（模式识别与智能系统专业论文）scara机械手自适应模糊控制研究.pdf

摘要 s c a r a 机械手结构紧凑、简单，且一般运动速度和精度都较高，在电子行 业中常用此类机器人进行装配作业，因此也称它为装配机器人，本文对其进行了 研究。 首先采用d h 方法建立了该机械手的正运动学模型，避免了大量的矩阵求逆 和乘法运算。由于机械手运动学逆问题的求解较为复杂，目前尚没有通用的方法， 所以本文在求解运动学逆问题时，利用具有万能逼近性的模糊逻辑系统对其进行 了辨识 其次基于该机械手速度模型提出了自适应模糊控制方案，该方案对控制律中 模糊逻辑系统的未知参数提出了自适应调节律，文中证明了该控制方案能使机械 手稳定地跟踪期望轨迹。 最后对该机械手进行了动力学分析，通过拉格朗日方法建立动力学模型。基 于该模型提出了自适应模糊控制方案，文中证明了该控制方案也能使机械手稳定 地跟踪期望轨迹。仿真结果表明了以上所提方案的有效性。 关键词：s c a r a 机械手运动学分析动力学分析模糊辨识模糊控制 自适应控制 a b s t r a c t s c a r ar o b o ti sb o t hc o m p a c ta n ds i m p l e ，t h ep a c ea n d a c c u r a c ya r eb e t t e r , i n e l e c t r o n i ci n d u s t r y ，t i f f sk i n dr o b o ti su s e di nc o m m o nt oc a r r yo u ta s s e m b l i n g a s s i g n m e n t ，s oi ti sn a m e da s s e m b l er o b o ta l s o i nt h i st h e s i s ，t h er o b o ti ss t u d i o d f i r s t ，t h ed - hm e t h o di sa d o p t e dt oe s t a b l i s ht h er o b o t sd i r e c tk i n e m a t i c sm o d e l ， w h i c ha v o i dal a r g ea m o u n to fi n v e r s em u l t i p l yo p e r a t i o no fm a t r i x t h e n ，t h ei n v e r s e k i n e m a t i c sp r o b l e mo fr o b o ti ss t u d i e d ，a n dt h ef u z z yl o g i cs y s t e mw i t hu n i v e r s e a p p r o x i m a t i o ni sa d o p t e dt of u z z yi d e n t i f i c a t i o n a sar e s u l t , t h ei d e n t i f ym o d e l a p p r o a c h e se x a c t l yt h e t r u es y s t e m ，s oi ti sd e m o n s t r a t e dt h a t t h i sm e t h o di se f f i c i e n t n e x t ，b a s e do nt h ek i n e m a t i c sm o d e l ，t h ea d a p t i v ef u z z yc o n t r o lm e t h o di sg i v e n , t h eu n k n o w np a r a m e t e r si nf u z z yl o g i cs y s t e mo ft h ec o n t r o ll a wc a nb ea d j u s t e d a d a p t i v e l y i th a sb e e nt e s t i f i e dt h a tt h i sm e t h o di sa b l et om a k et h er o b o tt r a c kt h e e x p e c t a t i o nt r a j e c t o r ys t a b l e l y a tl a s t ，t h ed y n a m i co fr o b o ti ss t u d i e d ，l a g r a n g ef o r m u l a t i o ni sa l s oa p p l i e dt o f i n dt h ed y n a m i cm o d e l t ot h i sr o b o t ，a na d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e rb a s e do nd y n a m i c m o d e li sg i v e n ，i th a sb e e na l s ot e s t i f i e dt h a tt h em e t h o di sa b l et om a k et h er o b o t t r a c kt h ee x p e c t a t i o nt r a j e c t o r ys t a b l e l y a n ds i m u l a t i o nr e s u l to ft h e s es c