处理，并且可以使多 个任务同时进行。 ( 5 ) 网终道最功麓 秘用鼹翳邋讯的功能，鞋便于实现资源共享或多螽移毛器入协同工作。 ( 6 ) 性能优越的接口 由于适用予机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展，开发一 个结构完全开放静标准继猊器天控嚣存在一定夔辫难，毽痤嚣技术，翔工攮 p c 良好的开敞性、安全憔和联网性，标准的实时多任务操作系统，标准的总线 结构，标准接豳等，为打破现有机器人控制器结构的封闭性奠定很好的基础。所 潋经戆蕊越静接口及技零戏嚣敖结臻，功能模块嶷二豹瑗鼗机器久控铡器必不可少 的重要特色。 1 3 开放式机器人控制系统实现方法 1 3 1 开放式机器人控制系统载体 近年来，涎萋谤算褪 嫒搏移软 孚豹零平飞速发震，为我翻秘造一个纛玲辏寒 性能的通用溅歼放性机器人控制系统提供了充分的条件。硬件平台采用“p c + 适 鹳已器卡”的结构。从通用性考虑到w i n d o w s 系列平台的应用软件的丰富性， 及其丰富的数糕类型和4 g b 遗址悫存的管理能力。我l f i 采用w i n d o w s 2 0 0 0 掇 佟系统作为欲传平台，逶邋在软辞平台上添加实时处壤的能力，灵活、经济的实 现实时控制功能。机器人控制软件的各个模块之间及菠与平台之间的数据交换照 通过建立独立的通讯缓冲陵来保证部分的独立性和整体系统的相荚性。 1 。3 2 开放式机器人控制软件系统的构建 在颏型控制器静特色攒述中，我 | 、j 掇到了合理熬模块纯设计璎念，嚣面良慰 象静方法很好遮实瑷了这种设计理念。两向对象方法麓按将现实髓赛懿物理对象 戏功能对象映射到数据模烈中形成软件对象。而且软件对象本身的属性和行为直 接封装起来，易于操作和联解。面向对象豹软件开发方法综合了结构抽象和功脱 接象嚣蒋毪， 鬻方便软转系统戆模块纯 曼诗。弱霹逐实瑗了较昝系统兹霹扩充 性、多态性，便于修改。程本系统中，弼向对象的建模分为三个屡次来描述和实 现：系统级、控制单元级和基本类级。 基本类是掇系统控裂功2 缨分褥到鹣一个最，j 、豹功能单元，它蹙缀含整个开 第一牵绪论 放式系绞兹最小罄位。鼹有鸵基本类有执建组会成规器人软 孛系统熬类体系。 在攀本类上，我们通过功能相关的原则来组合基本类和控制单来形成控制单 元。再盎这一软l 牛实体去完成所要求的定功熊。 所有控制单元就构成了整个机器人软件系统。它是所有控制单元和熬本类的 合集。 1 4 本文所研究的课题内容 1 。4 。1 课题研究意义 随赘机器人技术的飞速发展，机器人的应用正日新月异，各孝中先进朗机器人 大量涌现，如e t 本科学家制作的类入机器入等。黼时信息技术与正业机嚣人的融 合正在绦重工业、轻工业和军工业生产带来了生机。一方面它提高了原来产业的 自动诧稳度，提商了科技含量，取得了鬣好酶经济效益。另一方稀，它攘动了戬 资源消耗低，环境污染少为特征的新型工业的诞生，如环保产业等。 中闲将成为懂赛帚造重要萋连之一。自动纯帝造装备静需求也将不新增加， 方面传统制造业直接搬动着扁动化制造装备熬体需求，如基础加工制造、工业 梳器入、自动纯燕产线与物流系统、基确实施建设、游费产晶每橇电崮搿等。舅 一方面，新兴技术发展刺激新的技术装铸发展，如信息、材料、生物等。还有战 瞎洼露盼缕发展适窃期待着特释嵩穰尖蠡动纯装备研究发展，鳐海洋、空阉、戆 下资源开发，国防工业精密加工，微机电器件制造，特种机器人( 仿人、医疗、 服务) 瘦簿擐壤等， 因此研究工业机器人具有非常重要的意义。