（机械电子工程专业论文）玻璃基板搬运机器人轨迹规划与控制系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 平板显示产业是电子信息产业中重要的基础性、战略性产业。玻璃基板是平板显示 产业中不可或缺的关键基础材料之一。玻璃基板搬运机器人是一种在平板显示产品加工 过程中承担玻璃基板交换与传递的自动化设备，其性能的优劣直接影响到平板显示产品 的生产效率和制造质量。因此，对玻璃基板搬运机器人及其关键技术的研究具有积极的 意义。 首先，本文介绍了国内外玻璃基板搬运机器人的发展和研究现状，分析了关节空间 机器人轨迹规划和笛卡儿空间机器人轨迹规划的基本原理，讨论了机器人运动控制器的 发展现状与运动控制系统的分类。 其次，本文结合国内市场的需求，提出了玻璃基板搬运机器人的设计准则，确定了 玻璃基板搬运机器人的构型，详细介绍了玻璃基板搬运机器人机座模块、升降模块、旋 转模块、伸缩模块和执行模块的结构和运动机理，从转矩匹配和转动惯量匹配两个方面 校核了各模块伺服电机的匹配性能。 然后，为提高玻璃基板搬运机器人运动的平稳性和快速性，本文介绍了机器人轨迹 规划中常用的优化准则，提出了一种适合玻璃基板搬运机器人的时间冲击综合最优轨 迹规划方法，推导了基于三次样条函数的运动轨迹插补过程，建立了时间冲击综合最 优轨迹的数学模型和约束条件。为求解数学模型，本文设计了一种基于模糊逻辑理论的 遗传算法，并利用m a t l a b 实现了遗传算法的编程和玻璃基板搬运机器人的实例仿真。 仿真结果表明，本文所设计的时间冲击综合最优轨迹规划方法能有效地解决机器人运 动时间和关节冲击的矛盾问题。 最后，本论文提出了玻璃基板搬运机器人控制系统的设计准则，确定了p c 机 + m p c 0 2 运动控制卡的主从式控制结构，选择了玻璃基板搬运机器人各模块的伺服电机 和伺服单元，设计了玻璃基板搬运机器人的真空吸附系统和传感器系统，绘制玻璃基板 搬运机器人控制系统的连线图。 关键词：玻璃基板搬运机器人；结构设计；时间一冲击；轨迹规划；控制系统 玻璃基板搬运机器人轨迹规划与控制系统研究 r e s e a r c ho nt r a je c t o r yp l a n n i n ga n dc o n t r o ls y s t e mf o rg l a s ss u b s t r a t e h a n d l i n gr o b o t a b s tr a c t f l a tp a n e ld i s p l a y ( f p d ) m a n u f a c t u r i n gh a sb e c o m et h eb a s i ca n ds t r a t e g i ci n d u s t r yo f e l e c t r o n i ci n f o r r n a t i o ni n d u s t r y g l a s ss u b s t r a t ei st h ek e yb a s i cm a t e r i a l i nf p d m a n u f a c t u r i n g g l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o ti sa u t o m a t i o ne q u i p m e n tw h i c hi s u s e dt o e x c h a n g ea n dt r a n s f e rg l a s ss u b s t r a t ei nf p dm a n u f a c t u r i n g ，a n di t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l y a f f e c t sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dm a n u f a c t u r i n gq u a l i t yo ff p dp r o d u c t s s o ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt or e s e a r c hg l a s sh a n d l i n gr o b o ta n di t sk e yt e c h n o l o g i e s f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs i t u a t i o n o fg l a s ss u b t r a t e h a n d l i n gr o b o ta th o m ea n da b r o a d ，a n a l y s e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fr o b o tt r a j e c t o r yp l a n n i n g i nj o i n ts p a c ea n dc a r t e s i a ns p a c e ，d i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fr