（机械电子工程专业论文）cincinnatit3746机器人编程控制软件的开发.pdf

舢f l l f i | l f l | | l i f | | i | l i | | | | | f i | | l l i | i i y 18 4 14 9 2 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ia n de l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g t h e d e v e l o p m e n to f ap r o g r a m m i n gc o n t r o l s o f t w a r ef o rc i n c i n n a t i t 3 7 4 6r o b o t b yl i ul e i s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o r l a ns u o x i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b m a r y 2 0 0 8 本人声明所呈交的学 得的研究成果除加以标注 撰写过的研究成果，也不 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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：勿窗 、，节 日 期：2 寥备z r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： ， j ， t 东北大学硕士学位论文摘要 c i n c i n n a t i t 3 7 4 6 机器人编程控制软件的开发 摘要 机器人控制系统是机器人研究领域的重要课题，而开发合理高效的机器人编 程语言编译器对于机器人控制系统是十分重要的。在机器人控制系统中，机器人 语言编译器作为一个独立的模块，直接影响到用户对机器人的离线编程，从而影 响到用户对机器人的控制效率。本文根据编译原理，设计并实现了在开放式机器 人控制系统中的机器人编程语言的编译模块。 本文首先介绍了课题的背景和开放式的机器人控制系统平台，并且对机器人 运动进行了分析，详细推导了机器人运动的正逆解，接着介绍了机器人编程语言 编译器中运用到的词法分析和语法分析，最后重点介绍机器人语言编译模块的设 计与实现，以及编译模块与p m a c 运动控制卡的通信，并且对通信过程中用到的 多线程技术进行了详细说明。 本文的主要任务是新开发一种机器人控制语言，将用机器人控制语言编写的 运动控制程序按照规定的语法规则进行编译。一般来说，编译过程主要包括词法 分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、代码优化、目标代码生成、目标程 序这几个阶段，由于本文中开发的机器人控制语言相对来说比较简单，所以只用 到了词法分析和语法分析部分。词法分析程序包括手动方式设计和利用词法分析 程序的自动生成工具两种，本文的词法分析器是手工方式设计的，整个词法分析 的功能都封装在类l c x e r 中，语法分析也是手工设计编制，全部功能封装在类p a r s e r 中。 关键词：工业机器人；p m a c ；机器人语言；v c + + 一u 一 - j ， t h ed e v e l o p m e n to fp r o g r a m m i n gc o n t r o l s o f t w a r ef o rc i n c i n n a t i t 3 7 4 6r o b o t a bs t r a c t r o b o tc o n t r o ls y s t e mi s 柚i m p o r t a n tt o p i co ft h es t u d y0 ft h er o b o t s ，柚di ti so f g r e a tv a l u ct od c v e l o pa9 0 0 dl o g i c a lc o m p i l e dl a n g u a g e f o rt h er 0 b o tc o n t r o ls y s t e m i nt h er o b o tc o n t r o ls y s t e m ，t h el a n g u a g ec o m p i l e rd i r e c th a sa ne f ! f e c to nt h e0 f f 1 i n e p r o g r a m m i n g0 ft h er o b o ta sa b s o l u t em o d u l e ，t h e ni ti n n u e n c e st h ee f f i c i e n c y0 f c o n t r o l l i n gr o b