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文档简介

1、硕士学位论文工业机器人运动控制与测试平台开发专业名称:控制理论与控制工程研究生姓名:马妍妍导师姓名: 马旭东教扌IllY2706258.Development of Motion Control andTest Platform for Industrial RobotA Dissertation Submitted toSoutheast UniversityFor the Academic Degree of Master of EngineeringBYMA YanyanSupervised byProf. MA XudongSchool of AutomationSoutheast U

2、niversityMarch 2014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: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

3、。除在保密期内的保密论文和在技术保 护期限内的论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括以电子信息形式刊 登)论文的全部内容或中.英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息 形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名:召価妍 导师签名:日 期也上土y摘要工业机器人运动控制与测试平台开发硕士研究生:马妍妍导 师:马旭东教授学校名称:东南大学摘要随着工业生产规模的扩大及劳动力成本的提高,机器人作为提高工业生产自 动化程度的重要设备,在诸多领域得以推广和应用,但工业机器人核心控制技术 一直为国外厂商所垄断,进行国产化开放式机器人运动控制系统研究开发意义重 大。本文针对国产化机器人运动控制器

4、和测试平台开发需要,系统研究了基于高 速实时以太网和基于PCI总线运动控制卡两种架构方式的开放式运动控制器,并 结合模块化关节、高频采样和三维仿真等技术研究了性能测试平台的设计和实现。论文首先从KeMotion系统功能分析与开放式控制系统特点出发,阐述了面 向运动控制和测试评估研究的系统总体方案。分析研究模块化关节在本系统应用 的合理性,通过合理选择伺服驱动.伺服电机、检测编码器及传动机构等模块, 给出了集运动控制与性能测试功能于一体的系统验证平台设计。模块化关节的使 用,大大拓展了系统的应用范围。机械系统精度测试结果表明满足系统需求。在上述平台的基础上,针对基于髙速以太网通信的控制系统研究,

5、给出了有 PC和CIFX50网络控制器构建的SERCOS III通信主站控制Rextoth伺服的实现 方法,并给出了测试方案。针对基本机器人应用,利用运动控制卡开发了 SCARA 机器人开放式控制系统,并详细介绍了机器人运动学.雅克比矩阵的计算及参数 设置、示教再现、监控.运动规划等模块的功能实现,软件开发中的多线程及面 相对象等技术的应用保证了系统良好的可移植性和扩展性。接着进行了采样及性 能测试系统的开发,介绍了高精度采样及0penGL三维建模仿真的实现方法,给 出了在该平台上实现机器人速度插补.直线插补.圆弧插补等运动规划的仿真研 究方法。最后通过系统集成,进行了 SCARA机器人开放式

6、控制系统性能测试。 结果表明软件系统运行良好,达到测控系统的设计功能要求。关键字:工业机器人,控制器,测试平台,轨迹规划,SERCOS III, OpenGLDevelopment of Motion Control and Test Platform forIndustrial RobotMaster Candidate: MA YanyanSupervised by: Prof. MA XudongSchool of Automation, Southeast University, 2014ABSTRACTAlong with the enhancement of the industr

7、ial production scale and labor costs» robots have been widely used in many fields, as powerful means for high level automation of the industry-process. However, robot controllers are still monopolized by several foreign companies, which are core of the robot systems Therefore> it's signi

8、ficant for the development research of the open robot controller with open structure and its testing platform Through implementation of modular joint models, high-frequency sampling and 3D simulation technology, the research on the development of industrial robot controller and testing platform is p

9、resented in this dissertation, which supporting high speed Ethernet servo bus and PCI bus based motion control and testing systems.Firstly, the overall design of motion control and test system is proposed after analyzing functions of KeMotion controller and features of open robot controller. Based o

10、n rationality of using modular joint in this system, the hardware composed of servo drive servo motor, encoder and gear drive is designed. The tested accuracy of the mechanical system meets the system requirements. Additionally, the use of modular joint greatly extends the application rangeFor resea

11、rch of robot control system with high-speed Ethernet communication, the controller based on PC and CIFX50 is designed with SERCOS III protocol and corresponding test program is proposed based on platform above Aim at basic robotic applications > a SCARA control system is developed by use of motio

12、n control card and the kinematic equations, Jacobian matrix calculation, parameter settings, teaching and playback, monitoring, motion planning and other functions are discribled in detail. Adoption of technologies such as multi-threading and object oriented programming makes the system with good po

13、rtability and scalability. Followed by the acquisition and test system, a 3D simulation model is developed Experiments and tests validate the SCARA control system,s performance.The results prove that software system runs well and achieve the requirements of the measurement and control system.Keyword

