C154四軸運(yùn)動(dòng)控制卡

1、碩士學(xué)位論文工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：控制理論與控制工程研究生姓名：馬妍妍導(dǎo)師姓名： 馬旭東教扌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東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu) 的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均 已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。研究生簽名:東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書(shū)館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位 論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印.縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人 電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致

3、。除在保密期內(nèi)的保密論文和在技術(shù)保 護(hù)期限內(nèi)的論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括以電子信息形式刊 登）論文的全部?jī)?nèi)容或中.英文摘要等部分內(nèi)容。論文的公布（包括以電子信息 形式刊登）授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。研究生簽名：召価妍 導(dǎo)師簽名:日 期也上土y摘要工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)碩士研究生：馬妍妍導(dǎo) 師：馬旭東教授學(xué)校名稱(chēng)：東南大學(xué)摘要隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大及勞動(dòng)力成本的提高，機(jī)器人作為提高工業(yè)生產(chǎn)自 動(dòng)化程度的重要設(shè)備，在諸多領(lǐng)域得以推廣和應(yīng)用，但工業(yè)機(jī)器人核心控制技術(shù) 一直為國(guó)外廠(chǎng)商所壟斷，進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化開(kāi)放式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)意義重 大。本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器

4、和測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)需要，系統(tǒng)研究了基于高 速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)和基于PCI總線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡兩種架構(gòu)方式的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器，并 結(jié)合模塊化關(guān)節(jié)、高頻采樣和三維仿真等技術(shù)研究了性能測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。論文首先從KeMotion系統(tǒng)功能分析與開(kāi)放式控制系統(tǒng)特點(diǎn)出發(fā)，闡述了面 向運(yùn)動(dòng)控制和測(cè)試評(píng)估研究的系統(tǒng)總體方案。分析研究模塊化關(guān)節(jié)在本系統(tǒng)應(yīng)用 的合理性，通過(guò)合理選擇伺服驅(qū)動(dòng).伺服電機(jī)、檢測(cè)編碼器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等模塊， 給出了集運(yùn)動(dòng)控制與性能測(cè)試功能于一體的系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)。模塊化關(guān)節(jié)的使 用，大大拓展了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。機(jī)械系統(tǒng)精度測(cè)試結(jié)果表明滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。在上述平臺(tái)的基礎(chǔ)上，針對(duì)基于髙速以太網(wǎng)通信的控制系統(tǒng)研究，

5、給出了有 PC和CIFX50網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)建的SERCOS III通信主站控制Rextoth伺服的實(shí)現(xiàn) 方法，并給出了測(cè)試方案。針對(duì)基本機(jī)器人應(yīng)用，利用運(yùn)動(dòng)控制卡開(kāi)發(fā)了 SCARA 機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué).雅克比矩陣的計(jì)算及參數(shù) 設(shè)置、示教再現(xiàn)、監(jiān)控.運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等模塊的功能實(shí)現(xiàn)，軟件開(kāi)發(fā)中的多線(xiàn)程及面 相對(duì)象等技術(shù)的應(yīng)用保證了系統(tǒng)良好的可移植性和擴(kuò)展性。接著進(jìn)行了采樣及性 能測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，介紹了高精度采樣及0penGL三維建模仿真的實(shí)現(xiàn)方法，給 出了在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人速度插補(bǔ).直線(xiàn)插補(bǔ).圓弧插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的仿真研 究方法。最后通過(guò)系統(tǒng)集成，進(jìn)行了 SCARA機(jī)器人開(kāi)放式

6、控制系統(tǒng)性能測(cè)試。 結(jié)果表明軟件系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能要求。關(guān)鍵字：工業(yè)機(jī)器人，控制器，測(cè)試平臺(tái)，軌跡規(guī)劃，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目錄摘要IABSTRACTII目錄III第一章緒論11-1引言11.2機(jī)器人控制系統(tǒng)112.1機(jī)器人與多軸運(yùn)動(dòng)控制1122國(guó)外機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與技術(shù)現(xiàn)狀212.3國(guó)內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與技術(shù)現(xiàn)狀41.3機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)513.1開(kāi)放式控制系統(tǒng)513.2實(shí)時(shí)控制6133控制性能測(cè)試71.3.4模塊化機(jī)器人技術(shù)81.4論文研究背景與意義91.5論文工作內(nèi)容與章節(jié)安排101.5.1論文主要工作內(nèi)容

15、101.5.2論文章節(jié)安排11第二章運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試研究平臺(tái)設(shè)計(jì)122系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析122.1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)122.1.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)132.2測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建14221總體架構(gòu)設(shè)計(jì) 142.2.2控制柜設(shè)計(jì)16223 KeMotion機(jī)器人控制器及配置1723模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)192.3.1機(jī)器人的單關(guān)節(jié)控制測(cè)量模型192.3.2模塊化關(guān)節(jié)的組成202.3.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型及信號(hào)連接2123.4檢測(cè)編碼器的選擇222.4系統(tǒng)精度測(cè)試232.5本章小結(jié)24第三章基于高速伺服總線(xiàn)的測(cè)控系統(tǒng)通信研究253.1 SERCOS III協(xié)議及通信主站253.1.1 SERCOS III實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議

16、概述253.1.2 SERCOS III 通信狀態(tài)機(jī)263.13基于NetX的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)主站273.1.4 NetX數(shù)據(jù)交互機(jī)制283.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)30in3.2.1研究平臺(tái)結(jié)構(gòu)303.2.2軟件開(kāi)發(fā)總體結(jié)構(gòu)313.2.3 RTX實(shí)時(shí)性能測(cè)試323.3通信配置程序開(kāi)發(fā)343.3.1通信建立總體流程343.3.2伺服從站配置353.3.3通信測(cè)試及分析363.4基于RTX的運(yùn)動(dòng)控制程序開(kāi)發(fā)363.4.1 RTX驅(qū)動(dòng)程序363.4.2 RTX通信配置373.4.3伺服控制應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)：.383.5本章小結(jié)39第四章基于PCI總線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡的機(jī)器人控制開(kāi)發(fā)404.1基于MP-C154的機(jī)器人控制系

