工业机器人示教模块及人机交互系统的研究与开发硕士学位论文开题报告.doc

硕士学位论文开题报告工业机器人示教模块及人机交互系统的研究与开发研 究 生： 周青松 指导教师： 张 铁 教授 学 号： 200720100756 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计及理论华南理工大学研究生院二八年十一月一、摘要论文题目中文工业机器人示教模块及人机交互系统的研究与开发英文Research and Development of Industrial Robot Teaching Module and Man-machine Intercommunion System摘 要（不超过800字）目前，制造业普遍存在着产品数量少和种类多样化的问题。由于产品数量的减少，自动化生产变得更加昂贵，而工业机器人技术是人工生产的替代者之一，具有广泛的应用前景。示教模块及人机交互系统是工业机器人进行控制的核心功能模块。针对目前工业机器人示教系统存在的实时性，可扩展性、可编程性不高及人机交互界面不够友好的问题，基于现代实时控制技术及嵌入式系统技术的发展，本文提出了基于X86+Windows CE 5.0嵌入式操作系统的工业机器人示教模块及人机交互系统的整体架构，并对工业机器人示教控制方法以及示教编程方法等内容展开研究。本文以华南理工大学机器人研究室近年来研制的具有自主知识产权的工业机器人为研究平台，利用嵌入式系统技术，采用研华公司生产的的X86架构的PCM-9375F开发板为示教系统硬件，以Windows CE 5.0为嵌入式操作系统，采用可扩展的PS/2键盘，液晶屏LCD，设计实现一套集示教编程、工作再现、系统设置、状态显示、文件管理等多种功能为一体的，完整的工业机器人示教模块及人机交互系统。关键词中文示教模块 人机交互系统 X86架构 Windows CE 英文teaching module/man-machine intercommunion system /X86 structure/ Windows CE 1、关键词数量不少于三个， 2、关键词之间空一格（英文用/分隔）二、立题依据1、研究意义2、国内外研究现状3、主要参考文献及出处1 研究意义机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器人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、动作能力和协调能力，是一种具有高度灵活性的自动化的机器1。从机器人诞生到本世纪80年代初，工业机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展2。工业机器人本身作为一种标准设备已被世界范围制造业特别是汽车与电子制造行业广泛采用，对提高企业生产效率、自动化水平、产品质量和改善劳动环境起到了重要作用，成为一个企业乃至国家工业水平和科技进步的重要标志。机器人工业已成为世界各国备受关注的产业3。在发达国家中，工业机器人已在生产中得到了广泛的应用。根据IFR/ UNECE的统计，2006年全世界有96万台工业机器人用于工业制造领域，其中38.9万在日本、30.7万在欧盟、15.4万在北美，11万在其余国家。至2007年底全世界在役的工业机器人至少有约110万。其中，日本制造的工业机器人更是雄踞了全球工业机器人市场份额的60%4。我国的工业机器人研究工作从20世纪80年代的“七五”科技攻关开始起步，在国家各级政府的科技攻关项目和基金项目的支持下，特别是在“863”计划的支持下，我国的机器人产业从无到有，历经二十多年几代人的研究心血，取得了不少突破性的进展。我国的清华大学、上海交通大学、浙江大学，中国科学院等科研院所，对机器人基础技术进行了深入的研究，另一方面，大批专业生产机器人以及自动化设备的公司成立，极大地推动了机器人技术的产业化进程。我国机器人自动化生产线装备市场潜力巨大，根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化的发展趋势，到2015年中国机器人市场容量约达十几万台5。近年来，珠三角地区不断遭遇民工荒，极大阻碍了珠三角地区经济的进一步发展。因此在珠三角地区增加生产的自动化程度，提升珠三角地区经济竞争力，是刻不容缓的措施。工业机器人作为自动化程度很高的产品或者工具，在珠三角地区的广泛应用将极大的提升珠三角企业的核心竞争力。在工业机器人得到大力发展，广泛应用的同时，对工业机器人示教模块及人机交互系统提出了更高的要求。目前，机器人示教系统已由单一的命令输入、信息代码显示工具发展成为集编程、测试、维护、系统设置等多功能于一身的独立系统，在机器人系统中起着举足轻重的作用。