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基于专用控制卡的s c a r a 机器人控制系统研究 硕十生：徐晓宇 导师：王兴松 东南大学机械l 程学院 摘要 机器人技术在先进制造系统中的地位和作用十分重要，尤其是在柔性制造中，机器人更扮演着 不可替代的角色。作为具有很高柔性的自动化生产设备，机器人希望被应用于不同的制造对象，但 是常见的商业机器人控制器基于不同的控制软件和硬件接口，对于制造业企业来说，这种封闭的机 器人控制器的功能不能被扩展和改进，难以满足现代制造业的需求。开放式机器人控制系统解决了 传统封闭式控制系统兼容性差、功能不易扩展，维护困难，人机界面不灵活等诸多问题，是现代机 器人技术的发展的重要内容。 本课题在分析了开放式机器人控制系统的特征和体系结构以及利用p c 的开放式机器人控制系 统的诸多优点的基础上，结合s c a r a 机器人单个关节进行独立位置伺服控制的控制策略，开发出基 于“p c + p m a c ”结构的开放式机器人控制系统。该系统采用工控w a f e r - c 4 0 0 嵌入式主板和c f 卡等 相关外设作为控制计算机，并以美国d e l t at a us y s t e m s 公司生产的p m a c ( p r o g r a 咖a b l em u l t ia x i s c o n t r o l l e r ) 作为运动控制器，设计出实现四轴联动并具有空间直线、圆弧插补模式的机器人控制系 统。同时利用c c + + 开发了基于w i n d o w s 9 8 的系统软件，软件采用分层、模块化和面向对象的设计 思想，用户界面友好，操作方便，支持动作级机器人语言，具有自动、手动运动方式、坐标位置显 示功能以及较强的编稃能力、仿真能力和一定的离线编程能力，并且利用t c p i p 协议实现了初步的 网络功能。文中还对机器人语言程序的编译解释方法进行了研究分析。 关键词：机器人控制系统开放式运动控制s c a r a 机器人语言 d e v e l o p m e n to fp m a c - b a s e dc o n t r o ls y s t e mf o rs c a r a r o b o t x ux i a o y u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gx i n g s o n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t r o b o tt e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n ti na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g e s p e c i a l l yi nf l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m ，r o b o tp l a y sak e yr o l ew h i c hc a n tb er e p l a c e d a sa u t o m a t i o ne q u i p m e n tw i t hh i 曲f l e x i b i l i t y , r o b o ti s e x p e c t e dt ob eu s e di nd i f f e r e n tm a n u f a c t u r ef i e l d s h o w e v e r , t y p i c a la n dc o m m e r c i a lr o b o t c o n t r o l l e r sa r eb a s e do nd i v e r s ec o n t r o ls o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n t e r f a c e f o rm a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e s ，t h i s k i n do fd o s e dr o b o tc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a n tb ei m p r o v e da n de x t e n d e di nf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e ，i s h a r dt os a t i s f yt h en e e do fm o d e mm a n u f a c t u r i n g o p e ns y s t e mf o rr o b o tc o n t r o ls o l v e st h ep r o b l e m s ，l o w c o m p a t i b i l i t y , d i f f