o b o tm o t i o nc o n t r o l l e ra n d t h es o r to fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y ，b a s e do nt h ed o m e s t i cm a r k e tn e e d s ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h ed e s i g ng u i d e l i n e s o fg l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o t ，a s c e r t a i n st h ec o n f i g u r a t i o no fg l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n g r o b o t d e t a i l e st h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i s mo fb a s i cm o d u l e ，l i f tm o d u l e ，r o t a r ym o d u l e ， e x p a n s i o nm o d u l e ，a n da l s oc h e c k st h em a c t hp e r f o r m a n c eo fs e r v om o t o ro fe a c hm o d u l e a n dh a l ls c r e w t h a n ，i no r d e rt oi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dr a p i d i t yo fg l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o t ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ec o m m o no p t i m i z a t i o nc r i t e r i a i nr o b o tt r a j e c t o r yp l a n n i n g ，p r o p o s e s t i m e - j e r ks y n t h e t i co p t i m a lt r a j e c t o r yp l a n n i n gf o rg l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o t ，d e d u c e st h e i n t e r p o l a t i o np r o c e s so fr o b o tt r a j e c t o r yb a s e do nc u b i cs p l i n e ，b u i l d sm a t h e m a t i cm o d e la n d c o n s t r a i n so ft i m e - j e r ks y n t h e t i co p t i m a lt r a j e c t o r yp l a n n i n g f o rs o l v i n gt h em a t h e m a t i c m o d e l ，t h i sp a p e rd e s i g n sa ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do i lf u z z yl o g i ct h e o r y ，a n d a c h i e v et h ep r o g r a m m i n go fi m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h ma n ds i m u l a t i o n 谢mm a t l a b t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea p p r o a c ht i m e - je r ks y n t h e t i ct r a j e c t o r yp l a n n i n ge f f e c t i v e l y s o v l et h ec o n t r a d i c t i o np r o b l e mb e t w e e ns h o r te x e c u t i o nt i m ea n dl o wj e r k s f i n a l l y ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g nr u l e so fg l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o t ，a s c e r t a i n s t h em a s t e r s l a v ec o n t r o ls y s