（农业电气化与自动化专业论文）开放式机器人控制器的设计与研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在课题组承担的江苏省十五攻关项目“网络化焊接机器人研制与汽车生产 线应用工程”中，本课题负责其子任务“开放式机器人控制器的设计和研 究”。开放式机器人控制器是机器人领域内的重要研究方向，具有重要理论意义 和实用价值。 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，而机器人控制器的研究无疑 对提高机器人性能和自主能力、推动机器人技术的发展具有重大的意义。针对 目前南汽生产线机器人控制器封闭、自动化程度不高的情况，本文根据国内外 开放式机器人控制系统的一般设计方法，并结合南汽生产线的实际情况，提出 了开放式机器入控制器的整体设计方案。 本文主要针对工业机器人控制器的开放性设计问题，首先分析研究了开放 式机器人体系结构的研究状况，并说明了本文的研究背景和主要研究内容。其 次以6 自由度的c o m a u 机器人为研究对象，建立了机械手的运动学模型，并 探讨了碰撞检测的应用方法。介绍了一种以d s p 为核心的多轴运动控制器 p m a c ，包括它的硬件结构、软件功能、通讯和存储方式等。在此基础上，提 出一种基于p m a c 的开放式机器人控制器设计方案，并设计了以p m a c 运动 控制卡作为机器人控制器的运动控制单元，以p c 1 0 4 工控机作为主控计算机， 在此基础上设计了系统的数据采集系统。最后，通过对s 队s u n 控制器的改造， 设计出新的体系结构的开放式网络化机器人控制器。 本文提出的开放式机器人体系结构，适用于许多工业机器人控制的场合， 具有良好的应用前景。 关键词：机器人；控制器；开放式：多轴运动控制卡：伺服系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e p a p e r f o c u s e so nt h er e s e a r c ho f r o b o tc o n t r o l i e rw i t ho p e na r c h i t e c t u r e ， w h i c hi st h es u b t a s ko ft h et e n t hf i v ek e yp r o j e c to fj i a n g s up r o v i n c e r & do f o p e nn e t w o r k i n d u s t r i a ir o b o ta n dt h ea p p l i c a t i o np r o j e c to fa u t o m o b i l ew e l d i n g p r o d u c tl i n e t h er e s e a r c ho fr o b o tc o n t r o l l e rw i t h o p e n a r c h i t e c t u r ei sa n i m p o n a n t d i r e c t i o n si nt h er o b o t i c sf i e i d ，n o to n i yi nt h e o r y ，b u ta l s oi np r a c f i c e r o b o tt e c h n i q u ei st 1 1 ek e yc o m p o n e n to fa u t o m a t i cp r o d u c t i o na n dh a sb e e n w i d e l ya p p i i e di nm a l l yi n d u s t “e so rt r a d e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u c e r t e c l l l l i q u ea n dc o n t r 0 1m e t h o d ，n o to n l yh a st h ea p p l i c a t i o na d 印t a b i l i t yo fm b o t t e c h n i q u e b e e n g r e a t l y w i d e n e d ，b u th a sh a da d e e p g o i n g i n n u e n c eo nt h e p e r f o r m a n c e a n dt h es t r u c t u r eo fc 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 d f r o mc l o s et oo p e ni sb e c o m i n gat r e n d i th a sg r e