i c u l t yi nm a i n t e n a n c ea n df u n c t i o ne x t e n s i o na n db a du s e ri n t e r f a c ew h i c ha r ec o m r r l o n i nt r a d i t i o n a lr o b o tc o n t r o l l e r o p e nr o b o tc o n t r o ls y s t e mi sas i g n i f i c a n tf i e l di nm o d e mr o b o tt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds y s t e ms t r u c t u r eo ft h eo p e nr o b o tc o n t r o ls y s t e ma n dt h ea d v a n t a g eo fo p e n c o n t r o ls y s t e mb a s e do np ca r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s a no p e nc o n t r o ls y s t e mw i t ht h es t r u c t u r e ”p c + p m a c ”i sd e v e l o p e db a s e do ns i n g l ej o i n tc o n t r o ls t r a t e g y , i nw h i c he a c hj o i n to fs c a r ai s c o n t r o l l e db yp o s i t i o ns e r v o - l o o p t h es y s t e m sh a r d w a r ei sc o m p o s e do fw a f e r - c 4 0 0e m b e d d e dm a i n b o a r da sm a j o rc o m p u t e ra n dp m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t ia x i sc o n t r o l l e r ) a sm o t i o nc o n t r o l l e r t h i s s y s t e mi sc a p a b l eo f3 dl i n ea n dc i r c l ei n t e r p o l a t i o na n dr e a l i z e sf o u r - a x i ss i m u l t a n e o u sm o t i o n s o f t w a r e o ft h i ss y s t e ma d o p t st h ed e s i g nm a n n e ro fl a y e r e d ，m o d u l a r i z a t i o na n do b j e c t - o r i e n t e d ，w i t ht h ef u n c t i o n s o ff r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o n ，m o v e m e n tl e v e lr o b o tl a n g u a g es u p p o r t e d ，a u t o m a t i ca n dm a n u a l o p e r a t i o n ，d i s p l a y i n go fc o o r d i n a t ev a l u e ，o f f - l i n ep r o g r a m m i n g , e m u l a t e dp r o c e s s ，d y n a m i cc o n f i g u r a t i o n o ft h es y s t e mp a r a m e t e r sa n ds oo n b e s i d e st h e s ei ta l s or e a l i z e st h ef u n d a m e n t a ln e t w o r k i n gb yu t i l i z i n g t h et c p f l pp r o t o c 0 1 t h ed e c o d i n ga n de x p l a n a t i o no fr o b o tl a n g u a g ep r o g r a ma r ea l s od i s c u s s e di nt h i s t h e s i s k e y w o r d ：r o b o tc o n t r o ls y s t e m ；o p e ns y s t e m ；m o t i o nc o n t r o l ；s c a r a ；r o b o tl a n g u a g e i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：稳嚏辔日期：趁碰：主：掣 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：名蜱导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 机器人技术及其在先进制造系统中的地位 柔性制造、计算机集成、精益生产、虚拟制造等是先进制造业的发展趋势，机器人技术在先进 制系统中的地位和作用十分重要。