14、s: Industrial Robot > Controller > Test Platform, Trajectory Planning, SERCOS III, OpenGL目录摘要IABSTRACTII目录III第一章绪论11-1引言11.2机器人控制系统112.1机器人与多轴运动控制1122国外机器人运动控制系统研究与技术现状212.3国内机器人运动控制系统研究与技术现状41.3机器人运动控制关键技术513.1开放式控制系统513.2实时控制6133控制性能测试71.3.4模块化机器人技术81.4论文研究背景与意义91.5论文工作内容与章节安排101.5.1论文主要工作内容

15、101.5.2论文章节安排11第二章运动控制与测试研究平台设计122系统总体结构分析122.1.1运动控制系统体系结构122.1.2系统总体结构132.2测控系统平台构建14221总体架构设计 142.2.2控制柜设计16223 KeMotion机器人控制器及配置1723模块化关节设计192.3.1机器人的单关节控制测量模型192.3.2模块化关节的组成202.3.3驱动系统选型及信号连接2123.4检测编码器的选择222.4系统精度测试232.5本章小结24第三章基于高速伺服总线的测控系统通信研究253.1 SERCOS III协议及通信主站253.1.1 SERCOS III实时以太网协议

16、概述253.1.2 SERCOS III 通信状态机263.13基于NetX的实时以太网主站273.1.4 NetX数据交互机制283.2系统结构设计30in3.2.1研究平台结构303.2.2软件开发总体结构313.2.3 RTX实时性能测试323.3通信配置程序开发343.3.1通信建立总体流程343.3.2伺服从站配置353.3.3通信测试及分析363.4基于RTX的运动控制程序开发363.4.1 RTX驱动程序363.4.2 RTX通信配置373.4.3伺服控制应用程序开发:.383.5本章小结39第四章基于PCI总线运动控制卡的机器人控制开发404.1基于MP-C154的机器人控制系

17、统404丄1 MP-C154功能及特点404.1.2系统总体结构404.2 SCARA机器人运动学分析414.2.1建立机器人坐标系414.2.2机器人正向运动学分析43423机器人逆运动学分析44424机器人雅克比矩阵464.3 SCARA机器人控制系统总体设计47431软件总体结构4743.2多线程任务调度48433面向对象特性在软件中的应用494.3.4机器人姿态描述及数据结构494.4主要功能模块开发51441运动学验证模块514.4.2示教再现功能524.5小结53第五章测试采样及分析系统开发545总体结构设计545.1.1功能结构及采样系统545.1.2 OpenGL三维图形仿真平

18、台555.2机器人三维场景建模565.2.1基于OpcnGL的可视化开发流程565.2.2机器人DH坐标系的实现58523机器人工作场景三维模型58524场景漫游功能及验证595.3机器人运动规划仿真测试605.3.1 T 型速度控制.:605.3.2直线插补6253.3圆弧插补645.4运动控制性能测试66541性能测试流程665.4.2运动性能集成测试675.5小结69第六章 总结与展望70致 谢72参考文献73作者在攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果76v第一章绪论第一章绪论1.1引言机器人一词起始于20世界六十年代,但一直没有形成统一的定义,其中较 为实用的定义来自于H本工业机器人协

19、会(JIRA),即工业机器人是“一种装备 有记忆装置和末端执行器的,能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动 的通用机器” ,o美国的英格伯格和德沃尔在1959年设计生产的第一台工业机 器人拉开了机器人研究的序幕,并不断取得技术突破和重大发展。目前,工业机 器人已成为最先实现产业化的机器人技术,并广泛应用在喷涂、焊接.搬运及材 料加工等领域。工业机器人是集控制.计算机、设计制造.材料加工、信息和传感等于一体 的复杂性、高新技术,其运动控制系统更是整个系统的关键和核心.决定着机器 人的工作性能。但是随着工业柔性化生产需求的增加及加工精度要求的提高,传 统的机器人运动控制系统应用受到了很大的局

20、限。这些机器人控制系统大多采用 封闭式结构,基于专用的硬件开发平台,应用软件开发分别采用各自定义的专用 编程语言,系统间的交互方式及通讯机制也各不相同。由于各厂商控制系统的功 能模块间互不兼容,给系统功能扩展、平台移植带来了极大的不便,而且还增加 了系统的生产成本和维护难度。随着市场竞争的加剧和技术进步,这种结构的控 制系统存在的固有缺陷会越来越明显.将在一定程度上阻碍机器人产业的发展。 此外,在工业生产中广泛应用的高性能机器人运动控制系统被国外几大生产厂商 所垄断,价格昂贵。为了推进机器人运动控制系统的自主研发,也为了更好的适 应工业发展需求,通用化.标准化、高性能的机器人控制系统研究越來越

21、重要。开放式机器人运动控制系统基于常规的计算机平台和操作系统,利用标准的 开发语言及通信总线进行软件开发及数据传输,可以实现软硬件不同平台的移植 和功能扩展,增强不同模块间的互操作性。此外,为了促进自主开发机器人运 动控制系统的产品化和推广应用,需要对系统性能进行严格测试。1.2机器人控制系统1.2.1机器人与多轴运动控制在工业中广泛应用的关节型机器人又称为机械手,是模仿人类腰部到手臂的 关节结构进行设计,主要包括底座.手臂.腕部及手部等。在驱动电机作用下, 各个关节轴通过机械传动带动工具手进行空间作业,所以机器人控制系统是典型 的多轴运动控制系统,如图11。机器人控制系统可以分为运动控制器.