a tm e a n i n gt or e s e a r c ht h er o b o t c o n t r o l l e rf o rm i s i n gr o b o tp e r f o r m a l l c ea 1 1 di n d e p e n d e n c ea b i l i t y ，a n dp r o m o t i n gt h e d e v e l o p m e n to f r o b o tt e c h n i q u e g i v e nt h ec o n d i t i o no fc i o s e da r c h i t e c t u r eo fr o b o t c o n t r o i l e ra n do fs l i g h td e g r e ei na u t o m a t i o na tp r o d u c ti i n e ，o nt h eb a s i so ft h e g e n e r a ld e s i g ns c h e m e i no p e na r c h i f e c n l r ec o n t m l l e r ，n e wi d e aa 1 1 dm e t h o do fr o b o t c o n t r o l l e ra r ep r o p o s e di n 出i sp a p e n f i r s t l ya r e v i e wo ft h ep r o g r e s so ft h er e s e a r c hf o ra n a l y s i so fr o b o tc o n t m l l e r w i t ho p e na r c h i t e c t u r ei sm a d ei nt h i sp a p e r ，a n dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dm a i n c o n t e n to ft h ep a p e ra r ei n t r o d u c e d s e c o n d i yt h ek i n e t i cm o d e lo fc o m a ur o b o to f s i xd e g r e e so ff 琵e d o mi se s t a b l i s h e da n ds o m er e s e a r c hi nc 0 1 l i s i o nd e t e c t i o ni s d o n e t h ea r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o n ，c o m m u n i c a t i o na n dm e m o r ym a p p i n go ft h e c o n t r o l l e rp m a ca r ed e s c r i b e d a no p e na r c h i t e c t u r er o b o tc o n t r o l l e ri sd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r ，p m a c i s 印p l i e d t ot h e d e v e l o p m e n t o f c o n t r 0 1u n i to f 也em o t i o n ，a n d h o s tc o m p u t e rb a s e do np c ，1 0 4i n d u s t “a 】c o n t r o lc o m p u t e ri su s e di nt h ed e s i g no f t h eo p e ns y s t e m ，o nw h i c hd a t aa “l u i s i t i o ns y s t e ：mi sd e s i g n e db a s e d f i n a l l yw i 也 t h et r a n s f o m a t i o no fs i a s u nc o n t m l l e r ，an e wa r c h i t e c t u r eo fr o b o tc o n t r o l l e ri s d e s i g n e di nt h ep a p e l t h ea p p r o a c ht h ep a p e rp r o p o s e dh a sw i d e ra d a p t a b i l i t i e sf o rt h ec o n t r o lo v e r i n d u s tr j a lm b o t i c s k e y w o r d s ：r o b o t ： c o m r o l l e r ； o p e na r c h i t e c t u r e ： m u l t i - a x i sc o n t r o 】l e r s e r v os y s t e m i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囱。 