机器人的最初出现是传统的机构学与近代电子技术相结合的产 物。1 9 6 1 年，美国的c o n s o l i d e dc o n t r o lc o r p 和a m f 公司联合制造了第一台实用的示教再现犁工 业机器人，迄今为止，世界上对工业机器人的研究已经经历了四十余年的历程，日本、美国、法国、 德国的机器人产业已日趋成熟和完善。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。它对稳定、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。当前，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。是当代十 分活跃的研究开发领域，它包括正在逐步深入的机器人学基础技术研究，也包括对国民经济有着重 要作用的机器人工程应用技术研究。 柔性是先进制造模式的重要特点之一，能否把现有的大规模生产线转化为能进行中小批量生产 的“柔性”生产线，以达到生产同类产品的价格与批量无关，这将决定一个企业、一个地区，乃至 一个国家在未来市场竞争中的地位。而机器人是一种具有高度柔性的自动化设备，对提高制造生产 线的柔性具有特别重要的意义，因此机器人将在未来的制造企业中扮演越来越重要的角色。未来的 典型制造j 二厂将是由计算机网络控制的包含多个机器人加工单元的分布式自主制造系统。在未来的 制造工厂中，机器人技术不仅对工厂的底层车间产生深刻的影响，还将对产品的设计产生重要影响 产品设计者将在产品设计过程中应用工厂和机器人等设备的模型来检验其产品的可制造性。机器人 并不仅仅是在简单意义上代替人工的劳动，它还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，既有入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进化过程的产物，它是工业以及非产业界的重要生 产和服务性设备，也是先进制造系统中不可缺少的自动化设备。因此，工业机器人必须改变过去的 “部件发展方式”，而应该优先虑“系统发展方式”。随着工业机器人应用范嗣的不断扩大，机器 人不应该仅仅适用于简单重复的工作，而是要作为一个可程的高度柔性的、开放的加工单元集成到 先进制造系统中来。 我国的机器人从8 0 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五” 科技攻关，目前已基本掌握了工业机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、 运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等 机器人；另外我国的智能机器人和特种机器人在“8 6 3 ”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最 为突出的是水下机器人，6 0 0 0 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、 双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础 技术的开发应用上开展了不少工作，有了定的发展基础1 。 1 2 未来工业机器人的发展方式和趋势 首先，随着丁业机器人应用范围的不断扩大，在今天机器人早已从当初的柔性上下料装置，发展 成为可编释的高度柔性n t 单元。随着高刚性及微驱动问题的解决，机器人作为高精度、高柔性的敏 捷性加二：设备的时代，迟早将会到来。不论机器人在生产线中起什么样的作用，它总是作为系统中的 一员而存在。考虑剑我们即将进入敏捷制造的时代，我们更戍该从组成敏捷生产系统的观点出发，考 虑1 ：业机器人的发展。 从系统观点出发，首先要考虑如何能和其他设备方便地实现连接及通信。机 1 东南人学硕i j 学位论文 器人和本地数据库之间的通信从发展方向看是场地总线，而分布式数据库之间则采j l l j 以太网，我国应 该根据国际的情况尽快地制订相应的通信规范及协议，以便我们在开发机器人系统时可以遵循。总之， 从系统观点来看，设计和开发机器人必须考虑和其他设备且联和协调i i 作的能力。 其次，编程语言及编程方式的发展，通刚的r 业机器人程序语言仍是动作级语言，虽然开发了很 多种任务级语言，但多不实用。随着机器人技术的发展及离线编程技术的成熟，任务级语言可能会日 趋成熟。