t e mf o rg l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o tu s i n gc o m p u t e ra n dm p c 0 2 m o t i o nc o n t r o lc a r d ，s e l e c t st h es e r v om o t o ra n ds e r v ou n i to fe a c hm o d u l e ，d e s i g n st h e v a c u u ma d s o r p t i o ns y s t e ma n ds e n s o rs y s t e mo fg l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o t ，a n da l s o d r a w st h ec o n n e c t i o ns c h e m a t i cm a po fc o n t r o ls y s t e m 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：g l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o t ；s t r u c t u r ed e s i g n ；t i m e 。j e r k ；t r a j e c t o r y p l a n n i n g ；c o n t r o ls y s t e m 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体己经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 建盔建趣量缸盘谗厶尬趣蓬l 立蛐圣嵫 作者签名：签啦：垒日期：丝亟年上月上日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本入完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目： 麴亟龟燃逖拉：到刍熊垫垒逊 作者签名：丛! 坠王日期：丝丝年笠月j z _ 日 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 论文选题背景及来源 随着科学技术的进步和信息技术的迅猛发展，平板显示( f l a tp a n e ld i s p l a y ，f p d ) 产业正逐步走向电子产业链的高端，对整个电子产业升级转型、产业结构提升、经济增 长方式转变等都具有十分重要的意义【l 】。近年来，平板显示技术不断革新，产业发展突 飞猛进，己与i c 产业一起成为电子信息产业重要的基础性、战略性产业。 玻璃基板是平板显示产业中不可或缺的关键基础材料之一，主要用于平板显示产品 的面板基底，其作用犹如硅晶圆相对于半导体行业。至今，玻璃基板已经历了十几代的 发展，根据其尺寸和质量的不同，我们将玻璃基板大致分为小型( 1 代5 代) 、中型( 6 代9 代) 和大型( 1 0 代及以后代次) 三大类别。在生产过程中，玻璃基板需要在各种生 产设备间传递与交换，有些产品需要传递与交换的次数可多达几十、上百次。因此，玻 璃基板在前后段制程间的传递方式和传递效率成为影响平板显示产品质量和生产效率 的重要因素之一，也成为国内外科研机构和自动化设备生产厂家竞相研究的热门课题1 2 】。 我国f p d 产业起步较晚，对适用于传输玻璃基板的自动化设备的研究相对较少，至 今还没有形成比较成熟的产品。同时西方发达国家对该类设备和关键技术的出口加以限 制，使得我国f p d 产业的发展受到了很大的制约。因此，研究开发相关自动化设备及关 键技术对促进我国f p d 产业发展有着重要意义。 本论文来源于广东省教育部产学研结合项目“净化、真空机器人系列产品及关键技 术的研发”( 2 0 0 6 d 9 0 3 0 4 0 1 2 ) 和国家自然科学基金项目“面向i c 制造的净化机器人关 键技术研究”( 5 0 6 7 3 0 2 7 ) ，是对玻璃基板自动化传输设备玻璃基板搬运机器人及 其关键技术的分析与研究。 1 2 玻璃基板搬运机器人概述 玻璃基板搬运机器人是一种应用于f p d 产业中，在前后段制程间交换和传递玻璃 基板的一种自动化设备【3 】。其主要特点是充分应对玻璃基板的尺寸、高刚性、高稳定性， 高速且不污染负载。 1 2 1 国内外玻璃基板搬运机器人的发展 上世纪9 0 年代以前，玻璃基板基本上处于1 、2 代次，尺寸小、质量轻。f p d 产业的 制造工艺相对简单。玻璃基板在f p d 各制程间的大都以人工搬运方式传输1 4 j 。这种传输 方式不仅制约着f p d 产业生产效率的提高，还会对玻璃基板造成很大程度上的污染。 玻璃基板搬运机器人轨迹规划与控制系统研究 9 0 年代末，玻璃基板的尺寸和赝量逐渐增大，f p d 产业的生产效率逐渐提高，人工 搬运方式不再适应f p d 产业的发展需求口】。因此，国外一些自动化设备生产厂家开始研 发适用于玻璃基板搬运的自动化设备小型玻璃基板搬运机器人。这种机器人负载承 受能力低，但其提高了玻璃基板的传输效率，减少了传输过程中对玻璃基板的污染，对 f p d 产业的大规模生产有促进意义。 