h e m e so f k i n e m a t i c sc o n t r o ls c h e m e sa n dad y n a m i cc o n t r o ls c h e m e sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so f t h e s ea p p r o a c h e s k e yw o r d s ：s c a r ar o b o t ，k i n e m a t i c sa n a l y s i s , d y n a m i ca n a l y s i s ， f u z z yi d e n t i f i c a t i o n ，f u z z yc o n t r o l ，a d a p t i v ec o n t r o l 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，也不包含为获得云洼王些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已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 影文 签字日期：明年月瑁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂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：影越 导师签名：11 桫 签字日期：函呷年f 月趣日 签字日期：砌司年月炳 学位论文的主要创新点 一、由于机械手逆运动学方程求解比较繁琐和复杂，所以本文基于 模糊逻辑系统建立t s c a p 蝴械手的逆运动学模型； 二、基于运动学速度模型提出自适应模糊控制方案，并进行稳定性 分析； 三、基于动力学模型提出自适应模糊控制方案，并进行稳定性分析。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 机器人的定义及特点 机器人的研究、开发和应用涉及多刚体动力学、机构学、机械设计、传感技 术、电气液压驱动、控制工程、智能控制、计算机科学技术、人工智能和仿生学 等学科，机器人技术是一门跨学科的综合性技术。早在2 0 世纪6 0 年代初，美国就 制造出了第一台工业机器人，目前己经发展到第三代一智能机器人i l l 。由于机器 人技术和机器人的重要作用，各工业化国家近几年都把它的研究和开发列为国 策，制订一系列规划，多方采取措施，以加快发展。许多发展中国家也纷纷建立 技术开发中心，应用和生产机器人，可以说当今正在掀起一个世界范围的机器人 研制热潮。 1 1 1 机器人的定义 机器人( r o b o t ) 是1 9 2 0 年t h 捷克作家卡雷尔卡佩克在剧本中塑造的一个具 有人的外表、特征和功能，愿意为人服务的机器奴仆“r o b o t a ”一词衍生出来的。 机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性，机器人不断在发展， 新的机型、新的功能不断涌现，根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念， 成为一个难以回答的哲学问题，就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样， 人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的 想像和创造空间。在把机器人理解为仿人机器的同时，也可以广义地把机器人理 解为仿动物的机器。我们可以这样说：机器人是一个在三维空间中具有较多自由 度的，并能实现诸多拟人动作和功能的机器，丙工业机器人( i n d u s t r i a lr o b o t ) $ f j 是在工业生产上应用的机器人美国机器人工业协会( u s m a ) 提出的工业机器 人定义为：“工业机器人f 2 】是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功 能机械手、或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置”。英国机器 人协会、日本机器人协会等也采用了相类似的定义。我国科学家对机器人的定义 是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是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”1 3 1 。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过 第一章绪论 程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。 随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人 类活动的各个领域渗透。 1 1 2 机器人的特点 机器人最显著的特点有以下几个： 1 可编程【”。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机器人可随其工作 环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过 程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统( f m s ) 中的一个重要组成部分。 