直角坐标机器人软件和硬件的控制及实现

1、题目：直角坐标机器人运动控制硬件和软件的设计及实现目录机器人概论12键入章标题(第 3 级)3键入章标题(第 1 级)4键入章标题(第 2 级)5键入章标题(第 3 级)61. 绪论1.1机器人及其发展历程机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能的、可以替代人完成特定任务的自动化控制装置。机器人学是综合运用数学、机械、电子、力学、计算机、自动控制和人工智能等多学科的知识而发展起来的，对机器人的体系结构、控制、传感、编程语言以及机器人的应用进行综合研究是现在的热点研究领域。到目前为止，机器人发展共分为三个阶段。第一阶段是可编程机器人，这类机器人一般可以根据操作者所编的程序，完成一些相对简单的重

2、复性操作，不具有反馈外界信息的能力。这一代机器人从20世纪60年代后半期开始投入使用，目前已经工业界得到了广泛应用。第二代是感知机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的感知能力。它有若干的传感器，能对自身的实际位置、方向、速度、力等进行测量，能通过视觉、听觉和触觉等传感能力对外界环境进行实际检测，这些反馈信息着之前编写好的程序下进行运动。这类机器人在工业界已有应用。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来。具有多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色等仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学习能力等人工智能。此能在非特定的环境下作业，故称之

3、为智能机器人，如图1-1。目前，这类机器人主要处于实验室阶段，但是已经有一部分开始实用化发展。图1-1 智能机器人作为一种跨学科技术，机器人技术的突破需要其他技术支撑，特别是以能源、材料、计算机、生命科学及先进制造技术为主。这些技术被众多学者视为新一轮产业革命的支撑技术，它们的突破必然会促发机器人产业发展迈向一个新的高度，从而推动新一轮产业革命。新型能源将有助于解决机器人的动力问题；新材料的使用对提升机器人的硬件性能至关重要；计算机技术的发展应用有助于机器人的控制系统开发；生命科学的发展将会使仿生学更多地运用到机器人上，从而推动机器人“从机器到人”的转变；先进制造技术的发展则可解决结构复杂机器

4、人的制造问题，有助于促进机器人的大规模生产和应用。现在，机器人的使用范围已开始向军事工业、特殊环境服役、医疗卫生、科学研究等多个领域拓展。而一旦步入智能化阶段，由机器人产业所构建的社会网络，将遍及社会生产、生活各领域，进而变革社会形态，进入新一轮的智能社会之中。1.2 机器人的研究现状和发展趋势机器人技术研究和应用取得了革命性的发展，毫无疑问，机器人技术是未来的战略性技术，充满机遇，但是也有挑战。全球机器人领域发展主要有以下趋势：1) 机器人性能提升，价格下降。操作精度提高，操作大型化和小型化皆有发展，驱动方式更多的采用伺服驱动系统。2) 整体结构模块化，可重构化。关节中的伺服电机、减速器、传

5、感器等模块分工制造，便于全球范围内企业的分工合作。3) 控制器向开放式发展，且控制应用更加现代。基于PC的控制器便于网络化和标准化，器件的集成度提高，能大大提高系统可靠性和操作性；现代控制理论，如人工神经网络、模糊控制等应用更加广泛，且向自适应控制方向发展。4) 传感器与驱动器一体化技术、信息采集和信息融合处理、感觉功能继承模块。通过视觉、听觉、触觉等传感器信息，对速度、加速度、力进行环境建模和行动控制。5) 虚拟现实和远程控制。加强操作者与机器人之间的人机交互控制，即通过遥控监控系统和局部操作系统，使机器人进行远程的协作事物，如深海探测，太空探索等。我国机器人研究较晚，在20世纪80年代开始

6、起步，在国家政策的支持下，通过一系列的科技创新推进计划和重大科研专项攻关，我国已经基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统的设计和开发、驱动电机的研究、路径规划和轨迹插补研究等等，并且成功的应用到工业上，开发出码垛、搬运、喷漆、焊接等机器人，有效地改善了工人的工作环境，提高工作效率。但是总体上看，我国机器人工业技术水平还和国外有着一定的差距。机器人的产业化较低。体现在通用化程度低、供货周期长、成本高、质量和可靠性差等。为了适应全球化的发展，实现四个现代化，必须对机器人工业进行全面科学的规划，推进我国机器人工业的现代化进程。1.3机器人的基本组成机器人一般由执行机构、驱动系统、检测系统和控制系统

7、等组成。执行机构：即机器人本体，由连杆、关节和末端执行器组成，其中的运动副常称为关节，关节个数一般为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。考虑人性化因素，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。末端执行器根据操作需要可以换装焊枪、吸盘、扳手等工具。驱动系统：它是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的信号，借助于动力元件使机器人进行运动。它输入的是电信号，输出的是线位移和角位移量。机器人使用的驱动系统主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动

