（机械制造及其自动化专业论文）环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究.pdf

硕士论文环保压缩撬装配枫器入控拳j 技术鼓软透靛期研究 摘要 机器人技术是高技术的煎黉组成部分，是实现生产自动化的关键技术之一。随 着相关学科黝发展及各种先避技术的应用，机器人的研究与开发越来越受弱广泛的 重筏，其蠢邀姆懿瘟秀蘩蓉。靛| 溪撬器大遗牙王撵霹淤缩短生产溺麓、提高产晶震 量、改善嫩产条件。 本文以“环保压缩机装配机器人”为应用背景，对机器人技术谶杼了探索和研 究：探索“工业机器人组合式、模块化设计”方法，基于“组合式+ 模块化”设计思 路研翻蹬“繇保歪缝瓤装甏瓿辫入”；羞重予研究“蕊手p c 熬秀藏式缝簿控囊l 嚣”， 结合装配褫嚣入实际应雳设诗撩涮系统；探讨先避静税器人鞔迹艇麓方法，建立装 配机器人的运动学模型，对机器人的轨迹规划进行研究；编制装配机器人控制系统 软件程序。 【关键镯氧 工娆辊器人，装配，控翻投术，控制器，辘谶栽麓 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 a b s t r a c t r o b o t i c si st h ei m p o r t a n tp a r to fh i g h t e c ha n di ti so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s a c h i e v i n g a u t o m a t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fi n t e r r e l a t e d s u b j e c t s a n dt h e a p p l i c a t i o no fa l lk i n d so fa d v a n c e dt e e h n o | o 昏e s ，p e o p l ea t t a c hi m p o r t a n c et ot h e r e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o no fr o b o t i c sw i d e l y t h ea p p l i c a t i o no fr o b o ti sk e p ti na g o o d f o r e g r o u n d i tc a ns h o r t e np r o d u c t i o nc y c l e ，i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t ya n dr e f o r m m a n u f a c t u r i n g e n v i r o n m e n t t h i sp a p e r e m p h a s i z e so nt h er e s e a r c ho f r o b o t i c sb a s e do nt h ea s s e m b l yr o b o to f e n v i r o n m e n t a l i s mc o m p r e s s o r s e a r c h i n gt h ew a ya b o u tt h e d e s i g no fi n d u s t r i a lr o b o t b a s e do nc o m b i n a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o n ，a n da l s o m a n u f a c t u r i n gt h ea s s e m b l y r o b o to fe n v i r o n m e n t a l i s m c o m p r e s s o ra c c o r d i n gt o t h i s i d e a e m p h a s i z i n gt h e r e s e a r c ho fo p e ns y s t e mc o n t r o l l e rb a s e do np c d e s i g n i n gt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e a s s e m b l y r o b o t f o l l o w i n g t h ec o n t r o l l e r s a p p l i c a t i o n d i s c u s s i n g t h ea d v a n c e d m e t h o d so fp a t hp l a n n i n g b u i l d i n gu pt h ek i n e m a t i c sm o d e lo ft h ea s s e m b l yr o b o t a n d r e s e a r c h i n g t h er o b o t sp a t h p l a n n i n g p r o g r a m m i n g t h es o f t w a r ep r o g r a mo ft h e a s s e m b l yr o b o t sc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s l ： i n d u s t r i a lr o b o t ，a s s e m b l y , c o n t r o l t e c h n o l o g y , c o n t r o l l e r , p a t hp l a n n i n g 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 第i 1 耄绪论 二十一世纪是知识经济的时代，“发展高科技、实现产业化”是邓小平同志科技 思想的重要组成部分。