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分类号： tp242.2 密 级： 公 开 学 号： 092030036 工学硕士学位论文 嵌入式工业机器人运动控制器的研究嵌入式工业机器人运动控制器的研究 学生姓名 王 冠 指导教师 林明教授 江苏科技大学 二 o 一二年三月 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering research on the motion control of robot based on embedded system submitted by wang guan supervised by lin ming jiangsu university of science and technology march, 2012 江苏科技大学学位论文原创性声明江苏科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 江苏科技江苏科技大学学位论文版权使用授权书大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文 被查阅和借阅。 本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于： (1)保密，在 年解密后适用本授权书。 (2)不保密。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 摘 要 i 摘 要 工业机器人控制系统是机器人的重要组成部分，主要用于对操作机的控制，以完 成特定工作任务。 运动控制器在机器人控制系统中占核心地位， 是机器人的神经中枢。 其设计好坏决定了机器人系统的整体行为和整体性能，决定了控制性能的优劣，同时 也影响着机器人使用的方便程度。 机器人运动学作为机器人学的一个重要的研究领域， 主要研究和解决机械手臂转向何方的问题，其对机器人的控制、机器人动力学和轨迹 规划有着深远的影响。 针对传统求解工业机器人逆解问题中存在的不足，给出了一种基于改进遗传算法 的机械手逆解的求解方法。该算法采用了自适应的交叉，变异算子，改进了排序方法， 在保证解的精度的同时对解进行了合理的优化，使求解过程更精确。同时在求解过程 中使用罚函数法，对多解问题进行优化，从而逆解更具有实用性。选用工业机器人 puma560 为对象进行仿真实验，从算法快速性方面进行考虑，满足了求解过程的实 时性要求。通过使用 matlab 对算法进行仿真，研究表明，该算法求解精度高，并 能有效避免多解。同时对比简单遗传算法，该求逆算法具有稳定性好，收敛快等优点。 针对现有控制系统的不足，选取 omap3530 和 linux 操作系统构建整个工业机器 人控制系统， 突破了传统工业机器人的封闭结构， 具有良好的可扩展性。 在 omap3530 上进行编程设计并对该算法进行了移植。通过 arm 核和 dsp 核的协同工作，配合 ti 官方软件包 codec engine，arm 端的应用程序调用 dsp 端遗传算法，并最终返回调 用结果。程序运行结果亦显示该遗传算法具有运算精度高，运行速度快等优点；较之 普通 pc 机，omap3530 平台更小，功耗更低，并且处理速度更快。 关键词 嵌入式；工业机器人；逆解；遗传算法 江苏科技大学工学硕士学位论文 ii abstract iii abstract industrial robot control system was an important part of the robot， and was mainly used for manipulator control to accomplish specific tasks. motion controller accounted for the central position of the robot system，at the same time was the nerve center of the robot. the robot control system design determined the overall performance and the control performance，while also decided the convenience of the use of the robot. robot kinematics as an important area of the robotics research，mainly solved the question of where the robot turned to. the robot kinematic had far-reaching impact on the robot control， robot dynamics and trajectory planning. a new method of improved genetic algorithm was proposed to solve the inverse kinematic for manipulator. the algorithm raised an adaptive crossover and mutation operation，also improved the ranking method，with which the problem can be solved accurately and rapidly. the problem of multiple solutions can be optimized by using the penalty function，which can make the inverse kinematic more practical. then used the matlab for simulation of the genetic algorithm，and the simulation