8、装置。检测系统：实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测系统的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人

9、的工作精度。控制系统是机器人的中枢系统，负责信息处理和人机交互。它接收来自传感器的信号，对其进行数据处理，并按照预存信息、机器人的状态及其环境情况等，产生出控制信号去驱动机器人的各个关节。为此，控制系统必须保证机器人具有实现功能所具有的程序。1.4本课题研究的内容1.4.1课题研究意义随着机器人的技术不断向着更先进的方向发展，给传统工业带来前所未有的变化，它不仅大大提高了工业生产的自动化程度，而且提高了企业的工作效率，最重要的是提高了产品的质量。中国作为世界制造业的工厂，自动化设备的发展更是势在必行，各种自动化生产线急需上马。同时，新兴的技术发展刺激高新领域的发展，如航空航天、深海探测、特种机

10、器人等应用领域的研究，因此，研究机器人具有非常重要的意义。直角坐标机器人非常适合自动化生产线，在各行各业中将得到更广泛的应用。直角坐标机器人作为执行机构，具有控制方便，执行动作灵活，可以实现复杂的运动轨迹控制的特点。在工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度成空间直角关系、多用途的操作机。它能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。通过改变末端操作工具，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化装备，完成如焊接、搬运、包装、码垛、检测、探伤喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。特别适合多品种、小批量的柔性化作业，对于稳定，提高产品质量，提高劳动生产率、改善劳动条

11、件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。1.4.2课题研究内容1) 研究直角坐标机器人运动控制系统的硬件体系，理解其各部分的功能、结构及电机控制的原理；2) 对控制系统的软件进行设计，以实现PCI控制卡脉冲输出功能；3) 通过对控制系统软硬件体系的研究，构建机器人的运动控制系统，并通过自己的设计实现一种运动。1.4.3 课题研究目的本课题目的就是为了实现一个直角坐标机器人按规定路径运动。具体研究内容如下:1) 编写控制软件，以实现PCI控制卡脉冲输出功能；2) 搭建直角坐标机器人运动平台，并通过控制软件控制其按照预定的轨迹进行运动。1.5本论文的结构安排全文内容组织如下：第一章， 主要介绍机

12、器人的发展历程和研究现状，引出本文的研究内容2.机器人运动控制系统硬件2.1机器人的分类机器人的分类方法主要有以下四种，按照机器人的几何结构、控制方式、智能化程度以及移动方式。2.1.1按照机器人的几何结构常见的几何结构是以坐标来描述的，这些坐标结构包括笛卡尔坐标结构、柱面坐标结构、球面坐标结构和关节式结构以及极坐标结构等。下面主要以笛卡尔坐标结构、柱面坐标结构、球面坐标结构和关节式结构为例。1) 笛卡尔坐标机器人它主要以直线运动轴为主，各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴、Y轴、Z轴，一般X轴和Y轴是水平方向运动的轴，Z轴是竖直方向的运动轴。如图1-2，在本文的研究中，Z轴带有一个旋转轴，加

13、装焊枪等工具。在绝大多数情况下各个直线运动轴之间的夹角是直角。图2-1 笛卡尔坐标机器人2) 柱面坐标机器人柱面坐标机器人主要有垂直柱子、水平移关节和底座构成。水平移动关节装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可以沿垂直柱子上下运动。垂直柱子安装在底座上，并与水平移动关节一起绕底座转动。这种机器人在工作空间内部是一个圆柱面啊，如图1-3所示，因此将它称作柱面坐标机器人。工作范围较大，却不能到达近立柱和地面的工作空间；直线部分可以采用液压驱动，可以输出较大的动力；能够伸入型腔内侧。但是，直线部分难以密封、防尘。图2-2 柱面坐标机器人3) 球面坐标机器人它与装甲车的炮塔一样，机器手能够在外伸缩移动、在垂

14、直平面内摆动以及绕水平面内转动。所以，这种机器人的工作空间形成球面的一部分，成为球面坐标机器人。如图1-4所示。2-3 球面坐标机器人4) 关节式机器人它是由底座、大臂和小臂构成。大臂和小臂可在通过底座的垂直平面内运动，如图1-5所示，大臂和小臂之间的关节称为肘关节，大臂和底座之间的关节称为肩关节。在水平面上的旋转运动，既可以由肩关节完成，也可以绕底座旋转完成。这种机器人类似人的手臂，称为关节机器人。图2-4 关节式机器人2.1.2 按机器人的控制方式按照机器人的控制方式可以把机器人分为非伺服机器人和伺服控制机器人两种。1) 非伺服机器人。非伺服机器人按照预先编好的程序进行工作，使用终端限位开