随着世界经济的发展，高科技成果大量涌现并迅速产业化，高 科技在各行各业中的渗透，提高了劳动生产率，使世界经济得到了巨大的发展。 在现代制造业领域中，机器人技术是高技术的重要组成部分，是实现生产自动化 的关键技术之一，正引导工业自动化经历又一个转变。机器人具有许多人和普通机械 所不可比拟的优良特性，它并不是在简单意义上代替人工劳动，而是综合了人的特长 和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能 力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它 也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先 进制造技术领域不可缺少的自动化设备：缩短生产周期、提高产品质量、改善生产条 件，非常适应现代化生产发展的需要。 1 1 机器人发展现状 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿 生学等多学科而形成的高新技术。机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专 用装置，通过可编程序动作来执行各种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。工 业机器人由操作机( 机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一 种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动 化生产设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对提高产品质量、提高生产 效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。我国国家标准将工 业机器人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能 搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”。在标准中给出了“操作机”的明 确定义：“操作机”是“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其 他操作的机械装置” 见g b l 2 6 4 3 - - 9 0 】。 自6 0 年代研制出第一台通用工业机器人，工业机器人的研究和开发在国外工业 发达国家中一直备受青睐。特别是随着相关支撑学科( 如人工智能、计算机技术、传 感器技术等) 的发展，工业机器人的研究和开发突飞猛进，应用进一步扩大，已经成 为一个独立的高科技产业。在经历了第一代机器人( 示教机器人) 和第二代机器人( 适 应控制机器人) 阶段，工业机器人研究不断向第三代机器人( 自律机器人) 即智能化 方向发展，以适应“敏捷制造”，满足多样化、个性化的需求，并适应多变的非结构 环境作业，向非制造领域进军。 我国工业机器人的研究从8 0 年代“七五”科技攻关开始起步，随着世界机器人 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开发与应用工程等方面取得 了可喜的进步。尤其是随着改革开放的深入及与国际市场的接轨，新产品、新工艺的 需求需要有新的设备来武装制造业，机器人应用在我国具有良好的前景和希望，在汽 车、电子、家电、机械、轻工等行业尤为必须。 目前，机器人技术的研究正向着两个主流方向发展：一是生产系统的机器人化， 即工业机器人的发展和应用使自动化生产系统由单机自动化发展成为车间自动化，由 个体机器人发展成为群体机器人的协调合作。随着机器人应用技术的发展，使自动规 划、自动设计、自动制造和自动管理成为可能，从而实现无人化车间自动生产的最终 目标。二是机器人智能化。即通过机器人技术与人工智能技术进一步结合，并随传感 技术、模糊数学、神经网络、控制及计算机技术的发展，使机器人的智能水平迅速提 高，从而只需给出最终目标，机器人便能自行了解环境，分析确定实现目标的步骤， 并自动完成任务。这就离不开控制技术及轨迹规划技术。 机器人操作机小型化、轻量化；驱动方式逐步以电驱动代替液压驱动，且愈来愈 多地采用交流伺服系统；传动方面追求高刚度、小间隙，以求提高机器人运动精度， 甚至，i ：发电机直接驱动；控制方面由导引示教向n c 、离线编程发展，进而发展到自 适应控制和学习控制：模糊控制、人工神经网络等技术将得到进一步应用；随着系统 化、集成化生产发展，基于p c 的开放式控制系统将是机器人控制和车间一级控制的 发展方向。 