17、統(tǒng)404丄1 MP-C154功能及特點(diǎn)404.1.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)404.2 SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析414.2.1建立機(jī)器人坐標(biāo)系414.2.2機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析43423機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析44424機(jī)器人雅克比矩陣464.3 SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)47431軟件總體結(jié)構(gòu)4743.2多線(xiàn)程任務(wù)調(diào)度48433面向?qū)ο筇匦栽谲浖械膽?yīng)用494.3.4機(jī)器人姿態(tài)描述及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)494.4主要功能模塊開(kāi)發(fā)51441運(yùn)動(dòng)學(xué)驗(yàn)證模塊514.4.2示教再現(xiàn)功能524.5小結(jié)53第五章測(cè)試采樣及分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)545總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)545.1.1功能結(jié)構(gòu)及采樣系統(tǒng)545.1.2 OpenGL三維圖形仿真平

18、臺(tái)555.2機(jī)器人三維場(chǎng)景建模565.2.1基于OpcnGL的可視化開(kāi)發(fā)流程565.2.2機(jī)器人DH坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)58523機(jī)器人工作場(chǎng)景三維模型58524場(chǎng)景漫游功能及驗(yàn)證595.3機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真測(cè)試605.3.1 T 型速度控制.:605.3.2直線(xiàn)插補(bǔ)6253.3圓弧插補(bǔ)645.4運(yùn)動(dòng)控制性能測(cè)試66541性能測(cè)試流程665.4.2運(yùn)動(dòng)性能集成測(cè)試675.5小結(jié)69第六章 總結(jié)與展望70致 謝72參考文獻(xiàn)73作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和科研成果76v第一章緒論第一章緒論1.1引言機(jī)器人一詞起始于20世界六十年代，但一直沒(méi)有形成統(tǒng)一的定義，其中較 為實(shí)用的定義來(lái)自于H本工業(yè)機(jī)器人協(xié)

19、會(huì)(JIRA),即工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備 有記憶裝置和末端執(zhí)行器的,能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類(lèi)勞動(dòng) 的通用機(jī)器” ,o美國(guó)的英格伯格和德沃爾在1959年設(shè)計(jì)生產(chǎn)的第一臺(tái)工業(yè)機(jī) 器人拉開(kāi)了機(jī)器人研究的序幕，并不斷取得技術(shù)突破和重大發(fā)展。目前，工業(yè)機(jī) 器人已成為最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人技術(shù)，并廣泛應(yīng)用在噴涂、焊接.搬運(yùn)及材 料加工等領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人是集控制.計(jì)算機(jī)、設(shè)計(jì)制造.材料加工、信息和傳感等于一體 的復(fù)雜性、高新技術(shù)，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)更是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心.決定著機(jī)器 人的工作性能。但是隨著工業(yè)柔性化生產(chǎn)需求的增加及加工精度要求的提高，傳 統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用受到了很大的局

20、限。這些機(jī)器人控制系統(tǒng)大多采用 封閉式結(jié)構(gòu)，基于專(zhuān)用的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)分別采用各自定義的專(zhuān)用 編程語(yǔ)言，系統(tǒng)間的交互方式及通訊機(jī)制也各不相同。由于各廠(chǎng)商控制系統(tǒng)的功 能模塊間互不兼容，給系統(tǒng)功能擴(kuò)展、平臺(tái)移植帶來(lái)了極大的不便，而且還增加 了系統(tǒng)的生產(chǎn)成本和維護(hù)難度。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和技術(shù)進(jìn)步，這種結(jié)構(gòu)的控 制系統(tǒng)存在的固有缺陷會(huì)越來(lái)越明顯.將在一定程度上阻礙機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 此外，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的高性能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)被國(guó)外幾大生產(chǎn)廠(chǎng)商 所壟斷，價(jià)格昂貴。為了推進(jìn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的自主研發(fā)，也為了更好的適 應(yīng)工業(yè)發(fā)展需求，通用化.標(biāo)準(zhǔn)化、高性能的機(jī)器人控制系統(tǒng)研究越來(lái)越

21、重要。開(kāi)放式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基于常規(guī)的計(jì)算機(jī)平臺(tái)和操作系統(tǒng)，利用標(biāo)準(zhǔn)的 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言及通信總線(xiàn)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)傳輸，可以實(shí)現(xiàn)軟硬件不同平臺(tái)的移植 和功能擴(kuò)展，增強(qiáng)不同模塊間的互操作性。此外，為了促進(jìn)自主開(kāi)發(fā)機(jī)器人運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品化和推廣應(yīng)用,需要對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試。1.2機(jī)器人控制系統(tǒng)1.2.1機(jī)器人與多軸運(yùn)動(dòng)控制在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的關(guān)節(jié)型機(jī)器人又稱(chēng)為機(jī)械手，是模仿人類(lèi)腰部到手臂的 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括底座.手臂.腕部及手部等。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用下, 各個(gè)關(guān)節(jié)軸通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)工具手進(jìn)行空間作業(yè)，所以機(jī)器人控制系統(tǒng)是典型 的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖11。機(jī)器人控制系統(tǒng)可以分為運(yùn)動(dòng)控制器.

