基于PC工控机的机器人运动控制研究.doc

分类号烈密级垒汪：学号东南大学硕士学位论文基于工控机的机器人运动控制研究研究生姓名：星丞耘导师姓名：苴呜副塾援申请学位级别王堂亟学科专业名称论文提交日期篮生目论文答辩日期学位授予单位塞直盔堂学位授予日期答辩委员会主席评阅人年月日兰查堕查堂堡主堂堡笙苎，：。，：东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。研究生签名：里垂立日期：缝妄皱东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：第一章绪论我国工业机器人概况第一章绪论在我国，机器人产业起步较晚，经过多年的发展，我国的上业机器人大致经历了个阶段：年代的萌芽期，年代的开发期和年代的适用化时期。我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入大量资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示救再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊以及搬运机器人。年国家开始实施“国家高技术研究发展计划（计划）”。在国家计划的扶持下，我国开始系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、目标产品、先进机器人系统集成技术及机器人在自动化工程中的应用研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人，尤其是在水下机器人的研究方面，居世界领先水平。从年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮。我国的工业机器人也在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人并实施了一批机器人应片程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。虽然目前我国机器人产业已有了一定的基础，但是由于起步晚，我国的机器人水平与西方发达国家的先进机器人技术相比仍有很大的差距，机器人技术的应用普及程度也不高。尤其是我国的多传感信息融合技术、智能装配机器人、机器人化机械等方面的开发、应用才刚起步，与国外先进水平差距很大。因此，从世界范围内的发展看，我国的机器人仍是一个弱势行业，需要大力发展。课题背景与意义工业机器人技术是一项涉及自动控制、计算机、传感器、电子技术和机械工程等多种学科的综合性技术。随着计算机、电子等技术的发展，工业机器人在近些年取得了迅速的发展；在发达国家，工业机器人技术发展趋于成熟，工业机器人本身作为一种标准设备已被世界范圈制造业特；是汽车与电子制造行业广泛采用，对提高企业自动化水平、劳动生产率、产品质量、经济效益和改善劳动环境起到了重要作用，成为现代制造业自动化的标志。工业机器人的先进程度与控制器有很大关系，控制器的成本对机器入的价格有很大影响，机器人控制器高成本限制了我国机器人的应用与发展，冈此开发一个低成本的机器人控制器是十分必要的。随着硬件和软件技术的迅速发展，计算机价格的降低，以及我国机器入应用和研究技术水准的提高，为开发低成本高性能的控制器提供了较为充分的条件。现在工业机器入常采用多结构，多主要是为了解决单运算能力不足的问题当今的运算速度和处理数据能力是的数百倍甚至上千倍，用单一的替代早期多结构已可能。若像国外机器人公司那样，自己设计专用机器人控制器计算机，成本大、周期长，不适合我国国情。如购买国外专用计算机势必造成机器人控制器的高成本。限制国产机器人控制器在我国的应用。