直角坐標機器人軟件和硬件的控制及實現(xiàn)

1、題目：直角坐標機器人運動控制硬件和軟件的設計及實現(xiàn)目錄機器人概論12鍵入章標題(第 3 級)3鍵入章標題(第 1 級)4鍵入章標題(第 2 級)5鍵入章標題(第 3 級)61. 緒論1.1機器人及其發(fā)展歷程機器人是一種能自動控制、可重復編程、多功能的、可以替代人完成特定任務的自動化控制裝置。機器人學是綜合運用數(shù)學、機械、電子、力學、計算機、自動控制和人工智能等多學科的知識而發(fā)展起來的，對機器人的體系結構、控制、傳感、編程語言以及機器人的應用進行綜合研究是現(xiàn)在的熱點研究領域。到目前為止，機器人發(fā)展共分為三個階段。第一階段是可編程機器人，這類機器人一般可以根據(jù)操作者所編的程序，完成一些相對簡單的重

2、復性操作，不具有反饋外界信息的能力。這一代機器人從20世紀60年代后半期開始投入使用，目前已經(jīng)工業(yè)界得到了廣泛應用。第二代是感知機器人，它是在第一代機器人的基礎上發(fā)展起來的，具有不同程度的感知能力。它有若干的傳感器，能對自身的實際位置、方向、速度、力等進行測量，能通過視覺、聽覺和觸覺等傳感能力對外界環(huán)境進行實際檢測，這些反饋信息著之前編寫好的程序下進行運動。這類機器人在工業(yè)界已有應用。第三代機器人將具有識別、推理、規(guī)劃和學習等智能機制，它可以把感知和行動智能化結合起來。具有多種感覺，能實現(xiàn)搜索、追蹤、辨色等仿生動作，具有專家知識、語音功能和自學習能力等人工智能。此能在非特定的環(huán)境下作業(yè)，故稱之

3、為智能機器人，如圖1-1。目前，這類機器人主要處于實驗室階段，但是已經(jīng)有一部分開始實用化發(fā)展。圖1-1 智能機器人作為一種跨學科技術，機器人技術的突破需要其他技術支撐，特別是以能源、材料、計算機、生命科學及先進制造技術為主。這些技術被眾多學者視為新一輪產(chǎn)業(yè)革命的支撐技術，它們的突破必然會促發(fā)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展邁向一個新的高度，從而推動新一輪產(chǎn)業(yè)革命。新型能源將有助于解決機器人的動力問題；新材料的使用對提升機器人的硬件性能至關重要；計算機技術的發(fā)展應用有助于機器人的控制系統(tǒng)開發(fā)；生命科學的發(fā)展將會使仿生學更多地運用到機器人上，從而推動機器人“從機器到人”的轉變；先進制造技術的發(fā)展則可解決結構復雜機器

4、人的制造問題，有助于促進機器人的大規(guī)模生產(chǎn)和應用?，F(xiàn)在，機器人的使用范圍已開始向軍事工業(yè)、特殊環(huán)境服役、醫(yī)療衛(wèi)生、科學研究等多個領域拓展。而一旦步入智能化階段，由機器人產(chǎn)業(yè)所構建的社會網(wǎng)絡，將遍及社會生產(chǎn)、生活各領域，進而變革社會形態(tài)，進入新一輪的智能社會之中。1.2 機器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢機器人技術研究和應用取得了革命性的發(fā)展，毫無疑問，機器人技術是未來的戰(zhàn)略性技術，充滿機遇，但是也有挑戰(zhàn)。全球機器人領域發(fā)展主要有以下趨勢：1) 機器人性能提升，價格下降。操作精度提高，操作大型化和小型化皆有發(fā)展，驅動方式更多的采用伺服驅動系統(tǒng)。2) 整體結構模塊化，可重構化。關節(jié)中的伺服電機、減速器、傳