o t 1 nt h i sp a p e r ，ar o b o tp r o g r a m m i n gl a n g u a g ec o m p i l e fo ft h eo p e n c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m c n t e da c c o r d i n gt oc o m p i l e rp r i n c i p i u m f i r s t l y ，t h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c t 勰dt h ec o n t r o lc o n f i g u r a t i o no ft h eo p e n i n g c o n t r o ls v s t e mf o rc i n c i n n a t i1 0 - 7 4 6r o b o ta r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y r o b o tm o v e m e n t i sa n a l v s e d ，a n dt h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ep r o c e s so ft h ec a l c u l a t i o no ff b r a r d k i n e m a t i c a le q u a t i o na n di n v e r s ek i n e m a t i c se q u a t i o n a n dt h e na c c i d e n c ca n a l y z e f a n dp a r s i n ga f er e c o m m e n d e d m o r e o v e r c o n c r e t e l yt h i sp a p e re x p l a i n st h ec o n t i 0 l f r a m e w o r ko fr o b o tl a n g u a g e f i n a l l y t h ed e s i g na n di m p l e m e n t ，t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nc 0 m p i l t c rm o d u l e 觚dp m a c ，m u l t i t h r e a d i n gi m p l e m e n ta r ea ui n t r o d u c e di n d e t a i l f o rt h i sp a p e r t h ei e a d i n gt a s ki st oc x p l 6 i tan e wr o b o tc o n t r o ll a n g u a g e u s i n g t h en e wr o b o tc o n t r o l l 柚g u a g e ，t h em a n i p u l a t o rc 蠲c o n t r o l t h ed i v e r s i f i e dm o v e m e n t a b o u tr o b o t i nag e n e r a lw a y ；ac o m p i l e ri sc o n s i s to fa c c i d e n c ea n a l y z e r ，p a r s i n g ， s e m a n t i ca n a l y s i s ，i n t e f i mc o d ec r e a t i o n ，c o d eo p t i m i z a t i o n ，e n dc o d ec r e a t i o n b e c a u s c t h en e wr o b o tl a n g u a g ei ss i m p l ec o r r e s p o n d i n g l y ，0 n l ya c c i d e n c ea n a l y z e ra n dp a r s i n g a r cu s e di nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gc o m p i l e r t h e i rf u n c t i o n sa r e e m b o d i e di nl e x e ra n dp a r s e rr e s p e c t i v e l y k b y w o r d s ：i n d u s t r yr o b o t ，p m a c ，r o t o tl a n g u a g e ，v c + + 一i i l 一 第2 章机器人运动控制分析8 2 1c i n c i n n a t i1 3 7 4 6 机器人简介。