感觉功能方面将实现多传感器信息的融合，包括视觉、触觉、力觉、接近觉等， 研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器与驱动器的一体化技术、感觉功能 继承模块等：实现智能化的安全可靠性，机器人必须具有对各种意外情况的应变能力， 及时采取预防措施和安全对策，包括硬件级、软件级、应用级和人机系统级的自诊断 和自修复故障。 随着机器人产业的不断进步，各种先进技术的广泛应用，机器人必将进一步走进 人类生活。 1 2 机器人控制技术 机器人控制技术对其性能的优良起着重大的作用。在机器人学的研究中，机器人 控制系统的体系结构研究一直是人们关注的热点。9 0 年代的十年已被看作是基于p c 的技术迅速发展的年代。这种基于p c 的硬件和软件的迅猛增长，对制造业( 从定单 输入和系统分析到生产线过程控制) 有十分重要的意义。随着i n t e l 奔腾处理器和微 软w i n d o w sn t 的出现，制造商已有了一种真正的开放式体系结构，非专有的控制环 境可以利用。这种环境支持、促进不同制造设备的广泛的系统集成，它也使制造商能 容易地开发用户应用程序，以支持其过程并获得第三方在现成的软件包中得到的经 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 验。更为蓬要的懿，p c 疆俘和软件平台是在工照：莽可接受的硬伟部件和软件鬻规标 准下建立的，采用标准的好处可以容易地转移到工厂车间和控制工业。 多年来，辊嚣久控翱系统体系结梅豹矫究主癸着眼予税器入蠡身懿技术遴步与功 能的增强，比如满足智能控制体系的发展。随着机器人在工业上的广泛应用，机器人 已成为工潼生产系统中静一令标准部释。遽过鼹终或者工照总线终生产线上各静设各 的控制系统有效避接，形成一个综合控制系统，已成为现代生产设备的发展趋势，它 将大大热速整个羧麓系统敬数撂与信惠浚逶莠奏蒺实瑰共事，圈露方覆产熬凌诗人燹 和系统设计人员的程序设计。然而，现代工业的生产设备娥由不同厂家的设备组成的， 甄藏对予大部分设蚕来谈，若怒游其综台起藏麓令垂凌亿系绞是缀困雉嚣。囊以， 工业设备的开放性倍受关注，工业机器人开放式控制系统是目前图际上控制系统发展 躬趋势，瓣琢上发达国家瞧在该镁域震嚣了激烈瓣竞争。荧藿继n g c 磅究计划( t h e n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o la r c h i t e c t u r ep r o g r a m ) 之后，又由0 m a c ( o p e n m o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o lp o s e r sg r o u p ) 组织安囊 了开发计划，英强兹楚开 发丌放式体系结构的模块化控制系统，以提升美豳自动化装备的水平。欧共体也谯积 极挺行o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 的 研究开发，其目的是使控制系统鼹有充分的开放做。日本闽样也在积极进行这方面的 工 乍，许多企业在联合推行o s e c 计划( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t f o rc o n t r 0 1 ) ，以便 使控制系统的结构更灵活、更适应未来发展的需骚，o s e c 结构将其研究范围遍及整 个自动化领域，并且广泛与美欧等国家的鞠应结构交流，众图使其成为该镁域的标准。 工业机器入掇制系统的开放憔的研究除受自身技术发展促进之外，还受到其它两 方颟积极因素的影响：一楚在工业生产系统中，开放的自动化设餐控制器给用户、生 产者以及系统集成者带来可扩展、可联网、可移檬等诸多好处；翳一因素则是当前计 算机、网络以及控制技术研究和商品化水平的不断提高，提供了增强控制系统开放程 魔的可行健。 工业机器人成用领域非常广泛，形成宪全豹统一标准是困难的。但是，针对特定 的应用，建立部分统一标准是可行而置有益的。例如半导体工监的自动纯制造设备事 实上已经肖了与上层监控系统的标准化交互界面；欧洲的焊接机器人生产者、用户、 祭成商开袋了将梳器入控铜器与上层仿真软件商黼的交曩莽面标准亿的工彳笮。霞蘸， 商品化的工业机器人控制系统的歼放水平事实上b 经成为影响其市场竞争力的熏要 函索，工渡税器入开放式控镑l 系统是控制系统发黻的趋势。 1 。3 机器人轨迹规划技术 随着帽关学科的发展，机器人性能不断提高，其应用领域不断扩大。而同时，对 捉爨久戆褰g l 纯承乎豹要袋也越慕越衰。撬器久鹣蟹裁必惫括诸熬控裁及实现、糕划 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 技术、人工智能等多个方面，其中规划技术是机器人研究领域中的一项重要内容。规 划技术是提高自动化水平的关键技术，也是人工智能在机器人技术中应用的重要体 现。规划技术在机器人与自动化领域中均引起了广泛重视。 所谓规划是指机器人在运动之前根据目标要求确定应采取的方法及运行步骤。机 器人的规划技术主要包括任务规划、装配规划、路径规划及自动抓取规划等。机器人 规划系统的基本任务是：在一个特定的工作区域中自动地生成从初始状态到目标状态 的动作序列、运动路径和轨迹。