2 拟人化。机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手 腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此终，智能化机器人还有许多类似人类的“生 物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉 传感器、语言功能等传感器。提高了机器人对周围环境的自适应能力。 3 通用性。除了专门设计的专用机器人外，一般机器人在执行不同的作业 任务时具有较好的通用性。比如，更换机器人手部末端操作器( 手爪、工具等) 便可执行不同的作业任务。 4 机电一体化【6 1 。机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械 学和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术 的发展必将带动其它技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以从一个方 面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平 1 2 机器人的分类 机器人有多种分类方式，比如按负载重量分类，按控制方式分类，按自由度分 类，按结构分类。以及按应用领域分类等在学术界。常按自动控制系统的自动化功 能层次分类如下表1 2 所示： 表1 - 2 常见机器人分类 分类名称简要解释 操作型机器人能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固 定或运动，用于相关自动化系统中。 4 第一章绪论 程控型机器人按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械 作。 示教再现型机器人通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作 程序，机器人则自动重复进行作业。 数控型机器人不必使机器人动作。通过数值、语言等对机器人进行 示教，机器人根据示教后的信息进行作业。 感觉控制型机器人 利用传感器获取的信息控制机器人的动作。 适应控制型机器人机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。 学习控制型机器人 机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能， 并将所“学”的经验用于工作中。 智能机器人以人工智能决定其行动的机器人。 1 3 机器人控制技术的发展 对机器人从不同的角度可进行各种各样的分类。从对机器人的控制方式来 看，可将机器人划分为非伺服控制( n o n s e r v o ) 和伺服控锖j j ( s e r v o ) , 从终端操作器 的功能来看，可分为点对点控制( ( p 1 卫p o i n tt op o i n 0 和连续路径控制( q c o n t i n u o u sp a t h ) 两大类。就这一方面来看，与n c 技术并无多大的差别，早期的 机器人系统，由于需完成的任务比较简单( 例如抓取，移动和放置工件等) ，其对 动特性要求不高，故可看作相互独立的各关节位置伺服控制器的简单组合。 终端操作器的c p 控制则不同，它对终端操作器所经历的整个过程中位置、 速度甚至加速度都有一定的要求，故对控制系统的性能要求更高。此时，仍独立 地考虑各关节的控制已不能满足要求，而必须要涉及到各关节问的耦合、外力的 干扰、工作环境等的影响。 机器人动力学模型是一个强耦合、高度非线性的关于关节变量的2 阶常微分 方程组。具体地说，其惯性矩阵随机械臂的位型的变化而呈复杂的含三角函数关 系的变化；且一般来说任何一个关节变量的2 阶方程显含其它的关节变量，具有 不可分割的耦合性。 在机器人以慢速运行时，可将其关节间的耦合作用视作干扰而采用独立关节 控制( i n d e p e n d e n tj o i n tc o n t r 0 1 ) 原则，例如针对各关节可方便地构成p i d 控制。 另外，基于机器人动力学模型，还可采用频域分析和现代控制理论的各种控 制思想构成如前馈控制的逆动力学方法( i n v e r s ed y n a m i c s ) 、解耦控制、反馈线性 化控制等。 第一章绪论 这些控制方法有一个共同的特点，即它们都强烈地依赖数学模型。在精确知 道系统模型时，能得到很好的控制效果。然而，由于在实际应用中机器人参数不 可能足够精确( 建模过程中的各种假设等近似处理) ，或由于一些未建模特性，再 加上不可避免的一些干扰项的存在( 如终端操作器拾起物体，其重量不可事先知 道或确定) ，使得这些方法不能单独得到实际应用。必须针对这些不确定因素来 相应的改造控制框架。这就提出了鲁棒控制的问题在这方面具有代表性的方法 为自适应控制、非线性补偿控制、基于李亚普诺夫第二法的各种不同的设计方法 等i l l 。 在研究被控对象的模型存在不准确性( 当然包括不确定性不精确性) 及与未 知环境交互作用较强情况下的控制时，与上述思想不同的另一个有效途径，也是 近年来迅速得到关注的，是各种智能控制方法。迄今为止，智能控制方法己在多 个方面得到了广泛的成功的应用，尤其以模糊控制的工程应用最为突出l l s l 。 近年来，随着人们对机器入高速高精度要求的不断提高，使得整个机器人系 统对其控制部分的先进性需求也越来越迫切。