但在可以预见的将来，由丁”任务”的复杂性，实用的语言仍将是动作级语言。机器人群作为 整个集成化的生产装备的一部分，编程及监控技术必须进一步改进，使得它能和整个生产设备在统一 的框架下进行编程、仿真及监控。目前的编程语言仍然是由供应商独立开发，五花) k l j ，各式各样。 在今后的发展中，随着机器人控制器采用通用计算机已成为一个主流，机器人语言完全可以像计算机 语言一样规范化，这将大大有利于系统集成，便于系统的编程、仿真及监控。当前在形成我们自己的 工业机器人产业中，完全有条件制订机器人语言规范，特别是动作级的编程语言规范。这样系统可以 在统一的语言下进行编程，经仿真验证后，通过输出接口直接_ 卜装剑每一台机器人，通过输入接口对 整个运行情况进行监控，并可保留原有的编程资料。 再者是传感器的引入及机器人本体的进化。十多年来，各式各样的机器人传感器发展得很快，随 着微机构的出现，下一世纪将是传感器发生革命性变化的时代。超小型化、高可靠性及廉价的传感器 的出现，将从根本上改变机器人编程及其控制系统的设计。随着炭纤维增强的材料的出现，及大量关 于弹性臂的研究，有可能实现长期以来人们所追求的负载自重比为1 ：2 的轻型机器人。另外一个瓶 颈问题是驱动单元问题。从过去的经验来看，形状记忆合金、磁致伸缩、气动伸缩驱动单元的应用范 围很有限，驱动主体还是电机。但电机的自重是一个有待解决的问题，目前还没有什么新的概念和原 理出现，研究的重点是开发耐高温及具有高校顽磁力的磁性材料，另外把力及力矩传感器、加速度传 感器等和电机及驱动单元组合成所谓新传感驱动单元。总之，为了适应下一世纪敏捷制造企业底层敏 捷生产设备发展的需要，工业机器人的发展又到了一个新时期，我们必须从敏捷产生系统出发，在更 高、更，。的角度研究机器人的发展憎1 。 最后是高级机器人发展的共性技术。( 沿用国际上通用的名词，称遥控机器人及特种机器人为高 级机器人( a d v a n c e dr o b o t ) ) 例如遥控及监控技术，人机接口，多传感器系统及先进的感知算法， 机器人的能源问题”1 。 1 3 开放式工业机器人控制系统综述 1 3 1 开放式机器人控制系统及其特征 工业机器人内在的一些特性，包括它的柔性以及可重复编程性使得它在制造行业中的地位越来 越重要，但是要将机器人作为一个自动化生产设备集成到先进制造系统中来，必须解决它与系统中 其它自动化设备的连接问题。机器人是一种具有很高柔性的自动化生产设备，同种机器人可以应用 于不同的制造对象，但是不同的下作可能要求机器人控制器具有不同的控制软件和硬件接口，而对 于制造业企业来说，他们也希望所购买的设备具有较高的应用价值，这就要求机器人控制器的性能 可以被方便的扩展和改进，也就是说，机器人控制器要具有开放性。开放的控制系统应具备以下特 征：可扩展性，第三方可容易地加入软件及硬件功能；互操作性，多台计算机之间可容易地交换信 息：可移植性，个系统应用软件可方便地用到另一系统中；可裁减性，现有系统功能可根据应用 的要求增加或减少。机器人控制系统的开放性，必须建立在控制器中内嵌开放式计算机平台开发系 统的基础之上。在开放式的开发平台上开发人员可以应用面向对象技术将整个控制软件分成不同的 模块，并留出相应的软件接口，这样就可以对机器人应用程序进行多次开发，如果用户想为控制器 增加或改变功能，无需了解全部控制程序的编制过程，只需知道接口所要求的参数就可以方便地进 行二次开发，增加功能，满足机器人用户的各种需要，以增加机器人的附加应用价值。 目前国际上对机器人控制器的开放性还没有明确的定义。根据对开放的官方定义，开放系统 廊满足系统的应用能在不同的平台之间移植，能与其他应用系统交且，为用户提供致的交互方式。 l o t h a rp o s s o l ( t r e l l i ss o f t w a r e c o n t r o li n c ) 认为开放系统应该远行在商品化的标准计算机 2 第一章绪论 硬件和操作系统上，具有开放的硬件和软f ，i ：接1 ：3 以及标准i ：业用户图形界面。b r a i nc b r i s t e ns e n ( o e n e br o b o t i c s1 1 1 c ) 认为开放意味着一种即插即川策略系统的元素可以是真实的，虚拟的或两者 兼有，实现真实或虚拟的机器人单元与真实的p l c p c 或整个虚拟i ：厂之间的无缝通讯。p e t e r m a n l e y ( c i m e t r i xi n c ) 认为开放系统应该基- 丁标准计算机体系，如( v m e 或i s a 总线) 和标准处理 器( 如m o t o r o l a 6 8 0 x o ，p o w e rp c 或基于i n t e li x 8 6 p e n t i u m 的系统，运行丁u n i x 或w i n d o w sn t 等标准操作系统，采用v i s u a lb a s i c 和v i s u a lc + + 或c c + + 和x + m o t i f 等标准语言编程，控制软件 允许集成新的控制算法如运动学力控运动和i o 子系统等。