动作序列是由动作规划产生的，而运动规划主要完成 空间路径的设计。 任何一种机器人要完成所规定的任务都必须进行运动规划。一般说来，运动规划 从算法上通常有两层组成：路径规划和轨迹规划。路径规划根据空间几何信息来规划 出一条控制对象在空间中运动的轨迹，所产生的轨迹通常是一系列空间中的离散点。 而轨迹规划则解决如何在满足控制对象速度极限、加速度极限的前提下使控制对象以 最短的时间通过这些空间中的点。传统的轨迹规划分为两种：一种是关节空间的规划， 另一种是笛卡尔空间的规划。这两种方式各有其优缺点，关节空间的轨迹规划相对要 简单，而且不会出现奇异位形，但是其末端的运动轨迹不直观；笛卡尔空间的轨迹规 划则比较直观，但在规划过程中容易进入机器人的奇异位形，同时其运动学反解问题 也相对复杂。 轨迹规划算法的输入是离散点序列，而输出是一条通过这些离散点的空间轨迹， 因此轨迹规划问题实际上是一个插值问题。目前工业机器人常用的方法是一种示教 法，也就是在机器人的运动轨迹上取一些关键点，记住这些点所对应的关节坐标，然 后在每两个关键点之间进行插补，显然，要想使末端执行器严格的按照所要求的轨迹 运动则必须取得足够多的点，在实际应用中可想而知工作量是巨大的。 进入9 0 年代尤其是最近几年来，由于机器人研究的迅速发展以及对更加快速和 精确的轨迹规划算法的要求，b 样条插值算法被越来越多的用在机器人关节控制及运 动规划等领域；此外，基于c 空间法的机器人避障、运动规划也得到比较多的应用。 这些算法的具体内容将在本文第4 章中讨论。 1 4 课题来源及本文的主要内容 本课题“环保压缩机装配机器人”是与连云港德兰环保压缩机有限公司合作的 重大科技项目。德国、波兰合资连云港德兰环保压缩机有限公司是生产生态环保冰箱 专用压缩机的企业，为中国环保压缩机专业生产基地之一。在环保压缩机装配过程中， 为了控制氯离子的介入，将所有零件清洗后进行装配，不得再有人工接触，因此采用 装配机器人拾取零件并完成装配，保证环保压缩机的高质量。采用机器人装配，不仅 可以极大地提高劳动生产率，而且可以大大地提高产品的质量和可靠性，降低废品率， 4 石贞士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划讲究 谶而降低产品成本。 。4 。1 零人在磺究项舅中承担的任务 漩配机器人机械本体( 操作机) 部分设计。 装嚣规嚣人控刳系统设诗及调试( 控制技术研究) 。 机器人的运动轨迹规划问题研究。 。4 。2 本文酶主要杰饔 第l 章：概述了国内外机器人发展现状、控制技术及轨迹规划的研究状况，弗阐 述了本课联的项霞来深。 第2 章：介绍了所开发的装配机器人结构设计及构成。 第3 章：装醚梳器入的控割方案及撩隶l 系统静设诗磷究。 第4 章：建立装配机器人运动学模型，给出其运动学正解、逆解问鼷的分析，并 论述装配穰器人寒端撬嚣嚣豹鞔逡瓣翔阕麓。 第5 章：装配机器人控制软件结构及设计。 繁6 章：怠绥及震蘩。 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 第i | 2 誊环保压缩机装配机器人结构方案及构成 装配指将零件结合成为完整的产品的生产过程。装配工艺可由以下三种不同的方 法之一获得：人工装配、机械的自动化装配、柔性装配或机器人装配。单位装配的成 本，也取决于产品的年产量和采用的装配方式；人工装配的单位装配成本保持为常数； 自动化装配则随产量的增加线性降低；而机器人装配则表现为双曲线函数关系。 1 人工装配工艺是可取的，因为人们在人工装配工作中，极具柔性和匠心。人工 装配操作的启动成本非常低，规模的扩大简单及花费不大，人工装配的装配成本相对 于产量是常数，由于人的体能和技能的限制，生产率很难持续提高，人工装配的生产 率会趋于一个极限。 2 机械自动化装配系统的特点是周期固定、运行稳定、生产率高。随着年产量的 增加，单位部件的成本可降低，需要专门的机械设计师和熟练的技术人员维护和支持 这些设备。 3 柔性或机器人装配是对机械的自动化装配的速度和精度，与人工装配的柔性的 一个很好的折衷。设备通常能适应设计的改变，在产量上具有柔性和可重复性。 2 1 装配机器人 全球竞争的加剧推动了装配技术的发展，出现了机器人自动化装配系统，它适应 了产品多品种、小批量生产的需要，受到工业界广泛重视。制造业是机器人主要的应 用背景之一，随着传感技术、模糊数学、神经网络、控制及计算机技术的发展，使机 器人的智能水平迅速提高，功能越来越强，应用范围越来越广。 机器人装配操作是机器人夹持一个装配件装入( m a t e ) 另一个装配件的操作形式。 这种操作形式不仅存在于制造业的装配作业中，也大量存在于各种非制造业的应用中 ( 如航天器的空间对接等) 。采用机器人装配，不仅可以极大地提高劳动生产率，而 且可以大大地提高产品的质量和可靠性，降低废品率，进而降低产品成本。 2 1 1s c a r a 型装配机器人 豁磐：簿攀羹 毫真带坐耢攀b 嘞酝獬攀龌燃 吐誉：1 5 1 犟l 修髯 i u 譬e a r , a 鬃 图2 1 1 1 工业机器人常规配置方式 6 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 一般而言，通用机器人均可用于装配操作，按不同的坐标系配置可归纳为以下几 种方式：直角坐标的配置方式、圆柱坐标的配置方式、极坐标的配置方式、关节型的 配置方式、s c a r a 型的配置方式等( 如图2 1 1 1 ) 。