六自由度喷涂机器人插补算法的研究-图文(精).doc

邮局订阅号：元/年技术创新机器人技术PLC 技术应用200例您的论文得到两院院士关注1引言由于喷涂工序中雾状漆料对人体有危害，喷涂环境中照明、通风等条件很差，而且不易从根本上改进，因此在这个领域中大量地使用了机器人。使用喷涂机器人不仅可以改善劳动条件，而且还可以提高产品的产量和质量、降低成本。喷涂机器人已广泛用于汽车车体、家电产品和各种塑料制品的喷涂作业。因此，研发出性价比高，且拥有自主知识产权的喷涂机器人系列化产品具有非常良好的应用前景。在机器人的早期，轨迹规划在从开始点到目标点的工业机器人控制中起着非常重要的作用。轨迹规划也就是指根据作业任务的要求，确定机器人末端的运动轨迹。在过去的十多年中，对全驱动性机械手最优时间轨迹规划问题的刻画和描述以及计算一直是一个活跃的研究领域。现有的大部分工作可以被广泛地分为两类：沿着一条预设路径的最优时间动作的轨迹算法；针对最优时间下点到点动作的优化处理算法。而直线和圆弧轨迹规划是最基本也是最常用的轨迹规划，使用优化的插补算法使运动轨迹连续平滑过渡和提高计算机运行速度是非常必要的。因此，本文主要研究六自由度垂直关节机器人直线和圆弧的轨迹规划。2轨迹插补算法的研究一般而言，急速的运动会加剧机构的磨损，激起操作臂共振。因此，通常期望操作臂的运动轨迹是平滑的。为此，要定义一个连续的且具有连续一阶导数的光滑轨迹函数，有时还希望二阶导数也是连续的。同时，为了保证路径平滑，必须在各中间点之间，对路径的空间和时间特性给出一些限制条件。本文使用归一化和抛物线拟合的算法，对直线和圆弧轨迹规划进行研究。2.1喷涂机器人的运动控制系统设计在本文中，喷涂机器人是采用PC-Based 的控制系统架构。工控机负责系统人机交互、系统调度和协调、运动学正逆解及运动轨迹规划等等。PMAC 是美国Delta Tau 公司遵循开放式系统体系结构标准开发的开放式可编程多轴运动控制器，这采用Motolora DSP56001数字信号处理器作为CPU ，利用DSP 的强大运算功能实现1-8轴的实时伺服控制8。PMAC 卡在伺服运动控制系统中主要执行运动程序、执行PLC 程序、伺服环的调节、与主机的通信等等。因为PMAC 卡未具有针对六自由度垂直关节机器人模型的运动轨迹规划算法，因此我们采用如下的策略实现运动控制程序设计：工控机根据用户的设定完成轨迹规划、运动学正逆解等；PMAC 卡根据执行机构的运动状况，向工控机发出中断请求，要求提供运动相关数据。如图1喷涂机器人运动控制系统。图1喷涂机器人运动控制系统2.2直线插补算法直线插补是在已知直线始末两点的位置和姿态，求各轨迹中间点(插补点 的位置和姿态。其各个插补点的坐标及姿态由各个轴和姿态的增量求出：（1）式中，（, , ）、（，）分别为开始点的位置和姿态，（x ，y ，z ）、（，）分别为插补点的位置和姿态；位置和姿态的增量如下求出：；。其中（, , ）、（, , ）分别为结束点的位置和姿态；为归一化算子，按如下方法求出：设已知两点距离L 、总运动时间T 、插补的总步数N 、抛物六自由度喷涂机器人插补算法的研究The Study of 6-DOF Painting Robot s Interpolation Algorithm（华南理工大学）陈伟华张铁CHEN Wei-hua ZHANG Tie摘要:在分析喷涂机器人运动控制系统架构的基础上, 提出基于可编程多轴控制器PMAC(ProgrammableMulti-Axis Controller的开放式运动控制系统的喷涂机器人轨迹插补算法。主要研究在笛卡儿空间规划中直线和圆弧的插补算法。同时, 介绍在 平台上, 基于组件技术实现轨迹插补算法, 并进行仿真。仿真结果表明本文研究的插补算法满足工业要求。关键词:喷涂机器人; 轨迹插补算法; 直线插补; 圆弧插补; 组件技术中图分类号:TP242文献标识码:AAbstract:Proposed in this paper is a trajectory interpolation algorithm for painting robot with an open architecture of robot motion control system based on PMAC. The method of linear interpolation and arc interpolation in Cartesian space is mostly studied. Simul -taneously, presented