将控制理论的最新成果引进到机器 入控制中去，研究和开发具有智能的机器入已是大势所趋。 1 3 1 机器人的智能控制现状分析 智能控制的特点之一，就是将传统模型的范畴进行拓展，或广义模型1 9 1 。即 将传统的模型由微分方程或差分方程的表达形式扩充，以容纳各种形式的行为模 型( b e h a v i o r m o d e l lp e r f o r m a n c e m o d e l ) 。且后者可以人类自然语言的形式来描述。 近年来在机器人的智能控制方面，无论是理论研究还是实际应用方面都取得 了一定的进展： ( 1 ) 在机器入的神经网络控制方面，c m a c 是应用得较早且相当成功的解决 方案之一l 1 0 1 它的最大特点就是其实时性好。尤其适合于多自由度机械臂的现 场学习控制。w tm i l l e r 等进行了实物实验并采用可编程逻辑阵列制成了专有芯 片以从硬件上实现c m a c 的控制。其学习机制的理论分析较a l b u s 当初提出此 算法对的情况来说，也有了较大的进展。jm i l i t z e r 等还用严格的数学方法论证 了各种算法的收敛性及其函数逼近能力的特性。从而为这方面进一步发展提供了 新的可贵的基础。需要进一步研究的主要是其训练算法和冗余参数的选择问题 对此方法在各方面的改进也是一个研究的热点。 ( 2 ) 在机器人的模糊控制方面，人们进行了大量的研究工作。在理论方面， 6 第一章绪论 j j b u c l d c y 等论证了模糊系统的逼近特性。而模糊控制应用的先驱、英国的e i i m a m d a n i 则首次将模糊控制运用于一台实际机器人，从实验方面证实了模糊控制 在此方面的应用潜力1 1 9 1 。此外，模糊控制在机器人的建模、控制、对柔性臂的 控制、力，位置控制、模糊补偿控制、对基于传感器的机器人控制以及移动机器 人路径规划等各个层面都得到了广泛的应用和研究。 ( 3 ) 变结构控制系统极其可贵的独特鲁棒性理所当然地决定了其在机器人 控制方面的研究会较深大且富有成果。众所周知，抖振为阻碍变结构实际应用的 致命原因。对其固有的抖振进行削弱的各种改进算法也被陆续地提出来。如设计 滑动扇区以取代原有的切换直线、动态调整滑模参数、在线估计滑模参数、设计 非线性的滑动流型以取代线性切换面等。 经仔细分析上面所述的现有智能控制策略，我们有下面的结论： ( 1 ) 迄今为止，在所采用的机器入模糊控制方法中，几乎都是使用直接型的 控制方案，即其控制器的行为模型用下列形式的模糊语句来描述： r ：i f e r r o r a n d c h a n g e 一加一e r r o r l t h e n c o n t r o l ； 式中，e r r o r 和c h a n g e i ne r r o r 分别为各关节广义坐标的误差( 模糊值) 及 误差的变化量( 模糊值) ，c o n t r o l 为相应关节处应施加的控制力力矩( 模糊值) 。 上标为模糊语句的序号。其规则库中各规则初始值的设定无客观的根据，人为因 素很重。设计得好的控制器其控制性能优于传统的p i d 控制；若设计不当，则 还不如p i d 控制。并且事先无从知晓其效果； ( 2 ) 机器人模糊控制器中的规则库要么很庞大。从而使推理过程耗时明显； 要么很简单，从而使控制的精确性受到限制； ( 3 ) 自适应型的机器人模糊控制器在每一个控制步中都要对规则库中的所 有规则进行调整； 4 ) 机器人模糨腔制和变结构控制所输出的控制力劝矩往往有抖振现象； 鉴于上面所列出的原因，可看出智能化方法往往伴随着对存贮容量、运算速 度的较高要求( 这些与相应硬件的发展水平密切相关) 。且无论是模糊控制还是变 结构控制，抖振现象都会存在。这一点，对于达到高速高精度动特性的目标来说 确实是一个巨大的威胁。这或许就是智能控制方法现在暂时还未能商业化运用于 工业机器人控制器的原因之一吧。 7 第一章绪论 1 4 多关节型工业机器人概述 九十年代以来，工业机器人性能不断提高，向着高速度、高精度、高可靠性 的方向发展，同时表现在以下方面： 1 机械结构向模块化、可重构化发展。如关节模块中的伺服电机、减速机、 检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。国外 已有模块化装配机器人产品问市。 2 工业机器人控制系统向基于p c 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、 网络化；器件集成速度高，控制距日见小巧，且采用模块化机构：大大提高了系 统的可靠性、易操作性和可维修性。 3 机器人中的传感器作用日益重要。除采用传统的位置、速度、加速度等 传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器：而遥控机器人则采 用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制： 多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 4 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制， 如使遥控机器入操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器入。 