22、关节驱 动系统及人机交互三部分组成。机器人运动控制器控制着机器人的动作时间.运 动轨迹.姿态等,通过复杂的运算给定机器人各个关节轴的运动信息,进而有关 节驱动系统完成单个关节轴的闭环控制,而人机交互则是根据运动控制系统提供 的运动指令进行应用程序的开发,满足机器人工作的需求。早期的机器人运动控 制器功能比较简单,能完成简单的作业,但系统庞大、操作复杂.价格昂贵,而 且精度和可靠性也不高。随着微电子、自动控制等技术的进步,机器人控制器在 20世纪八十年代得到迅猛发展,其功能不断完善,性能也不断提髙。目前机器 人运动控制器往往己具有人机交互、离线编程、运动控制.系统诊断、状态监控、 通信等众多功能

23、,而且控制器硬件强大的运算能力及丰富资源乜提高了运动控制 算法的性能,丰富了运动控制算法的类型。图机器人控制系统结构机器人运动控制器位于机器人控制系统结构的最顶层,直接影响着机器人的 控制性能,其主要特点如下:1、多关节控制。为了进行复杂的作业操作,工业机器人往往具有六个自由 度,即可以以任意姿态到达工作空间内任意点。机器人属于刚性结构,前部关节 的运动会堵响机器人后面关节的状态。在机器人运动过程中,耍求各个关节相互 协调与配合,进而控制机器人手部到达期望位姿。2模型复杂。机器人的多自由度结构决定了机器人数学模型的复杂性,其 数学模型具有非线性.多变量.耦合性及动态性等特点。因此在工业机器人的

24、控 制过程中不仅需要使用解耦.前馈、补偿及自适应等复杂的控制技术,还需要解 决控制的优化及决策等问题。3. 运算量大。为了控制机器人手部在空间的位姿,机器人运动控制器往往 需要具有较高的运算处理能力,进行运动控制过程中的运动学及动力学运算如复 杂的坐标变换、矩阵、微积分运算。4、运动平稳。在工业机器人工作过程中,主要是控制机器人工具手的运动 轨迹及空间位姿,但同时需要保证机器人各关节运动的平滑及稳定,以免造成冲 击和振动,加剧机械部件的磨损,减少机器人寿命。1.2.2国外机器人运动控制系统研究与技术现状机器人从诞生到发展至今,其研究经过了示教再现机器人、离线编程机器人 及智能机器人三个阶段。示

25、教再现机器人是最早的机器人编程方式.利用示教盒 控制机器人的运动,进而记录机器人的运动路径及路径点信息,在机器人自动再 现运动过程时,对路径信息进行解析,并调用相关功能模块完成连续运动。离线 编程机器人是在计算机平台上利用建立的机器人环境模型对路径进行规划及算 法验证,并将离线编程代码下载到机器人控制系统指示机器人运动。智能机器人 是最新近的机器人控制方式,利用摄像头、传感器等外部设备获得外部环境信息, 并用于判断、推理和决策,进而适时调整运动状态,更灵活的在复杂环境下工作。目前,国外的机器人生产和研究企业主要有ABB、KUKA、Delta Tau及KEBA 等,其机器人控制技术均处于世界领先

26、地位。奥地利KEBA公司生产的KeMotion 是基于数字总线通信的多轴运动控制系统,采用模块化结构构成一个完整的机器 人运动控制系统如图12所示,包括控制器、示教器、触摸屏控制面板及与PC 机、伺服驱动器.外围扩展模块等进行通信的接口。电机动器外部扩展模块图12 KeMotion控制系统KeMotion硬件平台上运行的是VxWorks实时操作系统,并在操作系统之上 同时运行了 RC(Robot Control)和CoDeSysControl两套应用软件卩同。RC系统负 责系统的运动控制,并提供了 TcachTalk开发语言,可以在PC上利用TeachEdit 软件进行运动控制功能开发。软PL