realization of trajectory interpolation algorithm based component technology on the VS.net and emulational result. Emulational result indicating the interpolation algorithm which studied in this paper satisfied industrial need.Key word:painting robot; trajectory interpolation algorithm; linear interpolation; arc interpolation; component technology文章编号:1008-0570(200903-2-0251-02陈伟华:在读硕士基金项目:基金申请人:张铁; 项目名称:基于机器人化护理床的社区医护远程监护系统研发及产业化; 基金颁发部门:广东省科技厅(20054982304x y z ?x y z ?251-技术创新微计算机信息(嵌入式与SOC2009年第25卷第3-2期元/年现场总线技术应用200例机器人技术线段的加速度a 。首先求：抛物线段的运动时间：；抛物线段的位移：抛物线段的位移：抛物线段位移、时间、加速度分别归一化处理：便可得出的计算公式：（2）式中，t =（i/N）,i=0,1,2,N 。01，=0时，对应于起点；=1时，对应于终点。是关于时间t 的离散函数，和t 均无量纲。0和1-0时，；当0时，。因为建立了非常合理的O-UVW 坐标系，使得求从到扫过的角度十分方便，减少了大量计算过程。接着根据文献可得圆弧上各插补点的位置。3轨迹插补算法的实现在 平台上，基于组件技术实现整个控制系统的设计。组件技术建立了一个软件模块同另一个软件模块之间连接的标准。当这种连接建立起来之后，两个模块之间可以通过接口的机制来进行通信。组件的表现形式是动态链接库(DLL、可执行文件(. exe 。组件技术具有以下特点:a. 组件通过接口输出其功能；b. 组件支持对象意义上的封装性和多态性；c. 组件具有特定的功能，支持互操作性，可以在跨地址空间、网络、语言和操作系统的异构环境下被调用；d. 组件遵循二进制标准, 其实现不依赖于某种特定的高级语言。4轨迹插补算法的仿真图4直线插补轨迹图5圆弧插补轨迹已知示教点（1,30,20）、（20,50,60）、电机频率f=50Hz、速度V=20m/s、抛物线段的加速度=50m/s2，仿真得到直线插补的轨迹如图4中最上面在空间坐标系中的直线。已知示教点（5,4,8），（2,10,3），（7,30,11）、电机频率f=50Hz、速度V=10m/s、抛物线段的加速度=20m/s2，仿真得到圆弧插补的轨迹如图5中最上面在空间坐标系中的圆弧。两幅图下面三个小图横坐标是开始点到目标点之间的插补点序列数，纵坐标分别是插补点X 、Y 、Z 的坐标值。从六个小图可知，两段抛物线的拟合使机械臂的运动轨迹达到连续平滑的期望。（下转第263页） ?t T T t (, , p x y z U o V ? 0p p p p pp p p p p p v w u ?p p p T , , , p p p p U o V ? p , , u v w ? p p p p ? v 2tan 2(, a v u ? tan 2(, a v u ? v p p ?p p ? p p 2p ? 邮局订阅号：元/年技术创新机器人技术PLC 技术应用200例您的论文得到两院院士关注参考文献1张晓超, 张立勋, 赵凌燕. 一种下肢康复训练机器人足底力检测方法J.哈尔滨工程大学学报.20072童长飞. C8051F 系列单片机开发与C 语言编程. 北京：北京航天航空大学出版社，20053潘琢金.C8051F02X 单片机数据手册M.深圳：新华龙电子有限公司，2005.4李富生，吕战争，刘陆群，张洛平基于RS485的多个LED 屏实时显示J 微计算机信息，2003，2：41-43。