而现在和总线工控机性能日趋完善，功能强大，其优良的扩展性和开放性，使它具有较高的性能价格比。目前，基于和总线工控机的数控系统被广泛采用，这也从侧面说明了下控机可作为机器人控制器硬件平台。随着计算机技术的发展，操作系统也发生了变化，从先前的，再蛩，在下，不能对硬件资源直接访问，需要有相应的驱动程序，虽然在市场上能买到带驱动的板卡，但为了节省经费，自行开发等板卡的驱动程序。另外，随着工业化生产对于自动化水平要求的提高，机器人的功能也要不断的增强，增加离线编程是机器人研究的重要课题，而三维动画仿真是实用化离线编程的重要内容。东南大学硕士学位论文本文从以上几个方面入手，讨论了机器人运动控制系统的一些问题，并提山解决方案。本课题的主要内容机器人运动学分析，求出其正逆解。直角坐标系和关节坐标系下的轨迹规划算法的设计及其实现。、和板卡驱动程序的设计以及测试实验。应用设计机器人三维动画程序，并以此为平台，模拟实际中的机器人，对运动学正逆解算法，关节轨迹规划算法等进行仿真实验。本课题使用的软硬件平台：工业控制计算机，硬盘，内存。本文内容安排全文共分为七章：第一章绪论。介绍课题背景、意义及其内容。第二章机器人运动学求解。详细介绍了运动学的正逆解的求法。并根据本课题机器人的结构特点，给出一种比较容易的求逆解方法。第三章机器人轨迹规划。详细介绍了关节轨迹规划、直线轨迹规划和圆弧轨迹规划算法的设计。第四章板卡驱动程序设计。介绍了在下等扳卡的驱动程序设计第五章系统软件总体设计。介绍了系统的整体设计以及各个功能模块及其实现。第六章机器人离线编程与仿真。先简单介绍了机器人离线编程，然后详细介绍了机器人三维几何模型的建立。第七章结论与展望。第二章机器人运动学求解第二章机器人运动学求解机器人运动学描述了机器人关节与组成机器人的各刚体之间的运动关系，是机器人末端工具的直角坐标空间与机器人关节空间之间进行相互转换的桥梁，是对机器人进行位置控制的理论基础。它包括由给定关节相对位置确定机器人末端执行器位姿的运动学正解和由给定工具坐标系所期望的位姿找出得到该位姿的关节变量的运动学逆解。运动学正解机器人的结构如图所示，机器人具有六个自由度，且六个关节均为旋转关节。为了研究机器人各连杆之间的位移关系，可在每个连杆上固接一个坐标系，然后描述这些坐标系之间的关系。根据和提出的通用方法，用的奇次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，建立机器人操作臂的运动方程。建立的坐标系如图所示，相应的连杆与关节参数如表。表：连杆参数图机器人结构图杆号关节变量（度）珥（）（）转角范围。（度）（度）（）（）（）（）（）（）。：绕。从。到魁转角，以逆时针为正。：绕从到，转角，以逆时针为正。东南大学硕士学位论文：沿从“平移到的距离，与正方向一致时为正。：沿一从一平移到。的距离，与一正方向一致时为正。图机器人坐标系坐标系之间的变换矩阵如：一小！。刘一马弘蓄！，繁口一一一。，曼刮剖【第二章机器人运动学求解一式中：，；一为了得到机器人末端坐标系相对于机器人基础坐标系的位置与姿态矩阵，从最后坐标系开始计算矩阵的积，一直返回计算到基础坐标系，具体推导略。硭爿？：；禽；一以，：。只口：只（）式中：，（一）一（），。【（一￥）】（）珂：一（一，）（）民卜（一）。（）是】（一）：一（），（一）一口。（一”）：一一只一（，砖一一）码口（一）辟墨十（）一一其中：（一），（一日）运动学逆解机器人运动学逆解在机器人系统中占有重要地位，它直接关系到运动分析、离线编程、轨迹规划，是将丁作空间内机器人末端件的位置、姿势转化成关节量的前提。一般的六自由度机器人运动学逆解非常复杂，往往没有封闭解，只有两类结构存在逆运动问题的封闭解，即三个关节轴交于一点，或三个关节轴相互平行。