8 2 1 1 概j 苤。8 2 1 2c i n c i n n a t it 3 7 4 6 机器人技术参数9 2 2 机器人正问题求解1 0 2 2 1 连杆坐标系和d h 参数。1 1 2 2 2 连杆变换和运动方程1 2 2 3 求解c l n c i n n a t l1 d 7 4 6 机器人的运动学逆问题。1 5 2 4 机器人运动学逆问题求解中的多解问题1 8 2 5 本章小结1 8 第3 章c i n c i n n a t i t 3 7 4 6 机器人控制系统1 9 3 1c i n c i n n a t i1 r 3 7 4 6 机器人开放式控制系统的硬件平台。1 9 3 2 主控制处理器( 工控机) 2 0 3 - 3 多轴运动控制卡p m a c 2 1 3 3 1p m a c 简介2 1 3 3 2p m a c 的基本功能2 1 3 3 3p m a c 的变量设置。2 3 一一 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 4p m a c 的编程软件2 4 3 4 使用w i n d o w s 作为操作系统的优点2 4 3 5 使用s u a lc + + 作为开发平台的优点2 5 3 6 本章小结2 5 第4 章机器人控制语言编译系统整体设计2 6 4 1 机器人语言编译系统软件架构。2 6 4 2 机器人控制语言设计。2 7 4 3 机器人语言语法规则说明2 8 4 4 本章小结3 0 第5 章文法和词法分析。3 1 。 5 1 文法和语言3 1 5 1 1 字母表和符号串。3 1 5 1 2 文法形式3 2 5 2 词法分析的功能3 2 5 3 词法分析程序的输出3 3 5 4 将词法分析工作分离的因素3 4 5 5 正则文法及状态图3 5 5 5 1 状态图3 5 5 5 2 状态图的用法。3 6 5 6 词法分析程序的设计与实现3 6 5 6 1 机器人语言的词法规则及状态图3 6 5 6 2 机器人语言词法分析程序的构造3 7 5 7 机器人控制语言解释程序的词法分析器3 9 5 8 本章小结4 0 第6 章语法分析4 1 6 1 自项向下分析方法。4 1 6 1 1f i r s t 集合和f o l l o w 集合4 2 6 1 2f o l l o w 集合的定义及构造方法。4 3 6 1 3 递归下降分析的基本方法4 4 6 1 4 机器人控制语言的递归下降分析实现4 5 一v 一 一一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究目的和意义 二十世纪5 0 年代是机器人的萌芽期，其概念是“一个空间机构组成的机械 臂，一个可重复编程动作的机器 。1 9 5 4 年美国戴沃尔发表了“通用重复型机器 人一专利，首次提出“工业机器人丹的概念：1 9 5 8 年美国联合控制公司研制出第 一台数控工业机器人原型：1 9 5 9 年美国u n i 脚i o n 公司推出第一台工业机器人。 二十世纪6 0 年代随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入成长 期，机器人开始向实用化发展，并被用于焊接和喷涂作业中。 二十世纪7 0 年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入实用化时代。日 本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措 施，其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国 。 二十世纪8 0 年代，机器人发展成为具有各种移动机构、通过传感器控制的机 器。工业机器人进入普及时代，开始在汽车、电子等行业得到大量使用，推动了 机器人产业的发展。为满足人们个性化的要求，工业机器人的生产趋于小批量、 多品种。 二十世纪9 0 年代初期，工业机器人的生产与需求进入了高潮期：1 9 9 0 年世界 上新装备机器人8 1 0 0 0 台，1 9 9 1 年新装备7 6 0 0 0 台。1 9 9 1 年底世界上己有5 3 万 台工业机器人工作在各条战线上。随后由于受到日本等国经济危机的影响，机器 人产业也一度跌入低谷。二十世纪9 0 年代还出现了具有感知、决策、动作能力的 智能机器人，产生了智能机器或机器人化机器。 随着信息技术的发展，机器人的概念和应用领域也在不断扩大。机器人学的 进步和成就是自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。据估计， 现在全世界己有近1 0 0 万个机器人在生产线上工作。有近万家工厂在生产机器人， 销售额每年增长2 0 9 6 以上。在我国，。十五期间，8 6 3 计划先进制造与自动化 技术领域设置了两个主题：一个是现代集成制造系统技术主题，另一个就是机器 人技术主题。 