5、感器等模塊分工制造，便于全球范圍內企業(yè)的分工合作。3) 控制器向開放式發(fā)展，且控制應用更加現(xiàn)代?；赑C的控制器便于網(wǎng)絡化和標準化，器件的集成度提高，能大大提高系統(tǒng)可靠性和操作性；現(xiàn)代控制理論，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制等應用更加廣泛，且向自適應控制方向發(fā)展。4) 傳感器與驅動器一體化技術、信息采集和信息融合處理、感覺功能繼承模塊。通過視覺、聽覺、觸覺等傳感器信息，對速度、加速度、力進行環(huán)境建模和行動控制。5) 虛擬現(xiàn)實和遠程控制。加強操作者與機器人之間的人機交互控制，即通過遙控監(jiān)控系統(tǒng)和局部操作系統(tǒng)，使機器人進行遠程的協(xié)作事物，如深海探測，太空探索等。我國機器人研究較晚，在20世紀80年代開始

6、起步，在國家政策的支持下，通過一系列的科技創(chuàng)新推進計劃和重大科研專項攻關，我國已經(jīng)基本掌握了機器人的設計制造技術、控制系統(tǒng)的設計和開發(fā)、驅動電機的研究、路徑規(guī)劃和軌跡插補研究等等，并且成功的應用到工業(yè)上，開發(fā)出碼垛、搬運、噴漆、焊接等機器人，有效地改善了工人的工作環(huán)境，提高工作效率。但是總體上看，我國機器人工業(yè)技術水平還和國外有著一定的差距。機器人的產(chǎn)業(yè)化較低。體現(xiàn)在通用化程度低、供貨周期長、成本高、質量和可靠性差等。為了適應全球化的發(fā)展，實現(xiàn)四個現(xiàn)代化，必須對機器人工業(yè)進行全面科學的規(guī)劃，推進我國機器人工業(yè)的現(xiàn)代化進程。1.3機器人的基本組成機器人一般由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

7、等組成。執(zhí)行機構：即機器人本體，由連桿、關節(jié)和末端執(zhí)行器組成，其中的運動副常稱為關節(jié)，關節(jié)個數(shù)一般為機器人的自由度數(shù)。根據(jù)關節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執(zhí)行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關節(jié)坐標式等類型。考慮人性化因素，常將機器人本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。末端執(zhí)行器根據(jù)操作需要可以換裝焊槍、吸盤、扳手等工具。驅動系統(tǒng)：它是驅使執(zhí)行機構運動的機構，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的信號，借助于動力元件使機器人進行運動。它輸入的是電信號，輸出的是線位移和角位移量。機器人使用的驅動系統(tǒng)主要是電力驅動裝置，如步進電機、伺服電機等，此外也有采用液壓、氣動等驅動

8、裝置。檢測系統(tǒng)：實時檢測機器人的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，對執(zhí)行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。作為檢測系統(tǒng)的傳感器大致可以分為兩類：一類是內部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內部狀況，如各關節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制。一類是外部信息傳感器，用于獲取有關機器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關信息，利用這些信息構成一個大的反饋回路，從而將大大提高機器人

9、的工作精度?？刂葡到y(tǒng)是機器人的中樞系統(tǒng)，負責信息處理和人機交互。它接收來自傳感器的信號，對其進行數(shù)據(jù)處理，并按照預存信息、機器人的狀態(tài)及其環(huán)境情況等，產(chǎn)生出控制信號去驅動機器人的各個關節(jié)。為此，控制系統(tǒng)必須保證機器人具有實現(xiàn)功能所具有的程序。1.4本課題研究的內容1.4.1課題研究意義隨著機器人的技術不斷向著更先進的方向發(fā)展，給傳統(tǒng)工業(yè)帶來前所未有的變化，它不僅大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度，而且提高了企業(yè)的工作效率，最重要的是提高了產(chǎn)品的質量。中國作為世界制造業(yè)的工廠，自動化設備的發(fā)展更是勢在必行，各種自動化生產(chǎn)線急需上馬。同時，新興的技術發(fā)展刺激高新領域的發(fā)展，如航空航天、深海探測、特種機