学位论文作者签名：嘲支斫 口3 年6 月6 日 指导教师签名：方7 阁；易 一j 年z 月，多日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： ：； j 当砰 日期： 矿，年月，f 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第l 章绪论 机器人是近年来迅速发展的高新技术密集的机电一体化产品。随着技术的发 展，机器人的应用范围也在不断扩大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、 抢险救灾、医疗康复，甚至进入人类生活的各个方面。工业机器人自6 0 年代问 世以来已经得到了广泛的应用，这是因为应用工业机器人是提高生产过程自动 化、改善劳动环境条件、提高产品质量和生产效率的一种非常有效的手段，是技 术革命的重要内容之一。焊接机器人是工业机器人大家庭中的望族，在各国工业 机器人应用比例中大约占总数的2 5 5 0 。焊接制造工艺由于其工艺的复杂性、 劳动强度、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对自动化、机械化的要求极为 迫切，实现机器人焊接代替人工操作变得尤为重要。我国焊接机器人的发展起步 较晚，8 0 年代以来进步较快，1 9 8 5 年成功研制华宇i 型弧焊机器人，1 9 8 7 年又 成功研制华宇型点焊机器人，都已初步商品化并可小批量生产，1 9 8 9 年我国国 产机器人为主的汽车焊接生产线投入生产，标志着我国以机器人为核心的焊接自 动化技术已进入实用阶段2 如。 然而，在当前我国的汽车制造业中，生产线上引进的工业机器人大多处在单 机工作状态，多机的协调和通讯大多采用手工操作，劳动强度大、生产效率低， 这与当前制造业追求的敏捷、快速、精度制造很不适应。另外，在监控过程中日 益增长的数据传输及对信息的处理也对多工业机器人联网通讯的能力提出了更 高的要求。机器人的核心是机器人的控制系统，机器人的先进程度和功能强弱通 常都直接与其控制系统的性能有关。特别是新一代计算机的出现与人工智能的发 展，给机器人控制技术带来了极丰富的内容。 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 器人控制器具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。目前商品化的机器人系 江苏大学硕士学位论文 统均采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使 用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在 e p r o m 中。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 改封闭系统的代价是非常昂贵的。如果不进行重新设计，多数情况下在技术上是 不可能的。 于是，开发新一代的开放式机器人控制器变得尤为重要“1 5 1 。开放式机器 人控制器可以提高系统的柔性、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：( 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( 如力反射) 、 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、性能良好的予系统模块。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【6 7 8 1 。 1 2 开放式机器人控制器的概念和研究背景 传统的工业机器入控制器结构封闭，不同的原始设备制造商( o r i g i n a l e q u i p m e n tm a n u f a c t u r c ，o e m ) 采用不同操作系统和机器人控制语言，并且很少 能做到向后兼容，导致企业过高的生产和维护成本。另外，控制器的封闭结构使 得用户很难加入特殊需要的功能。由于传统工业机器人控制器的这种特点，人们 江苏大学硕士学位论文 迫切需要一种可靠的、功能可扩展的、易于升级的新型机器人控制器，这就促使 开放式机器人控制器得到了广泛的研究。 