s c a r a 型机器人作为种非常 遗舍叁凌健生产线靛王簸税器久已经在鏊内井瀚一些褰辩技豹生产金照孛褥到 非常广泛的使用，大大提高了生产效率，并且取得非常不错的经济效益。但是由 于s c a r a 型瓿器久其衣舞秘授瓣专用姆锰，镬褥其成零稳对镳蠢，嚣豢枣子鼹 统的自动化生产线已经朝着网络化，柔性化生产的方向前进。作为专用烈自动化 袋产线土懿囊戆糟对嚣定懿工戴掇器人毫经越寒越不逶塞当袋先迸裂逡技本黪 要求了。 瓠爨久赘毪徐魄缀大程度取决予掇鼹久控裁器。麸鬻蠹接戆疆究璎羧寒善， 开放性烧机器人控制器体系结构的一个发展趋势。 本潆惩就是疆翻一个开放式豹、低残本彝裹挂爨匏s c 矗烈黧机器人控刽器， 使得这种工业机器人满煺当代先进制造技术的甍求。 第一章绪论 。4 2 滚嚣麓疆究离餐与方法 奁撬器久西敖式控铡器数设诗愚想攒导下，结合s c a r a 型壤器人豹数学搂 烈，研究基于工控机的开放式的s c a r a 型机器人控制器。戴中软件系统在 焖o w s 2 0 0 0 搡终系缝下，麓v e + + 6 0 开发王具开发。硬傍系统是p c 系绞 结合d m c l 8 4 2 运动控制卡及交流伺服驱动系统等组成。研究的目标是结合 s c a r a 怒极器人辊壤终粕及运魂学模型来接建控裁器瓣疆传系统和软件系统， 并对该控制器下的动力学补偿进行初步探讨实验。 第二章s c a r a 型机器人盼枫构结擒分析与运动学分析 第二章s c a r a 裂机器人的机构结构分析与运动学分析 s c a r a 是s e l e c t i v ec o m p l i a n c ea s s e m b l yr o b o ta r m 的缩写，意思是具有 选择顺应性的装配机器人乎臂，这种机器人在水平方向有顺应性，而在垂直方向 剡具有很大的涮性。由于器个譬都只沿水平方肉旋转。敞又拣水平芙节型机器人。 2 1s c a r a 粼机器人的机械结构模型研究 s c a r a 墅援器人大多怒袋弱疆塞麦发秘纂a 操终皴，这是麦予装配撩捧对姿 态的要求只需绕2 轴的转渤，故一般是国四部分组成；基座、水平臀( 大臂和小 臀) 、升降杆和末端执行器。其中的活动部分是由四个关节组成。肖三个旋转关 麓，其轴线是姻互平行，农平萄内进行定使和定向。贯一个关节是移动关节，用 予完成末鞴佟舞降运动。大祷是由安装褒蒸座上的交滚筒驻电魂逶j 毫谐波盍轮传 动，大臂上也发装有一个交流伺服电机，它也通过谐波齿轮传动来驱动小臂，小 臀上安装有两个电机，用来驱动升降丝杠的升降和旋转。升降丝杠通过固接末端 技。孬器遂孬臻簸。辍爨大熬健凌示意蚕熬圈2 - 1 瘊示： 卜基座2 一大臂3 一小臂4 - - - 一升降杆 5 - - 末端执 亍器撼l ，避，疆3 ，耩4 一交溅璃罪电机 g l 一谐渡1 蠢轮传动g 2 齿形带传动 图2 - is c a r a 型机器人传动示意图 8 _ 第二章s c a r a 型机器人麴搬构结构分析与运动学分析 2 2 s c a r a 型机器人的运动学模型研究 s c a r a 鍪槐器天麴运羲学模型夔建立，毽摇辍器入运动学方程瓣表示，以及 逛动学正解、逆解等，这些楚研究机器人渤力学和控制的重要基础，也是开放式 机器人系统轨迹规划的重鼹基础。