由于本课题机器人的腕部三轴交于一点，可直接求出封解。下面结合本课题使用的机器人，介绍两种求逆解的方法。解析法求逆解已知机器入的位置与姿态表达式为东南大学硕士学位论文以，只：，：，：一呜。吃吧吒。（）显然，可得到个简单方程式，正是这些方程式产生了所要求的解。对于解析法，不是对个方程式联立求解，而是用一个有规律的方法得到，在每一个方程式中用一系列变换矩阵的逆（，）左乘，然后考察方程式右端的元素，找出那些为零或常数的元素，并令这些元素与左端元素相等，以产生一个有效方程式，然后求解这个三角函数方程式。一口一，”岛岛冁一置忍）岛拇吃是；一忍）一乌妫最氏民日十仃一仃一一，岛矗锇靠）足娥足妊忍鼎）一呸曲日；武一嗽、：一岛触吨如磕坞南一如焉）芝矗翰岛蛹篙吨心舻足兰掌嘶鹕卜之，酶一蜮呸鲰悄氇）唧（蚂）鹕乌弛怕哆）骢巴蝎弓）吨皿玛是讯置吩）携是暾墨哆）也是（焉）致邑碗只墨）芝嚏马墨置弼置只肇（墨岛）曼（热）矗岛撼岛岛爿，爿，爿炳强蝎峰）坞搀飞强传是妃嚏墨吩）龟把龟稻蛔）吨捉焉蚂是舷粕）十呸焦蝴踮与岛如与妊呸档）嘎红气珥托是妊蝎）岛耍岛一（乌）扣（拽也）与璐龟妊号悄）喝照鳃飞嘲屿异嘎如只蝎）坞苁鹏（）第二章机器人运动学求解一￥一￥一一由式（）中的第三行第三列和第四列分别相等有一口￥一（）（）鼠：咖掣（）口由式（的左右两端的第四列第一行和第一二行有：岛凡一也一戥）屯以（）一吃砖一是妇）一岛痛啦（）由式（）的第三列第一行和第三行有：一（口，）：）（）￥（）一口（）把式（）和式（）代入式（）和式（），然后再平方相加得：一七（）岛一一习南（）式中；一（是；女：；），一（，）一：一：吼，有两个解。由式（）的第三列第一行和第二行有：（口）一￥（）。一￥（）东南人学硕士学位论文当时，可以求出吼一丽等等五当屯时，机械手处于奇异形位，此时，关节和关节重台。显然当，时，对任意的以上面的方程都永远成立，也就是说吼可以取任意值，变得无法确定，但为了使机器人运动平稳，以显然不能取任意值，在这里是这样处理的：取一个与前一插补点相同的关节角值。由式（）的第三行第和第二列有：￥（”毛以）行（）￥（）当，时，可以求出：吼伽尝筹当时，处理与相同。由式（）的第三列前三行有：￥一（口）一￥一（日）：口，：毒巨篆掌由式（。）的第四列第一行和第三行有：（，一）一：一一一（一口）由式（）和（）得上面求出的逆解，睦、都有两个解，对应。为此，必须作出判断，选择合适的解。（）（）（）对于一个真实的机器人，只有一组解与实际情况相柳咖蚴厶厶亿揣嚣器第二章机器人运动学求解（）根据关节运动空间限制来选择合适的解：例如求得关节角的两个解分别为和，由于。的运动范围是，所以为有效解，应选择该解。（）选择一个最接近的解，为使机器人运动是连续又平稳，当它具有多解时，应选择最接近上一时刻的解：例如，求得某关节角得两个解分别为和，该关节的运动范围为，设其前一采样时刻为，则选择。（）逐级剔除多余解，对于具有个芙节的机器人，它的全部解将构成树形结构，为简化处理，逐级剔除多余解。几何法求逆解上面介绍的解析法，求逆解复杂且计算量人。对于本课题的机器人，应用几何法求逆解要简单得多。对图的中的坐标系进行平移，使后三个坐标系的坐标原点位于腕部轴的交点上。通过结构分析，可以看出的坐标原点值的改变是通过关节角、和来改变的，也就是说机器人腕部的位置【。，：，仅跟、和有关。因此根据机器人前根连杆之间的几何关系可先由腕部的位置解出、和，再由腕部的姿态解出、和。根据几何关系及可直接求出（。，），然后求出腕部位置在坐标系）下的表示【”】此时连杆的几何关系如图。根据几何关系可得图连杆几何关系图口（。）（与口（二红）表示相同）根据三角形余玄关系可得：盯。（窿，：。一（口；”（口：扛而）由于的上限是。所以取：一（口口）岛一（，哆）（，吒）或陀）东南大学硕士学位论文岛一岛（啦，岛）一（，）（）由式（）得：，爿髻一。