1 9 9 4 年在第九届国际智能控制大会上，w i l l i a me f o r d 第一次总结了控制器 的三种结构：封闭结构、全开放结构和混合结构。不能或很难增加硬件和系统功 能的控制器为封闭结构的控制器：可以增加外部传感器、改进用户界面、改进伺 服控制方法的控制器成为全开放结构的控制器：在某些方面，如伺服控制方法不 可改变，但是控制信息的功能可以被访问的控制器为混合结构的控制器“1 。 机器人控制器的开放性体现在两个方面：通用性和扩展性。控制器的通用性， 本质上就是要求控制器与其控制对象( 机器人本体) 的分离，即不依赖于特定的 控制对象和特定的任务。控制器的扩展性是指对控制器功能在量上的增加或者在 质上的提高。开放式控制器的这两个特点，对控制器体系结构、软硬件功能和系 统调度等方面都提出了特别的要求o “2 1 。 1 2 1 机器人控制器结构的类型 从计算机结构、控制方式来划分，机器人控制器的结构大体上可以分为以下 三类： 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。由于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。 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，并定时地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 江苏大学硕士学位论文 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。目前世界上大多数商品 化机器人控制器都是这种结构。控制系统中的位置控制部分，几乎无例外地采用 数字式位置控制旺6 矗。 1 2 2 开放式控制器的研究现状 机器人控制器的体系结构主要是指机器人控制器的软件和硬件结构，其目的 是为了简化机器人系统的设计和开发。机器人控制器已经由硬件过渡到软件、由 具体控制器过渡到开放式结构、由单独控制过渡到多机协调控制。目前机器人控 制器研究主要集中在两个方面：( 1 ) 机器人控制器的功能结构，主要是智能控制、 多算法融合和性能分析、控制器体系机构：( 2 ) 控制器的实现结构，主要是实时 多任务操作系统、开放结构标准、多控制器结构和网络化、运动控制器。 机器人的开放式控制器有两种实现途径：一种是在现有机器人控制器的基础 上进行改造，对外具有标准化的功能调用和信息存取接口：另一种是利用现有通 用计算机总线结构、微处理器和操作系统，在此基础上加入控制器的基本功能和 对外接口。 第一种途径的优点在于可以直接利用现有的较为成熟的机器人控制方案和 控制技术，并充分照顾到了o e m 的利益。这种方案仅需要控制器具有功能调用 和信息存取接口，并不强求内部开放和系统升级，不能解决封闭控制器的所有问 题。日本机器人协会( j a p a nr o b o t a s s o c i a t i o n ，j a r a ) 工业机器入标准化委员会制 定的开放式机器人接口( 0 p e n r o b o t i n t e r f a c e f o r t l l e n e t w o r k ，0 i u n ) 就是这样 一个机器人网络通讯接口标准。该标准目的是为机器入提供信息获取接口标准， 以使不同厂家的机器人可以集成到同一生产系统。从内容看，符合0 r i n 标准的 机器人控制器属于混合结构控制器。 第二种途径的优点在于p c 结构为广大计算机用户所熟悉，具有丰富的硬件 和软件资源支持，便于用户进行二次开发和功能扩展，是种完全开放结构的方 案。目前大多数已经实现的开放式机器人控制器采用的也是这种方案。如美国机 器人工作空间技术( r o b o tw o r k s p a c et e c 1 1 1 0 l o g y ，r w t ) 在1 9 9 7 年7 月推出的 4 江苏大学硕士学位论文 世界上第一台运行于w i n d o w sn t 、基于i n t e l 奔腾处理器的开放式结构装配机器 人控制器就属于这一类。但是这种方案也需要解决许多问题，例如一些流行的操 作系统( 如w i n d 0 w s 、u n i x 和l i n u x 等) 并非为实时控制所设计，而机器 人却需要实时操作。还有，开放式控制器的系统相对于传统机器人控制器，不论 是硬件还是软件都增加了冗余。在此背景下如何保证系统的可靠性乃至安全性是 极具挑战性的。因此，设计控制器的软硬件结构、通讯机制、调度方法，以保证 控制器能胜任机器人复杂的控制要求，都是研制基于p c 的开放机构的机器人控 制器必须要解决的课题眩3 4 、朝。 1 3 课题背景 本课题组承担了江苏省十五攻关项目“网络化焊接机器人研制与汽车焊接生 产线应用工程”。针对南京跃进汽车生产线上存在的问题，如c o m a u 焊接机器 人目前还处在单机使用方式，其控制器比较封闭，编程语言仍然是专用的，并采 用示教再现方式。