针对开放式机器人控制器已有的研究 工作集中于机器人控制结构的定义，实现系统部件的模块化，接口的标准化，提高软件代码的复用 性，效率，可维护性，正确性以及程序的易读性。为用户提供方便的任务描述和编程环境。目的是 提高系统的开放性和交互性，便于任何机器人控制研究，如综合和使用外部传感器轨迹规划和生成， 伺服控制算法研究，提高系统的可配置性和可扩展性，便于修改和扩展系统以适应新的应用并提供 一致友好的用户接口。w i1 1i a me f o r d 总结了开放式机器人控制器的主要思想( 1 ) 使用基于非专 用计算机平台( 如s u n ，s g i ，p c 等) 的开发系统。( 2 ) 使用标准的操作系统( 如u n i x ，v x w o r k s ) 和标 准的控制语言( 如c c + + ) 。( 3 ) 硬件基于标准总线结构，能够与各种外围设备和传感器接口。( 4 ) 使 用网络策略。( 5 ) 允许工作单元控制器共享数据库并允许远程操作1 4 儿。 1 4 课题意义与论文内容 目前，机器人控制系统成为机器人技术的发展的重要内容，国内外的很多研究机构都在对其进 行研究，利用p c 机的丰富的软硬件资源发展总线式、模块化和智能化的机器人控制系统，已经成为 开放式机器人控制系统( o p e ns y s t e mf o rr o b o tc o n t r 0 1 ) 已经成为机器人控制系统研究的重点。 同时，我们在研究国内公司对商业化工业机器人使用情况时发现，其生产车间中使用的机器人机器 控制系统多数为进口，价格昂贵并且维护凼难。由于采用商业化的专用控制系统，其在软硬件结构 上都具有严格的封闭性，很难对其进行功能扩展，因我们将重新设计基于p c + p m a c 形式的开放式控 制系统，使其既能够实现企业的需求，义能够作为其他关节机器人的通用系统，具有一定程度上的 开放性和可扩展性。对我们来说，设计开放式机器人控制系统也是一次尝试和挑战，通过这次开放 式机器人控制系统的设计，可以使我们对机器人极其控制系统的理解更加深入，利于以后对系统进 行更深层次上的研究和开发。同时，我们也将对开发的s c a r a 机器人机械本体进行改造。 本文的内容如下： 介绍开放式机器人控制系统层次结构和组成形式，并对利用p c 的平台的开放式控制系统 进行分析，同时，确定本文研究的机器人控制系统的总体结构。 对应确定的系统结构，选用工控w a f e r c 4 0 0 嵌入式主板作为系统的硬件平台，利用美国 d e l t at a us y s t e m s 公司生产的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i 2a x i sc o n t r o l l e r ) 作为运动控制 器，组成“工控w a f e r c 4 0 0 嵌入式主板+ p m a c 运动控制昔”的机器人控制系统的硬件结 构。 运用面向对象的c c + + 程序设计方法，设计运行在p c 平台上的机器人控制系统的软件部分， 实现与p m a c 的通信与借口，并实现友好的人机界面、机器人语言程序编辑、自动运行、 手动运行等机器人的基本功能，最后对该系统使j j l 到的机器人动作级语言的编译和解释方 法进行介绍。 介绍项目中使用的s c a r a 机器人的运动学分析，并介绍了关节机器人位置控制的控制策略， 包括关节机器人在笛卡儿坐标系的插补方法和在关：常空间的样条方法，最后介绍了位置伺 服环作为单关节位置控制器在本设计中的使用。 最后对本文所开发的控制系统的不足进行分析，并对该系统的发展和改善前景进行了展 望。 3 东南人学硕i j 学位论文 第二章利用p c 平台的机器人控制系统 2 1 利用p c 平台的机器人控制系统的特点 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，现在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( 事实是促进) 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验。更为重要的是，p c 硬件和软件平台是在1 二业界可接受的硬件部件和软件常规标准下建立的。采用标准的好处已被计算 行业所证实。这些好处可以容易地转移到 ：厂车间和控制工业。 这种开放式体系结构环境为系统控制、过程监视和数据采集、质量管理、以及以前不能做到的 与其它系统的通信、典型的闭环结构、专用性、用于制造业的计算平台提供了一系列制造业专用的 功能。基于开放式体系结构的p c 制造的主要好处是在：1 通信；2 连通性；3 部件标准化和可用性； 4 节省成本1 。 2 2 利用p c 平台的机器人控制系统的实时性分析 所谓实时系统是指能够在一个预先指定或确定的时间内完成系统功能和对外部和内部、同步或 异步时间做出响应的系统。机器人控制系统的任务从实时性的角度出发，可以分为实时任务和非实 时任务。 实时任务是和运动控制密切相关的功能，是指具有强实时性的任务。运动控制功能包括插 补运算、位置控制和实时内核管理。