22、關(guān)節(jié)驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)及人機(jī)交互三部分組成。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器控制著機(jī)器人的動(dòng)作時(shí)間.運(yùn) 動(dòng)軌跡.姿態(tài)等，通過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算給定機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)而有關(guān) 節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成單個(gè)關(guān)節(jié)軸的閉環(huán)控制，而人機(jī)交互則是根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供 的運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足機(jī)器人工作的需求。早期的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控 制器功能比較簡(jiǎn)單，能完成簡(jiǎn)單的作業(yè)，但系統(tǒng)龐大、操作復(fù)雜.價(jià)格昂貴，而 且精度和可靠性也不高。隨著微電子、自動(dòng)控制等技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人控制器在 20世紀(jì)八十年代得到迅猛發(fā)展，其功能不斷完善，性能也不斷提髙。目前機(jī)器 人運(yùn)動(dòng)控制器往往己具有人機(jī)交互、離線(xiàn)編程、運(yùn)動(dòng)控制.系統(tǒng)診斷、狀態(tài)監(jiān)控、 通信等眾多功能

23、，而且控制器硬件強(qiáng)大的運(yùn)算能力及豐富資源乜提高了運(yùn)動(dòng)控制 算法的性能，豐富了運(yùn)動(dòng)控制算法的類(lèi)型。圖機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器位于機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最頂層，直接影響著機(jī)器人的 控制性能，其主要特點(diǎn)如下：1、多關(guān)節(jié)控制。為了進(jìn)行復(fù)雜的作業(yè)操作，工業(yè)機(jī)器人往往具有六個(gè)自由 度，即可以以任意姿態(tài)到達(dá)工作空間內(nèi)任意點(diǎn)。機(jī)器人屬于剛性結(jié)構(gòu)，前部關(guān)節(jié) 的運(yùn)動(dòng)會(huì)堵響機(jī)器人后面關(guān)節(jié)的狀態(tài)。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，耍求各個(gè)關(guān)節(jié)相互 協(xié)調(diào)與配合，進(jìn)而控制機(jī)器人手部到達(dá)期望位姿。2模型復(fù)雜。機(jī)器人的多自由度結(jié)構(gòu)決定了機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性，其 數(shù)學(xué)模型具有非線(xiàn)性.多變量.耦合性及動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)。因此在工業(yè)機(jī)器人的

24、控 制過(guò)程中不僅需要使用解耦.前饋、補(bǔ)償及自適應(yīng)等復(fù)雜的控制技術(shù)，還需要解 決控制的優(yōu)化及決策等問(wèn)題。3. 運(yùn)算量大。為了控制機(jī)器人手部在空間的位姿，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器往往 需要具有較高的運(yùn)算處理能力，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)運(yùn)算如復(fù) 雜的坐標(biāo)變換、矩陣、微積分運(yùn)算。4、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。在工業(yè)機(jī)器人工作過(guò)程中，主要是控制機(jī)器人工具手的運(yùn)動(dòng) 軌跡及空間位姿，但同時(shí)需要保證機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的平滑及穩(wěn)定，以免造成沖 擊和振動(dòng)，加劇機(jī)械部件的磨損，減少機(jī)器人壽命。1.2.2國(guó)外機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與技術(shù)現(xiàn)狀機(jī)器人從誕生到發(fā)展至今，其研究經(jīng)過(guò)了示教再現(xiàn)機(jī)器人、離線(xiàn)編程機(jī)器人 及智能機(jī)器人三個(gè)階段。示

25、教再現(xiàn)機(jī)器人是最早的機(jī)器人編程方式.利用示教盒 控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而記錄機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑及路徑點(diǎn)信息，在機(jī)器人自動(dòng)再 現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)，對(duì)路徑信息進(jìn)行解析，并調(diào)用相關(guān)功能模塊完成連續(xù)運(yùn)動(dòng)。離線(xiàn) 編程機(jī)器人是在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上利用建立的機(jī)器人環(huán)境模型對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃及算 法驗(yàn)證，并將離線(xiàn)編程代碼下載到機(jī)器人控制系統(tǒng)指示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。智能機(jī)器人 是最新近的機(jī)器人控制方式，利用攝像頭、傳感器等外部設(shè)備獲得外部環(huán)境信息, 并用于判斷、推理和決策，進(jìn)而適時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，更靈活的在復(fù)雜環(huán)境下工作。目前,國(guó)外的機(jī)器人生產(chǎn)和研究企業(yè)主要有ABB、KUKA、Delta Tau及KEBA 等，其機(jī)器人控制技術(shù)均處于世界領(lǐng)先

26、地位。奧地利KEBA公司生產(chǎn)的KeMotion 是基于數(shù)字總線(xiàn)通信的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)器 人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖12所示，包括控制器、示教器、觸摸屏控制面板及與PC 機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器.外圍擴(kuò)展模塊等進(jìn)行通信的接口。電機(jī)動(dòng)器外部擴(kuò)展模塊圖12 KeMotion控制系統(tǒng)KeMotion硬件平臺(tái)上運(yùn)行的是VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并在操作系統(tǒng)之上 同時(shí)運(yùn)行了 RC(Robot Control)和CoDeSysControl兩套應(yīng)用軟件卩同。RC系統(tǒng)負(fù) 責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，并提供了 TcachTalk開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，可以在PC上利用TeachEdit 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制功能開(kāi)發(fā)。軟PL