当投产一个新产品时，由于多台机器人采用示教再现方式，导 致编程时间过长，严重影响生产，无法适应敏捷制造的要求，对生产线上的老机 器人进行网络化改造，实现机器人焊接生产线的系统集成。 1 3 1 生产线概况 南汽依维柯机器人车身焊接生产线由六台意大利c o m a u 一1 2 0 机器人组成 ( 准确地说是车身总焊线的最后一道工序) ，六台机器入分为三组，每组两台对 称分布在工件传输线两侧。工件两侧各三台机器人完全对称，第一组与第三组( 工 件移动时首先经过的为第一组，最后经过的为第三组，中间的为第二组) ，一、 二两组是固定不动的，第三组机器入可以沿工件运动方向移动( 7 轴：机械手本 身六轴，整体移动算一轴) 。一、三两组四台机器人完全相同，第二组高度比一、 三组高，、二两组机器人为一个工位，第三组为一个工位，生产线上同一时刻 只能有两个工件，如图1 1 所示。 工件的传输控制与定位及机器人焊接程序的触发由一台s i e m e n s 的s 5 系列 的p l c 负责，p l c 的c p u 型号是s 5 1 1 5 ，该p l c 共有4 8 0 点开关量输入 ( 2 4 v d c ) ，4 4 8 点开关量输出( 2 4 v d c ) ，无模拟量。 江苏大学硕士学位论文 禽譬 鬣i 圜繁菡譬i 圜 机器人 控制器 机器人ll 机器人 控制器jf 控制器 机器人ii 机器人li 机器人 控制器jj 控制器i控制器 焊接 控制器 焊接 控制器 传送线 焊接 控制器 焊接 控制器 图1 1 车身焊接生产线 c o m a u 1 2 0 机器人的控制器由伺服控制器、运动控制器、示教盒和人机 接口组成，运动控制器有1 6 路开关量输入，1 6 路开关量输出，示教盒通过专用 接口连接到运动控制器，运动控制器还有一个r s 一2 3 2 通讯接口。每一台机器 人都配备了一台焊接控制器，以控制安装在机器人最末端关节上的焊枪，第一、 三组焊枪为x 型焊枪，第二组机器人的焊枪为c 型焊枪。 机器人、传输线、点焊系统互相协调工作，完成各种车身的焊接任务。不同 类型的车身焊接通过选择不同的焊接程序实现，生产线有一定的柔性。传输线由 一台p l c 控制，机器人和p l c 之间通过信号线交换信息，而焊枪由机器人控制。 1 3 2 现有系统的不足 目前的生产线存在以下问题： 1 机器人焊接程序装载麻烦，必须在现场一台一台装入，程序管理复杂。 将来即使实现了三维仿真方式的离线编程，程序装载仍然需要到现场。 2 机器人的状态信息虽然在机器人的人机界面上有所反映，但由于机器人 6 菌圆萄圜 江苏大学硕士学位论文 人机界面是字符方式，同时分散在现场，所以无法及时了解每台机器人的焊接进 程和异常情况。 3 生产线启动前的系统状态检查和送电操作完全依靠操作人员，不但是增 加了操作人员的工作量，影响生产线总体效率；同时容易引起由操作人员疏忽所 引发的系统故障。 4 由于系统复杂，任何一个环节出现故障都会影响系统的正常运行，由于 没有可供维护人员参考的故障发生前后的原始记录，维护人员找到故障根源，排 除故障比较困难。 5 当多台焊枪同时焊接时，对电源的冲击太大，影响焊接质量，甚至干扰 控制设备的运行，希望能控制同一时间焊接的焊枪数量。 6 当生产线上的机器人或其它设备发生故障时，运行人员的干预往往不够 及时。 7 生产线生产管理没有合适的工具和手段，不能对车间和厂级的生产考核 和质量监督提供有效的数据支持。 1 3 3 系统的设计目标 为了解决生产线运行中存在的问题，系统应实现以下功能： 1 实现人工操作的自动化，包括目前操作规程所列的生产线开启前的所有 检查工作在一个控制终端上完成，只有在检查到不正常的情况才通知现场人员处 理。 2 机器人程序装载和设置集中化，大部分操作远程化。 3 六台机器人可由监控系统协调。以避免出现三台以上机器人同时焊接的 情况。 4 系统运行信息显示图形化、远程化。各机器人和生产线其它设备的运行 状态实时信息和历史记录信息集中图形化显示。 5 管理信息全局化。生产线作为生产管理的最小单元，是管理信息的源头， 是全厂管理信息的一部分，应考虑与全厂管理信息系统的连接。这部分主要考虑 实时数据和管理数据如何与全厂m i s 连接，统计分析功能应由全厂m i s 去做。 通过上述监控功能的实现，达到提高生产线的出力时问，降低故障率，缩短故 障排除时间，从而提高生产线的生产效率和效益，同时提高生产管理水平的目标。 江苏大学硕士学位论文 1 4 研究思路 针对生产线的现状以及当前存在的问题，本项目由以下五部分组成： 1 机器人焊接生产线监控。 2 机器人网络通信的实现。 3 多机器人任务调度、路径规划及其仿真技术及相关软件编制。 4 开放式网络化机器人控制器设计。 5 开放式网络化机器人控制器体系结构与机器人控制器软件。 本课题负责的是项目子任务之四开放式网络化机器人控制器设计。 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。