机器人控制系统采用边计算边运行的方式，插补运算 和位置控制构成了轨迹运算的核心，如果插补运算和位置控制超过了运算的采样周期，则 运行过程就会出现断续和停顿，影响机械臂末端的运动轨迹。实时内核管理是协调插补运 算和位置控制的调度者，保证程序在设定的定时周期内启动各功能，并通过优先级的设置 协调强实时任务运行的先后顺序。 非实时任务是与运动控制间接相关或无关的功能，包括人机控制、网络功能以及其它和运 行过程无直接关系的功能。人机控制也属于交互系统的一种，在人机控制中，实时位置的 实时显示、命令输入、通过分布式网络传送机器人语育代码都应该在一定的时间内完成， 这些任务的响应一方面不能影响操作者对机器人运行状态的监视，另一方面又不能影响整 个生产系统的控制，虽然可以有一定的延迟，但应该在一定的时间范围之内。 实时控制系统与普通计算机系统不同。尽管两者都希望使计算机资源的利用率更高，计算速度 更快，信息吞吐量更大，但是一般非实时的科学计算和管理系统最终获得的结果很少与在什么时刻 得到结果有关系。然而，实时控制系统必须与外部世界相互作用，外部世界由一r 作环境、设备硬件 和在其中发生的事件表示，系统在响应这些事件时所进行的判断、推理和计算，不仅要保证产生的 结果正确，而且要保证在确定的时间内产生这些结果。所以，实时系统要集中系统的全部资源，以 保证控制任务在既定的时间内得以准确完成。 基于p c 的开放式机器人控制系统是机器人发展的重要趋势，其中的一个重要原因就是p c 运行 在通用的操作系统如w i n d o w s 上，并且有大量相关的应用软件可供使用。w i n d o w s 系统的推出，使 p c 机的操作系统发生了革命性的变化，w i n d o w s 与上述的d o s 、l i n u x 等系统相比，主要拥有以下优 点： ( 1 ) 友好的图形用户界面和丰富的软件资源： ( 2 ) 操作配置方便： ( 3 ) 支持多线程的，1 i 先式多任务机制； 4 第二章利用p c 甲台的机器人控制系统 ( 4 ) 运行机制更加安全，一个应用程序的崩溃不会影响剑其它程序的运行。 正是基于上述这些优点，w i n d o w s 成为最流行的p c 操作系统，因而在w i n d o w s 平台上开发控制 系统在全球也成为一大热点。w i n d o w s 是消息驱动系统，w i n d o w s 消息提供了府崩程序与廊用程序之 间、府刖程序与w in d o w s 系统之间进行通信的手段。应用群序的实现，依靠系统对消息的响应和处 理来完成。但消息机制是不分任务轻重缓急的，仅凭消息发送机制，无法实时响应外部事件的中断。 对于实时控制系统，在硬件方面要求配置实时时钟，而w i n d o w s 提供的有关定时器操作却难以利用。 其原因是：系统定时器使用的是系统时钟中断，由于w i n d o w s 在初始化时将时钟中断频率设为 1 8 2 h z ，所以，使用系统定时器，其最小定时精度约为5 5 m s ( 实际为5 4 9 4 5m s ) 不仅如此，系统对 中断的响应还必须是5 5 m s 的整数倍，如果设系统的定时器周期为6 0 m s ，实际上系统的响应周期至少 为1 1 0 i l l s 。对于实时系统来讲，这一定时精度远远不能满足控制要求。此外，定时器消息w m - t i b l e r 是低优先级消息，它在应用程序消息队列中的其它消息处理完之后才被处理。所以，系统定时器无 论是在定时精度方面，还是在对实时任务的实时处理性方面，都不能满足实时系统要求。w i n d o w s 统一管理系统的软硬件资源，以便于资源的共享。w i n d o w s 不提倡直接和硬件打交道，禁止直接访 问设备( 接口) 和修改中断向量，因而w i n d o w s 并没有在它的函数库中提供直接用端口地址访问硬件 接口和修改中断向量的函数。因此，对于实时控制系统，若无中断设置，仅凭消息调度机制不能满 足工业应用环境中对实时事件处理和实时控制应用的要求。因此，要利用w i n d o w s 及其平台下的强 大的开发工具，要解决的非常关键的一个问题就是如何满足和实现控制系统的实时性要求。 w i n d o w s 9 5 并不具有实时能力，另外w i n d o w sn t 虽具有良好的健壮性和安全性，但它不具有严 格的实时处理能力，而且它的硬件抽象层使硬件的接口非常困难，而且效率很低旧1 ，系统的实时性能 只能依赖系统设计和程序设计来保证，但w i n d o w s 9 5 9 8 n t 系统中硬件操作和中断编程非常复杂， 软件开发的难度较大。解决实时性的另一种方案是采用实时操作系统( 如q n x ，l y n x o s ) 或在非时实 操作系统中使用实时补丁或扩展子系统( 如r t x ，r tl i n u x ) 。 r t x 是微软提供的w i n d o w sn t 的实时 子系统。r tl i n u x 是l i n u x 的实时补丁。q n x 是一个实时微内核操作系统，内核中不包括硬件驱动， 拥有授权的程序员可以直接访问内存和i o 口，接触硬件中断服务程序，这使得编写硬件借口非常 容易，采用实时操作系统或补丁的缺点是降低了系统的通用性，增加了成本。