5 当代遥控机器人系统发展的特点不是追求全自治系统，而是致力于操作 者与机器人的人枫交互控制，即遥控加局部自主系统来构成完整的监控遥控操作 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” 机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 6 机器人机械化开始兴起。从1 9 9 俾美国开发出“虚拟轴机床”以来，这 种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点：一个是在横向上，机器 人的应用领域在不断扩大，机器人的种类日趋增多；另一个是在纵向上，机器人 的性能不断提高，并逐步向智能化方向发展。在2 1 世纪，机器人技术将继续是科 学与技术发展的一个热点。机器人技术的进一步发展必将对社会经济和生产力的 发展产生更加深远的影响。机器人将成为集机械、电子、计算机、控制、传感器、 仿生学和人工智能等多学科理论与技术的机电一体化机器在未来的1 0 0 年中科 学与技术的发展将会使机器人技术提高到一个更高的水平。机器人将成为人类多 才多艺和聪明伶俐的“伙伴”，更加广泛地参与人类的生产活动和社会生活。 1 4 1 多关节工业机器人的结构与分类 一、多关节工业机器人的结构 第一章绪论 工业机器人结构由以下五部分组成： 1 软件部分：包括系统软件、应用软件和编程语言。 2 控制硬件：一般由多c p u 单级或二级计算机控制系统实现。 3 感受部分：包括机器人本体状态感受和外部作业环境感受。 4 执行部分：包括驱动机构和各种形式的终端效应器，如足、手爪、轮等。 5 主机构件：包括机械支承和机械传动等部分。 二、多关节型工业机器人分类 按机器人坐标特性，多关节工业机器人可分为： 1 柱面坐标机器人 柱面坐标机器入主要由垂直立柱、水平手臂和底座构成。水平手臂装在垂直 立柱上，能自由伸缩，并可沿垂直立柱上下运动。垂直立柱安装在底座上，并与 水平手臂在底座上转动。这样，这种机器人的工作区间就形成一段圆柱面。故称 柱面坐标机器人。 2 球面坐标机器人 这种机器人的机械臂能够作里外伸缩移动、在垂直平面上摆动以及在水平面 上转动。它的工作区间形成球面的一部分。因此称为球面坐标机器人。 3 关节式球面坐标机器人 这种机器人主要由底座、上臂和前臂构成。上臂和前臂可在通过底座的垂直 平面上运动。在前臂和上臂问有个肘关节，在上臂和底座间有个肩关节。水平平 面上的旋转运动，可由肩关节进行也可绕底座旋转实现。这种机器人的工作区间 形成球面的大部分，称为关节式球面机器人。 4 s c 忸型工业机器人 这种机器人将在后面详细介绍。 按受控运动方式。工业机器人可分为： 1 点位控制( p 1 甲，p o i n tt op o i n t ) 型 机器人受控运动方式为自一个定点目标移向另一个点位目标，只在目标上完 成操作，如点焊、搬运和印刷线路板元器件安装等。要求在目标点上有足够定位 精度，相邻目标点间的传统有两种：其一是各关节伺服电机以最快速度趋近终点， 各关节视其转动角位移大小不同，到达终点有先有后：其二是各关节同时起动同 时趋近终点，由于各关节运动时闻相同，所以角位移大的运动速度也高。这两 种控制方式一般难以实现时间最短、耗能最小等优化目标。 2 连续控$ 1 j ( c p , c o n t i n u o u sp a t h ) 型 机器人各关节同时作受控运动，使机器人终端按预期的轨迹和速度运动，为 此各关节控制系统需要获取伺服电机的角位移和角速度信号。在多数情况下，控 9 第一章绪论 制精度是连续控制的重要目标。 1 4 2 多关节工业机器人的典型应用 常用的多关节工业机器入主要有p u m a 型和s c a r a 型两种( 参见图1 4 2 ) 。 p u m a 型机器入主要用于连续轨迹上的弧焊操作，般适用于三维空间下的 最优轨迹规划问题。 图1 4 2s c a r a 型机器人 本文研究的机器人是固高公司的工业机器人，它是s c a r a 型工业机械臂。 s a u 认是由英文( s e l e c t i v e l yc o m p l i a n ta r mf o r a s s e m b l y ) 术语词头的第一个字 母组成。s c a r a 型机器人结构特点是具有两个平行的回转关节，由于机器人手 臂的回转运动在水平面内，因此有人称此类机器人为水平机器人。s c a r a 机器 人结构紧凑、简单，且一般运动速度和精度都较高，在电子行业中常用此类机器 人进行装配作业，因此也称它为装配机器人。 1 5 机器人的驱动方式 机器人通常的驱动方式有以下四种： 1 步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本 低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制，适于传动功率不大的关节或 小型机器人 2 直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相 对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。 3 液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率体积比，运动比较平稳， 定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动。但是，其费 用较高，其液压系统经常出现漏油现象。 