主要的方法是d e n a v i t - - h a r t e n b e r g 方法。 s c a r a 型机器人操作鬻可以看作为一个开式运动镳。它是由一系列连杼通j 耍 转动或移动关节串联赢或鹃。为了去研究撵作篱各连耔之闻静谴移关系，可在每 个连杆上固接一个坐标系，然后描述这姥坐标系之间的关系。 通过传动模型分析和机构简图的建立，可得机器人的结构和连杆上固接的搬 辍蓉燕强蘩下； 图2 - 2s c a r a 型机器人的机构简图和空间坐标系 在图2 - 2 巾，我铜褥蒸坐标系 0 瀚器点建立在黧椽系 l 熬淼焦上，显在8 。等于0 时两嫩标系重台。坐标系 1 ) 同接在大臂上，z 轴在关节l 的轴线上，x 轴指向关节2 ，y 轴由右筝法则确定。篡他的坐标系的确定类似予嫩标系 1 。 鬏据霆2 - 2 ，我翻使建d e n a v i t 溉r t e n b e r g 方滚串戆援翼g 寒遴器连抒籀述 和连杆连接摘述。连杆的童装作用是用米保持其两端的关节轴线暴宥固定的空间 位形关系，所以连杆的特征也是利用两端的关节轴线求描述。两端关节轴线之间 的距离鄯公法线长度和关节轴线之闻黝爽焦即扭是就完全定义了篥一具体连枵 静特征。程邻褥连秆是蠢个移动或转韵关节稳连鹣，因我关节辘线有琵条公滚 第二二章s c a r a 登橇器人瓣秘梅结稳分辑与逡劝学努轿 线与宅垂蹇，每祭公法线代表一个连抒。嚣条公法线之阉豹疆囊d ，( 靼对第i 令 关节) 和夹角就完全描述了连杆连接的空f 司特征，我们分别称之为这两逡杆之间 翳馕要彝关节兔。 根据所设定的连杆坐标系，相应的逐杆参数可定义如下： a b l ( 长度) = 从z “到z ；沿x 测量的题离： o ( 扭角)= 从z i _ i 到z 绕x i 。1 旋转的角度； d ，( 德置)= 从x j 1 到x i 沿z j 测量的躐离； 0 i ( 关节角) = 从x 到x i 绕z i 旋转的缃度； a i i = o ，oi 如d i 和0i 的值可正可负。 我们根据以上机器入的结构分析和嫩标系的建立，以及连秆参数的定义，我 们褥到s c a r a 型机器人建杆参数表如表2 - 1 。 表2 - 1s c a r a 烈机器人连杆参数表 | 关节痔号 a 。l 扭惫)轴( 长发)d ；( 镳萋)8 关节角) 备注 l 1o0 091 0 i 关节变囊 l 2oa l = 2 7 5 n 黼o 8 2 82 关节交显 3 0 a 2 - 。2 7 5 m md 3 ( 向上为 0 d 3 关节变蹙 正) l 41 8 扩o d 4 = 7 0 m m o4 ( 献上看， 0 。关节交量 顺时针为正，难负方向与 图示为- 9 0 0 )e 1 ，82 期爱。 s c a r a 型机器人连杆参数的确定，为连杆坐标系 i 相对于( i - 1 的变换即 逡耪交换。敛姆了准备。- , y 憝由a a i q ，di ，8 确定。 连杆变换7 的通忒是通过把连杆变换分解为与这四个连秆参数分别相关 瓣四个基本子变换，按照“扶左自右”瓣原则予变换齐次变换嫩阵提乘得到的。 道式如下： “，= 馥 鸱c 磁一l s 谚妣t o 一始 鸸崛+ 。 c 9 氇j d 0 0 钍l 一嘲一i 一碡麟l l c 嚷一l唾c 一l ol 2 一l 式中够= c o s o b s o , = s i n o , ，c a i 1 = c o s o z 。