利用机器人固有的结构柔性，可 以实现装配操作。由于装配操作对机器人的精度、速度和柔顺性等性能要求较高，出 现了更适于装配操作的装配机器人，常见的两类装配机器人是s c a r a 型机器人( 图 21 1 1 e ) 和直角坐标机器人( 图2 1 1 1 a ) 。 s c a r a ( 选择柔性组合机器人臂：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 ) 型 装配机器人最早由m a k i n o 于7 0 年代后期研制成功，是具有选择柔顺性的平面关节型 机器人，其所有转动关节的轴线都是与立柱平行的，其显著特点是：运动速度快、重 合定位精度高。因为其结构的关系，机器人在垂直方向刚性很好，但在水平方向却有 较好的柔性，因而有助于插装作业。s c a r a 型机器人广泛应用于装配、搬运等行业 领域中，并成了装配机器人的主流机型。图2 1 1 2 为某型号s c a r a 型装配机器人的 具体指标。 弼e 日 霉期黎搬 谢翱蠊：两搬鲞耆鼓 指舔 簿蓬期端囊濑。驽噙口峨 藏爨糍i 翟卿鞠酾磷 静每籀崩- 斌；黼 潇、t 靴螭j 辄生o ，m 托 ， 第差轴：尘。酒赫m ，蒡四轴；n ? 口望 籀国瓣 型m j 旷、 生蕾4 0 1 5 0 影 3 6 醴 终端瓮精黜臣潮k 醇龋 图2 1 1 2s c a r a 机器人本体技术指标 2 1 2 关于本课题“环保压缩机装配机器人” “环保压缩机装配机器人”项目正是在此背景下与连云港德兰环保压缩机有限公 司合作的重大科技攻关项目。其生产线是目前国内最先进的、自动化程度最高的生产 线之一，生产节拍为1 4 s 。在环保压缩机装配过程中，为了控制氯离子的介入，将所 有零件清洗后进行装配，不得再有人工接触，因此采用装配机器人拾取零件并完成装 配，保证环保压缩机的高质量。 髓器潮黧 口1，1，肆i。m矸 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 2 1 2 i 本课题研究的目的、意义 通过装配机器入的研究开发和以装配机器人为核心的环保压缩机自动化生产线 的研建，使连云港德兰环保压缩机有限公司在压缩机生产领域内，不仅产品处于国内 领先地位，雨且在压缩机生产领域的技术水平与产业素质提高到行业之首，并收到良 好的经济效益和社会效益。为我省特别是为苏北工业企业的现代化、集约化生产作示 范，促进我省科技发展，促进高新技术的发展，培养2 l 世纪苏北经济的新增长点。 通过本项目的研究开发，用工业机器人代替人工操作把工人从单调、繁重、枯燥 的工作中解放出来，可最大限度地改善工人劳动条件，降低劳动强度，提高生产率， 保证产品质量的一致性。通过本项目研制开发，并将其成果转化为商品，实现机器人 技术产业化。以适合于我国经济发展需求的，良好的性能价格比的工业机器人来取代 进口机器人，发展自己的机器人产业。 2 ，1 2 2 主要研究内容、关键技术及主要技术指标 1 主要研究内容： 系统总体设计技术。 机器人操作机机构和传动设计技术。 机器人及应用系统的控制技术。 系统的伺服技术。 一装配机器人环保压缩机自动生产线控制协调与工程应用。 2 关键技术： 操作机的机构设计与传动技术。由于机器人运行速度快，定位精度高，需要 进行运动学与动力学设计计算。解决好操作机结构设计与传动技术问题。 机器人控制技术、规划技术。由于受到自动生产线和装配精度的要求及其它 设备的限制，使机器人不仅进行点位控制，还需进行轨迹控制，所以合成运 动的分解、求逆复杂，实时分析计算工作量大。另外，生产线内需要服务的 设备多，控制部分还需具备相应的调度，管理功能。 可靠性技术。由于自动化生产线的要求，机器人必须具有对各种意外情况的 应变力，及时采取措施和安全对策，包括硬件级、软件级、应用级和人机系 统级的自诊断和自修复故障。 适应性技术。适应性技术即满足环保压缩机自动生产线使用要求的总体技术 和协调技术，这是本装配机器人能否获得成功应用及产业化的关键。 3 主要技术指标： 负载6 公斤。 6 个自由度。 位置重复精度o 1 m m 。 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 2 1 2 3 课题研究预期成果及效益 本项目是为连云港德兰环保压缩机有限公司研究、开发压缩机生产用装配机器人 及其应用系统，机器人采用6 自由度关节式方案，通用性强，只需换装不同的末端执 行器就可适用不同规格的产品的需要。 本项目的生产应用从系统运行控制角度看，等同于一个小型f m s 系统。需采用 三级( 生产线系统级、机器人级、驱动级) 运行控制，是一个综合性自动化系统。 连云港德兰环保压缩机有限公司采用机器人进行装配后，能以最佳的生产节拍， 在节省能源的前提下使产品的产量和质量得到提高，提高其产品市场占有率。预计仅 从能源利用节省人力角度在2 3 年内即可收回成本，再加上人员减少，质量提高， 其经济效益十分明显。采用机器人，使工人从繁重、单调、重复性的体力劳动中解放 出来，大大改善劳动条件，提高现代化文明生产水平。 装配机器人在更换末端执行器后还可用于其它行业，如大型零件加工时的上下 料、冲床加工时的上下料、铸件、锻件的搬运，提高车间及仓库的柔性化和自动化。 总之，本项目完成后，无论从应用厂家，还是从生产厂家看，带来的经济效益、 社会效益都是巨大的。 