results showed that the algorithm has high accuracy and can effectively avoid multi-solution. contrasted with the simple genetic algorithm to solve the inverse kinematic，the improved genetic algorithm had good stability，high convergence，etc. as for the insufficient of the existing controller，selected omap3530 and linux operating system to build the industrial robot control system， which improved the traditional closed structure of industrial robot， also had good scalability. we designed the algorithm and transplanted it on this chip. programmed on the omap3530，through the cooperation of the arm core and the dsp core，with the ti official software package codec engine， arm-side applications can successfully call dsp-side genetic algorithm，and return the result of the call. the run results of the genetic algorithm show that the algorithm has high precision， speediness advantage and so on. compared with an ordinary pc， the omap3530 platform is smaller，low-power，and the processing speed is faster. keywords embeded system；industrial robot；inverse kinematics；genetic algorithm 江苏科技大学工学硕士学位论文 iv 目 录 v 目 录 摘要. i abstract.iii 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题的研究背景和选题意义 . 1 1.2 工业机器人控制系统的研究概况 . 3 1.2.1 工业机器人国内外研究现状 . 3 1.2.2 运动控制器研究现状 . 4 1.3 机器人逆解的研究概况 . 5 1.4 课题研究内容及主要章节安排 . 7 第 2 章 机器人运动学.9 2.1 机器人的数学基础 . 9 2.1.1 机器人位姿表示 . 9 2.1.2 机器人坐标变换 . 10 2.2 机器人运动学 . 11 2.2.1 机器人连杆坐标表示 . 12 2.1.2 机器人连杆变换矩阵 . 13 2.1.3 puma 机器人运动学 . 14 2.3 puma 机器人逆运动学 . 16 2.4 本章小结 . 18 第 3 章 工业机器人遗传算法的逆解分析19 3.1 遗传算法简介 . 19 3.2 遗传算法的基本理论 . 20 3.3 机器人逆解遗传算法问题描述 . 21 3.4 改进的遗传算法的机器人逆解 . 23 3.5 试验结果分析 . 27 3.5.1 仿真工具软件 matlab . 27 3.5.2 逆解算法的计算结果 . 27 3.5.3 逆解算法的性能分析 . 31 3.6 本章小结 . 33 第 4 章 工业机器人逆解算法的实现35 4.1 omap3530 芯片及开发环境的搭建 . 35 江苏科技大学工学硕士学位论文 vi 4.1.1 omap3530 硬件平台 . 37 4.1.2 omap3530 软件开发环境 . 38 4.2 构建嵌入式 linux 开发环境 . 38 4.3 构建内核模块 . 40 4.3.1 xdc 工具 . 40 4.3.2 codec engine 软件包 . 42 4.3.3 dsplink 模块的构建 . 44 4.3.4 lpm 模块的构建 . 46 4.3.5 cmem 模块的构建 . 47 4.3.6 修改内存映射 . 49 4.4 逆解算法实现 . 53 4.4.1 codec engine 工程 . 53 4.4.2 codec engine 可执行文件 . 55 4.5 逆解算法运行结果分析 . 58 4.5.1 逆解算法结果分析 . 58 4.5.2 逆解算法性能分析 . 61 4.6 本章小结 . 61 第 5 章 结 论.63 5.1 全文总结 . 63 5.2 展望 . 63 参考文献.65 攻读硕士学位期间发表的学术论文69 致 谢71 contents vii contents abstract(chinese)i abstract(english).iii chapter 1 introduction1 1.1 research background and significance . 1 1.2 industrial robot control system research status . 3 1.2.1 research status of industrial robot . 3 1.2.2 research status of motion controller . 4 1.3 research status of robot inverse kinematics . 5 1.4 the main conents of the paper and chapter arrangement . 