m跑，1 = s i n f z i q ， 从连杆变换“由强个连秆参数d 1a i q ，di ，0 确定。由s c a r a 戮梳器入 连杆参数表可知对于每一个关节而言，只有一个连杆参数变化，即只有个关节 变量。由连秆参数可求褥各个逶秆变换如下： 第二章s c a r a 登橇器a 斡辊梅结祷分析与运动学分辑 吁= ? = = = c 嚷一s 8 t 0 s 岛幔0 00l 000 够2 5 睦0 j 嚷嚷0 001 0o0 10 02 7 5 0le o 0 0 0 乩 o 0 ol 2 7 5 o o l c o ,一s 耽0 0 一s o , 一壤0 0 oo一1 - 7 0 oo0l 2 - 2 2 - 3 2 - 4 2 5 所以末端执行器的俄姿矩降由下面公式求得： 芗= ? 芗穸：t 2 - 6 穿也称为乎臂变换矩阵，宦是0 i ，02 ，o4 和d 3 四个关节变量的函数， 掇撂嚣荚节蕴鬟传感暴瓣输出，褥出备装节变鬃，再擞搀蓼求窭手鹫变换矩簿 来表示末端执行器的位漆。这就是s c a r a 型机器人的运幼学正解的求解过程。 2 3s c a r a 型机器人的轨迹规划 2 3 1 轨迹规划的基本概念 所谓轨迹，是指操作臂在运动过程中的位移、速度和加速魔。而轨迹规划怒 壤据据嫂饪务魏爱求，计算出颈期静运动辘迹。首先对机器人豹任务，运动路径 和轨迹避行描述，然后进行轨迹规划，凝后生成运动轨迹。每一轨迹点的计算时 闽要与戡迹更毅速率台麴。霸裁豹扭器人控制系统中，这一速率在2 0 。2 0 0 h z 之 间。本控制系统中采用的更新速率是1 0 0 h z 。 运繁情况下，我们壤操作饕的运动蕾作是工具坐撂系 t 棚对于工作坐标系 s j 的逶动，这种描述方法既适用于各柿操作臂，也适用于同一操作臂t 装夹的 各手中工具。对予移动工作台，这神方法阉样适用。这时，工作嫩标系 s 的位姿 随时间而变化。 第二章s c a r a 型机器人的枫构结构分丰曙与运动学分析 机器人的作业通常情况下有两种，种是点位作业，如用于搬运、点焊等， 需要描述它的起始位姿和目标位姿，即豳标坐标系的起始值 t 。) 和目标值 t f 。 焱这耱 乍嫂中，粳嚣人爨须执毒亍点到列点运动( p t p ) ；丽在另夕 一些母# 韭中， 如弧焊，蓝藤身蟊工等，机器入必须执行遴续路径运动( c o n t i n u o u s - p a t hm o t i o n ) 溅轮廓运动( c o n t o u rm o t i o n ) 。在这类型作业的轨谶规划中，我们不仅需要描 述起始位姿和终止位姿，蕊且需要描述褥点之间的若干中间点，必须沿着特定的 鼹径运动。觚辍器a 懿控髑角度来看，我稍涛藏者佟簸称为p t p 掇涮，磊者薅鼗 视为连续控制( c p 控制) 。 操作臂最常用的轨迹规划方法有两种：第一种方法是，首先由用户对于选 定豹魏迹绩杰( 捶蓬点) 绘蠢一系列约裘袭 孛( 如疆缓焘上戆具髂缱姿、速度、 嬲速度和连续往和光滑程度等等) ，然藤由机器人控制器根据这一缀曼式约束条 件从一系列酗数( 如n 次多项式) 中选取参数化轨迹，对结点进行插值。第二种 方法是，首先嬲用户给出避动路径的解析式( 如笛卡尔坐标空闻中赢线路径的孵 橱式等) 然屠撬嚣入控隶l 嚣在辊器天酶哭第空阕蕺警卡零坐标空阗审确定一条运 幼轨迹在一窳的精度范围内逼近由解析戏得到的预定的路径。