、 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 由此可见，机器人拥有诱人的发展前景，它必将为二十一世纪的人类文明作 出新的重大贡献。 从机器人出现到现在短短半个世纪里，机器人己在工业领域得到了广泛的应 用，而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务娱乐等非工业领域扩展。勿庸 置疑，二十一世纪机器人技术必将得到更大的发展，成为各国必争之知识经济制 高点。世界上先进机器人工业国一致认为：机器人技术是一门集成了包括机械学、 生物学、材料学、人类学、计算机科学和工程、控制论和控制工程学、电子工程 学、人工智能等多学科于一身的高度集成化的技术。从某种意义上讲，一个国家 机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低【。 机器人是个软件可控的机械装置，利用传感器引导执行器动作，通过可编程 运动操作物体进行作业。为此，必须重视人和机器人之间的通讯接口。机器人语 言提供了一种通用方式来解决人机通讯问题。机器人语言也是机器人系统先进水 平的重要标志之一。从机器人系统所提供的机器人语言可以看出该机器人系统所 提供的功能和系统构成。 当一种工业、技术和经济产生重大变化是，总是要求科学和教育系统产生与 之相适应的调整和发展。随着机器人技术重要性的日益凸显，社会对机器人技术 人才的呼声越来越高，学习和研究机器人的工作原理己经成为科学和教育部门研 究的重要课题。 一 机器人教育中很重要的一个部分就是实验课程。通过实验课程，学生亲自对 机器人操作，这将有助于学生更加直接的理解工业机器人各部分的功能以及工业 机器人系统的工作原理，了解机器人语言的体系。在中国随着改革开放的发展和 工业的进步，机器人教学也越来越多的被各级学校所重视，相当多的学校对机器 人教学的实验提出了设备的要求。但是，工业机器人昂贵的价格和封闭的结构限 制了工业机器人在教学研究中的应用。因此，能够实现工业机器人功能的教学机 器人系统的开发具有重要的社会和经济价值。 本文最重要的任务是开发一种机器人控制语言，使用户根据所开发的机器人 语言的语法规则来编写机器人运动程序，实现对机器人的离线编程，从而达到高 效率控制机器人的目的。 一2 一 作1 9 7 7 年又开发出a u t o p a s s 语言i ”，这是一种用于装配操作编程半自动化程序 设计高级语言。 最早的商品化文本机器人语言是v a l l 们，由美国u n i m a t i o n 公司在1 9 7 9 年推 出，它是b a s i c 语言的扩展，最初的v a l 语言只是提供给p u m a 系列机器人产品 使用，后来扩展到该公司的大多数机器人产品上，1 9 8 4 年又开发出新版本的v a l 广i i 雾。 语言【7 1 ，1 9 7 9 年，伊利诺大学的g e s c h k ec c 等人开发出r s s 语言【8 】，它能根据传感 信息直接伺服控制机器人。 o 、 1 9 8 2 年美国又推出了两种商品化的机器人语言一l b m 公司的a m l 语言【9 】 和通用电器公司的h e l p 语言【1 0 】( 该语言得到意大利d e a 公司的专利许可) 。1 9 8 3 年，德国出现了两种机器人语言，b i o m a t i k 公司推出的基于p a s c a l 语言的 p a s r o 语言1 1 1 】和卡尔斯鲁厄( k a l s m l e ) 大学在p a s c a l 语言和a l 语言的基础上 开发的结构化程序设计的s r l 语言1 1 2 l 。1 9 8 5 年，瑞典a s e a 机器人公司推出了 a r 队语言【1 3 1 ，用于控制该公司生产的a s e a 机器人。1 9 8 8 年，日本富士通公司推 出t a c l 语言【1 4 l ，它可以控制两臂协作机器人操作。1 9 9 2 年，法国巴黎机器人学实 验室开发出i a d a 语言【1 5 l ，这是一种基于a d a 语言的机器人程序设计语言。 国内的机器人语言研究工作开展较晚，从8 0 年代后期以来，中国科学院沈阳自 动化研究所，清华大学，浙江大学等单位相继进行了有关的研究工作【1 6 l 【1 7 】【1 引。 使用工业机器人语言进行作业程序设计，其方法和计算机编程一样，是用程 序指令描述工业机器人的动作，这样使得包含感觉处理的复杂作业逻辑的编程成 为可能，而且，也容易把各种基本的动作作为可以利用的通用程序库存贮起来。 至今，世界各国的机器人厂家及研究单位已开发研制了各种各样的机器人语 言【1 9 1 【2 0 1 1 2 1 】1 2 2 】【2 3 】作为通用的工业机器人语言，一般都具有以下几个特点： 一3 一 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 ( 1 ) 能简洁地描述工业机器人的作业动作及工作环境，能描述复杂的操作内 容、操作工艺和操作过程，并用尽可能简要的程序来实现。 ( 2 ) 与一般的实用程序语言一样，具有结构简明，概念统一，容易扩展等特 点。 ( 3 ) 随着工业机器人语言的不断开发和研制，越来越接近自然语言，并且具 有良好的对话性。 根据作业描述水平的高低，现有的机器人语言可以分为三类：f 2 4 】1 2 5 l ( 1 ) 动作级编程语言。动作级编程语言是以机器人的运动作为描述中心，通常 由使手爪从一个位置运动到另一个位置的一系列命令组成。动作级语言的语句比 较简单，易于编程。动作级语言的缺点是不能进行复杂的数字运算，不能接受复杂 的传感器信息，仅能接受传感器的开关信号，并且比其它计算机的通信能力差。 ( 2 ) 对象级编程语言对象级编程语言是描述操作物体间的关系使机器人动 作的语言，即是以描述物体之间的关系为中心的语言。它具有以下特点：运动控 制，具有类似于动作级机器人语言的功能：处理传感器信息，可以接受比开关信 号复杂的传感器信号，并可以利用传感器信号进行控制。监督以及修改和更新环境 模型：通信和数字运算，能够方便地和计算机的数据文件进行通信，数字计算功 能强，可以进行浮点计算：具有良好的扩展性，用户可以根据实际需要，扩展语 言的功能，如增加指令等。 ( 3 ) 任务级编程语言。任务级编程语言是比较高级的机器人语言。这类语言 允许使用者对工作任务所要求达到的目标直接下命令，不需要规定机器人所作的 每一个动作的细节，只要按某种原则给出最初的环境模型和最终工作状态。机器人 可以自行推理。计算，最后自动生成机器人的动作。任务级语言的概念有点类似于 人工智能中程序自动生成的概念。目前，还没有真正的任务级编程系统。但是它是 一个有实用意义的研究课题。 当用机器人语言编写的程序对工业机器人进行控制时，其处理过程主要包括 以下几个方面【2 6 】： ( 1 ) 分析程序。分析程序分析的对象是用户采用机器人语言书写的程序。分 析程序首先进行语法检查，检查出程序中的错误并给用户指出来。此外，分析程 序还能对数据的维数和形式进行错误检查。一旦消除了所有的语法错误，用户程 序就变换成了编译程序容易处理的内部信息。 一4 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 ( 2 ) 编译程序。编译程序的功能之一就是对用户程序的语义进行检查。它能 融一分 检查有没有发出对存取不可能的地址移动命令和有没有是末端执行器过高速度移 动等。编译程序还要进行一些轨迹计算，即在编译用户程序时模拟末端执行器的 位置和各变量的值，跟踪其与坐标系相结合的状态，然后根据这个值进行轨迹计 算，得到轨迹数据。编译程序的另一功能是把用户程序变换成实行解释程序可解 释的代码。 ( 3 ) 执行解释程序。实行解释程序是把编译程序生成的代码解释并实行。实 行动作结合时，把必要的轨迹数据给予伺服模块，通过状态监视模块，监视它的 动作。 ( 4 ) 伺服模块。根据轨迹数据，通过关节角度和速度等所组成的反馈控制系 统来实现被指定的运动。 ( 5 ) 状态监视模块。处理各种传感器的反馈，抽出必要的信息交给实行解释 程序。 此外，还应包括生成用户程序的编辑程序、排除错误的调试程序、输出环境 数据的示教系统程序等。 总而言之，机器人语言是具有感觉的机器人完成装配、焊接等复杂作业所必 不可少的一种表现方式。 1 2 2 几种主要的机器人语言 本文将介绍几种目前国际上常用的机器人语言，这些语言都已经在工业上或 实验室投入实际运用1 2 7 1 。 。 ( 1 ) a u a s s e m b l yl a n g u a g e ) ：a l 语言是早期机器人语言的代表，它已经支持 机器人级语言或任务级的描述。a l 以p a s c a l 语言为基础，能在协调运动中控制 多个机器人手臂。a l 系统商品化后已经得到广泛应用。a l 的源程序类似于 a l g o l 语言，由翻译器将其转化成可执行码，然后执行之。在早期一个完整的a l 系统中，程序的开发和编译在p d p 1 0 机上进行( 后台计算机) ，1 1 4 5 机有浮点运算 功能和1 2 8 k 字节存储器，它控制了两台p u m a 5 6 0 机械手和两台斯坦福机械手，a l 可以同时控制四个手臂，现在a l 已经能在微机上运行。 ( 2 ) a u t o p a s ( a u t 0 m a t e dp a r t sa s s e m b l ys y s t e m ) ：a u t o p a s s 语言是一种用 于控制i b m 公司装配机器人的对象级语言。该语言是p u l 语言的一个子集，它向 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 用户提供了大量的控制和数据类型，有编译和解释两种运行方式。a u t o p a s s 系 统由编译程序、环境模型数据库、g d p ( 几何设计处理器) 和机器人级程序处理器 组成。