7 chapter 2 robot kinematics.9 2.1 mathematic basis of robot . 9 2.1.1 robot kinematic pose and posture . 9 2.1.2 robot kinematic coordinate transformation . 10 2.2 robot kinematics . 11 2.2.1 robot link coordinate . 12 2.1.2 homogeneous transformation matrix of adjacent link . 13 2.1.3 puma robot kinematics . 14 2.3 puma robot inverse kinematics . 16 2.4 summary . 18 chapter 3 the analysis of industrial robot inverse kinematics based on genetic algorithm.19 3.1 introduction to genetic algorithm . 19 3.2 basic theory of genetic algorithm . 20 3.3 description of robot inverse kinematics . 21 3.4 robot inverse kinematics based on improved genetic algorithm . 23 3.5 analysis of test result . 27 3.5.1 matlab simulation tools . 27 3.5.2 inverse kinematic algorithm test result . 27 3.5.3 performance and analysis of the inverse kinematic algorithm . 31 3.6 summary . 33 chapter4 the implementation of robot inverse kinematics algorithm.35 江苏科技大学工学硕士学位论文 viii 4.1 building the development environment of omap3 chip . .35 4.1.1 omap3530 hardware platform . 37 4.1.2 omap3530 software environment . 38 4.2 building embeded linux development environment . 38 4.3 building kernel module . 40 4.3.1 xdc tools . 40 4.3.2 codec engine software . 42 4.3.3 building dsplink module . 44 4.3.4 building lpm module . 46 4.3.5 building cmem module . 47 4.3.6 modify memory map . 49 4.4 realize of the inverse kinematics algorithm . 53 4.4.1 codec engine project . 53 4.4.2 codec engine executable code . 55 4.5 analysis of algorithms. 58 4.5.1 analysis of experimental inverse kinematics results . 58 4.5.2 performance analysis of the inverse kinematics algorithm . 61 4.6 summary . 61 chapter 5 conclusion63 5.1 full summary . 63 5.2 outlook.63 references.65 academic papers published during the period of degree.69 acknowledgement71 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题的研究背景和选题意义 机器人技术是集电子、机械、自动控制、人工智能以及计算机等多学科领域的一 项综合性的应用技术1。 在几千年前，人类利用自然力代替体力劳动并创造了一系列自动化工具和器械， 这种机械和自动化工具即可被认为是一种机器人。而当代世界的机器人并不是简单意 义上的器械，而是一种随计算机的出现而出现的智能化设备。作为机器人中的一员， 工业机器人在 20 世纪 60 年代已被作为一种独特的设备而广泛地使用，它是将计算机 辅助制造(cam)、计算机辅助设计(cad)进行有机结合的一门综合现代化装置，是现 代制造业自动化的发展趋势。随着人类科学水平的发展，工业机器人正迈向一个崭新 领域。1961 年美国 unimate 公司生成出了第一台商用工业机器人，1980 年开始日本等 国迅速开始普及工业机器人。2005 年 9 月，日本研制出了能够控制平衡的骑自行车的 拟人机器人。随着机构学、计算机技术、自动控制理论的发展，传统的工业机器人正 由欠自由度机器人一步步地发展到冗余自由度机器人、多机器人系统等多种形式。 工业机器人是对人的特长以及机械的特长进行综合，最后得出的一种拟人的电子 机械装置。它能对当前环境状态进行快速响应并同时具备分析问题的能力，而且工业 机器的具有可长期工作、准确度高、耐恶劣环境的优点。基于这些优点，工业机器人 在工业生产和工业服务中发挥着越来越大的作用，同时也推动着社会的不断进步。图 1.1 显示了一种典型的工业机器人装备。 图 1.1 被广泛应用的 adept 6 机械手 figure.1.1 the widely-used adept 6 robot 本文重点研究的操作臂也是工业机器人中重要的一种类型。