尽管我国的机器人示教系统在国内各科研院所和高校的重视下，得到了快速的发展，但和国外厂商相比，我国的机器人技术及示教系统相对发展落后，例如很多采用8位单片机处理器，数码管显示，没有独立的操作系统，功能比较单一，真正的成熟，高效，通用的示教模块及人机交互系统在国内研究的并不多，因此，研究和开发一套具有自主产权，广泛适用，且配置合理的示教模块及人机交互系统是机器人技术的一个重要研究方面，在此背景下，本课题将主要针对工业机器人开发一套具有普通适用性的工业机器人示教模块及人机交互系统。2 国内外研究现状及分析 2.1 国外现状：工业机器人的示教方式可以分为在线示教、离线编程和虚拟示教6。而在线示教又分为三种方式，即操纵杆示教、遥控示教和示教盒示教67。从我国的现实情况考虑，采用示教盒示教的方式是一种最简单的方式，操作者不需要进行培训，很容易就能学会操作机器人，示教盒示教是目前国内外各个机器人公司普遍采用的一种示教方式。示教方式分类如下图所示。图1 工业机器人示教方式分类著名的国外喷涂机器人厂家有瑞士的ABB，德国的KUKA 公司和 FANAC 公司，同时ADEPT 以及日本的安川、 MOTOMAN 公司均有专用的喷涂机器人。同时还有很多小的生产企业，如瑞士金马股份有限公司生产和研发静电粉末喷涂设备。到目前为止ABB公司是世界领先的喷涂自动化供应商，在全球范围内供应了超过10,000个喷涂机器人，其于2006年8月发布了最新型车身喷漆机器人FlexPainter IRB 5500。而且，ABB此前共发布了IRB540、580、5400系列，支持Windows下离线编程，人工示教，支持RSR232通讯协议等，并采用了柔性手腕技术，最大工作空间能达到2500mm以上，由于这些优点使得ABB的喷涂机器人在全世界被广泛的采用。国外机器人示教系统经过若干年发展，产品成熟，功能丰富，大多具有良好的人机界面，易于理解、使用的编程语言，便捷快速的网络通讯等功能。而实现这些方面的功能，大多需要功能丰富的硬件平台的支持。国外厂商示教盒不但具备嵌入式系统的特点，而且具有更好的灵活性和开放性。比如日本安力公司和松下公司的示教盒产品均采用了美国微软公司最新嵌入式实时操作系统Windows CE.net，该操作系统提供了良好的实时性，拥有比较丰富的开发资源和完善的开发工具，其嵌入式处理器可以是ARM架构的处理器、也可以是X86架构的处理器等。2.2 国内现状：我国工业机器人研究起步较晚，工业机器人研究工作从20世纪80年代的“七五”科技攻关时才刚刚起步，相应的工业机器人示教系统发展水平相对国外也较低，近年来，随着我国科技水平的不断提高，国家，企业对工业机器人产业的重视，很多高校，科研机构及企业也根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的示教系统。从我国的现实情况考虑，采用示教盒示教的方式是一种最简单的方式，操作者不需要进行培训，很容易就能学会操作机器人，示教盒示教是目前国内各个机器人公司普遍采用的一种示教方式。示教盒是机器人控制系统的重要组成部分，操作者通过示教盒进行手动示教，控制机器人达到不同位姿，并记录各个位姿点坐标，另外，示教盒上通常会预留一定功能按键用来输入机器人语言程序。一般来说，这些语言都是比较简单的，容易理解。因此，相对于离线编程来说，直观方便，相对于其它在线示教方式来说，具有程序特征，具备流程控制功能。而且示教盒具有丰富的人机界面功能，示教盒通常具备液晶显示屏和操作键盘，有丰富的状态提示，能够切换不同的坐标系统，同时能够与主控制器进行通讯，具有丰富的扩展功能8。国内有些科研机构使用8位单片机作为机器人示教盒控制器主体，并使用数码管进行显示。随着技术的进步与功能的更新，16位和32位处理器和液晶显示屏得到广泛应用。而在16位和32位系列单片机中，现在普遍使用的ARM和X86处理器能够满足工业机器人示教系统的要求。嵌入式处理器ARM是一种高性能、低功耗的班芯片，世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于ARM体系结构的通用芯片，处理器具有大量的寄存器，绝大多数操作都在寄存器中进行，寻址方式简单，采用固定长度的指令格式，除此之外，ARM处理器还采用了一些特别技术，以保证在获得芯片高性能的同时尽量减少芯片的体积和功耗，提高数据传输效率。嵌入式X86架构在1978年推出的Intel 8086中央处理器中首度出现，它是从Intel 8008处理器中发展而来的，而8008则是发展自Intel 4004的，8086在三年后为IBM PC所选用，之后X86便成为了个人计算机的标准平台，成为了历来最成功的CPU架构。与此同时，众多功能强大的的嵌入式操作系统如Windows CE , Palm OS, Vxworks，c/OS, 嵌入式Linux等也在工业机器人示教系统中得到大量使用。