15、关、制动器、插销板和定序器来控制机器人的运动，工作原理如图 所示。插销板用来预先规定机器人的工作顺序，而且往往是可以调整的；定序器是一种定序开关或者步进装置，它能按照预定的正确顺序接通驱动装置的能源；驱动装置接通能源后，就带动机器人的手臂、腕部和手抓进行运动，当它们移动到由终端限位开关锁规定的位置时，限位开关切换工作状态，给定序器一个“运动已完成”的信号，并使终端制动器动作，切断驱动能源。机器人完成一个工作循环。2) 伺服控制机器人。伺服控制机器人有着更高的工作能力，但在某些情况下不如非伺服机器人可靠。如图所示伺服系统的输出可为机器人末端执行装置的位置、速度或力等。通过反馈传感器取得的反馈信号

16、与来自给定装置的综合信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以控制机器人的驱动装置，进而带动末端执行器以一定的规律运动到达规定的物理参数。2.1.3 按照机器人移动方式分类1) 固定机器人，固定某个基座上，智能通过移动某个关节完成任务。2) 移动机器人，可沿某个方向或者任意方向移动。这种机器人分为有轨式机器人、履带式机器人和步行机器人。2.2 机器人的技术参数2.2.1 机器人的自由度自由度是机器人由机器人的结构决定，并直接影响到机器人的机动性。机器人的自由度：机器人的自由度是指其末端相对于参考系能够独立运动的数目。一般情况下啊，机器人的手臂可以看做连续连接的刚体组成。若要求机器人

17、能够达到空间任意位姿，则它应具有六个自由度，当然如果工具本身具有某种特别结构，可能就不需要六个自由度。2.2.2 额定速度和额定负载机器人每个关节的运动过程一般包括启动加速阶段、匀速运动阶段、减速制动阶段，为了缩短机器人的运动周期，提高生产效率，希望启动阶段和制动阶段尽可能缩短，所以两阶段的加速度较大，将会产生很大的惯性力。机器人保持运动平稳性和运动精度的前提下能达到的最大速度称为额定速度。在某一关节的运行速度是单轴速度，由各轴速度的合成称为合成速度。机器人在额定速度和形成范围内，末端执行器所能承受的负载允许值称为额定负载。极限负载是在限制作业的条件下，保证机械结构不损坏啊，末端执行器所能承受

18、的最大值。2.2.3 工作空间机器人的工作空间指机器人手臂末端和手腕中心所能到达的所有点的集合。因为末端执行器的尺寸和形状是多种多样的，为了真实的反映机器人的特征参数，一般指不安装末端执行器的工作区域。2.2.4分辨率、位姿准确度、位姿重复性分辨率是机器人各关节能够实现的最小移动距离或最小转动精度，它有控制分辨率和空间分辨率之分。控制分辨率是机器人控制器根据指令控制的最小位移增量。若机器人末端执行器借助于二进制n位指令移动距离为d，则控制分辨率为d/2n；对于转动关节，则为角度的运动范围（/2n）*l。l为臂长。空间分辨率是机器人末端执行器执行运动的最小增量。空间分辨率是一种包括控制分辨率、机

19、械误差和计算机计算时的圆整、近似计算等误差计算在内的误差。机器人多次执行同一位姿指令，其末端执行器在指定坐标系中实际位姿和指令位姿之间的偏差称作位姿准确度。它分为位置准确度和姿态准确度。在相同条件下啊，用同一方法操作机器人时，重复多次所测得的同一位姿散布的不一致程度称为位姿重复性。2.3 直角坐标机器人结构和特点本文主要研究直角坐标机器人，所以特别对其进行介绍。2.3.1 直线运动轴即直线运动单元，它就是一个独立的运动轴，主要由支撑载体的铝型材或钢型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及作为带动滑块做高速运动的同步带组成。2.3.2 运动轴的驱动系统直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机

20、的转动带动同步带运动，同步带带动直线导轨上的滑块运动。当驱动轴的最高转速低于时通常选用步进电机，否则选用交流伺服电机。2.3.3 控制系统机器人要在一定时间内完成特定的任务, 比如每完成一次搬运工作，在完成抓取、加速运动、高速运动、减速运动、释放工件等同时，还要与相关的设备进行通讯，以实现一些时序上的协调同步。另外在涂胶应用上，各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动，因此其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数量。通常选用工控机加运动控制卡，和带轴卡功能及的驱动电机来做控制系统。2.3.4 末端执行器根据其具体应用情况，其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、电磁吸取手爪、焊枪、胶