2 1 世纪初，f p d 产业迅猛发展，玻璃基板尺寸进一步扩大，厚度却逐渐减小，为满 足玻璃基板高平稳、高速度和高洁净的传输需求，国外又先后推出了各种类型的中型玻 璃基板搬运机器人【6 1 ，并研发了适合玻璃基板搬运机器人的关键技术和关键部件。 近年来，玻璃基板出现了两个明显的发展趋势：玻璃基板尺寸的大型化和中型玻璃 基板生产效率的提高。因此，国内外科研单位在努力提高中型玻璃基板搬运机器人性能 的同时，也在积极开展对大型玻璃基板搬运机器人的研究。 122 国内外玻璃基板搬运机器人的研究现状 目前，玻璃基板搬运机器人的研究主要集中在日本、韩国、台湾等发达国家和地区， 其中以日本的研究最为突出，其安川电机( y a s k a w a ) 、日电三协( s a n k y o ) 、三菱电 机( m i t s u b i s h ie l e c t r i c ) 、平田机工( h i r a t a ) 与大阪变压器( d a i h e n ) 五家公司占据了 全球玻璃基板搬运机器人市场供应量的9 0 左右。国内仅有沈阳新松机器人公司、大连 理工大学、北京东一法特自动化设备有限公司等少数几家单位从事玻璃基板搬运机器人 的研发。下面简单介绍几种结构典型、轨迹规划和运动控制比较优越的产品。 圉i 】d a i h e n 公司的s p r 一9 0 2 s 玻璃基板搬运机器人 f i g 11 $ p r - 9 0 2 5g l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o t o f d a i h e n c o r d 图11 是d 缸k n 公司生产的一种典型的玻璃基板搬运机器人n 该机器人为3 轴圆柱 坐标型机器人，具有3 个自由度，可在大气环境中传输第2 代玻璃基板。机器人采用s 曲 线进行轨迹规划，耐振动性好( 49 r n s 2 ) ，运动轨迹相对平顺。 粤蔼 大连理工丈学硕士学位论立 t 。 j 广 罄 图12y a s k a w a 公司的m o t o m a n c r 2 0 玻璃基板搬运机器人 f i g1 2 m o t o m a n - c r 2 0g l a s s $ 1 1 b s w a t e h a n d l i n gr o b o to f y a s k a w a c o r p 图12 是y a s k a w a 公司的m o t o m a n c p , 2 0 玻璃基板搬运机器人【8 l 该类型机器人 为垂直多关节型机器人，具有6 个自由度，结构剐性好。运动控制系统采用基于工控机 的主从式控制方式，运动平稳。 图1 3i ) a i h e n 公司的s p r - 9 5 0 5 玻璃基板搬运机器人 f i g 13s p r - 9 5 0 5g l a s ss u b s 1 擅t eh a n d l i n gr o b o t o f d a i h e n c o r p 图13 是d a i h e n 公司的s p r - 9 5 0 5 玻璃基板搬运机器人唧。该类型机器人为5 轴圆柱坐 标型机器人，含有2 个末端执行器，具有4 个自由度。机器人升降模块采用连杆机构，扩 大了机器人的运动空间，但增加了机器人轨迹规划的难度。 图14 是s a n k y o 公司的s r 8 8 8 2 玻璃基板搬运机器人【i “。该类型机器人应用在大气环 境中，可传输第1 0 代玻璃基板，负载承受能力强。与其他类型的玻璃基板搬运机器人不 同，该机器人可以在滑道内滑行，增大了机器人运动空间。z 轴采用阶梯状结构，避免 了z 轴结构重接引起的不稳定。机器人末端执行器采用带蜂窝的锥形结构，减小了末端 执行器的质量。 爹 玻璃基板搬运机器 轨迹规划与控制系统研究 图14 s a n k y o 公司的s r 8 8 8 2 玻璃基板搬运机器人 f i g l4s r 8 8 8 2g l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o t o f s 锄k v o c o r p 图15 是h i r a 诅公司的c r z o 玻璃基板搬运机器人1 。该类型机器人为直角坐标型机 器人，可在真空中传输第8 代玻璃基板。机器人手臂采用实心高剐性结构，提高了机器 人可靠性。同时，机器人自由度可以根据需要选择，且不需要对其进行复杂的轨迹规划， 运动控制相对比较容易。 图15h i r a m 公司的c r z q 玻璃基板搬运机器人 f i 9 1 5c v , z qg l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o lo f h i r a z a c o r p 图16 是北京东一法特公司i 构s c s c l 2 系列玻璃基板搬运机器人。该类型机器人町 传输大型玻璃基板，且其主轴采用b e l t l e s s 结构确保机器人具有很高的可靠性和安全性， 另外机器人部分刚性的连续构造可抵制弯曲及震动，提高了机器人运动平稳性。 