开放式机器人控制器的主要思想 为：( 1 ) 使用基于非专用计算机平台的开发系统；( 2 ) 使用标准的操作系统和标 准的控制语言：( 3 ) 硬件基于标准总线结构，能够与各种外围设备和传感器接口： ( 4 ) 使用网络策略，允许工作单元控制器共享数据库，并允许远程操作。 可以根据上述思想设计具有开放式结构的机器人控制器，而且设计过程中要 尽可能做到模块化。模块化是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，各模块完整而单一。这样建立起来的系统，不仅 性能好、开发周期短，而且成本较低。模块化还使系统开放，易于修改、重构和 添加配置功能。 目前机器人控制系统中大多采用现场总线技术，但是现场总线的根本性缺点 是它的开发性是有条件的、不彻底的。随着商用计算机领域的局域通信逐步被以 太网( e t h e m e t ) 垄断，程控领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网， t c p l p 协议也进入程控领域。由于以太网的速度很快( 可以达到1 0 0 m b p s 甚至 更高) ，并且很多的设备都带有以太网接口，使得它具有很好的兼容性，因此被 控制系统广为采用。因此现场总线控制网络逐步转向以太控制网络。同时由于因 特网的快速发展。人们通过因特网访问控制系统，进行远程诊断、维护和服务的 愿望越来越强烈。而以太网和互联网能够方便地实现互连，因此可通过互联网络 进行远程访问控制。 针对焊接作业，机器人控制器应具有开放式的体系结构和网络通信接口装 江苏大学硕士学位论文 置，易于与其它智能设备和周边设备通信并组成机器人焊接生产线；同时还具有 一定的智能，以适应环境的变化和生产线的重组。另外，该网络化机器人体系还 具有离线仿真和计算机辅助编程功能，以简化用户编程，缩短示教再现周期。 本课题的完成是通过对沈阳新松机器人自动化股份有限公司的s i a * s u n 机 器人控制器的改造来实现的。在利用原有系统中一些模块的情况下，设计了新的 机器人控制器结构，如图i 2 所示。系统采用两级控制体系结构，p c 1 0 4 工控机 集中监控 图1 2 照体结构图 为上位机，担当命令解释、正逆解求解、轨迹规划、系统管理、程序编辑、远程 通讯、人机接口、示教盒通讯等功能；p m a c 上的d s p 为下位机，它根据上位 机直接给定或逆解运算后对各关节的控制要求完成全部关节的控制。如此合理分 配任务，保证系统实时商效的进行控制。数据采集卡可以采集模拟量信号和数字 量信号，通过p c 1 0 4 工控机传递给运动控制卡，并采用p m a c 附件a c c 一3 4 x 对 系统的特定的i o 量进行处理。工控机与p m a c 采用两种通讯方式进行通讯： 一种是总线方式，上位机与p m a c 主要用总线方式通讯，总线通讯方式是指主 9 江苏大学硕士学位论文 机到指定的地址上去寻找p m a c 运动控制器，其中指定的地址是由p m a c 的跳 线确定的；另一种是利用d p r a m 进行数据通信和命令通信，双端口r a m 主要 是用来与p m a c 进行快速的数据通讯控制卡和电机的状态、电机位置、速度、 跟随误差等数据则通过d p r a m 交换信息。一方面，d p r a m 在用于向p m a c 写数据时，在实时状态下能够快速地将位置数据信息或程序信息进行重复下载； 另一方面，d p r a m 在用于从p m a c 中读取数据时，可以快速地、重复地获取系 统的状态信息。譬如，交流伺服电机的状态、位置、速度、跟随误差等数据可以 不停被更新，并且能够被p l c 或被p m a c 自动地写入d p r a m 。如果系统中不使 用d p r a m ，这些数据必须用p m a c 的在线命令通过p c 总线来迸行数据的存取。 由于通过d p r a m 进行的数据存取不需要经过通讯口发送命令和等待响应，所以 所需的时间要少得多，因此响应的速度就快得多“51 9 硝2 们。 1 5 内容安排 本文共分为六章。 第章为绪论。 第二章介绍了机器人运动学模型和求机器人正逆解的方法，以六自由度 c 0 m a u 机器人为模型，建立了机器人运动学模型，并讨论了碰撞检测在图形仿 真中的应用方法。 第三章首先介绍了运动控制卡的发展，接着对p m a c 运动控制卡的特点以 及功能作以分析，并介绍了其配套软件，最后给出了用p m a c 语言编写机器人 定点运动程序以及运用d p r a m 进行通讯的程序。 第四章介绍了机器人控制器的数据采集。主要对系统的信号分类作以说明， 并跟据模拟信号和i o 信号的不同分别设计了相应的数据采集方法，针对系统i ，0 信号的分类应用不同的p m a c 附件设计了相应信号的采集。 