27、C系统采用3S公司的CoDeSys平台,具有 逻辑控制、总线通信、系统设置.机器人设置等功能,可以利用KeStudio软件 进行开发和设置。CoDeSys符合I EC 61131-3标准,并支持ST、LD等多种编程 语言及程序转换。KeMotion可以通过局域网和PC机进行通信,进而完成程序的 下载.系统监控及运动变量状态传输等。KeMotion技术成熟、性能稳定,但是 价格昂贵。且在进行应用程序开发时,其专用的KA1R0、TeachTalk等开发语言 增加了系统开发的难度。此外,KeMotion各功能模块间釆用KeBus专用总线通 信,无法与其他公司功能模块进行连接和替换。美国Delta T

28、au公司生产的PMAC是基于PC总线的多轴运初控制器的代表, 同时具备逻辑控制及数据采集的功能,凭其强大的功能、高速的运算速度及优良 的运动控制性能被广泛应用在数控及工业机器人控制中。PMAC釆用摩托罗拉 公司的DSP56K处理器,具有很强的计算能力,可以进行算数、逻辑及关系运算。 PMAC还集成了运动控制.逻辑控制及10控制等功能,PLC穆序刷新周期小于 lOmso PMAC提供了 DPRAM.总线、串行及USB多种与PC通信的方式,并 且支持AT. PCI、PC-XT等总线类型,具有很好的平台适应性。通过提供的特 殊存储区,用户可以进行运动规划开发并在PMAC系统上执行,保证了系统的 实时

29、性。J比外,PMAC提供了丰富的软件开发资源如PEWIN32 PRO编程调试软 件、PCOM32 PRO上位机开发动态库软件.PMACHMI的人机开发软件等。运 动程序使用G代码进行开发,通过程序下载进行执行,并且有板卡决定程序的 运行状态。上位机程序使用Windows编程语言调用响应函数接口实现,可以监 视或者改变板卡的运行状态,并且开发良好的GUI交互界面。图1 -3 PMAC PCI Lite运动控制卡1.2.3国内机器人运动控制系统研究与技术现状国内机器人控制研究起步并不是很晚,在“七五国家科技攻关”计划中就列 入了搬运、焊接、喷涂等多个类型的工业机器人研究项目,国家八六三计划又把 智

30、能机器人作为了一个重要的研究方向并投入大量的资金支持,在上世纪90年代 末国家更是投资建立了新松机器人公司.哈尔滨博实机器人公司、北京机械工业 自动化研究所机器人开发中心及奇瑞汽车股份有限公司机器人研发中心等多个 机器人科研和产业化基地,实现了高技术发展与产业发展的紧密结合。经过多代 人的不懈努力国内的机器人运动控制研究也取得了不错的成果。但和国外机器 人技术水平尚有较大差距,没有摆脱对国外技术的绝对依赖。以奇瑞机器人系统 为例,机器人本体结构由自己的研发团队完成,但减速机和伺服驱动器釆用的是 日本和奥地利的产品,很好地完成插补.前馈的等功能,使工业机器人性能达到 国际同行标准。电控柜和示教器

31、均是自主研发,前者采用双循环系统,可以在焊 接、冲压等恶劣环境下适用;后者不但简单美观、而且操作简单.功能齐全,已 经申请国家专利。随着计算机.集成电路等技术的不断突破和发展,为我国的机器人技术研究 提供了良好契机。首先在硬件结构方面,ARM、DSP及Intel系列等计算能力强大 的通用微处理器被越来越多的用于机器人控制系统的开发,并可以采用集成 FPGA. CPLD等可编程器件的完整片上系统来满足对接口的特殊需求,同时简 化了电路设计并提高了性价比。其次在机器人体系结构方面,传统的划分方法是 基于硬件层次结构,如三菱重工株式会社把PA210结构就划分为五层;另外一种 是软硬件功能统一考虑,这

32、是未来主要釆用的划分方法,这可以使我国有可能参 与机器人相关标准的制定。在开发环境方面,ABB、KUKA等机器人公司均采用 各自的开发平台及开发语言,为了便于程序的移植,目前有amBots. RobotFlow. ADE等提供源代码的开发环境。基于上述平台优势,我国学校及科研机构进行了 一系列研究。北京航空航天大学的吴鑫、齐钳金、吴红杰等人在国家“九五”预研项目支 持下,设计了基于CAN总线的弧焊机器人控制系统。在该控制系统中,PC通 过CAD文件导入机器人轨迹,结合CCD摄像机图像获収机器人空问位置坐标并 进行轨迹规划,控制信息经CAN总线接口卡传递给各机器人关节伺服驱动器。 在编码器脉冲检

33、测电路中,针对机器人启动和停止时存在的失步和多步状况进行 了补偿,提高了弧焊机器人的控制精度。哈尔滨大学的郑剑飞在冯勇教授的指导下,利用徳州仪器的TMS320F240DSP设计了关节控制器,并采用485总线搭建了基于PC的分布式控制系统如图14。 为了获得关机的绝对位置,在传动机构末端安装了霍尔传感器凶。主计算机485总线传动i 机构:检测反馈驱検测反馈驱动;,关节: 控制 器6 I图14分布式控制系统1.3机器人运动控制关键技术目前工业机器人技术已经可以满足一般工业应用需求,随着科学技术的不断 进,对机器人结构、系统等的优化日渐成为研究热点。纵观整个的机器人研究领 域,可见工业机器人研究技术