4 交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步 1 0 第一章绪论 进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管g t o ，大功率晶闸管鲫t 和场效应 管m o s 嘣电力电子器件、脉冲调宽技术( p w m ) 和计算机控制技术的发展，使 交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用1 6 位c p u + 3 2 位d s p 三 环( 位置、速度、电流) 全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍 过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。 本文采用的s c a r a 机器人负载并不大，决定了机器人必须重量( 1 0 - 2 0 k g ) ， 另外其作业范围也不大，所以机器人必须体积小。对此机器人，这些特点决定了 它的驱动方式。又通过以上比较，由于交流伺服电机的诸多优点，所以s c a r a 机 器人的四个关节均选用交流伺服电机驱动。 1 6 本课题的主要内容 本文分析了s c a r a 机器人的运动学正解和逆解，在建立正运动学模型时， 采用d h t 9 1 方法，避免了大量的矩阵求逆和乘法运算，求解过程更简单，计算速 度大大提高。而要实现对机器人的控制就必须要知道它的逆运动学方程，但直接 从正运动学方程来求解它的逆运动学是比较繁琐和复杂的，所以本文采用了模糊 逻辑系统的万能逼近性质来逼近它的逆运动学模型，并仿真实现模型的拟合，结 果证明辨识模型逼近真实系统的准确程度很高。接着分析了机器人的动力学方 程，在运动学和动力学模型的基础上研究了对此机器人的自适应模糊控制，最后 通过仿真证明，此控制方案能达到满意的控制效果。 1 7 本章小结 本节叙述了工业机器人的产生、发展及应用现状与展望，阐明了机器人离线 编程技术在现代制造技术中的重要性。 第二章s c a r a 型工业机器人及其运动学分析 第二章s c a r a 型工业机器人及其运动学分析 2 1s o 吼型工业机器人 本文所采用的是中国深圳固高科技公司制造的o r b - 4 0 0 s c a r a 机器人如图 ( 1 4 2 ) ，它是一个基于p c 希i d s p 运动控制器的完全开放式机器人系统。 1 其系统的硬件组成为： ( 1 ) 机械臂系统：包括机器人机械运动系统，即g r b - 4 0 0s c a r a 型工业机械 臂；机器人电气驱动系统，g c b 2 0 0 三轴或四轴驱动电气箱；基于d s p 运动控制 器，g t4 0 0 - s g - p c i i s a 型四轴脉冲型开放运动控制卡。 ( 2 ) p c 机系统：p c 主机( 硬盘、主板、c p u 卡等以及两个以上p c e 或i s a 总线 空插槽) ，彩色显示器，键盘和鼠标。 2 其系统的软件组成为： w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统；运动控制器w i n d o w s 驱动程序；机器人图形示教控 制和演示软件。 由于采用了w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统和运动控制器动态连接库软件，该机器人 系统成为一个真正开放的机器人系统。用户可利用w i n d o w s 提供的丰富系统资源 和运动控制器提供的强大运动控制功能，构造合适用户特定需求的机器人控制系 统。 2 1 1g l i b 4 0 0s c a r a 工业机器人简介 g r b 4 0 0 型机器人是中国深圳固高科技公司制造的s c a r a 型多关节工业 机器人。除进行教学和培训外，还可用于细小零件的搬运和电子元件的装配、搬 运、点焊等工业作业。 g r b - 4 0 0 型机器人采用g t - 4 0 0 - s g p c 粥a 运动控制器来进行控制，该控 制器以m m p c 兼容机为主机，提供标准的i s a 总线和p c i 总线两个系列的产品。 在任何一款产品上同时提供r s 2 3 2 串行通讯和p c i 0 4 通讯接口，方便用户配置系 统硬件。该运动控制器提供c 语言函数库实现复杂的控制功能，用户能够将这些 控制函数灵活的与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等部分集 成在一起，建造符合特定要求的控制系统，以适应各种应用对象的要求。 第二章s c a r a 型工业机器人及其运动学分析 2 1 2g r b 4 0 0s c a r a 工业机器人特点 g r b - 4 0 0 四自由度s c a r a 型机器人具有如下特点： 一、模块化机械平台： 二、工业化设计与制造： 转动关节采用交流伺服电机驱动，谐波减速器传动，速度快、柔性好。平移 关节采用交流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动。 各连杆按照工业标准设计和制造。 三、开放式控制平台： 具有基于p c 和d s p 运动控制器的开放式硬件平台和通用智能运动控制开发 平台，采用面向对象的设计方法，为用户提供丰富的数据通讯能力，便于开发网 络连接功能。配备集成语言编程系统和图形示教编程软件，便于机器人的编程操 作和应用培训。 四、创新性： 可以基于智能控制平台开发各种应用软件系统。利用平台提供的视觉接口， 挑战视觉伺服系统的研究和开发。挑战机器人远程监控和多机器人协调工作等研 究项目。 2 2s c a r a 型工业机器人控制系统构建 教学机器人【1 0 i 实验系统作为一种工业机器人系统的模拟系统。