机器人控制系统设计文献综述

1、一、刖S1 课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势1.1课题研究的意义随着机器人在工业装配线的应用越来越广泛，工业环境对其控制系统的要求 也越 来越高，所以开放式机器人控制系统的设计具有工程实际意义。课题以一四自由度关节型机器人研制为背景，设计机器人运动控制系统的硬件电 路和软件结构，对机器人的运动控制电路进行设计，实现机器人按照预定轨 迹或自主 运动控制功能。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： 以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等 的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 以改善劳动条件，避免人身事故在咼

2、温、咼压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性 污染 以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用 机械 手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综 合加工自动 线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的 进行工作生产随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的性能提出了更 高的要求，因此，如何有效地将其他领域（如图像处理

3、、声音识别、最优控制、人工 智能等）的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中，是一项富有挑战性的研究工作。而具有开放式结构的模块化、标准化机器人，其控制系统的研究无 疑对提高机器人性能和自主能力，推动机器人技术的发展具有重大意义。1.2国内外研 究现状和发展趋势随着机器人控制技术的发展，针对结构封闭的机器人控制器的缺陷，开发具有开 放式结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向。近几 年，日本、美国和欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制 器，如日本安川 公司基于PC开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制器。我国863计戈U智 能机器人主题也已对这方面的研

4、究立项。由于适用于机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展，开发一个结 构完全开放的标准化机器人控制器存在一定困难，但应用现有技术，如工业PC良好 的开放性、安全性和联网性，标准的实时多任务操作系统，标准的总线结构，标准接口 等，打破现有机器人控制结构封闭的局面，开发结构开放性、功能模块化的标准化机 器人控制器是完全可行的。新型的机器人控制器应有以下特色：(1) 开放式系统结构采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便的扩充功能，使其适用不同类型机器人或机器人化自动生产线。(2) 合理的模块化设计对硬件来说，根据系统耍求和电气特性，按模块化设计，这不仅方便安装和维护，且提高了系统的可靠

5、性，系统结构也更为紧凑。(3) 有效的任务划分不同的子任务由不同的功能模块实现，以利于修改、添加、配置功能。(4) 实时性、多任务要求机器人控制器必须能在确泣的时间内完成对外部中断的处理,并且珂以使多个任务同时进行。(5) 网络通讯功能利用网络通讯的功能，以便于实现资源共享或多台机器人协同工作。(6) 形象直观的人机接口另外，机器人控制器中，运动控制板是必不可少的。由于机器人性能的不同，对运动控制板的要求也不同。美国DeltaTau公司推出的PMAC(Programinable Multi-axies Controller)在国内外引起重视。PMAC 是一种功能强大的运动控制器，它全面地开发了

6、 DSP技术的强大功能，为用户提供了很强的功能和很大的灵活性。借助于Motorola公司的DSP56001数字信号处理器，PMAC可以同时操纵轴，比起其他运动控制板來说，有很多可取之处。由于适用于机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展，开发个结构 完全开放的标准化机器人控制器存在一定困难，但应用现有技术，如工业PC良好的开放性、安全性和联网性，标准的实时多任务操作系统 ，标准的总线结 构，标准接口等，打破现有机器人控制器结构封闭的局面，开发结构开放性、功能模块化的标准化机器人控制器是完全可行的。1.3目前机器人控制器存在的问题随着现代科学技术的飞速发展和社会进步，对机器人的性能提出更

7、高的要求。智能机器人技术的研究已成为机器人领域的主要发展方向，如各种精密装配机器人，力/位置混合控制机器人，多肢体协调控制系统以及先进制造系统中的机 器人 的研究等。相应的，对机器人控制器的性能也提出了更高的要求。但是，机器人自诞生以来，特别是工业机器人所采用的控制器基本上都是开 发者 基于自己的独立结构进行开发的，采用专用计算机、专用机器人语言、专用操作系统、 专用微处理器。这样的机器人控制器已不能满足现代工业发展的要 求。从前面提到的两类机器人控制器来看，串行处理结构控制器的结构封闭，功能单 一，且计算能力差，难以保证实时控制要求，所以目前绝大多数商用机器人都是采用单 轴PID控制，难以满

8、足机器人控制的高速、高精度的要求。虽然分布式结构在一定层 次上是开放的，可以根据需要增加更多的处理器，以满足传感器 处理和通讯的需要，但 它只是在有限范围内开放。并行处理结构控制器虽然能从 计算速度上有了很大突破，能 保证实时控制的需要，但我们必须看到还存在许多问题。目前的并行处理控制器研究一 般集中于机器人运动学、动力学模型的并行处理方面，基于并行算法和多处理器结构的映射特征来设计，即通过分解给定任务，得到若干子任务，列山数据相关流图，实现各子任务在对应处理器上的并行处理。 由于并行算法中通讯、同步等内在特点，如程序设计不当则易出现锁死与通讯堵塞等现 象。综合起来，现有机器人控制器存在很多问

9、题，如：（1）开放性差（2）软件 独立 性差（3）容错性差（4）扩展性差（5）缺少网络功能2课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题21课题研究的目标、内容本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合， 完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。本课题以一四自由度关节型机器人研制为背景，设计机器人运动控制系统的硕件 电路和软件结构，对机器人的运动控制电路进行设计，实现机器人按照预定 轨迹或自 主运动控

10、制功能。主要的研究内容是对SCARA机器人控制系统的软硕件 选型和实现不 同位置间运动，包括上下料的控制程序的研究。2.2拟解决的关键问题1、确定本课题研究的机器人控制系统的总体结构；2、对应确定的系统结构，选用机器人控制系统的硕件结构；3、设计运行机器人控制系统的软件部分；4、控制系统的电路图设计二、设计方案的确定1 研究路线、方法和拟使用的方法(1) 机器人控制系统的总体结构其中，机器人的关节均选用私服电机驱动，光电码盘用来控制大臂和小臂的转动 量，极限开关用来控制升降轴的上下移动量。运动控制卡用来控制机械手关节的转动和 移动，实现定位，总体结构如图2所示。H业决制计(2) 控制系统的硬件结构通过小组初步讨论决定控制计算机使用研华的主机，运动控制卡选用ADT (深圳众 为兴)，电机选用伺服电机。(3) 控制系统的软件部分主要采用VC进行编程，构建一个控制系统平台，在程序中给定坐标后，实现机 械手从一点移动到另一点进行上下料的搬运工作。之所以使用VC,方面，9.金广业编译工业机器人与控制东北大学出版社，1991.310周伯英编著工业机器人设计机械工业岀版社,199511-(俄)索罗门采夫主编工业机器人图册机械工业出版1993.512. A. Mohammadia, n, M. Ta