相比于传统的操作装 江苏科技大学工学硕士学位论文 2 置，首先其在工业领域中操作更便利、更精确、更具柔性，而且对比于其他工业装置 其行为更有效，操控速度更快；其次随着工业机器人价格的不断降低，其销量也与日 俱增。这些都推动着工业机器人产业飞速发展。 工业机器人主要由机械操作机、 运动控制器、电机伺服系统和传感检测装置组成， 该装置是一种集操作、编程、自动化控制于一体的机电一体化设备，而且能操作末端 装置在三维空间中完成各种作业2，具体的机构图可由图 1.2 所示。 监测系统监测系统 控制系统控制系统驱动系统驱动系统执行机构执行机构操作对象操作对象 作 业 控 制 作 业 控 制 运 动 控 制 运 动 控 制 驱 动 控 制 驱 动 控 制 气 压 传 动 气 压 传 动 液 压 传 动 液 压 传 动 电 气 传 动 电 气 传 动 手手 部部 腕腕 部部 臂臂 部部 机机 身身 行 走 机 构 行 走 机 构 图 1.2 工业机器人一般结构图 figure.1.2 general structure of the industrial robots 由图 1.2 可以看出， 工业机器人的核心是控制系统3， 其可通过系统程序控制关节 按照规定的动作进行运动。控制系统预先将一些指令如运动轨迹、动作顺序、运动速 度或是动作的时间节奏等都存储在其内存中，而后向各个执行元器件发出指令从而达 到控制的目的。必要时，控制系统还能监视自身行为，一旦发现自己有越轨或是其他 的异常行为，则会自检并排查、分析原因，并及时做出报警提示。运动控制器是工业 机器人系统核心，在机器人中起神经中枢的作用，图 1.3 给出了工业机器人控制框图。 关节关节 控制控制 器器 驱驱 动动 器器 上上 位位 机机 轨轨 迹迹 规规 划划 运运 动动 控控 制制 器器 控制系统控制系统 给予运动给予运动 任务任务 位置指令位置指令 关节运动关节运动 数据反馈数据反馈 其他指令其他指令 速度指令速度指令 转矩指令转矩指令 . 总线总线 传传 动动 装装 置置 伺伺 服服 电电 机机 机机 器器 人人 关关 节节 传感系统反馈传感系统反馈 图 1.3 工业机器人体系结构 fig.1.3 the system structure of industrial robot 由图 1.3 所示，可以看出工业机器人运动控制器在整个控制系统中占据主导作用， 第 1 章 绪 论 3 当机器人执行某些任务时，运动控制器依照保存的位置数据，计算出运动轨迹、运动 转角从而控制机械手臂电机进行转动。可见，机器人运动学在机器人运动控制器中亦 有着举足轻重的作用。机器人运动学是机器人学的一个重要研究方向和研究领域，其 主要是研究和解决机器人转向何方的问题。同时它对机器人的控制、机器人动力学和 机器人轨迹规划也存在着及其深远的影响，而且它的计算精度将直接关系到上层的轨 迹规划、离线编程的精度，是研究机器人运动仿真、动力学和轨迹规划的基础。 1.2 工业机器人控制系统的研究概况 1.2.1 工业机器人国内外研究现状 从机器人诞生到本世纪 80 年代初， 机器人技术经历了一个缓慢、 长期的发展过程。 到 90 年代初，随着计算机技术，网络技术、微电子学技术，制造业的发展，机器人技 术也得到了提升，各种的工业机器如雨后春笋般涌现。 在国外， 工业机器人技术已日趋成熟， 已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。 并联机器人即是采用并联结构， 利用机器人技术， 从而实现高精度作业的测量及加工， 这是机器人技术的一个拓展，目前意大利 comau、德国的 kuka roboter 已开发了 此类产品。 同样的， 机器人控制系统对已由原来的控制标准 6 轴发展到现在的 21 轴甚 至更高， 并且人机界面更加友好、数字控制更加方便。国外的一些公司如美国的 adept technology、american robot、emerson industrial automation、瑞典的 abb robotics， 瑞士 staubli 公司， 日本的 fanuc、 yaskawa， s-t robotics， 英国的 autotech robotics， 以色列的 robogroup tek 公司，加拿大的 jcd international robotics 等，在工业机器人 领域已取得了较高的成就，成为其所在地区和国家的支柱性企业4,5。 我国工业机器人起步于 70 年代初期，经过 30 多年的发展，我国的工业机器人在 实践中迈进一大步，先后研制出了各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用 工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。目前， 政府正在使用各种办法加大中国装备制造业在市场中的份额，并提供优惠措施鼓励更 多企业使用机器人以及技术，2001 年我国工业机器人海关进出口数量不过 3775 台， 国内生产数量约 700 台。2004 年市场规模增长到万台左右，数量和金额相对于 2001 年增长了 2 倍6,7。目前工业机器人市场正处于飞速发展通道中，在此大势之下，国内 的一些公司也应运而生，如首钢莫托曼机器人有限公司和中国新松机器自动化股份有 限公司，这些公司的发展为我国工业机器人注入了活力，但无论从技术还是产能与国 外的差距还是比较大。以目前规模最大、技术领先的厂商新松公司为例，2009 年仅生 产 600 多台工业机器人，与国际上动辄年产数千台有很大差距。 我国在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识 产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家 20 世纪 80 年代 江苏科技大学工学硕士学位论文 4 初的水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。 其次，中国的工业机器人仍未形成自己的品牌。在中国，虽然已经拥有一批企业 单位从事工业机器人的研究开发， 但都未形成规模， 在国际市场上仍缺乏品牌认知度。