芒 大连理工大学硕士学位论文 图16 北京东一法特的s c s c - l 2 系列玻璃基板搬运机器人 f i g 16 s c s c l 2 9 l a s ss u b s t r a t e h a n d l i n gr o b o t o f d r b f a t e c c o r p 13 机器人轨迹规划概述 由于机器人控制中的非线性和强耦台，故机器人控制通常分两级进行【l ”，即机器人 运动规划和机器人伺服跟踪。机器人运动规划通常又可分为路径规划和轨迹规划上下两 级。路径规划是根据空间几何信息规划出一条无碰撞的几何路径，产生的路径是一系列 的空间离散点【i 。目前路径规划常用方法有三类，即栅格分解法、势场法、路标或骨 架法，其中大多少数算法郁是离散化的位姿空间( c o n f i g u r a t i o ns p a c e ) 中寻找一条 避碰路径”。 机器人运动轨迹是指机器人在运动过程中的位移、速度和加速度。而机器人轨迹规 划一般是指在满足机器人动力学、运动学约束条件下，根据任务的要求，使所规定的优 化参数或代价函数最小，所得到的结果是机器人关节位移、速度和加速度的时间序列【】1 。 机器人轨迹规划属于机器人底层规划，基本上不涉及人工智能问题，而是在机器人运动 学和动力学的基础上，讨论在关节空间和笛卡儿空间中机器人运动的轨迹和轨迹生成方 法。 1 31 关节空问机器人轨迹规划 关节空间机器人轨迹规划首先是将工具空间中期望的路径点，用逆运动学原理转换 成关节矢量角度值，然后对每个关节拟舍一个光滑函数从初始点依次通过所有路径点 最终到达目标点，且各关节每一路径的运动时间均相同 】”。在关节空间里，机器人轨迹 规划的对象是关节位移变量的时间函数以及其前二阶时间导数，因此关节空间机器人轨 迹规划具有以下三个方面的优点：直接对运动时的受控变量进行规划；轨迹规划与伺服 跟踪几乎可同步进行；轨迹插补函数易于规划。但伴随的缺点是难于确定机器人各手臂 和末端执行器的位置，无法满足机器人按特定路径运动的需求【l ”。 玻璃基板搬运机器人轨迹规划与控制系统研究 一般来说，关节空间机器人轨迹规划比较简单，其基本流程图如图1 7 所示。其中， 址是机器人控制采样周期，从整个流程过程我们可以看出，轨迹规划需要计算的是在每 个采样周期中必须更新的轨迹函数g ( f ) ，口( f ) 和可( f ) 。因此，为方便机器人轨迹规划， 对规划的运动轨迹提出四个阻挠限制：第一，必须便于用迭代方式计算轨迹设定点；第 二，必须求出并明确给定中间位置；第三，必须保证关节变量及其前二阶时间导数的连 续性，使得规划的关节轨迹是光滑的；第四，必须减少额外的运动。 学者们研究发现如果关节变量的时间函数采用多项式序列给定，则可以满足上述四 个限制条件。目前，在关节空间中机器人轨迹规划中常用的多项式函数有三次多项式函 数、线性函数、抛物线连接的线性函数、b 样条函数、高阶多项式函数、三角函数以及 组合函数等【2 0 - 2 3 。 图1 7 关节空间机器人轨迹规划流程图 f i g 1 7 t h ef l o wc h a r t & j o i n ts p a c er o b o tt r a j e c t o r yp l a n n i n g 1 3 2 笛卡儿空间机器人轨迹规划 与关节空间机器人轨迹规划不同，笛卡儿空间机器人轨迹规划指将手部位姿、速度 和加速度表示为时间的函数，通过运动学逆问题求解得出关节位移，并利用逆雅克比阵 求出机器人关节速度，再利用逆雅克比阵及其导数求出机器人关节加速度，从而完成从 笛卡儿空间信息到关节空间信息的转变【2 4 1 。笛卡儿空间机器人轨迹规划常用于对末端执 行器的轨迹形状有要求场合，如要求机器人末端执行器在两点之间走一条直线，或者沿 着一个弧线运动以绕过某些障碍物等。实际上，所有适用于关节空间机器人轨迹规划的 方法均可用于笛卡儿空间的轨迹规划。最根本的差别在于，笛卡儿空间轨迹规划必须反 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 复求解逆运动学方程来计算关节角，也就是说，对于关节空间轨迹规划，规划函数生成 的值就是关节值，而笛卡儿空间轨迹规划函数生成的值是机器人末端手的位姿，它们需 要通过逆运动学方程才能化为关节量，增加了求解的难度。 笛卡儿空间的路径点是指机器人末端执行器的工具坐标相对于基坐标的位置和姿 态。通常笛卡尔坐标系空间里的路径点由6 个变量组成，其中3 个变量用来描述路径点 姿态，一般以等效转轴转角来表示，另外3 个变量用来描述路径点的位置【2 5 1 。在机器 人轨迹规划中，路径点的6 个变量可由用户直接给定，也可通过运动学计算得出，然后 根据变量在笛卡儿空间中规划出符合要求的运动轨迹，最后通过逆运动学计算，将规划 好的笛卡儿空间的运动轨迹转换成关节空间的运动轨迹。因此，在实际的应用中，笛卡 儿空间规划法的计算量要远远大于关节空间轨迹规划法。 目前，笛卡儿空间机器人轨迹规划的方法主要有线性函数插值法、圆弧插值法、椭 圆插值法和抛物线插值法等【2 6 , 2 7 】，其中前两种插值法有较多的应用。但不管采用哪种插 值方法，笛卡儿空间轨迹规划都具有以下问题： ( 1 ) 由于笛卡儿空间所规划的轨迹最终仍需要转换到关节空间，需要大量的逆运 动学计算，因此计算工作量远远关于关节空间法。 ( 2 ) 无法保证机器人运动轨迹的所有点均在工作范围之内。 ( 3 ) 笛卡儿空间所规划的轨迹有可能接近或通过机器人的奇异点。 因此，基于以上因素，机器人轨迹规划若不加以指定，一般均默认采用关节空间法。 