首先要在总 体结构和控制功能上最大限度地反映实用工业机器人样机的主要特征，能够较好 地演示现代工业机器人的典型应用，应做到结构简单，操作方便，同时应具有软 硬件的开放性。选择软、硬件的环境，我们必须考虑到两个因素：一是，执行速 度和精度能否满足系统的要求，二是，结构的复杂程度，成本的高低，以及维护 和维修的难易程度等等。 2 2 1 开放式机器人控制硬件系统的构建 本着s c a r a 教学机器人控制系统应是开放式i l l i 的、模块化的设计原则，设 计了控制系统的基本硬件体系。硬件结构如图2 1 1 ，本教学机器人采用了工控 计算机十自制运动控制卡体系来架构s c a r a 教学机器人的控制器主体，这种体系 结构给我们在应用具体控制方式和处理方式带来了很好的物质基础。工控机可以 第二章s c a r a 墅工业机器人及其运动学分析 可靠地、高速地完成机器人一些复杂的任务。如控制器在进行位姿反解和轨迹规 划操作中，必须进行实时的复杂的矩阵运算。这即要求处理器有非常高的计算速 度，同时得有必要的存储容量来满足这一运算过程。上位机采用工控机，其强大 的计算能力及可靠性，使得这种类似操作和处理显得游刃有余。另外上位机采用 工控机，可以利用现存的各种通用软件和工具来更好地满足控制器的功能要求。 而更大的好处是给机器人控制器的功能扩展带来很好的物质基础。如当我们想使 机器人具有一定网络功能，用工控机作为上位机是一个非常好的选择。而下位机 我们采用自己开发的运动控制卡。它基于i s a 总线插拔方便。运动控制卡中含有 8 2 5 3 和8 2 5 5 a 芯片，具有很高的运算速度和可靠性，完全可以满足s c f 执教学机 器人底层控制技术的性能要求，且价格低廉。 工业控制计算机是s c a r a & 学机器人控制系统的中枢，它负责其它控制模 块的协调工作，并监督整个系统的正常运行。它主要提供以下功能： 1 提供友好的图形化操作界面； 2 协调各子控制系统的工作； 3 作为，子系统的存储基地； 4 为机器人控制软件的编写提供一个良好的开发平台； 5 系统调试、维修的中心。 机器人控制器电机驱动器机器人本体 运动 l 驱动电源f 机器人机构 |卜- 伺服电机或 口i 呻 控制步进电机 工控p c 机 一 卡罨伍殷叨埋 限位开关 b a 总线 图2 - 1 1 机器人硬件结构 i p c 的配置大体上与一般家用的p c 有点相近，主要区别在于：i p c 面向工业生 产过程的控制。它的主板与一般p c 的大不相同，它的扩展插槽主要是i s a i 业总 线标准，当然也有少量p c i 总线插槽。另外，它的机箱的抗电磁干扰性能大大优 于一般家用p c 。 2 2 2 开放式机器人控制软件系统的构建 由于本控制系统的硬件采用歼放性的设计，因而决定了系统软件的开放性结 构。硬件平台采用“p c + 运动控制卡”的结构。从通用性考虑到w l n d 0 w s 系列 平台的应用软件的丰富性，及其丰富的数据类型和4 g b 地址内存的管理能力。我 1 4 第二章s c a r a 型工业机器人及其运动学分析 们采用w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统作为软件平台，在开放式控制系统的特征中，我 们提到了软、硬件模块化设计理念，而面向对象的方法很好地实现了这种设计理 念。面向对象法直接将现实世界的物理对象或功能对象映射到数据模型中形成软 件对象。而且软件对象本身的属性和行为直接封装起来，易于操作和理解。面向 对象的软件开发方法综合了结构抽象和功能抽象的特性，非常方便软件系统的模 块化设计。同时还实现了软件系统的可扩充性、多态性，便于修改等，充分体现 了开放式体系结构的机器人控制系统的设计思想。 如图2 - 1 2 所示，s c a r a 壹t 学机器人软件各主要模块有： 主控模块它负责调用其它各个模块，并将结果返回各用户。提供友好的人机 界面。如操作人员操控、示教机器人，设计人员调试软、硬件系统、维修人员检 查、测试系统的接口和平台。 各控制功能模块是主控模块的二级子系统。包括了用户指定机器人需要完成 的各项任务，如示教功能，轨迹规划功能等。不过该系统的具休织成可以由用户 根据实际情况进行后续开发，增加或删除部分功能，这正是系统开放性的体现之 一，二级功能模块包括 1 机器人测试及监控模块：机器人在动作前，运用此模块对限位开关、每 个关节的速度和位移及手爪等进行测试，保证机器人各部件及控制元件能正常工 作。以便及时发现问题进行检修，确保设备的安全性。在机器人运动时，该模块 实时检测运动反馈端口，根据监测数据得到当前系统运行状态。 2 正运动学分析模块及逆运动学分析模块：正运动学分析模块作用是当给 定每个关节所要转过的角度或者所要运动的距离，计算机就可以计算出机器人的 末端点的位置和姿态，然后确定合理运动时间，点击运动按钮后机器人就会自动 运动到指定位置。逆运动学分析模块是当确定机器人要达到的目标点的位置坐标 和末端姿态，通过计算可以得出机器人的每个关节所要转过的角度或者所要运动 的距离，运动学分析嘲是整个控制软件实现机器人正确运行的基础。 第二章$ c a r a 型工业机器人及其运动学分析 审审申囱审车 l d l l 动态连接库 图2 1 2s c a r a 教学机器人软件主要模块 3 示教模块；所谓机器入的示教，就是将动作顺序信息、动作速度信息、 位置信息等预先交给机器人，机器人可以存贮这些信息，并且可以再现这些信息， 本软件采用集中示教方式，即同时对机器人的位置、速度、操作顺序等进行示教 的方式。本软件的示教功能比较强大，包括示教点的记录，关节示教速度的设定， 示教时实显示关节信息、坐标信息和速度信息等。