27、C系統(tǒng)采用3S公司的CoDeSys平臺(tái)，具有 邏輯控制、總線(xiàn)通信、系統(tǒng)設(shè)置.機(jī)器人設(shè)置等功能，可以利用KeStudio軟件 進(jìn)行開(kāi)發(fā)和設(shè)置。CoDeSys符合I EC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，并支持ST、LD等多種編程 語(yǔ)言及程序轉(zhuǎn)換。KeMotion可以通過(guò)局域網(wǎng)和PC機(jī)進(jìn)行通信，進(jìn)而完成程序的 下載.系統(tǒng)監(jiān)控及運(yùn)動(dòng)變量狀態(tài)傳輸?shù)?。KeMotion技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定，但是 價(jià)格昂貴。且在進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)時(shí)，其專(zhuān)用的KA1R0、TeachTalk等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 增加了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度。此外，KeMotion各功能模塊間釆用KeBus專(zhuān)用總線(xiàn)通 信，無(wú)法與其他公司功能模塊進(jìn)行連接和替換。美國(guó)Delta T

28、au公司生產(chǎn)的PMAC是基于PC總線(xiàn)的多軸運(yùn)初控制器的代表， 同時(shí)具備邏輯控制及數(shù)據(jù)采集的功能，憑其強(qiáng)大的功能、高速的運(yùn)算速度及優(yōu)良 的運(yùn)動(dòng)控制性能被廣泛應(yīng)用在數(shù)控及工業(yè)機(jī)器人控制中。PMAC釆用摩托羅拉 公司的DSP56K處理器，具有很強(qiáng)的計(jì)算能力,可以進(jìn)行算數(shù)、邏輯及關(guān)系運(yùn)算。 PMAC還集成了運(yùn)動(dòng)控制.邏輯控制及10控制等功能，PLC穆序刷新周期小于 lOmso PMAC提供了 DPRAM.總線(xiàn)、串行及USB多種與PC通信的方式，并 且支持AT. PCI、PC-XT等總線(xiàn)類(lèi)型，具有很好的平臺(tái)適應(yīng)性。通過(guò)提供的特 殊存儲(chǔ)區(qū)，用戶(hù)可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃開(kāi)發(fā)并在PMAC系統(tǒng)上執(zhí)行，保證了系統(tǒng)的 實(shí)時(shí)

29、性。J比外，PMAC提供了豐富的軟件開(kāi)發(fā)資源如PEWIN32 PRO編程調(diào)試軟 件、PCOM32 PRO上位機(jī)開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)庫(kù)軟件.PMACHMI的人機(jī)開(kāi)發(fā)軟件等。運(yùn) 動(dòng)程序使用G代碼進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)程序下載進(jìn)行執(zhí)行，并且有板卡決定程序的 運(yùn)行狀態(tài)。上位機(jī)程序使用Windows編程語(yǔ)言調(diào)用響應(yīng)函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)，可以監(jiān) 視或者改變板卡的運(yùn)行狀態(tài)，并且開(kāi)發(fā)良好的GUI交互界面。圖1 -3 PMAC PCI Lite運(yùn)動(dòng)控制卡1.2.3國(guó)內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與技術(shù)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)機(jī)器人控制研究起步并不是很晚，在“七五國(guó)家科技攻關(guān)”計(jì)劃中就列 入了搬運(yùn)、焊接、噴涂等多個(gè)類(lèi)型的工業(yè)機(jī)器人研究項(xiàng)目，國(guó)家八六三計(jì)劃又把 智

30、能機(jī)器人作為了一個(gè)重要的研究方向并投入大量的資金支持，在上世紀(jì)90年代 末國(guó)家更是投資建立了新松機(jī)器人公司.哈爾濱博實(shí)機(jī)器人公司、北京機(jī)械工業(yè) 自動(dòng)化研究所機(jī)器人開(kāi)發(fā)中心及奇瑞汽車(chē)股份有限公司機(jī)器人研發(fā)中心等多個(gè) 機(jī)器人科研和產(chǎn)業(yè)化基地，實(shí)現(xiàn)了高技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的緊密結(jié)合。經(jīng)過(guò)多代 人的不懈努力國(guó)內(nèi)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究也取得了不錯(cuò)的成果。但和國(guó)外機(jī)器 人技術(shù)水平尚有較大差距，沒(méi)有擺脫對(duì)國(guó)外技術(shù)的絕對(duì)依賴(lài)。以奇瑞機(jī)器人系統(tǒng) 為例，機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)由自己的研發(fā)團(tuán)隊(duì)完成，但減速機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器釆用的是 日本和奧地利的產(chǎn)品，很好地完成插補(bǔ).前饋的等功能，使工業(yè)機(jī)器人性能達(dá)到 國(guó)際同行標(biāo)準(zhǔn)。電控柜和示教器

31、均是自主研發(fā)，前者采用雙循環(huán)系統(tǒng)，可以在焊 接、沖壓等惡劣環(huán)境下適用；后者不但簡(jiǎn)單美觀(guān)、而且操作簡(jiǎn)單.功能齊全，已 經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利。隨著計(jì)算機(jī).集成電路等技術(shù)的不斷突破和發(fā)展，為我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)研究 提供了良好契機(jī)。首先在硬件結(jié)構(gòu)方面，ARM、DSP及Intel系列等計(jì)算能力強(qiáng)大 的通用微處理器被越來(lái)越多的用于機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并可以采用集成 FPGA. CPLD等可編程器件的完整片上系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足對(duì)接口的特殊需求，同時(shí)簡(jiǎn) 化了電路設(shè)計(jì)并提高了性?xún)r(jià)比。其次在機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)方面，傳統(tǒng)的劃分方法是 基于硬件層次結(jié)構(gòu)，如三菱重工株式會(huì)社把PA210結(jié)構(gòu)就劃分為五層；另外一種 是軟硬件功能統(tǒng)一考慮，這