10、器人等應用領域的研究，因此，研究機器人具有非常重要的意義。直角坐標機器人非常適合自動化生產(chǎn)線，在各行各業(yè)中將得到更廣泛的應用。直角坐標機器人作為執(zhí)行機構，具有控制方便，執(zhí)行動作靈活，可以實現(xiàn)復雜的運動軌跡控制的特點。在工業(yè)應用中，能夠實現(xiàn)自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、運動自由度成空間直角關系、多用途的操作機。它能夠搬運物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。通過改變末端操作工具，直角坐標機器人可以非常方便的用作各種自動化裝備，完成如焊接、搬運、包裝、碼垛、檢測、探傷噴涂、目標跟隨、排爆等一系列工作。特別適合多品種、小批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質量，提高勞動生產(chǎn)率、改善勞動條

11、件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。1.4.2課題研究內容1) 研究直角坐標機器人運動控制系統(tǒng)的硬件體系，理解其各部分的功能、結構及電機控制的原理；2) 對控制系統(tǒng)的軟件進行設計，以實現(xiàn)PCI控制卡脈沖輸出功能；3) 通過對控制系統(tǒng)軟硬件體系的研究，構建機器人的運動控制系統(tǒng)，并通過自己的設計實現(xiàn)一種運動。1.4.3 課題研究目的本課題目的就是為了實現(xiàn)一個直角坐標機器人按規(guī)定路徑運動。具體研究內容如下:1) 編寫控制軟件，以實現(xiàn)PCI控制卡脈沖輸出功能；2) 搭建直角坐標機器人運動平臺，并通過控制軟件控制其按照預定的軌跡進行運動。1.5本論文的結構安排全文內容組織如下：第一章， 主要介紹機

12、器人的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，引出本文的研究內容2.機器人運動控制系統(tǒng)硬件2.1機器人的分類機器人的分類方法主要有以下四種，按照機器人的幾何結構、控制方式、智能化程度以及移動方式。2.1.1按照機器人的幾何結構常見的幾何結構是以坐標來描述的，這些坐標結構包括笛卡爾坐標結構、柱面坐標結構、球面坐標結構和關節(jié)式結構以及極坐標結構等。下面主要以笛卡爾坐標結構、柱面坐標結構、球面坐標結構和關節(jié)式結構為例。1) 笛卡爾坐標機器人它主要以直線運動軸為主，各個運動軸通常對應直角坐標系中的X軸、Y軸、Z軸，一般X軸和Y軸是水平方向運動的軸，Z軸是豎直方向的運動軸。如圖1-2，在本文的研究中，Z軸帶有一個旋轉軸，加

13、裝焊槍等工具。在絕大多數(shù)情況下各個直線運動軸之間的夾角是直角。圖2-1 笛卡爾坐標機器人2) 柱面坐標機器人柱面坐標機器人主要有垂直柱子、水平移關節(jié)和底座構成。水平移動關節(jié)裝在垂直柱子上，能自由伸縮，并可以沿垂直柱子上下運動。垂直柱子安裝在底座上，并與水平移動關節(jié)一起繞底座轉動。這種機器人在工作空間內部是一個圓柱面啊，如圖1-3所示，因此將它稱作柱面坐標機器人。工作范圍較大，卻不能到達近立柱和地面的工作空間；直線部分可以采用液壓驅動，可以輸出較大的動力；能夠伸入型腔內側。但是，直線部分難以密封、防塵。圖2-2 柱面坐標機器人3) 球面坐標機器人它與裝甲車的炮塔一樣，機器手能夠在外伸縮移動、在垂