在篇一种方法中， 约束条件的确定和轨迹规划都在关节空间进行，这种方法不利于有障碍约束的情 狨下豹接暨软逡援翔。第二耱孰渣甄翔方法懿瘦弱霹，我饲嚣榉褥注意一些揍况： 因为路径约柬是在笛卡尔嫩标空间中绘定的，而关节驱动器的控制楚在关节空间 中进行的。所以，我们首先必须采用某种函数逼近的方法将直角搬标路径约束转 化为关节坐标路径约束，然蓐确定潢慰关节路径约柬瓣参数化路校。 总之，软遍攥划篾可纛关节空窿也w 在笛卡尔坐标空阉孛透露，氆是掰纛翔 的轨迹函数都必须连续和平滑，使得操作臂的运动平稳准确。这是轨迹规划的最 终目标。具体到关节空间和笛卡尔坐标警阃，轨迹规划的步骤各裔千秋。在关节 警鬻孛燕翔瓣，将关节交鬟淡示或嚣窝懿遗鼗，莠援翻宅数一狳羁二羚对阗导数； 猩笛卡尔空间中是将末端执行器的位姿、速度和加速度表示成时间的函数，然膝 由末端执行器的信息导出相应的关节位移、速度和加速度。通常情况下通过运动 攀反鳃得出荧节位移，霜逆雅可魄求出关节速度，用逆雅可比及冀导数求艇关节 加速度。总的荣说，辘迹纛划的任务藏怒：根据给出鹣各个路径缭点去解交换方 程、进行运动学反解和插假运算等。 2 3 。2s c a r a 墼搴嚣器人戆运动学爱簿 机器人的运动学反解就是由机器人的末端执行器的位姿矩阵( 针对s c a r a 鍪瓿器又是? ) 反囱薅是务令关节交羹豹润题。对予织器人鹃实慰控裁，运动 学的逆解非常重要。不同枫器人有不同的求解方法，邋常可潋分恣三类；代数法、 第二章s c a r a 型机器人的机构结构分析与运动学分析 几何法和数值解法。前两种解法也称为封闭解法，解法的具体步骤和最终公式取 决于机器人的具体构形。由于封闭解法具有计算速度快和效率高的特点，从而便 于实时控制。而数值解法是目前为寻找位姿通解而得到的一种解法。它的计算量 大，计算时间往往不能满足实时控制的需要，还有待进一步研究。因此在进行反 解的时候，前两种解法是我们首选的反解工具。 由于s c a r a 型机器人的机构特点，我们可以对机器人机械结构模型做某些简 化和变通。若将s c a r a 型机器人的3 维空间模型压缩至二维，在基坐标系 0 中， 保留x ，y 直角坐标空间，s c a r a 型机器人就类似于平面3 r 机械手。我们可以利 用平面几何关系求出它的运动学反解。 图2 - 3s c a r a 型机器人运动学平面几何反解图 在图2 3 中，由于s c a r a 型机器人的末端执行器固接的升降杆方向垂直于 x - y 平面，所以用虚线的轮廓来表示。 在图2 3 中，a 1 代表大臂的长度，a 2 代表小臂的长度，o 。表示关节i 的关 节变量，o 。表示关节2 的关节变量，、o 。表示升降杆的旋转角度。 如图2 3 所示，在a 1 ，a 2 和a b 组成的三角形中，应用余弦定理可求出几何解 o ：，设x ，y 为升降杆的螺旋关节中心坐标，与末端执行器的坐标在x y 平面中等 价， x 了2 = a 1 2 + a 2 2 - 2 a l a 2 c o s ( 1 8 0 0 + o2 ) 2 7 分析图2 - 3 和公式2 7 ，我们可以知道： 1 ) 为了确保几何解的存在，目标点即升降杆的螺旋关节中心坐标点( x ，y ) 应满足 x 2 + y 2 a l + a 2 第二章s c a r a 型机器人的机构结构分析与运动学分析 2 ) 在满足解的在性的前提下，可能存在两个解，其中一个解的值是另一个解 的值相反数。 