编译程序通过查询环境模型库将用户源程序编译成机器人级程序。环境模 型的初始状态由g d p 提供，工作空间中的每个物体都可以用一个过程名和一个参 数集来描述，用户可使用一台交互图形终端建模。a u t o p a s s 语言允许使用力和 触觉传感信息，能并行控制多个机器人的协调运动。 ( 3 ) 、後“v c r s a t i l ea s s e m b l yl a n g u a g e ) ：v a l 是为u n i m a t i o n 机器人开发的程 序设计语言，它提供了易于定义机器人任务的能力。k l 有b a s i c 语言的结构， 在此基础上加入了许多机器人编程指令。v a j l 有自己的操作系统，称为址监控 程序，它包括用户接口、编辑程序和文件管理程序。中央处理机是一台d e c 公司 的l s i 1 i 0 3 机，每个关节由一台6 5 0 3 微处理机控制，外设包括用户终端、软驱、 示教盒、i o 组件和一台机器智能公司的视觉系统。l 语言在执行中使用了c 语言和6 5 0 3 汇编语言。现在，v a l 已经开发到能在所有p u m a 机器人和 u n i m a t e 2 0 0 0 和4 0 0 0 系列机器人使用。1 9 8 4 年，在v a l 的基础上又推出了v a l i i 语言，它提供了先进的网络通信能力，改进了语言运算功能、用户接口和传感器接 口，能进行实时路径修正，提高了并行处理能力，并支持复杂的应用程序设计。 ( 4 ) a m h am a n u f a c t u r i n gl a n g u a g e ) ：a m l 语言是i b m 公司为其机器人产品 开发的一种商品化机器人语言。a m l 的命令可分为基本子程序、计算程序、和传 感器i o 命令、系统接口命令和数据处理命令。a m l 语言针对不同的程序开发者， 提供了一个强有力的基语言，由一个解释程序执行基语言，子程序可以是用户编写 的代码，也可以是基语言的一部分。a m l 具有与外部视觉系统的接口，也可以与数 控机器系统连接。最初的a m l 语言的硬件环境是一台最小1 9 2 k 字节的i b m s e r i e s 1 小型计算机，用于i b m 7 5 6 5 型装配机器人，后来a m l 的一个子集，用于控 制i b m 7 5 4 5 型机器人。a m 螂是一个试验系统，目的是提供一种具有机器人控制 能力的通用程序设计语言。 1 3 课题研究内容 c i n c i n n a t i l r 3 7 4 6 机器人是为了让学生更清楚地了解机器人运动而配置的实验 设备，学生直接用p m a c 运动控制卡编写程序不太方便，这就要求有一种高级编 程语言来控制机器人。本课题的研究内容是完成教学机器人上位机控制软件的设 一6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 计开发，尤其是机器人控制语言的开发。本软件是在w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下用 h | s u a lc + + 6 0 开发的机器人控制软件通过本软件，学生可以根据新编制的机器人 控制语言的语法规则，手动编写机器人控制程序控制机器人的运动，以便更为深刻 地理解工业机器人系统的各部分功能在软件开发过程中，需要完成以下三个模 块：手动控制模块、机器人语言编程模块、系统帮助模块。其中在手动控制模块 中，用户可以设定机器人末端执行器的位姿，然后选择运动方式，便可以控制机 器人进行简单的直线运动或者圆弧运动；第二个模块是机器人语言编程，这是本 课题的最主要任务，在这个模块中，用户可以根据新开发的机器人控制语言来编 写运动程序，控制机器人完成简单的运动；系统帮助模块是用来给用户提供软件 的使用说明，重点是机器人语言的使用说明。 一一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章机器人运动控制分析 第2 章机器人运动控制分析 2 1c i n c i n n a t it 3 7 4 6 机器人简介 2 1 1 概述 本课题研究的对象是c i n c i n n a t im i l a c m n 公司制造的一种精密的垂直多关节 型工业机器人。它具有六个全旋转关节，即具有六个自由度，采用交流伺服电机 驱动。它的具有传动精度较高，结构紧凑，工作空间大，适应性好，广泛应用于 机械工业领域，可用来从事搬运、喷涂、焊接等工作【2 引。 其结构如图2 1 所示： 图2 1c i n c i n n a t ir 7 4 6 机器人结构示意图 f i g 2 1t l h es k e t c hm a p o ft h es t r u c t u 北c i n c j n n a t it 3 7 4 6r o b o t 图2 1 表示了该机器人的外貌，旋转轴的位置、数量以及机器人本体主要构 成部件和大小臂的传动形式。