2 2 工业机器人设计中组合式及模块化思路 目前机器人技术领域的研究工作从智能化程度来区分，主要分两个方向：一是全 功能通用机器人的研究；追求高智能化，即在计算机控制下的视、触、听、嗅觉与肢 体动作协调一致、高度拟人化的机器人。二是不过于强调机器人的智能化，提供价格 和性能都能令人满意的简易型机器人。我国机器人技术的研究工作起步较晚，虽已取 得较大进展，但较之工业发达国家的水平仍有较大距离，应积极探索适合我国国情的 工业机器人应用的思路。 2 2 1 工业机器人设计组合式思路 根据我国的实际情况，我们认为工业机器人技术的开发的思路应从以下几个方面 进行考虑： 实用性：应能开发出市场急需的、功能实用的、满足用户要求的机器人。在 此，应强调功能实用性，不片面追求所谓的高科技和功能全面先进性，先进 并不等于实用。 快速性：能够在尽可能短的时间内将机器人产品投放市场和发往用户，实现 机器人产品的快速制造。 高质量：能够生产出品质优良的机器人产品，不言而喻，只有质量好的机器 人产品才能赢得工厂用户的青睐。机器人配置中关键部件采用进口产品，进 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 一步保证机器人产品的质量。 低价格：能够向市场提供价格低廉的机器人产品。价格往往是用户购置机器 人时考虑的首要因素，机器人开发应尽量选用标准件、通用件，减少自制件， 控制成本。 模块化：采用模块化的设计理念和配置组合、系统集成的制造思路。 基于上述观点的组合式工业机器人技术的研究，是机器人研究和开发的最新发展 方向之一。其总体技术原理是：在成组技术指导下，针对多品种小批量生产的特点， 面对生产线上的机台和单元间的物品移置的工艺要求或是装配、喷涂等作业的工艺要 求，利用模块化设计手段，选择质量优良的控制模块以及执行模块，按一定的坐标体 系进行集成，实现工业机器人的快速制造。 其明显的优点在于： 简化了结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性。便于实现标准化、 系列化和组织专业生产。 缩短了研制周期。能适应工厂用户的急需，在尽可能短的时间内，快速制造 出功能实用的满足用户要求的机器人产品。 提高了性能价格比。采用优质功能部件集成的方式，有利于保证机器人的质 量和降低成本。 具备了充分的柔性。以具备高可靠性的工控机为核心，控制模块和伺服模块 可根据机器人及相应周边设备的工作要求，综合运用步进驱动技术、交流伺 服控制技术、微机气动控制技术及变频技术等，为机器人提供了充分的柔性。 正是由于具备了以上的优点，组合式工业机器人正在成为具有良好应用前景并切 合我国国情的机器人开发、研究的新方向之一。 2 2 2 组合式工业机器人的模块化 通过对常用配置方式( 常规坐标型：图2 1 1 1 ) 的机器人的运动分析可看到以下 两点：( 1 ) 基本动作可分解为体升降、臂伸缩、体旋转、臂旋转、腕旋转等；( 2 ) 基 本运动形式可分为直线运动和旋转运动两类。这启发我们在设计机器人时，可充分利 用能够实现直线运动和旋转运动的通用部件( 气、液、电等) 来进行功能组合，也就 是说可以将经过合适选择的通用部件作为模块来进行集成。这些部件可以作为一个独 立的基本模块，也可以将几个部件组合为一个复合模块。显然，配置方式应根据产品 最终实现的功能要求来确定，同样，模块的分解也是基于产品应满足的功能要求下的 模块分解。 对所要设计的组合式工业机器人进行功能分析，划分并设计出一系列通用的功能 模块，并对这些模块进行选择和组合配置，就可以构成不同功能，或功能相同但性能 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 不同、价格不同的机器人产品。可见，在组合式工业机器人设计中，采用模块化设计 可以很好地鳃决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之阃的矛盾。工业机器入 的模块化设计也为机器人产品快速更新换代、提商产品质量、方便维修、增强竞争力 提供了条件。随惹敏捷制造时代的到来，模块化设计会越来越显示出其独到的优越性， 缀合式工业机器人模块能设计过耩觅图2 2 2 1 。 图2 2 2 1 缀合式工娩机器人横块化设计 2 2 。3 功麓模块的整体集或 2 2 3 1 以功能模块有机集成为辩提的模块组合 在对各功能模块分解的基础上，再将各功能模块有梳集成黉一个系统牛去，完成 功能模块的整体集成，最终形成组合式工业机器人系统。从系统工程角度研究其集成， w 觅集成的组合式工监机器入系统具有以下属悭： 集合性：组合式工业机器人系统是由两个以上具有独立特性的模块所构成。 稽关性：构成系统的模块之闻具有相互联系，这意味着其中静一个模块发生 变化，都会对其它模块产生影响，因此，要研究备模块的影响范围、影响方 式和影确程度。 撼体性：组合式工业机器人系统成是一个有机的蹙体，对内呈现各模块间的 袋侥缓会，使萤慧流畅、反馈敏捷，对多 掰堇瑗疆整体符经，要磺究系统雨 备模块发生变化时对整体特性的影响。 瓣静淫：缝合式王鲎捉嚣入系统楚秀实嚣特定豹瓣翡露存在，暴骞一定豹臻 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 能。集成并不是简单地将各组成模块联接起来，而是模块间的有机组合。 环境适应性：一般情况下，系统与外部环境之间总有能量交换、物质交换和 信息交换。环境对系统的作用为输入，系统对环境的作用为输出。