第五章首先给出了对本试验所采用的硬件系统s i a s u n 控制器作以介绍， 并根据课题要求设计出了相应的改造方案，针对p m a c 控制卡与伺服驱动之间 绝对编码信号的连接问题，给出了解决方案。 第六章总结了本论文所作的主要工作，并对今后一些需进一步研究的问题进 行了展望。 o 江苏大学硕士学位论文 第2 章机器人运动学模型 机器人运动学是专门研究物体运动规律，而在研究中不考虑产生运动的力和 力矩，它涉及到运动物体的位置、速度、加速度和位置变量对时间( 或其它变量) 的高阶导数。 实际上，机器人运动学研究有两类问题：一类是给定机器人各关节角度，要 求计算机器人手爪的位置与姿态问题，称为正问题；另一类是已知手爪的位置与 姿态求机器人对应于这个位置与姿态的全部关节角，称为逆问题。显然，正问题 是简单的，解是唯一的，但逆问题的解是复杂的，而且具有多解性，这给问题求 解带来困难，往往需要一些技巧和经验1 3 、3 2 瑚“1 。 2 1 机器人位置与姿态的描述 用固连在机器人末端执行器上的坐标系( 也称工具坐标系) 原点，在基础坐 标系中的位置来代表机器人位置，用这坐标系在基础坐标系下投影。即用方向余 弦来表示机器人的姿态。 图2 1 机器人位置与姿态的描述 图2 1 中，o 班为基础坐标系，它通常固连在机器人基础上。显然矢量 0 0 。= p ，代表了机器人手端位置。0 。工。儿乙为安放机器人手端的坐标系，o 。为 坐标原点，n 为关节总数。其中z 。又称为法线矢量，它的方向重合于夹持器组成 平面的法线。儿称为姿态矢量，它垂直于两个夹持器。乙称为接近矢量，它方 江苏大学硕士学位论文 向朝外指向目标。采用方向余弦月表示两坐标系投影关系 h ：， 只= f 也， t ： 吃，l l 吩l吩23 j 其中第一列的三个元素分别是矗轴对基础坐标系x 轴，y 轴，z 轴的方向余弦值。 第二列的三个元素分别是儿轴对基础坐标系x 轴，j ，轴，z 轴的方向余弦值。 第三列的三个元素分别是乙轴对基础坐标系x 轴，y 轴，z 轴的方向余弦值。 通常，采用一个矩阵r 来表示机器人手端位置与姿态。 r = d ， n y o y ：d ： oo 日，p ， 口，以 d ：p ： o1 其中，前三行，三列完成了_ 姿态表达， k ，以r = k ，吒吩。】符号以代表法线，也意味着手的夹持器平面的法线 为手爪坐标系的x 轴。 【d ，q 叱 7 = k ：吒：，3 ：】7 ，符号d 代表姿态，也说明了手爪坐标系的y 轴取 自于垂直两个手指的方向。 k ，q 吐 7 = k ，r ，符号日表示接近矢量，也代表了手爪坐标系z 轴。 b ，以见 7 ，代表机器人手端位置，它代表坐标原点吼的位置。 这样，矩阵7 同时描述了机器人的位置和姿杰。 2 2 机器人正向运动学 2 2 1 机器人坐标系的建立方法 机器人关节联接前后两个连杆( 刚体) ，关节有移动副或转动副之分。但是 它们都被驱动器控制，并能度量关节运动量大小。通常，从机器人基础起到手端， 逐一分配坐标系。 从基础到手部由低到高的顺序为关节编号，设有三个关节序号为n 一1 ，n ， n + l ，杆件编号顺序为n l ，n ，n + 1 。编号为n 的杆件处在编号为n 一1 和n + 1 江苏大学硕士学位论文 的关节之问。因为机器入的基础构件经常是赋予编号o 的坐标系，并且将此坐标 系看成是与同号杆件固连在一起的，即n 坐标系随同n 杆一起动作。在第n 关节 上建立n 一1 坐标系。因此在机器人的第一个关节上建立基础坐标系( o 坐标 系) ，如图2 2 。 图2 2 机器人坐标系分配 对于n 个关节的机器人，建立了n 个坐标系，最后一个坐标系固定在手端上 ( 而不是在关节上) 。 有两种方法来建立坐标系：一般方法和d h 方法。 所谓一般方法是只要满足上述原则对各坐标系轴的分配并无任何特殊规定。 在此情况下，后一坐标系( 序号大的) 向前一坐标系变换。 曾用h 表示两坐标系之间的齐次变换( 包括平移、旋转和两者组合情况) ， 为具有通用表达，改变h 为彳( 意为相对变换) ，如群表示坐标系n 向第n 一1 坐标系的齐次变换，为简化，通常爿的上标略去不写。 显然，对n 个关节机器入，有n + 1 个坐标系( 序号从0 开始) 就有n 个旋转 矩阵： 爿伴k 爿? 其中，爿? 完成从1 号坐标系向基础系( 序号o ) 转换。设想在最末坐标系里的一 个点( 如n 系原点) 表达在前一坐标系n 一1 应为群一，表达在n 一2 坐标系为 爿：；群，继续往前转换，直到基础系，应有 l3 江苏大学硕士学位论文 彳? 彳：爿；锘群= 彳；彳：彳3 4 一，4 其中，爿。爿： 可根据相关公式计算出具体的元素3 、。这是一项较繁琐而又 易错的工作，为此d e n a v i l 和h a 九e n b e 唱两个人于1 9 5 6 年提出了一种方法，使 得以列表形式完成转移矩阵爿的填写，这简化了这项工作，因此获得了广泛应用。 d h 方法：这种方法严格定义了每个坐标系的坐标轴，并对连杆和关节定义 了4 个参数。 