优点是可以用单纯软 件的p c 控制取代p c + i ) s p 的控制方式，这样也能够很好的解决系统的实时性问题，采用这一结构的 控制系统一般为全软件型机器人控制系统。但是更多的机器人控制系统则在系统的硬件结构上进行 变化，一般采用运动控制芯片嵌入p c ( 如p c + d s p ) ，将机器人控制系统的功能进行分解，实时任务 由专用的d s p 等运动控制器来实现，非实时任务由p c 机来实现。这一结构既能够充分利用p c 机及 w i n d o w s 系统充足的软件资源，使机器人控制系统便于开发和实现很好的编程能力和优秀的人机界 面，义能够利用专用运动控制器部分实现实时任务。目前，这一结构在机器人控制系统中普遍采用。 2 3 该机器人控制系统的采用的结构 机器人控制系统是一个具有多任务并行执行的实时控制系统，实时控制系统从结构上分大致有 两种，多处理器系统和单处理器系统。多处理器系统( 主从式) 中主c p u 是一般用途的c p i j ，通常 这种系统的主c p i j 运行非实时操作系统。从c p u 是嵌入式的如d s p 。所有实时任务在从c p u 上运行。 多处理器系统的柔性和可扩展性比较差。单处理器系统中只有一个c p u 控制程序和用户图形界面程 序在同一个c p u 上运行，为满足控制算法对时间的严格要求，需要一个实时环境或个实时操作系 统，象机器人控制器这样的要求控制周期非常小的情况下，采用单处理器结构会限制系统的性能， 综合考虑这两种结构的优缺点，我们项目采用了两层处理器的结构，在主c p u 上运行通用的操作系 统w i n d o w s 9 8 并利用c c + + 语言实现系统的非实时功能和入机界面，同时具有充足的支持软件来改 善系统的用户界面显示、动态仿真、离线编程、故障诊断、网络通信等功能。而实时任务和最底层 的伺服控制由具有实时环境的运动控制# p m a c ( 以d s p 为核心) 完成，在实时环境中运行一些实时 轨迹规划任务，以及运行位置控制伺服算法1 9 1 。这样我们把系统任务使用两层c p u 完成，既保证了 机器人的位置伺服精度，又增加了控制器的灵活性和可扩展性州1 。 5 东南入学硕i ：学位论文 如图2 - 1 所示为利用p c 平台的机器人控制系统结构 l用户界面 l 上1 上 l协调管理层l c 二二爿 执行层 j 上 i操作系统 i 上 p c 硬件平台 jrj r上丁r l 远程系统 数字量i o p m a c 旧 电机l 传 l l 感 机 一 械 e h 驱臂 动 图2 - 1 机器人控制系统结构 2 4 本章小结 本章分析了利用p c 的开放式机器人控制系统的结构组成，提出了利用p c 的机器人控制系统的 两种实现形式，并分析了机器人控制系统的实时性和解决方案，确定了项目系统所采用的结构为“p c + 运动控制器”，选用操作系统平台为w i n d o w s 9 8 ，运动控制器为具有p c i 0 4 总线的专用运动控制卡 p 舭c ( 以d s p 为核心) 。 6 第二三章s c a r a 机器人的运动学分析和控制策略 第三章s c a r a 机器人的运动学分析和控制策略 s c a r a 机器人是种常见的关节类机器人，本章将在关节机器人运动学分析的基础上，介绍机 械臂末端的运动轨迹规划和关肖控制策略。 3 1s c 刖r a 机器人的运动学分析 3 1 1 概述 1 机器人运动方程的表示 机器人机构可以认为是由一系列关节连接起来的连杆机构组成。把构件坐标系嵌入机器人的每 一个连杆机构中，可以方便的描述一个连杆与下一个连杆之间的关系。齐次变换是描述这些坐标系 之间的相对位置和方向的一种通用方法，且把齐次变换记为a 矩阵。一个a 矩阵仅仅是描述连杆构 件坐标系之间相对平移和旋转的齐次坐标变换。 2 构件坐标系的确定 为了描述连杆之间的数学关系，d e n a v i t 和h e r t e n b e r g 提出了为关节链中的杆件建立主附体坐 标系的矩阵方法，即d h 法。 连杆串联型机器人是由一系列通过活动关节连接在一起的连杆组成。需要用两个参数来描述一 个连杆，即公共法线距离口。和垂直于口。所在平面内两轴的夹角口。；需要另外两个参数来表示相邻 两连杆的关系，即两连杆的相对位置d 。和两连杆法线的夹角色，如下图3 - 1 所示。 杆 l 图3 - i 机器人关节结构参数 除第一个和最后一个连杆外，每个连杆话端的轴线各有一条法线，分别为前、后相邻连杆的公 共法线。这两条法线之间的距离为d 。我们称口。为连杆长度，口。为连杆扭角，d 。为两连杆距离， 见为两连杆夹角。 7 东南人学坝l ：学位论义 机器人机械手上坐标系的配置取决丁机械手连杆连接的类型。其连接方式有两种一转动关节和 棱柱联轴节。对于转动关节，以为关节变量。连杆r l 的坐标系原点位于关节r l 和关1 3 n + l 的公共 法线与关节n + l 轴线的交点上。如果两相邻连杆的轴线相交于一点，那么原点就在这一交点上。如 果两轴线相互平行，那么就选择原点使对下一连杆的距离d 。为零。连杆n 的z 轴与关节n + l 的轴线 在一条直线上，而x 轴则在连杆n 和n + l 的公共法线上，其方向从n 指向n + l ，如图3 1 a 。