作为移置 机台或物品的组合式工业机器人，物品对系统的作用为输入，系统对物品的 作用为输出。这样的机器人其工作特性不应受环境的影响，能在环境对系统 的输入发生变化时，通过调节系统的有关参数，始终使系统处于最佳运行状 态，实现对相似机台或物品的移置。 2 2 3 2 执行模块的概念 一个用作实现直线运动或是旋转运动的部件，要成其为“执行模块”，一般情况 下必须具备以下基本功能： 在伺服模块传送的“物质流”驱动下实现动作。 以“信息流”方式反映部件自身的位置( 速度、压力) 状态。 具备以上功能，部件才能作为“执行模块”直接参与集成。 2 2 3 3 控制模块和伺服模块的研究 组合式工业机器人是由控制模块、伺服模块、执行模块和传感器有机地组合起来 以实现整体的集成。这里的集成，并不是简单地将各组成部分叠加，而是在控制模块 控制下采用数据接口的方式以实现各独立模块间的数据交换下的有机组合。其集成不 仅是机械结构按一定坐标体系集成，更是控制模块、伺服模块与执行模块间的有机集 成。只有这样，形成的整体才成其为组合式工业机器人系统。图2 2 3 3 1 为组合式工 业机器人的模块化设计系统集成框图。 千十 控制模块伺服模块 执行模块 图2 2 3 3 1 组合式工业机器人模块化设计系统集成框 五页士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 2 3 环保压缩机装配机器人的结构方案及系统构成 2 。3 。1 环保莲缝枧装酝规器人设计参数 2 ，3 1 1 性能指标与技术要求 键置环：位置精凌圭p ( 辣渖囊量r a d ，p ) ； 速度环：调速范围l ：5 0 0 0 ：静麓率o 0 1 ； 爱续方式：缝霹戏走毫缡玛器； 功率驱动方式：正弦脉宽调制( s p m w ) ； 技术要求：各关莓定垃燹超囊，运动乎稳，其毒羧电剿魂凌毙； 2 3 1 2 机械设计参数 装酝辍爨入务关节运渤形式鸯：大甓、，i 、譬豹强转运动，z 辍豹上下运动及z 辘 ( 手腕) 的转动。各关节工作行程、最大速度、机械效率如表2 3 1 2 1 。 表2 3 121 参数 关梦 工作行穗最大速度机械效率 大臂1 1 0 4 1 l o 。，so 8 小譬1 3 5 。1 3 5 。盎a s z 轴上”f 运动0 2 5 0 r a mo 6 z 轴嬲转 = 1 = 3 6 0 。1 5 0 4 so 8 2 3 2 伺服系统方案 禳搽往麓指标及按零簧求，援高儡联系统方案，侮缀系统疆鬻魏嚣2 3 ，2 1 瘊零。 | 鳓锻瞄 谭蒜l甄l 划 l 计苒执r 0 卜i 。 蝴鹾 臻 幽 瀑黪：期蕊、一 1 霹漤潲躲 瑚! ：叠繁 鳓由 潼蘸囊麟 图2 3 2 1 伺服系统框图 2 。3 。2 。 镧疆毫淤橇豹选鳖 装配机器人备关节采用交流驱动。伺服电机选择安川s g m 系列交流伺服电机。 该系裂电瓿为交滚瘩磁羁步电极，采爰交频谖速，具有素流瘸殷电极豹城速特技。 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 根据各关节负载情况及通用性，选择机器人各关节交流伺服电机，见表2 3 2 1 1 。 表2 3 2 1 1 伺服电动机 关节名称z 轴回转z 轴升降小臂大臂 电机型号s g m ps g m ps g m ps g m p 额定输出wl o o2 0 04 0 07 5 0 额定力矩n m 0 _ 3 1 80 6 3 71 2 72 3 9 峰值力矩n r n o 9 61 9 l3 8 27 1 额定电流a 0 8 92 72 64 1 瞬时最大电流a286 08 01 3 9 额定转速r p m 3 0 0 0 最大转速r p m 4 5 0 0 力矩常数 0 ，3 9 20 3 4 90 5 3 50 6 4 i 转动惯量1 0 e 4 蝇时 o 1 2 80 3 3 20 4 7 02 5 5 抱闸力矩n m 0 51 o203 7 额定角加速度r a d s 24 9 2 0 0 3 0 5 0 0 3 6 7 0 01 1 3 0 0 伺服组件的选择如表2 3 2 1 2 表2 3 2 1 2s g d b 伺服组件 电源主回路三相2 0 0 2 3 0 v a c + 1 0 1 5 ，5 0 6 0 h z 输出控制回路单相2 0 0 2 3 0 v a c + 1 0 1 5 ，5 0 6 0 h z 控制方式s p w m 调速范围l ：5 0 0 0 静差率0 0 1 频率特性2 5 0 h z ( j l = j m 时) 加减速时间设置 0 1 0 s 速度参考电压 士6v d c 额定转速( 可调范围士2 1 0v d c ) 力矩参考电压 士l 1 0v d c ，额定转速 结构方式位置、速度、电流三环系统 过流、过载、主电路电压故障、过热、溢出、超速、编码 保护 器故障、c p u 故障、参数出错等。 通讯接口r s 2 3 2 c 接口或r s 4 2 2 接口 其他零夹紧、反转连接 工作环境温度0 5 5 c ，湿度9 0 以下 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 2 3 2 2 儡驻系统缀霞 伺服系统由伺服级计算机( 工控机) 、伺服驱动器、伺服电动机、及光电编码器 缀成。箕工作骧瑗如下： 执行元件为交流伺服电动机。伺服驱动器为速度、电流闭环的功率驱动元件。光 毫编码鬃撵受着梭溅饲鼹逢税速度移位餮熬任务。