本模块可以完成打开( 打开以 前保存过的文本文档并在示教点列表框中显示) 、保存( 以文本文档的形式保存示 教点列表中所有点的位置坐标) 、一记录( 软件记录机器人运动到你要记录的点的 信息) 、复位( 以便再现运动路径或下次操作方便机器人必须复位到原点位置) 、 回放( 再现机器人示教时的路径) 等功能。 4 轨迹规划插补1 1 3 1 模块：为适应机器人执行功能的多样性，该模块包含了 关节变量插补、直线插补和圆弧插补( 后两种基于直角坐标系中) 等各种算法，进 行二次开发时，用户可根据需要随时调用其动态链接库 5 运动仿真模块：仿真1 4 1 就是应用计算机对复杂系统经过抽象和简化形成 仿真模型，然后在分析的基础上运行此模型，用户可根据仿真结果进行分析。同 时检验机器人是否以最佳的路径到达目标点，以便设计人员及时发现错误。通过 该分析模块对机器人的空间运行方位有个大体把握，以便在二次开发时正确设置 参数。 d u 爿莫块采用动态连接库的形式，把对设备驱动程序的基本访问封装起来。 这样有利于程序的维护，也有利于今后软件的升级和进一步开发。 第二章s c a r a 型工业机器人及其运动学分析 设各驱动程序它是唯一能够直接访问硬件的模块，也是嵌入操作系统核心的 底层软件，即工作在0 级环。只有设备驱动程序才能够享受到平台所能达到的最 高实时性能 2 3s c a r a 型工业机器人控制系统的特点 基于p c 的开放式s c a r a & 学机器人的控制系统与传统封闭式系统相比较具 有与生俱来的优点和特色，它提供极大的柔性，且能不断地进行更新升级，p c 具有强大的信息处理能力，能为系统提供一个强大的实时分析和监控平台，及标 准的操作和编程界面。我们采用的开放式s c a r a 教学机器人的控制系统具有以 下特点： 1 本软件系统运行在w i n d o w s 2 0 0 0 环境下。采用功能强大、兼容性好、执行 速度快、效率高的面向对象标准的v i s u a l c + + 6 o 程序设计语言作为软件开发平台， 它具有丰富的类库资源，是目前最为常用的开放式程序设计语言之一。 2 软件设计模块化，易移植、易扩展。开放式s c a r a & 学机器人的控制系 统采用模块化技术，各模块系统独立性强，子系统模块经过测试、性能良好。用 户或第三力一开发人员可根据需求更换或修改模块。 3 s c a r a 教学机器人控制系统硬件采用标准的总线结构，能方便地增加传 感器和其他外部设备。 4 路径仿真采用m a t l a b 软件，动画质量好 5 人机界面友好，具有编程操作环境。 6 可作为一个通用实验系统平台，进一步软件开发，及迸一步运动规划。 2 4 机器人运动模式 机器人通常具有两种运动方式：关节空间运动和直角坐标运动。两种运动方 式的定义如下： 关节空间运动模式 机器人操作臂的运动直接由各个关节的运动坐标来确定，所有关节变量构成 一个关节矢量。所有关节矢量构成的空间称为关节空间。所谓关节空间运动胁1 模 式就是直接操作各个关节的运动来完成机器人的运动。 直角坐标运动模式 机器人末端工具的位置和方位通常是在直角坐标空间中描述。直角坐标空间 1 7 第二章s c a r a 型工业机器人及其运动学分析 运动1 2 1 1 模式通过指定机器人末端工具在直角坐标空间中的运动来完成机器人操 作任务。当进行机器人操作任务示教时，在直角坐标空间进行更为直观和方便。 2 5 机器人运动学分析 机器人的轨迹规划属于机器人低层规划，很少涉及人工智能问题，而是在机 械手运动学和动力学的基础上，研究在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动的轨 迹规划和轨迹生成方法。所谓轨迹，是指机械手在运动过程中的位移、速度和加 速度。而轨迹规划是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹。由于它的基 础是机械手的运动学和动力学，所以有必要介绍一下机器人位姿的描述、运动学 和动力学原理、机器人运动学和动力学的般方程以及具体实现它们解的方法。 2 5 1 机器人位姿的描述 机器人的连杆可看成是刚性的。所以，我们就可从刚体入手来描述它的位姿。 刚体参考点的位置和何6 体的姿态统称为刚体的位姿，其插述方法较多，如齐 次变换法、矢量法、旋量法和四元数法等论文中采用齐次变换法，其优点在于 它将运动、变换和映射与矩阵运算联系起来：此外，齐次变换在研究空间机构动 力学、机器人控制算法、计算机图形学和视觉信息处理方面也都有广泛的运用。 2 5 2 刚体位姿描述 对于直角坐标系 彳) ，空间任一点的位置可用3 l 阶的列矢量。p 来表示( 也 玑 协褂 其中，以，p y ，见是点p 在坐标系 彳j 中的三个分量。 。p 的上标4 代表参考坐标系 彳1 。 第二章s c a r a 型工业机器人及其运动学分析 为了规定空间某刚体口的方位，另设一直角坐标系 曰) 与此刚体固接。用坐 标系 b ) 的三个单位主矢量，蜘，z j 相对于坐标系 爿) 的方向余弦组成的3 x 3 ：p 。【a x b 。y | 。】； 舢鲑r 3 1 薹】 和。i ，2 - ，丝嘞l il 来表示刚体b 相对于 4 ) 的方位。和称为旋转矩阵，上标4 代表参考系 爿 ，下 标b 代表被描述的坐标系 口) a ；r 有9 个元素，其中只有3 个是独立的因为；r 2 5 3 末端位姿 不： 通常，采用一个矩阵r 来表示机器人末端或称手端的位置与姿态，如下式所 r i 以q 抖，o ， 也 d 工 00 口ip l 口，p y 4 zp z