14、直平面內擺動以及繞水平面內轉動。所以，這種機器人的工作空間形成球面的一部分，成為球面坐標機器人。如圖1-4所示。2-3 球面坐標機器人4) 關節(jié)式機器人它是由底座、大臂和小臂構成。大臂和小臂可在通過底座的垂直平面內運動，如圖1-5所示，大臂和小臂之間的關節(jié)稱為肘關節(jié)，大臂和底座之間的關節(jié)稱為肩關節(jié)。在水平面上的旋轉運動，既可以由肩關節(jié)完成，也可以繞底座旋轉完成。這種機器人類似人的手臂，稱為關節(jié)機器人。圖2-4 關節(jié)式機器人2.1.2 按機器人的控制方式按照機器人的控制方式可以把機器人分為非伺服機器人和伺服控制機器人兩種。1) 非伺服機器人。非伺服機器人按照預先編好的程序進行工作，使用終端限位開

15、關、制動器、插銷板和定序器來控制機器人的運動，工作原理如圖 所示。插銷板用來預先規(guī)定機器人的工作順序，而且往往是可以調整的；定序器是一種定序開關或者步進裝置，它能按照預定的正確順序接通驅動裝置的能源；驅動裝置接通能源后，就帶動機器人的手臂、腕部和手抓進行運動，當它們移動到由終端限位開關鎖規(guī)定的位置時，限位開關切換工作狀態(tài)，給定序器一個“運動已完成”的信號，并使終端制動器動作，切斷驅動能源。機器人完成一個工作循環(huán)。2) 伺服控制機器人。伺服控制機器人有著更高的工作能力，但在某些情況下不如非伺服機器人可靠。如圖所示伺服系統(tǒng)的輸出可為機器人末端執(zhí)行裝置的位置、速度或力等。通過反饋傳感器取得的反饋信號

16、與來自給定裝置的綜合信號，用比較器加以比較后，得到誤差信號，經(jīng)過放大后用以控制機器人的驅動裝置，進而帶動末端執(zhí)行器以一定的規(guī)律運動到達規(guī)定的物理參數(shù)。2.1.3 按照機器人移動方式分類1) 固定機器人，固定某個基座上，智能通過移動某個關節(jié)完成任務。2) 移動機器人，可沿某個方向或者任意方向移動。這種機器人分為有軌式機器人、履帶式機器人和步行機器人。2.2 機器人的技術參數(shù)2.2.1 機器人的自由度自由度是機器人由機器人的結構決定，并直接影響到機器人的機動性。機器人的自由度：機器人的自由度是指其末端相對于參考系能夠獨立運動的數(shù)目。一般情況下啊，機器人的手臂可以看做連續(xù)連接的剛體組成。若要求機器人

17、能夠達到空間任意位姿，則它應具有六個自由度，當然如果工具本身具有某種特別結構，可能就不需要六個自由度。2.2.2 額定速度和額定負載機器人每個關節(jié)的運動過程一般包括啟動加速階段、勻速運動階段、減速制動階段，為了縮短機器人的運動周期，提高生產(chǎn)效率，希望啟動階段和制動階段盡可能縮短，所以兩階段的加速度較大，將會產(chǎn)生很大的慣性力。機器人保持運動平穩(wěn)性和運動精度的前提下能達到的最大速度稱為額定速度。在某一關節(jié)的運行速度是單軸速度，由各軸速度的合成稱為合成速度。機器人在額定速度和形成范圍內，末端執(zhí)行器所能承受的負載允許值稱為額定負載。極限負載是在限制作業(yè)的條件下，保證機械結構不損壞啊，末端執(zhí)行器所能承受