32、是未來(lái)主要釆用的劃分方法，這可以使我國(guó)有可能參 與機(jī)器人相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。在開(kāi)發(fā)環(huán)境方面，ABB、KUKA等機(jī)器人公司均采用 各自的開(kāi)發(fā)平臺(tái)及開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，為了便于程序的移植，目前有amBots. RobotFlow. ADE等提供源代碼的開(kāi)發(fā)環(huán)境?；谏鲜銎脚_(tái)優(yōu)勢(shì)，我國(guó)學(xué)校及科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了 一系列研究。北京航空航天大學(xué)的吳鑫、齊鉗金、吳紅杰等人在國(guó)家“九五”預(yù)研項(xiàng)目支 持下，設(shè)計(jì)了基于CAN總線(xiàn)的弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)。在該控制系統(tǒng)中，PC通 過(guò)CAD文件導(dǎo)入機(jī)器人軌跡，結(jié)合CCD攝像機(jī)圖像獲収機(jī)器人空問(wèn)位置坐標(biāo)并 進(jìn)行軌跡規(guī)劃，控制信息經(jīng)CAN總線(xiàn)接口卡傳遞給各機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器。 在編碼器脈沖檢

33、測(cè)電路中，針對(duì)機(jī)器人啟動(dòng)和停止時(shí)存在的失步和多步狀況進(jìn)行 了補(bǔ)償，提高了弧焊機(jī)器人的控制精度。哈爾濱大學(xué)的鄭劍飛在馮勇教授的指導(dǎo)下，利用徳州儀器的TMS320F240DSP設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)控制器，并采用485總線(xiàn)搭建了基于PC的分布式控制系統(tǒng)如圖14。 為了獲得關(guān)機(jī)的絕對(duì)位置，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)末端安裝了霍爾傳感器兇。主計(jì)算機(jī)485總線(xiàn)傳動(dòng)i 機(jī)構(gòu):檢測(cè)反饋驅(qū)検測(cè)反饋驅(qū)動(dòng);,關(guān)節(jié): 控制 器6 I圖14分布式控制系統(tǒng)1.3機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)目前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)可以滿(mǎn)足一般工業(yè)應(yīng)用需求，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷 進(jìn)，對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等的優(yōu)化日漸成為研究熱點(diǎn)。縱觀(guān)整個(gè)的機(jī)器人研究領(lǐng) 域，可見(jiàn)工業(yè)機(jī)器人研究技術(shù)

34、逐步在向開(kāi)放化.模塊可重構(gòu)化、智能化.數(shù)字化 等方向發(fā)展，而且機(jī)器人控制測(cè)試技術(shù)也得到越來(lái)越多的重視和研究。1.3.1開(kāi)放式控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的機(jī)器人控制器采用各自獨(dú)立的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件資源、編程語(yǔ)言及接口 等，開(kāi)發(fā)、移植及替換難度較大，于是在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了開(kāi)放式控制系統(tǒng) 的概念。開(kāi)放式控制器可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器的全部功能，但是開(kāi)發(fā)平臺(tái)包括的 硬件和軟件資源必須是開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)的、通用的。開(kāi)放式機(jī)器人控制器的特點(diǎn)可 以概括為 以下幾 點(diǎn)1、移植性，裁植性指控制器軟件在不同硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)相同功能的能力。 要求在進(jìn)行系統(tǒng)平臺(tái)移植時(shí)，不需要對(duì)軟件模塊進(jìn)行大量修改就可以實(shí)現(xiàn)控制器 的全部功能，大大提髙了

35、系統(tǒng)的柔性。2、互操作性。互操作性要求各功能模塊組件之間協(xié)調(diào)工作，進(jìn)而組成一個(gè) 完整、復(fù)雜的功能系統(tǒng)。這種協(xié)作依賴(lài)于模塊之間的相互通信，為了便于不同廠(chǎng) 商功能模塊之間的替換，需要定義一系列的通用標(biāo)準(zhǔn)如 OSACA(Open System Architecture for Control Within Automation),模塊之間利用 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)接口獲得預(yù)期的系統(tǒng)功能。顯然，總線(xiàn)式設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)可互操作性的關(guān)鍵。3、可曠展性?？蓴U(kuò)展性指在應(yīng)用功能增加時(shí)，開(kāi)放系統(tǒng)的功能通過(guò)增加系 統(tǒng)組件或者對(duì)系統(tǒng)組件進(jìn)行升級(jí)便可滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。這樣可以避免重新設(shè)計(jì)或者 購(gòu)買(mǎi)整個(gè)系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)成本投入和資源浪費(fèi)。4、

36、易獲得性。易獲得性是指系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)應(yīng)采用通用的系統(tǒng)資源，即 應(yīng)有多個(gè)廠(chǎng)商進(jìn)行生產(chǎn)或提供性能相似的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。這不僅可以降低系統(tǒng)擴(kuò)展 和開(kāi)發(fā)的難度，而且可以避免對(duì)單一廠(chǎng)商產(chǎn)品的依賴(lài)，有利于系統(tǒng)功能的完善和 提高。5第一章緒論目前開(kāi)放式控制系統(tǒng)平臺(tái)研究雖然取得了一定的成果，但仍處于研究階段尚 未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前影響較大的是OSACAI。應(yīng)用 軟件硬件17第一章緒論OSACA有歐洲Bosch、Index. CIMCBT等22家控制器、機(jī)床廠(chǎng)商及研究機(jī)構(gòu) 等在1990年聯(lián)合提出和推廣，旨在制定能廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制器，并與硬件系 統(tǒng)相互獨(dú)立的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提高控制系統(tǒng)柔性，并提高產(chǎn)品在