，一。：一，设式中；叶吒，一吼岛一（）由于机器人的腕部轴相交于一点形成一个球面副，因此，根据上面几式可求出三个关节角，勰小：（一，），（一嵋哇，）眈（，一）或只（，一）一（，）（一，）当见时，上述逆解退化，其处理思想与解析法介绍的一样。（）（）小结本章结合本课题的机器人讨论了运动学问题，包括运动学正、逆解。首先根据机器人结构，建立了坐标系，给出机器人运动学正解。然后结合机器人结构，应用两种方法求逆解。除此之外，讨论了求机器人逆解时的一些问题以及处理方法。蚴锄硼彻卫叫旺第三章机器人轨迹规划第三章机器人轨迹规划机器人轨迹规划，在机器人的规划中属于低层规划，讨论在芙节空间或笛卡尔空间中机器人运动的轨迹和轨迹生成方法。其目的是根据任务要求，通过一定的方法，计算出预期的运动轨迹。如用户给定有关路经和轨迹的若干约束和简单描述（目标位姿、路经点、持续时间、运动的速度、加速度等），通过轨迹规划就可获得机器人完成这一任务的具体运动细肖。工业机器人最常用的轨迹规划方法有两种：（）要求用户对于选定的轨迹结点（插值点）上的位姿、速度和加速度给出一组显示约束，轨迹规划器从一类函数中选取参数化轨迹，对结点进行插值，并满足约束条件。这种方法中，约束的设定和轨迹规划都在关节空间进行的，所以计算量小，运行速度快，可以最大限度满足实时性的要求。但是，由于对操作臂手部没有施加任何障碍约束，用户对手部的实际路径轨迹没有要求，因此会发生与障碍物相碰。在有障碍物的约束中来规划轨迹显然是不行的。为了简化问题，本论文只考虑无障碍的情况。（）要求路径约束是在直角坐标空间中给定的，而关节驱动器是在关节空间中受控的。这种方法中，考虑到实际的操作臂的具体约束（路径约束和障碍约束，或是其中的一种），而操作必须在关节空间中进行，为了得到与给定路径十分接近的轨迹，我们必须将直角坐标路径的约束映射到关节坐标中去（可以采用某种函数逼近的方法），然后确定满足关节中约束的参数化路经。轨迹规划可在关节空间进行，也可以在直角空间进行。在关节空间规划时，要规划关节变量的时间函数以及前二阶时间导数。在笛卡尔空间规划时，是将操作机手部位置、速度和加速度表示为时间函数，而相应的关节位置、速度和加速度可根据手部的信息导出。不管是在关节还是在直角坐标系下进行规划都必须满足所规划的轨迹是连续和平滑的，从而使操作臂的运动平稳。有定时插补和定距插补两种方法可以保证轨迹的不失真和连续平滑：（）定时插补从前面的分析我们知道，每插补出一个轨迹点的坐标值，并作为给定值，加到位置伺服系统以实现这个位置。这个过程每隔一个时间间隔（采样周期）完成一次为了保证运动的平稳（不抖动），不能太长。由于一般机器人机械结构大多属于开链式，刚度不高，。一般不能超过（），这样就产生了。的上限值。当然。越小越好，它的卜限值受到计算量的限制，即对于机器人的控制，计算机要在一个采样周期内完成一次插补计算和一次运动学逆解计算。对于目前大多数机器人控制器，完成这一次计算大约需要几毫秒的时间。因此，产生了采样周期。的下限值。当然，应当选择采样周期接近或等于它的限值，这样有较高的轨迹精度和平滑的运动过程。定时插补易于为机器人控制系统实现，例如采用定时终端方式，每隔一个采样周期中断一次，进行插补一次，计算一次运动学逆解，输出一次给定值。由于采样周期较小（一般几毫秒左右），机器人沿着要求的轨迹速度一般不会太高，再说，机器人运动精度远不如数控机床高。所以大多数工业机器人均采用定时插补方式。但是如果要求以更高的精度实现运动轨迹时，可以采用定距插补。（）定距插补在定时插补方式下，每两个相邻插补点之间的距离为。，此时，如果要两个插补点之间的距离恒为一个足够小的值，则速度显然不能变化。同理，在定距插补方式下，就要随着不同的工作速度的变化而变化，才能保证插补点距离不变。