18、的最大值。2.2.3 工作空間機器人的工作空間指機器人手臂末端和手腕中心所能到達的所有點的集合。因為末端執(zhí)行器的尺寸和形狀是多種多樣的，為了真實的反映機器人的特征參數(shù)，一般指不安裝末端執(zhí)行器的工作區(qū)域。2.2.4分辨率、位姿準確度、位姿重復性分辨率是機器人各關節(jié)能夠實現(xiàn)的最小移動距離或最小轉動精度，它有控制分辨率和空間分辨率之分?？刂品直媛适菣C器人控制器根據(jù)指令控制的最小位移增量。若機器人末端執(zhí)行器借助于二進制n位指令移動距離為d，則控制分辨率為d/2n；對于轉動關節(jié)，則為角度的運動范圍（/2n）*l。l為臂長?？臻g分辨率是機器人末端執(zhí)行器執(zhí)行運動的最小增量?？臻g分辨率是一種包括控制分辨率、機

19、械誤差和計算機計算時的圓整、近似計算等誤差計算在內的誤差。機器人多次執(zhí)行同一位姿指令，其末端執(zhí)行器在指定坐標系中實際位姿和指令位姿之間的偏差稱作位姿準確度。它分為位置準確度和姿態(tài)準確度。在相同條件下啊，用同一方法操作機器人時，重復多次所測得的同一位姿散布的不一致程度稱為位姿重復性。2.3 直角坐標機器人結構和特點本文主要研究直角坐標機器人，所以特別對其進行介紹。2.3.1 直線運動軸即直線運動單元，它就是一個獨立的運動軸，主要由支撐載體的鋁型材或鋼型材和被安裝在型材內部的直線導軌、運動滑塊以及作為帶動滑塊做高速運動的同步帶組成。2.3.2 運動軸的驅動系統(tǒng)直角坐標機器人的傳動主要是通過驅動電機

20、的轉動帶動同步帶運動，同步帶帶動直線導軌上的滑塊運動。當驅動軸的最高轉速低于時通常選用步進電機，否則選用交流伺服電機。2.3.3 控制系統(tǒng)機器人要在一定時間內完成特定的任務, 比如每完成一次搬運工作，在完成抓取、加速運動、高速運動、減速運動、釋放工件等同時，還要與相關的設備進行通訊，以實現(xiàn)一些時序上的協(xié)調同步。另外在涂膠應用上，各個運動軸要完成直線和圓弧插補運動，因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應用要求來選定其控制軸數(shù)量。通常選用工控機加運動控制卡，和帶軸卡功能及的驅動電機來做控制系統(tǒng)。2.3.4 末端執(zhí)行器根據(jù)其具體應用情況，其手爪系統(tǒng)可能是氣動吸盤、氣動夾取手爪、電動夾取手爪、電磁吸取手爪、焊槍、膠

21、槍、專用工具和檢測儀器等。在很多場合可以一次抓取多個工件。2.3.5 直角坐標機器人的結構和特點針對不同的應用，實際上可以方便快速組合成不同的維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或者倒掛式等各種形式的直角坐標機器人。通過各種各樣的直角坐標機器人和其他機械裝置的配合，可以應用到汽車、電機等自動化的生產(chǎn)線上。2-5 直角坐標機器人直角坐標機器人的工作原理是將各軸電機的轉動轉化為各軸的直線移動。實現(xiàn)轉化的機構主要是滾珠絲杠機構（Z軸）和同步齒形帶機構（X、Y軸）。由于其結構特點，主要有以下優(yōu)點：1) 任意組合成各種樣式，擴展能力強；2) 超大行程：采用導軌和齒條傳動方式，可以方便的連

22、成超大行程；3) 負載能力強：單根直線運動單元的負載通常小于200kg。但當采用雙滑塊或者多滑塊剛性連接時，負載能力可以增加到5倍甚至10倍。當把兩根或者四根運動單元連接時，負載可以增加到數(shù)噸；4) 高動態(tài)特性：輕載情況下速度可以達到8m/s，加速度可以達到4.5m/s2，工作效率相當高；5) 高精度：按照傳動方式配置整個行程內的重復定位精度，可以達到0.05mm，甚至0.01mm；6) 經(jīng)濟實用：對比關節(jié)機器人，直角坐標機器人結構簡單，容易讓工作人員學習；7) 壽命長：直角坐標機器人的維護簡單，壽命可以達到10年以上；8) 應用廣泛：通過配置末端執(zhí)行器，可以進行焊接、搬運、堆垛、檢測、探傷、