37、世界 范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力。OSACA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-5所示，主要包括應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件及硬件三層。 應(yīng)用軟件層主要進(jìn)行系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯控制，有一系列功能獨(dú)立的結(jié)構(gòu)對(duì)象模塊 A0(Architecture Object)組成。A0模塊具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性，相互之間是松耦合的關(guān) 系，因此功能不同的控制系統(tǒng)可以根據(jù)具體需要靈活添加A0模塊，并使不同開(kāi) 發(fā)者的功能模塊協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng).通信系統(tǒng)、配置系統(tǒng)等， 分別用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的資源管理.信息交換及AO模塊處理，標(biāo)準(zhǔn)API是應(yīng)用軟件 層訪(fǎng)問(wèn).系統(tǒng)層的唯一途徑，隱藏了系統(tǒng)層的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)并保證了控制系統(tǒng)的平臺(tái) 無(wú)關(guān)性，提髙了系統(tǒng)的可移植性.擴(kuò)展性.互操作

38、性及互換性。系統(tǒng)硬件是系統(tǒng) 運(yùn)行的基礎(chǔ)，包括CPU主板及各種輸入輸出設(shè)備等部件，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng) 關(guān)聯(lián)。OSACA模型的準(zhǔn)則就是模塊化、可裝配及開(kāi)放式，即在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上建立由 可以自由組合的模塊組組成的系統(tǒng)，是目前OMAC. OSEC等眾多開(kāi)放式控制器 規(guī)范研究中的最理想化模型。132實(shí)時(shí)徑制對(duì)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)性的含義不僅是指“快”，更是指時(shí)間的可預(yù)測(cè)性, 即要求對(duì)事件的處理在準(zhǔn)確的時(shí)間段內(nèi)完成。換言之，即使對(duì)事件的處理流程邏 輯上是正確的，一旦不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)事物的處理，也會(huì)給控制系統(tǒng)帶 來(lái)巨大偏差及影響。機(jī)器人控制系統(tǒng)包含大量的實(shí)時(shí)任務(wù)如軌跡插補(bǔ)、關(guān)節(jié)控制、 外部急停等，實(shí)時(shí)性是

39、衡量機(jī)器人控制器性能的一個(gè)重要指標(biāo)彩響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性 的因素主要由以下幾個(gè)方面(：K硬件架構(gòu)控制系統(tǒng)便件性能從根本上決定了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。單PC系統(tǒng)架構(gòu)的運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)可以盡可能的滿(mǎn)足開(kāi)放性的需求，但是控制系統(tǒng)的所有任務(wù)都有一個(gè)微 處理器進(jìn)行處理和調(diào)度，對(duì)硬件性能要求非常髙。當(dāng)控制任務(wù)增多時(shí)，不但增加 了系統(tǒng)管理的難度，還有可能增加實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。而分級(jí)式的架構(gòu)，則可 以將實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)任務(wù)處理分到上、位機(jī)和下位機(jī)控制器，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加合理. 實(shí)時(shí)性得到更好地滿(mǎn)足。2、操作系統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件是在操作系統(tǒng)之上進(jìn)行開(kāi)發(fā)并運(yùn)行，有其進(jìn)行任務(wù)調(diào)度.資源 分配及協(xié)調(diào)通信等，所以操作系統(tǒng)性能對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)

40、時(shí)性影響也非常重大。 操作系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)的支持，可以使用下面三種方法：直接采用 Vxworks. QNX等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但這種操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具和軟件較少；對(duì)非 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行編程，進(jìn)而提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，開(kāi)發(fā)難度及工作量較大；采 用進(jìn)行了實(shí)時(shí)性擴(kuò)展的通用操作系統(tǒng)如RTLinux. Windows+RTX等，既可以滿(mǎn) 足實(shí)時(shí)性要求，又可以充分發(fā)揮通用操作系統(tǒng)的資源優(yōu)勢(shì),3,|,4103、通信協(xié)議機(jī)器人控制器要將控制信號(hào)發(fā)給下位機(jī)控制器或伺服系統(tǒng)，隨著伺服數(shù)量的 增多及工藝要求的提高，對(duì)通信性能要求也越來(lái)越高。在一般工業(yè)機(jī)器人控制中， 實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間要求為510ms,對(duì)于高性能的同步運(yùn)動(dòng)

41、控制響應(yīng)時(shí)間甚至要求小 于1ms（，這就需要采用EtherCAT、SERCOS III等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通信。1.33控制性能測(cè)試為了推進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的提高和推廣應(yīng)用,需要對(duì)機(jī)器人控制進(jìn)行定位精度. 重復(fù)定位精度及軌跡精度等的測(cè)量分析,ISO/DIS 9283【制定了機(jī)器人性能測(cè)試 的標(biāo)準(zhǔn)和方法。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量是性能參數(shù)量化的重要依據(jù)，目前在國(guó)內(nèi) 外研究中用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)的方法有很多如經(jīng)緯儀三角測(cè)量法、光學(xué)三角測(cè)量法. 激光跟蹤測(cè)量法.雙攝像機(jī)測(cè)量法.接近測(cè)量法、參考軌跡測(cè)量法、三坐標(biāo)測(cè)量 法等.主要可以分為接觸式測(cè)最和非接觸式測(cè)量?jī)深?lèi).機(jī)械隨動(dòng)系統(tǒng)是典型的接觸式測(cè)量，圖16是機(jī)器人研究

42、所的張超群.鄧喜 君等人在早期設(shè)計(jì)的機(jī)械隨動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案2】。該系統(tǒng)有機(jī)器人控制 系統(tǒng).實(shí)際被控機(jī)器人、測(cè)量機(jī)器人、碼盤(pán)信號(hào)檢測(cè)接口及測(cè)試分析用的PC組 成。測(cè)量機(jī)器人是采用連桿機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)的六自由度測(cè)試系統(tǒng)，本身不帶有驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)，并且在機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)安裝了奇分辨率檢測(cè)編碼器，和被控機(jī)器人之間 釆用機(jī)械連接。當(dāng)被控機(jī)器人根據(jù)控制系統(tǒng)命令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量機(jī)器人跟隨一 起運(yùn)動(dòng)，并將運(yùn)動(dòng)信息通過(guò)檢測(cè)編碼器傳給PC分析系統(tǒng)。PC不僅可以利用反 饋信息進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析，還可通過(guò)計(jì)算獲得工具手運(yùn)動(dòng)軌跡及速度等參數(shù)。機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)際控制機(jī)器人J測(cè)辰機(jī)人測(cè)試分析計(jì)舁機(jī)圖16機(jī)械隨動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)在非