作者简介：张博（1981.12-），男，汉族，哈尔滨工程大学自动化学院，硕士研究生，主要研究方向：人体信息检测；刘天孚（1962-）, 男，汉族，硕士，生物医学工程，哈尔滨工程大学校医院院长Biography ：ZHANG bo(Dec,1981y,male,Chinese,College ofAutomation,Harbin Engineering University ，master, Research area ：Human Information Detection（150001黑龙江哈尔滨哈尔滨工程大学自动化学院）张博刘天孚(Collegeof Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China ZHANG Bo LIU Tian-fu通讯地址：（150001黑龙江哈尔滨市哈尔滨工程大学学生15公寓1035寝室 张博(收稿日期:2009.02.03(修稿日期:2009.03.05（上接第252页）5结束语本文创新点：（1）在分析喷涂机器人运动控制系统架构的基础上，提出了基于可编程多轴控制器PMAC 的开放式运动控制系统的喷涂机器人轨迹插补算法。主要研究在笛卡儿空间规划中直线和圆弧的插补算法。插补中采用归一化和抛物线拟合的方法，这符合实际操作中电机加速-稳定-减速的情况，使机械臂的运动轨迹连续平滑。（2）空间圆弧插补部分建立O R -UVW 坐标系的方法合理简单，其坐标系方向随着给定三个点的顺序变化，从而避免了判断是顺时针还是逆时针的情况，这大大简化计算量和提高计算机的运行速度。参考文献1谢存禧，张铁. 机器人技术及其应用M.北京：机械工业出版社.2005.2R.Castainand Paul R.P. An online dynamic trajectorygenerator. International Journal of robotics Research,3. 3J.Craig.Introduction to Robotics-Mechanics And Control (Thirdedition. Pearson Prentice Hall,2005. 4C.-S.Lin and P. -R.Chang,and J.Y.S.Luh. Formulation and optimization of cubic polynomial joint trajectories on Systems,Man,And Cybernetics,(6:10941102,1983.5马强. 六自由度机械臂轨迹规划研究. 哈尔滨工程大学硕士学位论文.2007.6KahtibO. Real -time obstacle avoidance for manipulator and mobile robots. The International Journal of Robotics Research. 1986.7JohnJ.Craig. 机器人学导论M.3rd.北京：机械工业出版社. 2006.8胡鹏, 方康玲, 刘晓玉. 基于PMAC 的开放式机器人控制系统J.微计算机信息,2006,4-2：171173.9郑剑飞. 六自由度机械臂分布式控制系统的设计与研究. 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文.2006.10徐诚平.IRB1400型机器人轨迹规划与控制. 上海海事大学硕士学位论文.2005.11潘爱民. COM 原理与应用M. 北京:清华大学出版社.1999. 12LEINECHERR C.COM+技术大全M.高智勇，等译. 北京：机械工业出版社.2001.作者简介：陈伟华（1985），女，汉族，华南理工大学机械工程学院在读硕士，主要研究方向：机器人技术及其应用；张铁（1968-），男，汉族，教授，研究方向：机器人技术及其在制造自动化领域的应用，生产系统自动化设计。Biography:CHEN Wei -hua (1985-,female (theHannationality, master, The research work is the Robot DesignTheory And Industrial Application;(510640广东广州华南理工大学机械与汽车工程学院陈伟华张铁(Collegeof Mechanical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China CHEN Wei -hua ZHANG Tie通讯地址：（510640广东省广州市华南理工大学机械与汽车工程学院机器人研究室）陈伟华(收稿日期:2009.02.03(修稿日期:2009.03.05现场总线技术应用200例现场总线技术是现代工厂、商业设施、楼宇、公共设施运行、生产过程中的现场设备、仪表、执行机构与控制室的监测、控制装置及管理与控制系统之间的数字式、多点通信互连的，数据总线式智能底层控制网络。现场总线技术保证了现代工厂、商业设施、智能楼