1 4 机器人运动控制系统概述 机器人运动控制( m o t i o nc o n t r 0 1 ) 通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规 划指令转变成期望的机器人关节运动，实现机器人各关节精确的位置控制、速度控制、 加速度控制、转矩或力的控制【2 引。通常，机器人运动控制系统由轨迹规划器、控制器、 操作机和传感器组成，其中，轨迹规划器用来完成对任务和路径的规划与管理；控制器 接受轨迹规划器发出的指令，并控制操作机完成指定的动作；操作机是执行机构；传感 器是检测元件，检测外部环境的信息并把信息反馈回控制器。另外，在有些控制系统中， 轨迹规划和运动控制由同一硬件来完成，我们统称为机器人控制器。 1 4 1 机器人控制器的发展现状 控制器是机器人运动控制系统的重要组成部分，是机器人系统的核心与灵魂。控制 器设计或选用的成功与否将最终影响到机器人性能的优劣。早前由于计算机技术比较落 后，很多先进的控制方法无法在机器人上完全实现。9 0 年代以来，随着计算机技术的成 玻璃基板搬运机器人轨迹规划与控制系统研究 熟，机器人控制器得到了迅速发展。至今，以计算机为核心的机器人控制器的发展已经 经历了以下几个阶段【2 川： ( 1 ) 基于通用微型处理器。这种控制器由8 0 8 8 、8 0 3 1 等为核心部件，加上存储 器、编码器信号处理电路及d a 转换电路等。控制器位置环控制算法由事先编好的程 序固化在存储器中。这种方案采用的元器件较多，可靠性低，体积比较大，而且控制参 数不易更改，软硬件设计工作量较大。 ( 2 ) 基于专用微控制器。采用专门生产用于伺服控制的芯片，如l m 6 2 8 、 h c p l i1 0 0 、p c l 8 3 3 等，完成速度曲线规划、p i d 伺服控制算法、编码器信号的处理 等多种功能。电机位置、速度、加速度、p i d 参数等需要经常更改的参数存储在芯片的 r a m 区，但由于运算速度的限制，复杂的控制算法和功能很难在其中实现。典型产品 是乐创自动化技术有限公司开发的m p c 0 2 运动卡，它采用先进的专用控制芯片，具有 梯形及s 型升降曲线等功能。近年来，专用控制芯片的运算速度越来越快，功能越来越 强大，这种方案目前使用较为广泛。 ( 3 ) 基于通用数字信号处理器( d s p ) 。近年来，d s p 在伺服控制系统中的运用 越来越广泛，为设计高精度机器入开辟了道路。d s p 的高速运算能力可以实现各种复 杂的控制算法，而它本身独特的硬件结构可实现快速的位置捕捉等功能。在伺服控制 领域中，比较常用的d s p 有t i 公司c 2 4 x x 和c 2 8 x 系列；m o t o r a l a 公司的d s p 5 6 k 系 列；a d 公司的a d s p 2 1 x x 系列和a t & t 公司d s p l 6 x 系列等。典型的d s p 多轴运动控 制卡是d e l t a t a u 公司开发的开放结构运动控制器p m a c ，它以m o t o r a l a 的d s p 5 6 k 系 列d s p 为核心，支持多种总线插槽方式，一块卡可以同时控制8 3 2 轴，可以并联运行。 1 4 2 机器人运动控制系统的分类 从控制内容上分，机器人运动控制系统主要可分为：伺服控制、动作控制和操作控 制。所谓伺服控制就是机器人的各关节按照所希望的数值调整其运动的位置、速度、加 速度以及运动所需要的力或力矩等。所谓动作控制是指当机器人按照希望的轨迹运动 时，如何决定每个关节的位置与速度值。例如，机器人在两点之间运动时，需产生连接 两点的光滑的运动轨迹等。所谓操作控制是指为了使机器人进行某一操作，要使各关节 按照一定的顺序来做动作。例如实现机器人移动到a 点，抓住零件，再移动到b 点， 把零件放下这一系列的动作。 从控制方式上分，机器人运动控制系统主要可分为：位置控制方式、速度控制方式 和力控制方式【3 0 】。位置控制方式是以控制机器人关节位移为目标，它还可以为分以定位 为目的的定位控制和以路径跟踪为目的的路径控制。速度控制方式以控制机器人关节运 大连理工大学硕士学位论文 动速度为目标，它还可以分为途中路径严格要求控制和途中路径不严格控制两种。力控 制方式要求装配作业的机器人完成杆件插入孔穴、旋紧螺母等作业时，必须考虑机器人 在作业中承受哪些约束，应该向什么方向移动位置和施加作用力。 从控制结构上分，机器人控制系统主要可以为：集中控制、主从控制和分级控制【3 1 1 。 集中控制是用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩 展。主从控制采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能，主c p u 为组织级，实现 管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从c p u 为实时控制级，实现所有关节的运 动控制。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较 差，维修困难。