21、枪、专用工具和检测仪器等。在很多场合可以一次抓取多个工件。2.3.5 直角坐标机器人的结构和特点针对不同的应用，实际上可以方便快速组合成不同的维数，各种行程和不同带载能力的壁挂式、悬臂式、龙门式或者倒挂式等各种形式的直角坐标机器人。通过各种各样的直角坐标机器人和其他机械装置的配合，可以应用到汽车、电机等自动化的生产线上。2-5 直角坐标机器人直角坐标机器人的工作原理是将各轴电机的转动转化为各轴的直线移动。实现转化的机构主要是滚珠丝杠机构（Z轴）和同步齿形带机构（X、Y轴）。由于其结构特点，主要有以下优点：1) 任意组合成各种样式，扩展能力强；2) 超大行程：采用导轨和齿条传动方式，可以方便的连

22、成超大行程；3) 负载能力强：单根直线运动单元的负载通常小于200kg。但当采用双滑块或者多滑块刚性连接时，负载能力可以增加到5倍甚至10倍。当把两根或者四根运动单元连接时，负载可以增加到数吨；4) 高动态特性：轻载情况下速度可以达到8m/s，加速度可以达到4.5m/s2，工作效率相当高；5) 高精度：按照传动方式配置整个行程内的重复定位精度，可以达到0.05mm，甚至0.01mm；6) 经济实用：对比关节机器人，直角坐标机器人结构简单，容易让工作人员学习；7) 寿命长：直角坐标机器人的维护简单，寿命可以达到10年以上；8) 应用广泛：通过配置末端执行器，可以进行焊接、搬运、堆垛、检测、探伤、

23、贴标、打码、喷涂和装配等任务。2.4 控制系统硬件结构系统的硬件是由上位机和下位机两层构成的。上位机，指工业控制计算机，它是整个硬件的主控部分，负责界面管理和任务调度，协调系统其它部分有效地工作；而下位机是指LMW401P控制卡，主要负责运动学计算、各轴的插补运算、发送脉冲等功能。本课题研究主要以武汉力兆数控有限公司自主开发的开环激光控制系统LC 5激光焊接控制系统为例。LC5控制系统主要包括以下配件：PCI运动控制卡、接口卡、62芯公对公屏蔽电缆线、加密狗、焊接软件。图2-6 硬件组织结构图2-7 系统连接结构图LMW401P控制卡面向步进电机及伺服驱动器设计，单块卡支持四轴联动，8路输出及

24、20路输入，配合LC5激光焊接软件能完成复杂的激光焊接加工。2.4.1 LMW401P控制卡2.4.1.1控制卡组成LMW401P控制卡采用标准PCI接口，外形尺寸为147mm*105mm。控制卡插座为DB62母头插座，配用DB62公对公连线，与接口卡上的DB62母头插座连接；接口卡再与控制X、Y、Z、R（4个轴）的驱动器及外部输入输出线路连接。其接线如图2-7所示。如图2-6所示，PCI控制卡通过PCI总线将计算机主板的PCI卡槽与计算机连接起来，控制卡通过双绞屏蔽排线与接口卡连接。图2-8 PCI运动卡布局示意图2.4.1.2PCI总线PCI总线是实现机器人运动控制系统上位机和下位机之间的

25、通信以及上位机与I/O卡的通信。根据传输信息的不同，可以分为数据总线、地址总线和控制总线，分别传递数据信息、地址信息和控制信息。PCI总线总线主要有以下优点：1) 高带宽，最高时钟频率可以达到33MHZ2) 支持32位和64位两种数据传输通道3) 兼容ISA、EISA多种总线4) 具有自动配置功能，能够为外设分配地址和中断，有力的避免可能的冲突。实现触发器的中断，以实现中断共享。2.4.1.3控制卡功能原理PCI控制卡内部硬件电路的核心处理器是。它带有2Meg RAM和2 Meg flash EEPROM，以及控制卡固件。其中RAM用来为变量、数组元素和应用程序提供存储空间；而flash EEPROM 用来提高变量、数组元素和应用程序的非易失性存储。通信模块是PCI控制卡和计算机交互的模块，包括一个双向的FIFO通道和PC机中断电路。通用I/O接口模块包含8位可编程的TTL输入、8位TTL输出和触发高速位置锁存的输入信号。2.4.2 接口卡接口卡的尺寸为110mm*220mm，接口卡的各个端口分别挂载相应的运动执行件（电机的驱动器）及I/O设备。接口卡的外部接口包括：连接计算机的62芯接口，24VDC电源供电接口，4路脉冲运动轴接口，20路输入接口，8路继电器输出接口，PWM（DA）输出接口。接口布局如图2-9所示：2-9LCC接口板示意图接口采用六角