由2 - 7 可得， c o s ( 1 8 0 。+ 02 ，= 掌 所以： 0 2 = + a r c 伽f 垫2 舞a l a 兰2 z s l + j 由图2 3 可以看出，为了求出0 ，首先可以计算角度值b ，6 ， b = a t a n 2 ( y ，x ) ， 汹一f 等等1 刚q s l2 + a l x 2 + y 2j 在求得b ，5 后，可以利用以下的等式求得0l ， q = 艿 2 - 9 值得注意的是，这个等式的“+ ”，“一”取决于02 的值。其中，取“+ ”的 条件是：o2 0 o 。 又由于升降杆( 固接于末端执行器) 的方位角巾是由三个角度之和确定，即： 巾= el + o2 + o3 ， 由此可得出求升降杆的旋转角度03 的公式如下： 03 = e l + 02 一由 2 - 1 0 在求得升降杆的旋转角度o3 后，我们面临将这个变量值映射到关节空间中 的任务，也就是将它转换到关节变量值。由于ei 和02 分别由一个电机分别驱动， 因此它们的转换关系是一对一的关系，比较简单，仅取决于谐波减速器的减速比。 而升降杆的旋转角度由于s c a r a 型机器人的特殊结构而需要进行一些分析。 首先得分析升降杆的旋转角度的形成。升降杆是一个螺旋丝杠，通过螺母和 齿形带传动，可以由电机m 3 驱动它的升降。只改变末端执行器的z 轴上的位置， 而不改变末端执行器的方位。同时升降杆上加工有花键槽。通过花键配合以及带 传动，可以由电机m 4 驱动升降杆改变一定方位同时影响它的空间位置z 方向的 位置。 因此，由旋转角度形成的机理我们可以得到一个非常有用有关变量之间补偿 的结论： 首先，关节变量o 。和移动关节变量的d 。与电机m 3 ，m 4 不是简单的对应关系。 第二章s c a r a 型机器人的机构结构分析与运动学分析 在研究它们之间的数学关系时，由于变擞的虚构性，我们假设旋转关节变量0 。 与电机m 4 的转幼角度成正比例关系。则移动关节变嫩d ，可以用电机m 3 和m 4 的 转动角度鲍代数式来表示，魄郄翔电援鹾3 熬多余角度泉 偿电救撼4 豹移动非赐。 控裁升降稃移动的电橇醋3 静传动魄为i ：2 ，健升降秆既转动又移动的电梳 m 4 的传动比为1 ：3 4 ，升降杆的导程为2 0 r a m 。若手爪转过a 3 角度，丝杠要下移 z m m ，则通过下式可以换算嬲m 3 需牢 偿黝角度a 4 。 a 4 = ( 1 8 z a 3 3 4 ) 2 2 - 1 l 2 3 3 s c a r a 型机器人的关节空间插补 关节空闻描脊是戬关节角度的函数泉描述税器入静轨迹，蓄先用运动学反解 将路径点转换成关节矢量角度值，然后对每个关节拟含一个光滑函数，使之从起 始点开始，依次通过所有路径点，最后到目标点。对予每一段路径。各个关节运 凌豹薅阕都穰瓣，这谨方戆缣 芷薪有关麓嚣霹戮这路径患帮最终熹，麸嚣磷保寒 端执行器在工矮坐标系 t 难确的位置和姿态。但是得注意的是，尽管每个关节 在同一段运动轨迹中的运动时间完全相间，各个关节的拟合函数之间是相互独立 瓣。 关节空间的插补的优越性在于用户不必在笛卡尔坐标系中擒述两个路径患 之间的轨迹形状，计算浅照易懂。而且，由于关节空间和笛卡尔坐标空间之间并 不是连续豹对成关系，因聪不会发生机构的奇异性闽题。 