这两种插补方式的基本算法是一样的，只是前者固定时间，易于实现，后者保证轨迹插补精度，但是随变化的，实现起来相对要困难一点。下面我们分别对关节空间下和笛卡尔空间下的运动轨迹规划进行讨论。关节空间的轨迹规划机械手运动路径点（结点）一般用工具坐标系（）相对于工作坐标系（）的位姿来表示。为了求得在关节空间形成所求轨迹，首先用运动学反解将路径点转换成关节矢量角度值，然后对每个关节拟合一个光滑函数，使之从起始点开始。依次通过所有路径点，最后到达目标点。对于每一段路径，东南大学硕士学位论文各个关节运动时间均相同，这样保证所有关节同时到达路径点和终止点，从而得到工具坐标系（）应有的位置和姿态。尽管每个关节在同一段路径中的运动时间相同，但各个关节函数之间却是相互独立的。关节空间法是以关节角度的函数描述机器人轨迹的，关节空间法不必在直角坐标系中描述两个路径点之间的路径形状，计算简单、容易（主要是插值计算）。此外，由于关节空间与直角坐标空间之间并不是连续的对应关系，因而不会发生机构的奇异性问题。在关节空间中进行轨迹规划，需要给定机器人在起始点和终止点手臂的位形。对关节进行插值时，应满足一系列的约束条件，例如抓取物体时，手部运动方向（初始点），提升物体离开的方向（提升点），放下物体（下放点）和停止点等结点上的位姿、速度和加速度的要求；与此相应的各个关节位移、速度、加速度在整个时间间隔内连续性要求；其极值必须在各个关节变量的容许范围之内等。在满足所要求的约束条件下，可以选取不同类型的关节插值函数，生成不同的轨迹。关节轨迹插值计算的方法较多，下面讨论五次多项式运动轨迹规划算法：在已知机械手的初始位姿和目标位姿时，由运动学逆解算法算出一组对应的目标位置和姿态的关节角（已知初始的一组关节角）。因此，运动轨迹的描述，可用起始点关节角度与终点关节角度的一个平滑插值函数（）来表示，（）在时刻的值是起始关节角度，在终端时刻的值是终止关节角度。为了实现关节的平稳运动（考虑起始位置、速度、加速度），轨迹函数（）满足如下约束条件：（）起始位置：矽（）（）（）（）（）起始速度：护（）（）（，）口，（）（）起始加速度：（）口（）（，）口，（）取五次多项式为：口）。（）由约束条件（）一（）有：口（）吼。口（）巳。口，口；。哆；移（）（，）口，弓，（）口（，哆；由这些式子确定了一组含有六个未知数的方程组其解为：，第三章机器人轨迹规划，口，土；。：一一（，）；口一：（：。），（臼。一：）；巳一一（口，弦，）；这是一个过路径点的五次多项式（即两端点的速度不为零），如果在两端点停留，即两端点的速度为零：口（）、（，）。上面的多项式可以继续使用，只不过用零来替代（）、（）。这时插值多项式为：，一）岛岛砉哆一皤一一哆殍，刍嚷一哆一垮垮砉弓勰一一垮，上面是对单个关节的轨迹插值计算，对于六个关节的机器人，还需要考虑各个关节运动的协调，这主要是通过同时启动、同时停止的控制思想来保证。所以整体的插补时间确定如下：设要求机器人从点运动到点，点的六个关节角已知：。口，。口卸口。口蛐曰。点的六个关节角必须通过机器人运动学逆解来求得，口。臼目。口”臼口由点运动到点之间的持续时间为：，。，式中河，。表示关节的最大角速度。由于上式中有个不同的时间，所以该段的运动时间应选为：），六个关节角同时在时间内完成插补，就能实现点到点之间的运动。关节插补的流程图如图一所示：直角空间的轨迹规划在荧节空间下规划轨迹时，只能保证末端执行器能达到规划给定的路径点如目标点），而不能保证末端执行器所取空间路径的形状，如直线、圆弧等规则曲线。直角空间下的运动轨迹规划，是直接按末端执行器在直角坐标空间的位置和姿态，对时间函数进行规划的，其路径形状是规则曲线。在直角坐标系运用插补算法获得的中间点，是直角坐标值而不是关节角由于控制系统是通过机器入关节角来实现对机器人运动控制的，因此还要运用运动学逆解将其转变为对应的关节角。