34、逐步在向开放化.模块可重构化、智能化.数字化 等方向发展,而且机器人控制测试技术也得到越来越多的重视和研究。1.3.1开放式控制系统传统的机器人控制器采用各自独立的系统架构、硬件资源、编程语言及接口 等,开发、移植及替换难度较大,于是在20世纪80年代出现了开放式控制系统 的概念。开放式控制器可以实现机器人控制器的全部功能,但是开发平台包括的 硬件和软件资源必须是开放的、标准的、通用的。开放式机器人控制器的特点可 以概括为 以下几 点1、移植性,裁植性指控制器软件在不同硬件平台上实现相同功能的能力。 要求在进行系统平台移植时,不需要对软件模块进行大量修改就可以实现控制器 的全部功能,大大提髙了

35、系统的柔性。2、互操作性。互操作性要求各功能模块组件之间协调工作,进而组成一个 完整、复杂的功能系统。这种协作依赖于模块之间的相互通信,为了便于不同厂 商功能模块之间的替换,需要定义一系列的通用标准如 OSACA(Open System Architecture for Control Within Automation),模块之间利用 标准系统接口获得预期的系统功能。显然,总线式设计是实现可互操作性的关键。3、可旷展性。可扩展性指在应用功能增加时,开放系统的功能通过增加系 统组件或者对系统组件进行升级便可满足系统需求。这样可以避免重新设计或者 购买整个系统,减少了系统成本投入和资源浪费。4、

36、易获得性。易获得性是指系统的软硬件平台应采用通用的系统资源,即 应有多个厂商进行生产或提供性能相似的标准化产品。这不仅可以降低系统扩展 和开发的难度,而且可以避免对单一厂商产品的依赖,有利于系统功能的完善和 提高。5第一章绪论目前开放式控制系统平台研究虽然取得了一定的成果,但仍处于研究阶段尚 未形成统一的标准,目前影响较大的是OSACAI。应用 软件硬件17第一章绪论OSACA有欧洲Bosch、Index. CIMCBT等22家控制器、机床厂商及研究机构 等在1990年联合提出和推广,旨在制定能广泛应用于工业控制器,并与硬件系 统相互独立的开放式体系结构标准,进而提高控制系统柔性,并提高产品在

37、世界 范围内的竞争力。OSACA系统结构如图1-5所示,主要包括应用软件、系统软件及硬件三层。 应用软件层主要进行系统的业务逻辑控制,有一系列功能独立的结构对象模块 A0(Architecture Object)组成。A0模块具有平台无关性,相互之间是松耦合的关 系,因此功能不同的控制系统可以根据具体需要灵活添加A0模块,并使不同开 发者的功能模块协调工作。系统软件主要包括操作系统.通信系统、配置系统等, 分别用于实现系统的资源管理.信息交换及AO模块处理,标准API是应用软件 层访问.系统层的唯一途径,隐藏了系统层的内部实现并保证了控制系统的平台 无关性,提髙了系统的可移植性.扩展性.互操作

38、性及互换性。系统硬件是系统 运行的基础,包括CPU主板及各种输入输出设备等部件,通过驱动程序和系统 关联。OSACA模型的准则就是模块化、可装配及开放式,即在标准平台上建立由 可以自由组合的模块组组成的系统,是目前OMAC. OSEC等众多开放式控制器 规范研究中的最理想化模型。132实时徑制对控制系统来说,实时性的含义不仅是指“快”,更是指时间的可预测性, 即要求对事件的处理在准确的时间段内完成。换言之,即使对事件的处理流程逻 辑上是正确的,一旦不能在规定的时间内完成对事物的处理,也会给控制系统带 来巨大偏差及影响。机器人控制系统包含大量的实时任务如轨迹插补、关节控制、 外部急停等,实时性是

39、衡量机器人控制器性能的一个重要指标彩响系统实时性 的因素主要由以下几个方面(:K硬件架构控制系统便件性能从根本上决定了系统的运行速度。单PC系统架构的运动 控制系统可以尽可能的满足开放性的需求,但是控制系统的所有任务都有一个微 处理器进行处理和调度,对硬件性能要求非常髙。当控制任务增多时,不但增加 了系统管理的难度,还有可能增加实时任务的响应时间。而分级式的架构,则可 以将实时与非实时任务处理分到上、位机和下位机控制器,使系统结构更加合理. 实时性得到更好地满足。2、操作系统控制系统软件是在操作系统之上进行开发并运行,有其进行任务调度.资源 分配及协调通信等,所以操作系统性能对机器人控制系统实