它的主要构成部件是机座和腰部组成的回转腰关节， 以及大臂、小臂、手腕的等。 ( 1 ) 机座是一个整体铸铁件，其上安装有腰关节的驱动电机，驱动腰关节绕 一8 一 东北大学硕士学位论文 第2 章机器人运动控制分析 铅垂轴作回转运动，机座内部安置了腰关节的带传动减速装置以及用于测量腰部 转速的光电编码器，腰关节的回转轴及其轴承。 ( 2 ) 腰关节是负载最大的运动轴，对末端执行器的运动精度影响最大，故其 设计精度要求高，机器人的腰关节采用大直径交叉滚子轴承支承的结构，既使机座 高度大大降低，又具有更好的支承刚度。 ( 3 ) 大臂的传动装置采用性能很高滚珠丝杆传动机构。安装在大臂背面的驱 动电机驱动螺母只作旋转运动，丝杠的一端间接的固定腰部上，以防丝杆转动， 丝杆作直线运动，带动大臂作前后倾动。 ( 4 ) 小臂的传动装置与大臂相似，也是用滚珠丝杆作传动机构，小臂在丝杆 的带动下作仰角运动。小臂的后面安装了三个电机，用于驱动腕部的三个关节轴 作旋转运动。 ( 5 ) 腕部的结构为球汇交式结构，这种手腕有三个相交的关节轴，但不互相 垂直。其第一个关节轴线沿着小臂方向，第二个关节轴线较前一个关节轴线偏离 6 0 0 ，手腕的末端关节用于安装各种执行器，并带动它旋转。 2 1 2c i n c i n n a t ir 7 4 6 机器人技术参数 ( 1 ) c i n c i n 曲t if 7 4 6 机器人参数说明见表2 1 表2 1c i n c i 仰a t i1 r 3 7 4 6 机器人参数说明 r a b l e2 1c i n c i n n a t i1 3 7 4 6r o b o tp a r a m e t e re x p i a i n s 腕部第一个关节轴线沿小臂方向，第二个关节轴线较前一个关节轴线偏离6 0 0 ， 手腕的末端关节用于安装各种执行器，并带动它旋转。该结构的特点是，大臂、前 臂均采用滚珠丝杠传动，使得机器人可以达到很高的精度，由于采用了薄壁和整体 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章机器人运动控制分析 骨架的结构型式，有利于提高刚度，减轻质量。工作范围大，适应性广。它所能达 到的作业空间几乎是一个球空间，再加之手腕轴的活动角度大，因此使它工作时位 姿的适应性很强。 ( 2 ) c i n c i 肋a t i i 3 7 4 6 机器人的结构及关节参数如图2 2 所示。 图2 2c i n c i n n a t if 7 4 6 机器人结构及关节参数 f i g 2 2t h es t m c t u 心a n da r t i c u l a t i o np a r a m e t e ro fc i n c i n n a t it 3 7 4 6r o b o t 2 2 机器人正问题求解 机器人是一个多连杆系统，两杆之间的位姿矩阵是求得机器人执行器位姿矩 阵的基础。两杆间的位姿矩阵取决于两杆之间的结构参数、运动形式和运动参数， 以及这些参数按不同顺序建立的几何模型。本论文研究对象为6 自由度全旋转机 器人，因此只要研究以回转副联接的相邻杆件，如图2 3 所示。其一为厶一号杆件， 另一为厶号杆件。前者靠近基座，后者靠近执行器。联接两杆的关节编号为：厶一 与厶的关节为f 号关节；厶与厶“的关节为f + 1 号关节。连杆厶的固接坐标系墨， 令s ；的乙轴置于f 号关节的旋转轴上，这时墨的原点q 落在f 号关节的轴线上，即 坐标系墨置于杆厶的靠近基座的关节上，定义为坐标系前置。 一1 0 图2 3 连杆坐标系与连杆参数 f j g 2 3t h ec o o f d i d a i ea n dp a n m e l e ro fj i n k 对于旋转关节f 仅b 是关节变量，其他三个参数固定不变；本文所讨论的 一1 1 东北大学硕士学位论文 第2 章机器人运动控制分析 c i n c l n n a = r i1 3 7 4 6 机器人是6 个旋转关节的机器人。 2 2 2 连杆变换和运动方程 连杆坐标系“ 相对于“一1 ) 的变换t z 称为连杆变换，可以看成是坐标系 f 一1 ) 经过以下四个子变换得到的： 绕x “轴旋转口“角；沿x “轴移动口i 1 ；绕z i 轴旋转b 角；沿z i 轴移动d i 。 按照“从左向右的原则，可得到： 卜芗- 肋f ( x ，q 。) m 船( 工，q 一。) 砌( z ，包) 淞( z ，盔) c o s b s i n 瞑c o s 呸- l s i n 包s i n q _ l 0 一s i i l b c o s bc o s q i 0 0 s 包s i n q l 0 0 一s m q 1 c o s 口l l 0 q i 咆s i n q l 以c o s q 1 1 ( 2 1 ) 用吼表示第f 维关节变量，对于旋转关节，吼= b ；对于移动关节，吼= 或。 将各个连杆变换矩阵相乘，得到： ，- 7 “? ( 2 2 ) ：z 称为手臂变换矩阵，它是万维关节变量吼( f = 1 ，2 ，3 刀) 的函数。 