43、接觸式測(cè)量中常采用的技術(shù)有激光2叭紅外及超聲波3等。激光的釆樣 速率和精度都很奇，但是由于其定向性好，需要利用高性能跟蹤機(jī)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)三 維空間的測(cè)量，通常用于機(jī)器人標(biāo)定。在使用紅外線(xiàn)時(shí)，通常需要在機(jī)器人工具 手固定紅外發(fā)光二極管，并利用CCD攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)空間位置測(cè)量。這種方法往往 對(duì)圖像數(shù)據(jù)處理能力要求較高，清華大學(xué)的歲波、都東等人基于立體視覺(jué)理論， 采用兩臺(tái)同定攝像機(jī)，根據(jù)直線(xiàn)特征匹配實(shí)現(xiàn)了工具手空間位姿的檢測(cè)卩鐵 超 聲法的測(cè)量精度和速度相對(duì)較低，但是可以對(duì)機(jī)器人工具手位姿進(jìn)行全方位測(cè)量, 而且成本較低。1.3.4模塊化機(jī)器人技術(shù)模塊化機(jī)器人技術(shù)是機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的一種創(chuàng)新方法，是基于搭積木的

44、原理, 通過(guò)將不同參數(shù).不同性能的模塊組合，制造針對(duì)不同應(yīng)用的多種機(jī)器人）。但 模塊化機(jī)器人并不是一個(gè)全新的概念，早在上世紀(jì)80年德國(guó)斯圖加特大學(xué)就提 出了模塊化機(jī)器人系統(tǒng)。但美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制RMMS系統(tǒng)可以稱(chēng)為第一 臺(tái)模塊化機(jī)器人，因?yàn)樗媚K化關(guān)節(jié)及連桿實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的機(jī)械重構(gòu)，而且 基于人的軟件設(shè)計(jì)方法也使得機(jī)器人應(yīng)用軟件可以重構(gòu)。其后隨著機(jī)器人在工業(yè) 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用中的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，模塊化機(jī)器人技術(shù)也引起了越來(lái)越多國(guó)家和科 研機(jī)構(gòu)的關(guān)注和重視，并得到了大量的科研投入。目前取得了一系列的優(yōu)秀研究 成果，如日本的科學(xué)家Fukuda等人受生物體細(xì)胞組成的啟發(fā)，設(shè)計(jì)的CEBOT （基于細(xì)胞

45、結(jié)構(gòu)單元的自組織機(jī)器人）；Castano設(shè)計(jì)的Conro模塊化機(jī)器人； Murata等人的M-TRAN機(jī)器人系統(tǒng)，加拿大ESI公司生產(chǎn)的MMR模塊化機(jī)器 人等。圖17圖MRR模塊化關(guān)機(jī)及可重構(gòu)機(jī)器人雖然匡內(nèi)對(duì)模塊化機(jī)器人的研究較國(guó)外晚，但也取得了一些研究成果，如北 京郵電大學(xué)使用三個(gè)模塊化雙關(guān)機(jī)及兩個(gè)連桿模塊構(gòu)造了六自由度空間機(jī)械臂; 哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)出了 HitMSRI自重構(gòu)機(jī)器人；北京控制工程研究所研發(fā)了 一體化關(guān)節(jié)，并成功應(yīng)用于烽火號(hào)衛(wèi)星；上海廣茂達(dá)公司研發(fā)的AS-MRobot模 塊化機(jī)器人等。19東南大學(xué)碩士學(xué)位論文圖18 AS-MRobotE模塊化機(jī)器人和傳統(tǒng)機(jī)器人相比，這種模塊化

46、機(jī)器人技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)甸：1. 模塊化機(jī)器人的重構(gòu)型好，通用性強(qiáng)。在模塊化機(jī)器人裝配過(guò)程中，可 以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，使用模塊化關(guān)節(jié)靈活搭配不同構(gòu)性的機(jī)器人。較高的經(jīng) 濟(jì)效益必將拓展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，這必將為機(jī)器人技術(shù)的研究提供更大的市場(chǎng) 需求推動(dòng)。2. 降低了機(jī)器人研發(fā)的復(fù)雜度，提高機(jī)器人生產(chǎn)、制作的效率。大規(guī)模標(biāo) 準(zhǔn)化關(guān)節(jié)的生產(chǎn)簡(jiǎn)化了機(jī)器人設(shè)計(jì)工作，這將大大縮短機(jī)器人研發(fā)周期。模塊化 的設(shè)計(jì)有利于發(fā)揮各領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，這又將促進(jìn)產(chǎn)品的優(yōu)化與更新。3. 使得機(jī)器人的維修更加簡(jiǎn)單便利。模塊化關(guān)節(jié)的使用及大量生產(chǎn)，使得 當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)，只需要丟棄出現(xiàn)故障的模塊化關(guān)節(jié)，釆用新的模塊化關(guān)節(jié)。 有些