直角坐标轨迹规划流程如图。下面对直线、圆弧的插补进行具体的讨论。东南大学硕士学位论文图关节插补流程图图直角坐标插补流程图直线插补空间直线插补是在已知该直线起始点的位置和姿态，求轨迹中间点（插补点）的位置和姿态。对于大多数机器人，在沿直线运动时，其姿态保持不变，本课题的机器人也只考虑这转情况，如果要对姿态进行插补，可以参考后面的圆弧姿态插补。直线插补的步骤如下：设已知起始点的位置坐标值为（，毛）、，），其中、，是相对基础坐标系。计算其长度五（，一）（，一乩）（，一）：求间隔内的行程，这要分匀速、加速、减速几种情况来讨论：（）匀速：设速度为，则在插补周期内的行程矾呱；（）加速：设加速度为口，起始点速度为，则在插补周期内的行程雹去巧；整个加速度的路程：士矿，时间为，兰：口（）减速：与加速段对称，加速度为口，起始速度，则在插补周期内的行程：“口巧；整个加速度的路程口，时间为詈：计算总时间屯：计算插补点数；判断插补点所在段（在加速段还是在匀速段或在减速段），然后确定各轴的增量，实时计算各插补点坐标值；根据坐标值，运用运动学逆解算出各关节角；关节角的插值计算（用前面的五次多项式）；从上面可以看出，机器人实现一个空问轨迹的过程，是实现轨迹离散点过程，让这些离散点彼第三章机器人轨迹规划此很近，使机器人轨迹以足够的精度逼近要求的轨迹。为保证离散点的密度，可以采用定时插补和定距插补。上面的算法采用的是定时插补。圆弧插补为简单，首先介绍平面圆弧插补算法。已知不在一直线上的三点（，），（，），（）如图，设沿圆弧运动速度为；插补时间间隔为。其规划计算如下：由，计算圆弧半径：总的圆心角目（一）（一）岛（一）（一）（也）（）图由已知三点确定的圆弧求间隔内的行程，这要分匀速、加速、图空问圆弧平面与基础坐标关系减速几种情况来讨论，与直线插补中的相同计算总时间，十，：计算插补点数；，判断插补点所在段（在加速段还是在匀速段或在减速段），然后确定各轴的增量，实时计算各插补点坐标值；根据坐标值，运用运动学逆解算出各关节角；关节角的插值计算（用前面的五次多项式）；对于空间圆弧插补的思路：先把三维问题化为两维问题，即在圆弧平面内插补，然后平面圆弧插补算法求出插补点坐标值，然后再把这点坐标值转变成基础坐标系下的值。首先根据给定的空间三点，），），儿，），建立圆弧平面坐标系（圆弧平面与基础坐标系平面交线分别为，），即使坐标系的原点与圆心。重台，并设一靠月平面为圆弧所在平面，以向量为坐标系轴，以。为坐标系的。轴，再根据右手准则确定坐标系的。轴。新坐标系与基坐标系的关系如图。这样三维的圆弧插补问题化成了二维的圆弧插补问题，可以应用上面平面圆弧插补的结论。东南大学硕士学位论文求圆心坐标（，）：首先判断三点是否共线，即是否等于零，如果是，则不符合圆弧插补要求，不是，则可以由这三点确定匿誊主（）经过的中点，以为法线和经过的中点，以为法线的平面方程分别是：一半）鸭一一）一苎孚）魄一）（一华）一毛）：（）一半）鸲一）（一旦孚）魄强）乜一华）（）：（圆心经过上面三个平面，可把圆心坐标代入得到三个方程，即可求出圆心坐标值。求出圆心后，就可以求出。然后的工作就是求两坐标系的转换矩阵，以实现坐标之间的相互转化。若。轴与基础系轴夹角为口，轴与基础系轴的夹角为卢，则可以通过一次平移两次旋转实现从新坐标系到基础系的转换，即：（）把月一孙的原点平移到基础系圆点：（）然后绕轴转口使与平行；（）再绕。轴转角，使。与平行；故转换矩阵（，）尺（，）月（，）芦卢芦口口口式中：，为圆心在基础系下的值：口彳占（爿口）（鲁）月口一一，（、可根据式求出）当需要把基础系的坐标值表示在。月一坐标系里，就需要用到疋的逆矩阵（儿）一，一（）一（芦）空间圆弧插补小结：（）利用的逆矩阵将示教点坐标值转换为月坐标值：（）得到一工月下的坐标值后，按平面圆弧插补公式计算插补点坐标（）利用耳将计算出来的插补点表示在基础坐标系里。