2.3 现状分析纵观当今工业机器人市场，发现日本和欧美的产品居多，长期以来，工业机器人市场一直被国外所垄断，国内从事工业机器人研究的大部分还是高校和科研机构，真正产业化的并不多，而我国作为一个经济快速发展的国家，对机器人的需求巨大，虽然我国的机器人市场需求量很大，但大量都需要进口，真正有自主知识产权的机器人并不多，因此，开发出具有我国自主产权的工业机器人具有重大的意义。示教模块与人机交互系统是工业机器人必不可少的重要部分，正因为开发自主产权的机器人意义重大，所以，开发出具有自主产权且功能强大的工业机器人示教模块与人机交互系统是非常迫切的。早期机器人主要依赖于直接输入的程序代码来执行操作，而随着电子技术的进步以及机器人应用范围的拓展，示教也变得更加多样化，示教系统的硬件平台也不断发展，从最初的8位单片机到现在的32位处理器，大型的流水线甚至采用服务器、工作站完成作业规划、多机协调等，示教软件也从最初的简单程序输入与执行，到现在具备实时操作系统、集散控制、多机通讯以及友好的用户界面等特性，同时离线编程和虚拟示教系统也得到了很大发展。对于示教系统，一般在设计时有如下要求9：(1) 提供可靠友好的人机接口界面。(2) 完成与主机的通讯任务并显示信息及必要的操作提示。(3) 应用程序示教、编辑。(4) 执行程序测试、监控程序再现。(5) 可实现工具参数、主机、外部设备、机器人外部轴参数设置。(6) 机器人工作状态、系统状态及错误信息显。处理器及操作系统方面：示教盒是一个典型的嵌入式系统，对于示教盒来说，目前很多采用的是成本较低的单片机作为处理器，尽管国内一些研究者在单片机上己经有成功移植实c/OS实时操作系统的先例，但是8位单片机最大支持寻址空间有限1011，且不具备高速通讯功能，只有部分单片机具备USB接口，而且时钟频率有限。因此8位单片机无论在运算速度还是在存储空间以及网络通讯方面都将影响到示教盒系统性能。同时考虑到今后升级扩展等要求，采用8位单片机是不合适的。随着对示教系统的要求越来越高，以8位单片机作为处理器已经不能满足设计要求，目前主要的嵌入式处理器类型有ARM 186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM, MIPS, SH, X86 系列等。嵌入式操作系统主要有Windows CE , Palm OS, Vxworks, 嵌入式Linux等，而Windows CE 作为一种微软开发推广的操作系统，它除了具有实时性以外，更能够让熟悉Windows的开发人员很快过渡到嵌入式系统开发，提高了开发效率，缩短了开发周期，示教软件作为一个控制系统的重中之重，很显然，采用Windows CE将使整个嵌入式系统包括工业机器人示教模块及人机交互系统的开发变得更加快速且高效。键盘方面：根据产品实际使用需要，示教盒功能按键数量在50个左右，50个功能按键只能说基本上满足了按键的要求，如果随着后续功能要求的提升需要扩充更多的按键，则需要对硬件电路进行扩展或者重新设计。对键盘扩充有三种方式，一是通过处理器口扩展构成矩阵键盘，并且需要专门使用一个具有较高优先级的任务进行键盘扫描，这种方式不但占用大量操作系统资源，而且占用过多的I/O口，因此并不适合在本系统使用。二是采用一个专用键盘芯片，这类芯片可以与主控制器进行串行或者并行通讯，对I/O口的的占用并不严重，但出于供货和稳定性方面的考虑，不宜采用，三是采用PS/2键盘进行按键扩充，PS/2键盘最大能够支持127个按键，遵循串行通讯协议，只需要时钟线和数据线与处理器进行通讯即可，很容易进行功能扩展，满足本系统功能要求。显示器方面：为了满足实时，友好的显示要求，许多液晶显示器内部已经集成了液晶驱动控制器，能够自动产生驱动控制所需的控制信号，液晶的显示缓冲区映射到系统的存储器空间上，通过程序刷新缓冲区的数据，对应的液晶控制器就会把相应的像素内容发送到液晶控制器。自带液晶驱动控制器可以支持的液晶类型有单色、最高级16灰度和最高256色彩色显示屏。通讯方面：考虑到是Windows CE和Windows XP操作系统通讯，可以考虑选择TCP/IP作为示教系统（Windows CE）与主机（Windows XP）的通讯方式，通过前缀加信息的方式传送信息。15个即时信息只需要3个字符；其余自己按需求，字符串的长度可以更改。目标是用户不会感到明显的迟钝。除非*.prl程序传送。主要参考文献及出处【1】蔡自兴. 机器人学的发展趋势和发展战略J. 机器人技术及应用, 2001(4): 12-14.【2】唐新华. 焊接机器人的现状及发展趋势(一)J. 电焊机, 2006，36(03):1-5.【3】柳洪宋,伟刚. 机器人技术基础M. 冶金工业出版社, 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