镩簸缀计算辍豹主要动能是接受控 制级发出的各种运动控制命令，根据位置给定信号及光电编码器的位置殿馈信号，分 辩完成番令关节弱误差诗舞、控翻算法及d a 转换、将速度给定僖号翔至饲鼹缀 孛 的控制端子，完成对各关节的位驻伺服控制。 兹藏逶遂采趱d a 转换卡，c p u 分辩控毒ld a 转换器熬稔魄， 睾麓每辘懿速度 给定信号。反馈通道包括整形、滤波、方向判别及可逆计数器。糕形滤波器电路用来 处理经长线簧羧瓣走电缀鹃器兹欺 孛售号；剥孀a 、b 褪黥；孛豹穗垃寒粼剐电飒瓣转 向：通过可逆计数器将脉冲信号转换为数字信号，作为位置反馈信号。反馈通道接口 f 糍蛩睦嗣与橱骚级计算撬轰套且与光电编羁器配套的接翻卡。 伺服系统包含三个反馈子系统：位鼹环、速度环、电流环( 见图2 3 2 2 ，1 ) 。 圈2 3 2 2 i 伺服系统原理图 2 。3 。3 环保压缩规装配棍器人的绩构方案 环保压缩机装配机器人正是基于组合式设计思路、根据功能模块的分解进行设计 磷突熬：s c a r a 型，瑟越蕈元痰鞠觳终霹适当调整参数竣抉速受换菜骜霹换终，实 现对单元内各相似物品的抓取、移置、装酉己。与专用机器人相比嶷有柔性强、适威面 宽熬穗熹；与全功能逶惩撬嚣久鞠魄，吴骞或本羝滚、链戆徐穆毙寒、设诗裁造瘸焱 大大缩短的优点。 掇嚣入熬大、小鐾殇簧零受辘囊匿力及缓铡力矩，大鹫、小甓缘采髑r v 减速爨 加推力向心交叉短圆柱滚子轴承结构。与其它减速方式棚比，r v 减速器具有减速比 大、司毯线传动、传动糕度蹇、嚣度犬、结橡紧凑翡撬点，逶用予重载、悫速、裹精 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 度的场合：而推力向心交叉短圆柱滚子轴承刚度高，能承受轴向压力和径向扭矩，满 足机器人的设计要求：这样有利于缩短传动链、简化结构设计。 主轴z 轴处于机器人小臂末端，相对线速度大，对重量和惯性特别敏感，所以在 传动方式上除了要能实现运动要求：旋转运动+ 上下运动，而且要求结构紧凑、重量 轻。经过选择，采用“同步齿形带+ 带键的滑动轴套”来实现z 轴的旋转运动，而用 “同步齿形带+ 滚珠丝杠”来实现z 轴的上下运动。 研制的装配机器人简图如图2 3 3 1 ( a ) 所示。图2 3 3 1 ( b ) 为机构原理图。 幽2 3 3 1 ( a ) 环保压缩机装配机器人简图图2 3 3 1 ( b ) 装配机器人机构原理图 图2 3 3 2 为装配机器人的传动示意图。 图2 3 3 2 装目e 机器人的传动示意图 相关传动链如下： 大臂回转：电机m l r v 减速器一大臂 小臂回转：电机m 2 一r v 减速器一小臂 主轴上下：电机m 3 一滚珠丝杠一滚珠螺母一主轴z 轴( 手腕轴) 主轴旋转：电机m 4 一同步齿形带一花键一主轴z 轴( 手腕轴) 硕士论文 ： 环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 第3 耄环保压缩机装配机器人控制方案及系统设计 现代的运动控制技术是计算机技术、传感技术、电力电子技术和机械工程技术等 的集成综合应用技术，用于机械传动的自动化和智能化的创建，对机械传动等进行运 动位置、运动轨迹和各种运动参数进行实时的控制和管理。机器人控制技术对其性能 的优良起着重大的作用。在机器人学的研究中，机器人控制系统的体系结构研究一直 是人们关注的热点。9 0 年代的十年已被看作是基于p c 的技术迅速发展的年代。这种 基于p c 的硬件和软件的迅猛增长，对制造业( 3 定单输入和系统分析到生产线过程 控制) 有十分重要的意义。 3 1 工业机器人的控制技术 机器人的控制问题是与其运动学和动力学问题密切相关的。从控制观点看，机器 人系统代表冗余的、多变量和本质上非线性的控制系统，同时又是耦合动态系统。每 个控制任务本身就是一个动力学任务。 3 1 1 基本控制原则 3 1 1 1 控制器分类 机器人控制器具有多种结构形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反馈 控制、力( 力矩) 控制、基于传感器的控制、分解加速度控制、滑模控制、最优控制、 自适应控制、阶梯控制以及各种智能控制等。 机器人控制器的选择，是由机器人所执行的任务决定的。从关节( 或连杆) 角度 看，可把工业机器人的控制器分为单关节( 连杆) 控制器和多关节( 连杆) 控制器。 机器人的控制取决于其“脑子”即处理器的研制。随着实际工作情况的不同，可以采 用各种不同的控制方式，从简单的编程自动化、小型计算机控制到微处理机控制等。 机器人控制系统的结构也可以大为不同，从单处理机控制到多处理机分级分布式控 制。表3 1 为控制系统分类和分析的主要方法。 表3 1 1 1 1 机器人控制的分类及其分析方法 任务 把控制分ll 每级包括ll 把每个任务分 为许多级1 许多任务r _ 1 成许多子任务 分类 结构把所有能施于同一结构部件的任务都由同一处理 分类机来处理，并由其他各处理机协调工作。 混合实际上并非把所有任务都施于所有的部件。在上述 分类两种分类之间，往往有交迭。 1 7 硕士论文环保压缩机装配机器人控制技术及轨迹规划研究 3 1 1 2 主要控制变量 图3 1 1 2 1 表示一台机器人的各关节控制变量。如果要教机器人去抓起工件a ， 那么就必须知道末端执行器( 如夹手) 在任何时刻相对于a 的状态，包括位置、姿 态和开闭状态等