以为坨粥订也妈苎三至垫墨垫丝塑型有时机器人手持工具，工具的姿态需要不断变化，这需要姿态插补。下面对姿态插补作一介绍：机器人手的姿态是用，以，：口：口，口：来描述的，实际上，这矩阵前三列中的任何两列都能确定手的姿态。起点为：，疗，疗：，：，终点为，：，：，；。求出总姿态的插补步数；，求每步增量。（：一：），（口；一）：（；）；（胛：一疗：，（；一：（；一堪求每步下的姿态疗，疗：幽，行，月；，聍：；讼；。；，：小结轨迹规划就是按照约束条件使机器人从初始状态运动到目标状态。在机器人运动控制中，起着很重要的作用。本章详细阐述了在关节空间和在笛卡尔空间下轨迹规划的方法和实现。给出了在笛卡尔空间直线轨迹和圆弧轨迹规划的算法。东南大学硕士学位论文第四章板卡驱动程序设计在开发机器入控制系统时，需要用到一些板卡，例如：用卡把数字量转换为模拟量；用卡来获得电机是否超速以及报警处理等：用卡采集传感器信号。在早期的系统下，用户可以通过、等系统函数来实现板卡硬件端的直接访问；但在下，由于受保护模式的限制，运行于用户态的应用程序不能直接访问硬件资源，必须借助相应的设备驱动程序通过执行于核心态的驱动程序来对板卡的硬件资源进行访问。（）是微软提出的一种全新的驱动程序模型，以子系统提供的一组通用服务为基础，改进了由一组核心扩展构成的功能实现对即插即用、设各电源管理、和快速反应流的支持。能运行在、平台上，而且驱动程序还可以在不修改源代码的情况下经过重新编译后在非平台上运行，是一个跨平台的驱动程序模型。在讨论板卡驱动程序设计之前，先对和驱动程序作一介绍。和删驱动组件简介操作系统的主要组件如图，在操作系统环境下，一部分运行于用户模式，其它的运行于内核模式。图组件总览操作系统包括了许多内核模式的组件，它们被精心地定义为功能相互独立地组件。对内核模式驱动程序设计者来说，最感兴趣的就是内核、管理器、即插即用（）管理器、硬件抽象层、内存管理器、运行支持和进程结构等组件。对于本课题的板卡驱动程序，主要是管理器。苎骂兰堡翌垫墨壁垫盐当用户模式程序需要读取设备数据时，它就调用函数，如。子系统模块（如通过调用平台相关的系统服务接实现该，而平台相关的系统服务将调用内核模式支持例程。在调用中，调用首先到达系统（）中的一个入口，函数。然后这个用户模式的函数接着调用系统服务接口，最后由系统服务接口调用内核模式中的服务例程，该例程同样名为。我们经常说是管理器的一部分。“管理器（），这个术语多少有些误导，系统中并不存在名为“管理器”的单独执行模块。但当我们讨论围绕在驱动程序周围的操作系统服务“云”时，我们需要使用一个名字来代表，而“管理器”就是我们通常使用的名字。系统中还有许多与相似的服务例程，它们同样运行在内核模式中，为应用程序请求提供服务，并以某种方式与设备交互。它们首先检查传递给它们的参数以保护系统安全或防止用户模式程序非法存取数据，然后创建一个称为“（请求包）”的数据结构，并把这个数据结构送到某个驱动程序的入口点。在刚才的调用中，将创建一个主功能代码为头文件中的一个常量）的。实际的处理细节可能会有不同，但对（于例程，可能的结果是，用户模式调用者得到一个返回值，表明该代表的操作还没有完成。用户模式程序也许会继续其它工作然后等待操作完成，或者立即进入等待状态。不论哪种方式，设备驱动程序对该的处理都与应用程序无关。执行的设备驱动程序最后可能会访问硬件。对于方式的设备，一个操作将导致直接读取设备的端口（或者是设备实现的内存寄存器）。尽管运行在内核模式中的驱动程序可以直接与其硬件会话，但它们通常都使用硬件抽象层（）访问硬件。读操作最后会调用从某个口读取单字节数据。例程执行的操作是平台相关的。在计算机上，使用指令访问设备端口，在计算机上，使用内