壶上覆酶分辑胃知，程关节空阕矮熊辩，我粕不毽努矮知逶辊器久在趋始点， 最终点的位姿，而且必须知道机器人的系列的约束条件，例如谯装配作业时， 宋端执行器的初始值姿，抓取工件时的方向和位置，提升工件时的方向，提升到 嚣么霞萋，农囊处藏下工黪，瘩凑魏行爨又在零番壹馋潼，戮及在这些结熹土豹 速度、加速度簧求。这些约束条件反映到具体关节运幼时，就是备个关节位移、 速度、加速度在整个时间间隔中连续性爱求。另外，囱于机械结构决定的各个关 节量静容许藏豳也是重要朗约束条件。 2 3 3 1 关节空间中孰迹规期控制算法分柝 在关节空间中，当机器人执行点到点的作业时，由于关节起始、终止速度为 零嚣嚣疆应予起始熹豹美穆燕疫e 。逶鬻壤况下是已皴弱，瑟终丘悫戆关节爱8 e w 以通过运动学反解得到，因此，运动轨迹的描述，可用起始点关节角与终止点关 节角度的一个平滑插值函数o ( t ) 来表泳。o ( t ) 在t o = o 时刻的值是起始关节 角度9 。，在终端时刻t 。的谯是终止关节焦度9e 。 若率个荧节麓平稳缝实凌点弱熹运溺，鞔迹爱数必须吴备了黻下静己舞条 第二章s c a r a 蘩撬器入麓辊筠缝擒分瓣岛运麓学分拼 睾； 1 ) 越始点的关节角度值： 鸯( 爵) = 尊。： 2 ) 终止点的关节角度傲 0 ( t ) = 8e ： 3 ) 熬始焘熬关节遗发； e o ) = o ： 4 ) 终建纛兹关节速发： o ( t 。，= o ； 由应用数学的基本理论可知，当我们考虑使用多项式来作为平滑搔值函数 聪，可以攫一避摧得一个三次多项式； ( t ) = a o + a l t + a 2 t 2 + a 3 d ； 2 - 1 2 根据位麓、速度和力嚣遮度的关系，以及疆个约柬条谗得到的嬲个约粜方程， 对以求褥四个常跫的表达式如下； 鑫。= o o ； a ，# o ； a 2 = 一3 、o 。一o o ) ? t 鬟，z t ：t 、a o o o ) 。 2 - t 3 以上的推导，仅仅满用于关节起始、终止速腱为零的运动情况。若程要求娥 划过终簌煮熟辘迩，帮不要浓箨鬻静壤凝露，霹以将避鼹弪焘熬遴发挥梵擐来黝 速度约寒条件，分裂用露不麓约策条捧褥鹫静多磺式按合缢该路裰点缀求和激该 鼹径点蠢始熬运动孰迹段，飙 i 霆实现避逡一路径点麴轨迹援卦。装簧求熨为严格 的运动轨迹，约束条件增加，嫩根据独立的约柬条彳串的个数n 米求褥一个n - 1 次多矮戴寒熬会运饕筑述。在昊髂鑫露中，由予嚣黪不藏静羲述魏线逶食予不嚣 的工作条件，所以选择何种轨迹曲线岛轨迹之间的潦按还得具体闻题具体分析。 2 3 3 ，2 篝繁衣垒菰空潮辘述麓鲻控斜冀法势耩 在遮稀辘迹藏翔系统率，鞔迹是糟警卡尔坐标懋闯中末端执行器黢住姿序 列来表达的。一般用齐次畿换矮阵来稿述末端执行器翡窀闯位辫缭熹。穰应静凝 带变量可用避动学反勰程序求得。从一个已知结点p i 运动到下个已知结点p i + 1 爵疆表承为： 第二幸s c a r a 黧辊器又豹梳梅结秘努辑与运动学分耩 扶 运动到 其中，曩憝工具嫩标系 t 相对予末端抗行器 4 酾变换。8 e 和8 e + t 分剐 为两结点的相对作业坐标系 b 的齐次变换。 丽运动可用“驱动交换”d 0 ) 来袭示： 囊( ) = o t 8 p i | d ( 2 ) 。 2 - 1 4 箕中d ( 2 1 怒归一傀辩闽天瓣函蒙； = t t ，五e o ，l 】；z 是走邋该路舔 段的总时间：t 是自运动开始算起的实际时间。 筑魏囊p ，。豹运动