当两关 节轴线相交时，x 轴的方向与两矢量的交积z 棚z 。平行或反向平行。x 轴的方向总是沿公共法线从 转轴n 指向n + l 。当两轴工和平行且同向时，第n 个转动关节的以为零。对于棱柱联轴节( 平 动关节) ，其机械手坐标系的配置和转动关节的原理基本相同，只是d 。为关节变量，在此略去。 综上所述，s c a r a 机器人的每个关节坐标系的建立可参照以下的三原则： ( 1 ) z 轴沿着第n 个关节的运动轴； ( 2 ) x 轴垂直 - - z 轴并指向离开z 柚轴的方向； ( 3 ) y 。轴的方向按右手定则确定。 3 构件参数的确定 根据d _ h 构件坐标系表示法，构件本身的结构参数口。，a 。，和相对位置参数见，d 。可由以下的 方法确定： ( 1 ) 以为绕z 轴( 按右手定则) 由z 柚轴到戈。轴的关节角： ( 2 ) d 。为从第n 一1 坐标系的原点到z 剃轴和x 轴的交点沿z “轴的距离； ( 3 ) a 。为从z 柚和x 。的交点到第1 3 坐标系原点沿j 。轴的偏移距离，即z 柑和z 。两轴间的最小 距离； ( 4 ) 口。为绕z 柚轴( 按右手定则) 由z n _ l 轴到x 。轴的偏转角。 4 变换矩阵的建立 一旦对全部的连杆规定坐标系之后，就可以按照下列的顺序山两个旋转和两个平移来建立相邻 两连杆n - 1 和r 之间的相对关系，见图3 1 。 ( 1 ) 绕z 轴旋转眈角，使x 剃轴转到与工。同一平面内； ( 2 ) 沿z 轴平移距离d 。，把z 移到与x 。同一直线上； ( 3 ) 沿z 。轴平移距离口。，把连杆n 一1 的坐标系移到使其原点与连杆1 3 的坐标系原点重合的地方； ( 4 ) 绕以轴旋转口。角，使z 一稚o - uz 。同直线上。 这种关系可由表示连杆n 对连杆n 1 相对位置的四个齐次变换米描述，称为a 。矩阵。此关系式 8 第二三章s c a r a 机器人的运动学分析和控制策略 a 。；r o t ( z ，o ) t r a n s ( o ，0 ，d 。) t r a n s ( a 。，o , o ) r o t ( x ，口。) 展开上式得( 旋转关节) ： a 。t c o s 以s i n 吼c o s o t 柚 s i n 以c o s 以c o s a 州 0 s i n a 。一l oo s i n 以s i n 口柚 一c o s 8 ns i no c n 4 c o s a 一1 0 a 柚c o s 吼 a 。一ls i n 0 。 d 。 1 式3 - 1 式3 - 2 当机械手各连杆的坐标系被规定以后，就能够列出各连杆的常量参数。这样，a 矩阵就成为关 节变量目的函数( 对于旋转关节) 或变量d 的函数( 对于棱柱联轴节) 。一旦求得这些数据之后，就 能够确定本小节1 中n 个变换矩阵a ，( i = l ，2 n ) 的值( 机器人的关节数为n ) 。 5 用a 矩阵表示t 矩阵 由于4 描述第n 个连杆相对于第n 一1 连杆的位姿，对于s c a r a 机器人( 四个自由度) ，机械手的 末端装置即为连杆4 的坐标系，它与连杆n 一1 坐标系的关系可由”1 瓦表示为： ”一4 4 1 一a 4 由此可得连杆变换通式为： ”1 瓦= c o s 以 s i n 见c o s o t 柚 s i n 以s i n a 。- 1 0 一s i i l 以 c o s 吃c o s a c o s 以s i n a 0 所以机械手端部对基座的坐标关系为： l = 1 4 , a 2 a 3 a 4 0 一s i n 口 - 1 c o s a 1 o 9 a 一1 - d 。s i n a 。一l - d c o s 口 一1 1 式3 - 3 式3 - 4 东南人学硕上学位论文 3 1 2s c a r a 机器人齐次坐标系的建立 采用d e n a v i t h a r t e n b e r g 运动学表示法建立坐标系。s c a r a 机器人属丁平面关节式机器人，各 连杆坐标系如图3 2 。 量。 图3 - 2s c a r a 机器人沪h 杆件坐标系 相应的连杆参数列于表3 - 1 。其中z l = 3 5 0 唧，1 2 = 2 5 0 r a m ，表3 - 1 中1 9 1 ，0 2 ，d 3 ，岛为关节变 连杆变量 口n - 1a h - 1d 。c o $ o r 一1 s i l la - 1 1 b 0oolo 2 0 2 o z l 01o 3 00 f 2d 3 1 0 4 岛 00010 表3 1s c a r a 机器人的杆件参数 设与机器人机座相固连的坐标系统x o y o z o 为参考坐标系，每个杆件上固连一个坐标系统，即 为动坐标系，从而根据表3 - 1 各个杆件之间的关系，可写出相应的位姿变换矩阵( 记为”1 瓦) ，如 下所示： 1 0 第三章s c a r a 机器人的运动学分析和择制策略 。瓦= 1 疋， 3 l = c 1一s l 毛c 1 o0 00 c 25 2 s 2c 2 oo 00 1o0 o10 0 01 0 0o c 4一s 4 s 4c 4 00 00 其中：c f =