分散控制按性质和方式将系统控制分成几个模块，第一个模块各有不同 的控制任务和控制策略，各块之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种控制方式 实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方 式。 1 5 论文主要工作和研究内容 本文作者的主要工作是：调研了国内外玻璃基板搬运机器人的发展和研究现状，参 与了玻璃基板搬运机器人的结构设计和改进，完成了玻璃基板搬运机器人的专利申请， 设计了玻璃基板搬运机器人的运动控制系统和真空吸附系统，提出了一种适合于玻璃基 板搬运机器人的时间冲击最优轨迹规划方法，设计了一种基于模糊逻辑理论的遗传算 法，并利用m a t l a b 完成遗传算法的编程和玻璃基板搬运机器人最优轨迹规划的实例 仿真。 论文的主要内容和组织框架如下： 第二章是玻璃基板搬运机器人的结构设计与分析。包括玻璃基板搬运机器人构型的 确定，设计准则的提出，玻搬运机器人机座模块、旋转模块、升降模块和执行模块结构 和运动机理的分析，运动模块伺服电机与负载的匹配性能校核，以及滚珠丝杠的使用情 况校核等。 第三章是玻璃基板搬运机器人时间冲击最优轨迹规划方法介绍。包括机器人轨迹 规划优化准则介绍，时间冲击综合最优轨迹规划问题的提出，基于三次样条函数运动 轨迹插补过程的推导，时间冲击综合最优轨迹规划数学模型和约束条件的建立，以及 机器人轨迹规划中常用优化算法的介绍等。 第四章是基于模糊逻辑理论的遗传算法的设计与实例仿真介绍。包括控制交叉率和 变异率必要性的提出，模糊控制器的设计，基于模糊逻辑理论的遗传算法的编程实现， 以及玻璃基板搬运机器人时间冲击最优轨迹规划的实例仿真等。 玻璃基板搬运机器人轨迹规划与控制系统研究 第五章是玻璃基板搬运机器人控制系统的设计。包括玻璃基板搬运机器人总体控制 方案的确定，伺服系统的选型与设计，真空系统的设计与真空元件的选型，以及传感器 选型和相关控制电路的设计等。 最后是结论和展望。 1 6 本章小结 本章主要介绍了国内外玻璃基板搬运机器人的发展与研究现状，分析了在关节空间 和笛卡儿空间中机器人轨迹规划的基本原理，讨论了机器人运动控制器人发展现状以及 运动控制系统的分类，最后指出本文的主要工作和研究内容。 大连理工大学硕士学位论文 2 玻璃基板搬运机器人结构设计与分析 2 1玻璃基板搬运机器人构型方案的确定 2 1 1玻璃基板搬运机器人常用构型 目前，在f p d 产业中广范应用的玻璃基板搬运机器人从构型上大致可分为圆柱坐标 型机器人、多关节型机器人和直角坐标型机器人。这三类机器人传动机理不同，适用的 工作场合也不同。 圆柱坐标型玻璃基板搬运机器人又称极坐标型玻璃基板搬运机器人【3 2 】，该类机器人 具有3 个自由度，即垂直升降、圆周回转和水平伸缩，三向运动既可单独运动，也可联 动。该类型机器人运动机理简单、轨迹规划和运动控制均相对容易，但其负载承受能力 低，且在其运动范围内，空间利用率不高。因此，该类型玻璃基板搬运机器人主要适用 于传输小型和中型的玻璃基板。 多关节型玻璃基板搬运机器人又可分为垂直多关节型玻璃基板搬运机器人和平面 多关节型玻璃基板搬运机器入【3 3 1 。垂直多关节型玻璃基板搬运机器人通常具有6 个自由 度，每个自由度都由相对独立的驱动机构驱动，因此该类型玻璃基板搬运机器人可以自 由的实现三维的各种位姿，特别适用于搬运过程中玻璃基板位姿发生变化的场合。平面 多关节型玻璃基板搬运机器人有4 个自由度，即3 个回转运动和1 个升降运动。手臂的每 一个关节都由独立的电机驱动，并安装检测和反馈装置，手臂和末端执行器相对独立， 末端执行器可以指向任意方向，该类型玻璃基板搬运机器人运动速度和定位精度较高， 运动快捷、准确。 直角坐标型玻璃基板搬运机器人通常具有2 3 个自由度，包括空间上相互垂直的两 根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的3 个独立运动确定其手部的空间位置p4 。，因 此其动作空间常为一长方体。直角坐标型玻璃基板搬运机器人的空间利用率较低，但其 结构简单，刚性好，定位精度高，空间轨迹易于求解，且负载承受能力高，故特别适合 于大型玻璃基板的传输。 2 1 2 玻璃基板搬运机器人设计准则 ( 1 ) 工作效率原则【”j 工作效率代表了设备的工作能力，是一般工业设备性能的基本参考依据。玻璃基板 搬运机器人的工作效率可从以下方面加以考虑：提高机器人主要结构的固有频率，从 而提高机器人的运行速度；合理设计整机结构，减少机器人运动过程中粉尘的挥发； 玻璃基板搬运机器人轨迹规划与控制系统研究 合理设计玻璃基板搬运机器人的控制系统，保证传输过程的平稳；设计合理的机器 人运动轨迹，提高机器人的传输效率。 ( 2 ) 最小运动惯量原则 玻璃基板搬运机器人的运动零件较多，特别是伸缩模块，运动状态经常改变，容易 产生冲击和振动，所以设计时采用最小运动惯量原则，增加运动平稳性，提高动力学特 性。设计过程中，在考虑满足强度和刚度的前提下，本文尽量减小运动零件的质量。另 外在机器人设计时，在材料的选择方面本文也作了特别考虑，如在径向伸缩模块设计中， 为减少手臂质量，提高手臂的抗振性，样机采用铝合金材料6 0 6 1 ，该材料密度小，强度 高。而在旋转模块设计中，旋转轴采用4 5 号钢材料，提高旋转轴的抗扭强度。 ( 3 ) 减小变形的设计原则 玻璃基板搬运机器人手臂属于悬臂梁结构，容易产生弯曲变形，而且机器人手臂在 运动的过程中，不仅受到重力的作用，同时还受到弯曲力和扭转力的作用，因此在设计 时把减小手臂变形放在重要位置考虑。设计中考虑的方法有：合理地选择截面形状。 采用变截面结构，这种结构在满足强度和刚度条件的同时，能够节省材料，充分利 用材料，减小质量。合理安排手臂受力情况，可降低手臂的最大弯曲值。适当地分 散载荷、合理布置支座及增加支座都可以达到这个目的。增强支撑处刚度。 ( 4 ) 标准化、模块化、兼容性原则 虽然玻璃基板搬运搬运机器人是一种新型结构，但是驱动模块、控制器以及部分运 动关节等都可以采用标准的产品或模块。这样不仅可以降低成本，也可以提高系统的可 靠性。另外作为特殊环境下的机器人，它的开发和研制必将是一个长期的攻关过程，系 统设计不仅考虑作业高效，操作简单，还要考虑到未来功能扩展的潜力。因此，玻璃基 板搬运机器人系统构建时所采用的控制器、驱动器、传感器及输入输出设备必须具有良 好的兼容性，设备增减便捷；机械设计采用标准材料和工艺流程，连接组装方便，机械 本体、控制系统等的设计应严格参照行业标准，做到各部件互换性强。 2 1 3 玻璃基板搬运机器人构型确定 本文所研发的玻璃基板搬运机器人是一种能够快速、平稳、洁净地传输玻璃基板 ( 4 7 0 m m 4 7 0 m m ，约3 0 0 9 ) 的工业用机器人，因此玻璃基板搬运机器人应具有一定 的负载承受能力。由于在玻璃基板的传输过程中，其位姿不发生变化，因此玻璃基板搬 运机器人只需要具有3 个自由度。另外在f p d 产业中生产设备的布局紧凑，玻璃基板 搬运机器人应具有结构紧凑、占地面积小、定位精度高、运动平稳以及对负载污染小的 特点。综合以上因素，本文将所研发的玻璃基板搬运机器人构型确定为圆柱坐标型。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 玻璃基板搬运机器人机械本体结构设计 2 2 1 玻璃基板搬运机器人总体结构设计 依据圆柱坐标型机器人的构型特点，玻璃基板机器人大致可以分为机座模块、升降 模块、旋转模块、伸缩模块、执行模块和控制模块等六个模块。图2 1 为机器人模块结 构关系框图，图中单向箭头表示前一模块是后一模块的支撑，双向箭头表示模块间控制 流和信息流的交换。 i 机座模块h 升降模块h 旋转模块卜f 伸缩模块h 执行模块i t千tt 控制模块 图2 1 机器人模块结构关系框图 f i g 2 1 t h er e l a t i o n s h i po fr o b o tm o d u l es t r u c t u r ed i a g r a m 机座模块是机器人的支撑，为其他模块提供安装平台。升降模块安装在机座模块内， 实现玻璃基板搬运机器人的垂直升降运动。旋转模块安装在升降模块的升降平台上，实 现玻璃基板搬运机器人的旋转运动。伸缩模块安装在旋转模块安装的旋转平台上，实现 玻璃基板搬运机器人的水平直线伸缩运动。执行模块安装在伸缩模块末端，是夹持和传 输玻璃的执行部件。控制模块是整个机器人的核心，实现玻璃基板搬运机器人的运动轨 1 ) 机座模块、控制模块2 ) 升降模块、旋转模块3 ) 伸缩模块4 ) 末端执行模块 图2 2 玻璃基板搬运机器人结构外观图 f i g 2 2 t h ee x t e r i o ro f g l a s ss u b s t r a t eh a n d l i n gr o b o t 玻璃基板搬运机器人轨迹规划与控制系统研究 迹规划、传感器信号处理以及运动控制。图2 2 是玻璃基板搬运机器人结构外观图。其 实物图参见附录a 。 2 2 2 机座模块与升降模块结构设计与分析 1 ) 支脚2 ) 支架垫板3 ) 丝杠支架4 ) 大同步齿型带轮5 ) 同步齿型带6 ) 螺母座7 ) 丝杠螺母8 ) 滚珠丝 杠9 ) 保持架挡板1 0 ) 丝杠保持架1 1 ) 上顶板1 2 ) 钢性构架1 3 ) 侧板1 4 ) 升降平台1 5 ) 直线导轨1 6 ) 导轨滑块1 7 ) 滑动座1 8 ) 升降电机1 9 ) d , n 步齿型带轮2 0 ) 电机座2 1 ) 下底座 图2 3 机座模块与升降模块结构图 f i g 2 3 t h es t r u c t u r eo fb a s em o d u l ea n dl i rm o d u l e 如图2 3 所示，机座模块为长方形壳体，包括支脚1 、下底座2 1 、钢性构架1 2 、侧 板1 3 和上顶板1 l 。钢性构架1 2 连接下底座2 1 与上顶板1 1 ，赋予机座模块结构刚性。 侧板1 3 固定在钢性构架1 2 上，形成半密闭容腔，防止粉尘泄漏。支脚1 安装下底座2 1 上，位置高低可调，以保证玻璃基板搬运机器人工作在水平面内。 升降模块位于机座模块形成的半封闭容腔内，包括升降电机1 8 、电机座2 0 、同步 带轮减速机构( 4 、5 、1 9 ) 、滚珠丝杠副( 7 、8 ) 、两组直线导轨副( 1 5 、1 6 ) 、丝杠 支撑机构( 2 、3 ) 、丝杠保持机构( 9 、1 0 ) 、螺母座6 、滑块座1 7 和升降平台1 4 。 电 机座2 0 固定安装在下底座2 1 上。升降电机1 8 垂直朝下安装在电机座2 0 上，并经平键 与小同步齿型带轮1 9 固联。大同步齿型带轮4 用平键固定在滚珠丝杠8 上，并经同步 大连