机器人是由一系列联接在一起的连杆( 杠杆) 构成的。需要用两个参数来描 述一个连杆，即公共法线距离和所在平面内两轴的夹角：需要另外两个参 数来表示相邻两连杆的关系，即两连杆的相对位置以和两连杆法线的夹角酿， 如图2 3 所示。 关节n关节 图2 3 转动关节连杆四参数示意图 机器人上坐标系的配置取决于机器人连杆连接的类型。有两种连接转动 关节和棱柱联轴节。对于转动关节，眈为关节变量。连杆n 的坐标系原点位于 关节n 的坐标系原点和关节n + 1 的公共法线与关节n + 1 轴线的交点上。如果两相 邻连杆的轴线相交于一点，那么原点就在这一交点上。如果两轴线相互平行，那 么就选择原点使对下一连杆 ) 将m 变量定向到一个地址之后，就可以通过m 变量来存取该地址； p 变量，供编程用的全局变量：q 变量，供编程用的局部变量。 3 3 1发送指令 p m a c 基本上是一个指令驱动设备，并不像别的寄存器那样是靠寄存器驱动 的。因此，可以通过向p m a c 发出a s c i i 字符串从而让它工作，而p m a c 通常 也以a s c i i 的形式向主机提供信息。 在本系统中，为了可以让p m a c 更快的工作，采用了双端口r a m 。可以通 过向d p r a m 指定的寄存器写值来发出命令，并且p m a c 也可以通过寄存器写 入二进制的值来提供信息。 1 p m a c 的指令执行进程 当p m a c 通过它的端口接收到一条字符，它只是将该字符放入命令队列中。 此时需要一个控制字符( a s c i i 值1 到3 1 ) 来使它产生实际的动作。最常用的控 制字符是“回车”( a s c i i 值是1 3 ) ，它告诉p m a c 将前面的字符按照一条命令进 行编译并执行相应的动作。 其它的控制字符将导致p m a c 产生一个独立于此前发送字符的动作。这些 控制字符能被送到一行命令字符的中间而不会打乱命令流程。p m a c 将首先响应 控制字符命令，并将直到回车的字符作为控制内容串存储起来。 2 指令识别 p m a c 的指令识别和数据响应的特性是由i 变量1 3 、1 4 和1 9 控制的，其中 1 3 最为重要。如果1 3 是1 ，则p m a c 通过向主机送回一个“换行( ：a s c i i 值1 0 ) 字符来识别一个有效的命令。如果1 3 是2 或3 ，则它用 字符( a s c i i 值是6 ) 。如果1 3 变量是0 ，则p m a c 不提供任何识别字符。不论1 3 的设置如何， p m a c 总是通过返回一个 字符( a s c i i 值7 ) 来提示一条非法指令。当以终 端模式与p m a c 进行工作时，通常用 作为应答比较好，因为它能自动地在 命令中留有间隔并能响应在终端屏幕上。 江苏大学硕士学位论文 3 ，数据响应 当命令要求一个数据响应时，如果1 3 被设置为1 或3 ，则p m a c 在数据响 应的每一行前加一个换行字符。如果1 3 被设置为o 或2 ，则不会那么做。不论 1 3 的设置是怎样的，p m a c 都将在数据响应的每一行加上个回车字符作为结 束。对于这些指令，命令应答字符( 或 ) 是在数据响应之后被送出 的，其作用相当于一个传输终止字符。对响应的计算机分析，则需要将 用作一个唯一的e o t 字符。 4 数据完整性 变量1 4 决定了一些在通信中由p m a c 执行的数据完整性检查，其中最重要 的是逐行校验。 5 数据响应格式 变量1 9 控制p m a c 将怎样的数据格式传送到主机。它的设置决定了p m a c 是否要将程序行以长的或短的格式返回给主机，是否要将i 变量的值和m 变量 的定义作为完整的命令来响应，选址i 变量是以十进制格式进行汇报还是以十六 进制的格式来汇报。 3 3 2 在线指令 发给p m a c 的命令中许多都是在线指令：也就是说，他们可以立即被p m a c 执行，或者产生某种动作，或者是改变某些变量，或者是把某些信息报告给主机。 这种命令本身在执行后就被丢弃了( 因此不被回显) ，尽管命令的效果也许依然 存在。 对有些命令而言，如果没有己打开的程序缓冲区，就会被立即执行。如果有 一个缓冲区被打开了，就会被存储到缓冲区。另外一些命令不能成为在线指令， 它们无法放到一个打开的缓冲区去，即使是为立即执行的特殊缓冲区。如果没有 打开的缓冲区，p m a c 将拒绝执行这些命令。也有一些命令，不能被放到一个程 序缓冲区去，只能作为在线命令。 1 在线指令类型 共有三种基本类型的在线指令：定义电机指令，只影响当前被主机选址的电 机；定义坐标系指令，只影响当前被主机选址的坐标系；全局指令，不论是何种 选址模式都影响卡的特性。 江苏大学硕士学位论文 2 电机指令 电机特型命令只有少数的几种类型，包括微动命令、回零点命令、开环命令， 这些命令用以控制电机位置、速度、随动误差和状态的命令。 3 坐标系指令 坐标系特性指令有多种多样的类型。轴定义语句在当前选择的坐标系