40、时性影响也非常重大。 操作系统为了实现对实时任务的支持,可以使用下面三种方法:直接采用 Vxworks. QNX等实时操作系统,但这种操作系统的开发工具和软件较少;对非 实时操作系统内核进行编程,进而提高系统实时性,开发难度及工作量较大;采 用进行了实时性扩展的通用操作系统如RTLinux. Windows+RTX等,既可以满 足实时性要求,又可以充分发挥通用操作系统的资源优势,3,|,4103、通信协议机器人控制器要将控制信号发给下位机控制器或伺服系统,随着伺服数量的 增多及工艺要求的提高,对通信性能要求也越来越高。在一般工业机器人控制中, 实时响应时间要求为510ms,对于高性能的同步运动

41、控制响应时间甚至要求小 于1ms(,这就需要采用EtherCAT、SERCOS III等实时以太网协议进行通信。1.33控制性能测试为了推进机器人技术的提高和推广应用,需要对机器人控制进行定位精度. 重复定位精度及轨迹精度等的测量分析,ISO/DIS 9283【制定了机器人性能测试 的标准和方法。机器人运动参数的测量是性能参数量化的重要依据,目前在国内 外研究中用于测量运动参数的方法有很多如经纬仪三角测量法、光学三角测量法. 激光跟踪测量法.双摄像机测量法.接近测量法、参考轨迹测量法、三坐标测量 法等.主要可以分为接触式测最和非接触式测量两类.机械随动系统是典型的接触式测量,图16是机器人研究

42、所的张超群.邓喜 君等人在早期设计的机械随动式测量系统实现方案2】。该系统有机器人控制 系统.实际被控机器人、测量机器人、码盘信号检测接口及测试分析用的PC组 成。测量机器人是采用连杆机构原理设计的六自由度测试系统,本身不带有驱动 系统,并且在机器人的各个关节安装了奇分辨率检测编码器,和被控机器人之间 釆用机械连接。当被控机器人根据控制系统命令进行运动时,测量机器人跟随一 起运动,并将运动信息通过检测编码器传给PC分析系统。PC不仅可以利用反 馈信息进行关节运动参数分析,还可通过计算获得工具手运动轨迹及速度等参数。机器人控制系统实际控制机器人J测辰机人测试分析计舁机图16机械随动式测量系统在非

43、接触式测量中常采用的技术有激光2叭红外及超声波3等。激光的釆样 速率和精度都很奇,但是由于其定向性好,需要利用高性能跟踪机构才能实现三 维空间的测量,通常用于机器人标定。在使用红外线时,通常需要在机器人工具 手固定红外发光二极管,并利用CCD摄像机实现空间位置测量。这种方法往往 对图像数据处理能力要求较高,清华大学的岁波、都东等人基于立体视觉理论, 采用两台同定摄像机,根据直线特征匹配实现了工具手空间位姿的检测卩铁 超 声法的测量精度和速度相对较低,但是可以对机器人工具手位姿进行全方位测量, 而且成本较低。1.3.4模块化机器人技术模块化机器人技术是机器人本体设计的一种创新方法,是基于搭积木的

44、原理, 通过将不同参数.不同性能的模块组合,制造针对不同应用的多种机器人)。但 模块化机器人并不是一个全新的概念,早在上世纪80年德国斯图加特大学就提 出了模块化机器人系统。但美国卡内基梅隆大学研制RMMS系统可以称为第一 台模块化机器人,因为它利用模块化关节及连杆实现了机器人的机械重构,而且 基于人的软件设计方法也使得机器人应用软件可以重构。其后随着机器人在工业 应用领域应用中的竞争愈演愈烈,模块化机器人技术也引起了越来越多国家和科 研机构的关注和重视,并得到了大量的科研投入。目前取得了一系列的优秀研究 成果,如日本的科学家Fukuda等人受生物体细胞组成的启发,设计的CEBOT (基于细胞

45、结构单元的自组织机器人);Castano设计的Conro模块化机器人; Murata等人的M-TRAN机器人系统,加拿大ESI公司生产的MMR模块化机器 人等。图17图MRR模块化关机及可重构机器人虽然匡内对模块化机器人的研究较国外晚,但也取得了一些研究成果,如北 京邮电大学使用三个模块化双关机及两个连杆模块构造了六自由度空间机械臂; 哈尔滨工业大学设计出了 HitMSRI自重构机器人;北京控制工程研究所研发了 一体化关节,并成功应用于烽火号卫星;上海广茂达公司研发的AS-MRobot模 块化机器人等。19东南大学硕士学位论文图18 AS-MRobotE模块化机器人和传统机器人相比,这种模块化