23、貼標、打碼、噴涂和裝配等任務。2.4 控制系統(tǒng)硬件結構系統(tǒng)的硬件是由上位機和下位機兩層構成的。上位機，指工業(yè)控制計算機，它是整個硬件的主控部分，負責界面管理和任務調度，協(xié)調系統(tǒng)其它部分有效地工作；而下位機是指LMW401P控制卡，主要負責運動學計算、各軸的插補運算、發(fā)送脈沖等功能。本課題研究主要以武漢力兆數(shù)控有限公司自主開發(fā)的開環(huán)激光控制系統(tǒng)LC 5激光焊接控制系統(tǒng)為例。LC5控制系統(tǒng)主要包括以下配件：PCI運動控制卡、接口卡、62芯公對公屏蔽電纜線、加密狗、焊接軟件。圖2-6 硬件組織結構圖2-7 系統(tǒng)連接結構圖LMW401P控制卡面向步進電機及伺服驅動器設計，單塊卡支持四軸聯(lián)動，8路輸出及

24、20路輸入，配合LC5激光焊接軟件能完成復雜的激光焊接加工。2.4.1 LMW401P控制卡2.4.1.1控制卡組成LMW401P控制卡采用標準PCI接口，外形尺寸為147mm*105mm?？刂瓶ú遄鶠镈B62母頭插座，配用DB62公對公連線，與接口卡上的DB62母頭插座連接；接口卡再與控制X、Y、Z、R（4個軸）的驅動器及外部輸入輸出線路連接。其接線如圖2-7所示。如圖2-6所示，PCI控制卡通過PCI總線將計算機主板的PCI卡槽與計算機連接起來，控制卡通過雙絞屏蔽排線與接口卡連接。圖2-8 PCI運動卡布局示意圖2.4.1.2PCI總線PCI總線是實現(xiàn)機器人運動控制系統(tǒng)上位機和下位機之間的

25、通信以及上位機與I/O卡的通信。根據(jù)傳輸信息的不同，可以分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別傳遞數(shù)據(jù)信息、地址信息和控制信息。PCI總線總線主要有以下優(yōu)點：1) 高帶寬，最高時鐘頻率可以達到33MHZ2) 支持32位和64位兩種數(shù)據(jù)傳輸通道3) 兼容ISA、EISA多種總線4) 具有自動配置功能，能夠為外設分配地址和中斷，有力的避免可能的沖突。實現(xiàn)觸發(fā)器的中斷，以實現(xiàn)中斷共享。2.4.1.3控制卡功能原理PCI控制卡內部硬件電路的核心處理器是。它帶有2Meg RAM和2 Meg flash EEPROM，以及控制卡固件。其中RAM用來為變量、數(shù)組元素和應用程序提供存儲空間；而flash EE

26、PROM 用來提高變量、數(shù)組元素和應用程序的非易失性存儲。通信模塊是PCI控制卡和計算機交互的模塊，包括一個雙向的FIFO通道和PC機中斷電路。通用I/O接口模塊包含8位可編程的TTL輸入、8位TTL輸出和觸發(fā)高速位置鎖存的輸入信號。2.4.2 接口卡接口卡的尺寸為110mm*220mm，接口卡的各個端口分別掛載相應的運動執(zhí)行件（電機的驅動器）及I/O設備。接口卡的外部接口包括：連接計算機的62芯接口，24VDC電源供電接口，4路脈沖運動軸接口，20路輸入接口，8路繼電器輸出接口，PWM（DA）輸出接口。接口布局如圖2-9所示：2-9LCC接口板示意圖接口采用六角螺柱支撐，螺母緊固在電器柜的座板上，使用DB62電纜即可將控制卡與接口卡連接