图2 4 机器人坐标系机构简图 f i g 2 4t h ef r a m e w o r k c h a no f t h er o b o tc o o r d i n a t e s 一1 2 东北大学硕士学位论文 第2 章机器人运动控制分析 设机器人基础坐标系为s o ，末端坐标系为s 。，则s 。相对于s 。的位姿矩阵7 ， 就是机器人的位姿( 运动) 方程。由位姿矩阵所表示的机器人的位姿( 运动) 方 程是以各连杆之间的关节变量为变量的方程式。6 自由度串联机器人的位姿矩阵 为各相邻连杆位姿变换的连乘积，即 一7 ? ( 2 3 ) 根据各关节位置传感器的输出，得到各关节变量口；的值，然后根据运动方程， 即可求出：r ，由此就能确定末端执行器在参考坐标系中的位姿。 ( 1 ) 依据上述规则建立机器人的坐标系( 坐标系都按右手定则确立y 轴) ，如 图2 4 所示。 ( 2 ) 确定各连杆的结构参数和关节变量。各连杆的结构参数为已知，各关节 变量均为绕五的转角，分别表示为佛。结构参数和关节变量如表2 2 所示： 表2 2c l n c i n n a = r i1 r 3 7 4 6 机器人的连杆参数 t a b l e2 2n ep o l ep a r a m e t e ro f t h ec l n c l n n 矧1 3 7 4 6r o b o t 其中：a 2 = 1 1 5 0 m m 、d 4 = 1 4 3 0 m m 、= 6 0 。 ( 3 ) 连杆变换矩阵 根据连杆变换矩阵式( 2 1 ) 和表2 2 所示参数，可求得各连杆变换矩阵如下。 7 一 c qs b o 0 s bc b 0 0 0o1o 0 0 01 7 一 一1 3 一 c 岛 0 一s 岛 o s 钆 o c 岛 0 0 o l0 0 o 01 东北大学硕士学位论文第2 章机器人运动控制分析 一 7 t c 色 c 巾s e s s 牵s 9 s 0 o 4 2 0 0 10 0 7 一 一 一s 以 0 一c 以 0 c 吼一s 吼 00 c 妒吼一s 妒o s 加吼c 妒 o 001 各连杆变换矩阵相乘，得到机器人的总变换矩阵7 7 芗 将上面的各式代入得： 其中： 一 n io la lp t n ，o ，a ，p ， n zo z口zp z 000 ( 2 4 ) 他一( c l c 4 c 2 3 + 墨瓯) ( c 5 c 6 一黾& 2 ) + h c 4 一s 4 c l c 2 3 5 c 6 2 + & c 5 4 + 孙6 4 ) 一孙2 3 c 1 0 6 2 一c 6 一2 ) 2 刀，瓴c 4 c 嚣一s 4 c l x c 5 c 6 一屯2 ) 一( 墨s 4 c 嚣+ c l c 4 ) ( c 6 2 + s 6 c 5 4 + 孙6 4 ) 一硒s 2 3 0 6 2 一屯c 6 一s 6 c 5 2 ) 2 他一c 4 ( 2 一c 5 c 6 ) + & s 2 3 ( c 6 2 + & c 5 4 + 船6 4 ) 一3 c 2 3 ( & 2 一屯c 6 一s 6 岛2 ) 2 q - ( q c 4 c 2 3 + 墨& ) ( 一& q 一屯c 6 2 ) + ( 墨c 4 一s 4 c l c 2 3 ) ( c 5 c 6 4 + 4 一毛& 2 ) 一孙2 3 c l 瓴一c 5 c 6 2 + c 6 2 ) 2 o ，一( 墨c 4 c 为一s 4 c 1 ) ( 一s 6 c 5 一c 6 2 ) 一( 墨s 4 c + c l c 4 地c 6 4 + 4 一黾2 ) 。 一孤s 2 3 ( 屯一气c 6 2 + c 6 2 ) 2 d z s 2 3 c 4 ( c 6 2 + & c 5 ) + s 4 s 2 3 ( c 5 c 6 4 + 3 c 6 4 一黾& 2 ) 一3 c 2 3 ( 黾& 一c 5 c 6 2 + c 6 2 ) 2 q - 地( c l c 4 + 墨& ) 2 + “c 。一c l c 2 3 ) ( 3 4 一4 ) 一屯c l ( 1 4 + 4 ) 口，一如5 瓴c 4 c 一c l s 4 ) 2 一( c i c + & s 4 c 2 3 ) i ( 3 4 一3 c ；4 ) 一墨s 2 3 ( 1 4 + 3 c 5 4 ) o z 一一3 s s s 4 2 + s i s b 3 4 一一3 c 5 q c 器q f 4 + 3 c s | q p ，一1 1 5 0 c l c 2 1 4 3 0 苫2 3 c l p ，一1 1 5 啮c 2 1 4 3 鸭 见一一1 1 5 0 悔2 1 4 3 0 c 一1 4 0 以0 1 o 1 0 0咀。哪。 以鸭o o 岛b o 0 以m o 0 巩良 加加0 c s 0 印印0嚣葶。 东北大学硕士学位论文第2 章机器人运动控制分析 注：式中文，c ，分别表示s i i l 吼，c o s 吼