46、机器人技术具有显著的优点甸:1. 模块化机器人的重构型好,通用性强。在模块化机器人装配过程中,可 以根据不同的应用需求,使用模块化关节灵活搭配不同构性的机器人。较高的经 济效益必将拓展机器人的应用领域,这必将为机器人技术的研究提供更大的市场 需求推动。2. 降低了机器人研发的复杂度,提高机器人生产、制作的效率。大规模标 准化关节的生产简化了机器人设计工作,这将大大缩短机器人研发周期。模块化 的设计有利于发挥各领域的优势,这又将促进产品的优化与更新。3. 使得机器人的维修更加简单便利。模块化关节的使用及大量生产,使得 当机器人出现故障时,只需要丢弃出现故障的模块化关节,釆用新的模块化关节。 有些

47、智能化的机器人甚至可以白我维修,完成损坏关节的更换4. 模块化机器人技术有利于推进机器人产业的形成和发展。虽然机器人在 工业中的应用越来越广,但是目前存在机器人种类繁多、零部件通用性差.机器 人成本高、设计生产周期长等因素,而标准化、通用化的模块亿机器人技术,很 好的解决了机器人产业形成的障碍。1.4论文研究背景与意义机器人不但代替人类进行危险、繁重、重复性作业,而且具有更奇的生成效 率、产品质量及可控性,目前已广泛应用在喷涂.焊接、搬运及材料加工等诸多 领域。据美国电气和电子工程师协会(IEEE)统计,2008年底世界各国运行的 机器人总数就已超100万台。受产业机构升级、市场竞争程度加剧、

48、柔性化生产 需求增加.劳动力成本提髙及机器人技术推广等诸多因素的影响,劳动密集型行 业的机器人密度将会继续不断提高。在未来十年,预计工业机器人将以每年10% 的速度递增。我国机器人应用起步较晚但增长迅速,2000年仅为550台,到2010 年增长量已达到14978台【2役我国作为工业生产大国,有望成为全球拥有机器 人数量最多的国家。面对机器人昂贵的价格及巨大的应用市场和利润空间,机器 人系统的优化和自主研发就变得越来越塑要。在整个机器人系统中,控制系统是其最主要的部件,控制着整个系统的运转, 犹如计算机系统的CPU;而有驱动电机和传动装置组成的机器人本体其价格成 本只占了较小的一部分,如在东南

49、大学和华恒焊接公司合作开发的喷涂机器人系 统中,本体投入占总成本的比例还不足15%I26L对于机器人控制高新技术,我 国也有越来越多的科研院所、高校实验室及相关企业进入研究行列。虽然目前我 国已设计开发了一系列的机器人控制系统,但总体来说技术尚不成熟,性能.稳 定性等也和国外有一定差距。为了推动我国机器人技术的进步.早日实现我国机 器人的产业化,就迫切需要我们后来人继续努力进行机器人控制相关技术的学习、 研究及开发,并通过性能测试及对比发现不足,推动技术进步。本文针对国产化机器人控制系统研究背景,以开放式机器人运动控制研究及 性能测试为目标,进行系统方案设计及研究开发。本文结合KeMotion

50、等先进控 制器和开放式控制器的特点,采用模块化关节技术在短时间内搭建了系统硬件平 台。在系统平台之上,对基于高速以太网的开放式运动控制系统和基于PCI运动 控制卡的机器人控制系统进行了深入研究,并基于系统硬件平台,进行了测试系 统开发,构建了完整的机器人运动控制与测试平台,为自主开发高性能的机器人 运动控制系统打下了坚实基础。1.5论文工作内容与章节安排151论文主要工作内容本论文首先根据系统运动控制与性能测试功能的需要,结合模块化技术、伺 服驱动技术,进行机器人测控系统验证平台设计。在该平台基础上,利用设计的 SERCOS III主站,通过引入RTX实时扩展系统及驱动程序开发,实现了 PC主

51、 站对伺服系统的控制,为基于高速以太网的开放式运动控制与测试系统开发奠定 了基础。进行了 SCARA机器人进行运动学分析,结合我国较为成熟的多轴运动 控制卡技术,进行了开放式机器人控制系统的开发。为了分析开放式控制系统的 性能,构建了包含三维仿真功能的测试系统平台。具体工作内容有:K分析了目前机器人控制系统的架构方式及特点,设计运动控制与测试研 究的总体方案。推导模块化关节的数学模型,研究其在本系统中应用的合理性。 分别针对脉冲控制伺服系统和数字总线驱动系统进行器件选型,完成12个模块 化关节及其电器系统的设计,进而完成测控系统验证平台的设计。进行系统的配 置和调试,并完成系统测量精度的评估。

52、2、针对基于高速以太网通信的运动控制系统研究,分析了 NetX500网络控 制器通信机制并设计了 SERCOS III协议通信主站,通过对DPM进行合理划分, 实现Windows下通信配置程序开发。搭建基于RTX的运动控制平台,对RTX 实时性能进行分析,通过驱动开发及加载配置文件,建立实时周期性通信,实现 对伺服驱动的稳定控制,并利用截取的通信报文分析了通信性能。3、采用D-H法建立SCARA机器人坐标系,求解机器人运动学正逆解及用 于速度分析的雅克比矩阵。在此基础上,针对基本机器人应用,利用MP-C154 运动控制卡设计并开发SCARA机器人开放式控制系统,包含参数设置、示教再 现、状态监

53、控等功能模块开发。4、基于系统硕件平台,合理设计了测试采样与分析系统的总体功能结构, 分析了系统高精度采样的实现方法。釆用OpenGL图形开发库,设计了用于仿真 机器人三维空间运动的可视化平台,该平台包括场景漫游、运动状态监控及曲线 显示等功能。在此基础上,实现了机器人速度.直线、圆弧的运动规划及仿真测 试,并对SCARA开放式机器人控制系统运动性能进行了评估。11第一章绪论1.5.2论文章节安排本文共分为六章,章节主要内容如下:第一章绪论,首先分析了机器人运动控制系统在应用中存在的问题,介绍了 机器人运动控制系统及国内外发展现状,随后分析了机器人运动控制研究的关键 技术,最后介绍了系统的研究

54、背最、意义及主要工作内容。笫二章运动控制与测试研究平台设计,首先分析了 KeMotion专用控制器和 开放式控制器的特点,给出了运动控制开发与测试研究的总体实现方案。基于推 导的模块化关节数学模型,设计了集运动控制与测试于一体的硬件平台,介绍了 系统应用配置及接口设计,并进行了系统精度测量及分析。第三章基于高速总线的测控系统通信研究,本章首先分析了 SERCOS III协 议的特点,研究了基于NetX的主站设计及通信交互机制,利用CIFX50-RE通信 板卡构建SERCOS III通信主站,并给出了基于SERCOS III的运动控制与测试方 案,通过引入RTX实施扩展内核.驱动开发及Windo

55、ws平台下的参数配置,实 现了 PC对伺服驱动系统的运动控制,并进行了通信报文分析,同时为基于高速 总线的运动控制算法实验提供了便利接口。第四章基于PCI总线运动控制卡的机器人控制开发,首先介绍了 MP-C154 的功能特点及机器人控制系统总体结构,在给出SCARA机器人的运动学分析基 础上,进行了 SCARA机器人开放式运动控制系统开发,并详细论述了系统主要 开发技术的应用及参数设置、运动学计算、示教再现等模块的实现。第五章测试采样及分析系统开发,首先介绍系统的功能组成,及基于系统硬 件平台的采样机制。介绍了 OpenGL图形开发的优势并设计了包括机器人关节构 件、DH坐标系、视图漫游功能的

56、机器人三维仿真平台。进而实现了机器人速度. 直线、圆弧等轨迹插补的仿真,完成了测控系统集成及SCARA机器人运动控制 系统性能测试评估。第六章总结与展望,总结了系统已经完成的工作,并对后续研究工作进行了 分析与展望。#第二章运动控制与测试研究平台设计13第二章运动控制与测试研究平台设计第二章运动控制与测试研究平台设计机器人运动控制研究与测试系统平台主要有运动控制系统、测试系统及测控 系统验证平台三部分组成。本章主要对系统总体构架进行设计,并进行运行硬件 平台的开发和可行性验证,为开放式运动控制系统的开发与性能测试提供良好的 硬件支撑。2.1系统总体结构分析2.1.1运动控制系统体系结构控制系统

57、是工业机器人的大脑,控制着机器人的协调运动,基于国外的先进 运动控制系统进行二次开发和自主开发开放式运动控制系统是目前工业机器人 的控制系统架构的两种主要方式,有东南大学和华恒焊接设备有限公司联合研发 的昆山一号焊接机器人系统就是KeMotion控制系统二次开发的成功用例。FavorrtttMovtffltnCStomgsSystem FuncbcnsFkw 0«oUolSOodules“外9畑CinctlSpm(a)应用开发指令集:» A fam(b) Scope仿真软件图21 KeMotion指令集及仿真软件在昆山一号机器人控制系统中,通过采用KeMotion控制系统并根据焊接功 能需求扩展I/O. CAN总线通信及示教盒终端等模块,可以很方便的完成焊接机 器人控制系统的搭建。釆用KeMotion控制系统的软PLC模块实现系统的逻辑控 制,并利用扩展的RC Interface接口和RC模块通信。RC模块封装了系统的运动 控制功能,KeMotion实现了 PTP、直线.圆弧.归零等运动控制

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