47、智能化的機(jī)器人甚至可以白我維修，完成損壞關(guān)節(jié)的更換4. 模塊化機(jī)器人技術(shù)有利于推進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展。雖然機(jī)器人在 工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣，但是目前存在機(jī)器人種類(lèi)繁多、零部件通用性差.機(jī)器 人成本高、設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期長(zhǎng)等因素，而標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的模塊億機(jī)器人技術(shù)，很 好的解決了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)形成的障礙。1.4論文研究背景與意義機(jī)器人不但代替人類(lèi)進(jìn)行危險(xiǎn)、繁重、重復(fù)性作業(yè)，而且具有更奇的生成效 率、產(chǎn)品質(zhì)量及可控性，目前已廣泛應(yīng)用在噴涂.焊接、搬運(yùn)及材料加工等諸多 領(lǐng)域。據(jù)美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)統(tǒng)計(jì)，2008年底世界各國(guó)運(yùn)行的 機(jī)器人總數(shù)就已超100萬(wàn)臺(tái)。受產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)升級(jí)、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)程度加劇、

48、柔性化生產(chǎn) 需求增加.勞動(dòng)力成本提髙及機(jī)器人技術(shù)推廣等諸多因素的影響，勞動(dòng)密集型行 業(yè)的機(jī)器人密度將會(huì)繼續(xù)不斷提高。在未來(lái)十年，預(yù)計(jì)工業(yè)機(jī)器人將以每年10% 的速度遞增。我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用起步較晚但增長(zhǎng)迅速，2000年僅為550臺(tái)，到2010 年增長(zhǎng)量已達(dá)到14978臺(tái)【2役我國(guó)作為工業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，有望成為全球擁有機(jī)器 人數(shù)量最多的國(guó)家。面對(duì)機(jī)器人昂貴的價(jià)格及巨大的應(yīng)用市場(chǎng)和利潤(rùn)空間，機(jī)器 人系統(tǒng)的優(yōu)化和自主研發(fā)就變得越來(lái)越塑要。在整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是其最主要的部件，控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn), 猶如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的CPU；而有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)裝置組成的機(jī)器人本體其價(jià)格成 本只占了較小的一部分，如在東南

49、大學(xué)和華恒焊接公司合作開(kāi)發(fā)的噴涂機(jī)器人系 統(tǒng)中，本體投入占總成本的比例還不足15%I26L對(duì)于機(jī)器人控制高新技術(shù)，我 國(guó)也有越來(lái)越多的科研院所、高校實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)企業(yè)進(jìn)入研究行列。雖然目前我 國(guó)已設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一系列的機(jī)器人控制系統(tǒng)，但總體來(lái)說(shuō)技術(shù)尚不成熟，性能.穩(wěn) 定性等也和國(guó)外有一定差距。為了推動(dòng)我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步.早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)機(jī) 器人的產(chǎn)業(yè)化，就迫切需要我們后來(lái)人繼續(xù)努力進(jìn)行機(jī)器人控制相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí)、 研究及開(kāi)發(fā)，并通過(guò)性能測(cè)試及對(duì)比發(fā)現(xiàn)不足，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)化機(jī)器人控制系統(tǒng)研究背景，以開(kāi)放式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究及 性能測(cè)試為目標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及研究開(kāi)發(fā)。本文結(jié)合KeMotion

50、等先進(jìn)控 制器和開(kāi)放式控制器的特點(diǎn)，采用模塊化關(guān)節(jié)技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)搭建了系統(tǒng)硬件平 臺(tái)。在系統(tǒng)平臺(tái)之上，對(duì)基于高速以太網(wǎng)的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和基于PCI運(yùn)動(dòng) 控制卡的機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，并基于系統(tǒng)硬件平臺(tái)，進(jìn)行了測(cè)試系 統(tǒng)開(kāi)發(fā)，構(gòu)建了完整的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試平臺(tái)，為自主開(kāi)發(fā)高性能的機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。1.5論文工作內(nèi)容與章節(jié)安排151論文主要工作內(nèi)容本論文首先根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制與性能測(cè)試功能的需要，結(jié)合模塊化技術(shù)、伺 服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，進(jìn)行機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)。在該平臺(tái)基礎(chǔ)上，利用設(shè)計(jì)的 SERCOS III主站，通過(guò)引入RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了 PC主

51、 站對(duì)伺服系統(tǒng)的控制，為基于高速以太網(wǎng)的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)奠定 了基礎(chǔ)。進(jìn)行了 SCARA機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，結(jié)合我國(guó)較為成熟的多軸運(yùn)動(dòng) 控制卡技術(shù)，進(jìn)行了開(kāi)放式機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。為了分析開(kāi)放式控制系統(tǒng)的 性能，構(gòu)建了包含三維仿真功能的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)。具體工作內(nèi)容有：K分析了目前機(jī)器人控制系統(tǒng)的架構(gòu)方式及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試研 究的總體方案。推導(dǎo)模塊化關(guān)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，研究其在本系統(tǒng)中應(yīng)用的合理性。 分別針對(duì)脈沖控制伺服系統(tǒng)和數(shù)字總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行器件選型，完成12個(gè)模塊 化關(guān)節(jié)及其電器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成測(cè)控系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)。進(jìn)行系統(tǒng)的配 置和調(diào)試，并完成系統(tǒng)測(cè)量精度的評(píng)估。

52、2、針對(duì)基于高速以太網(wǎng)通信的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究，分析了 NetX500網(wǎng)絡(luò)控 制器通信機(jī)制并設(shè)計(jì)了 SERCOS III協(xié)議通信主站，通過(guò)對(duì)DPM進(jìn)行合理劃分， 實(shí)現(xiàn)Windows下通信配置程序開(kāi)發(fā)。搭建基于RTX的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，對(duì)RTX 實(shí)時(shí)性能進(jìn)行分析，通過(guò)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)及加載配置文件，建立實(shí)時(shí)周期性通信，實(shí)現(xiàn) 對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定控制，并利用截取的通信報(bào)文分析了通信性能。3、采用D-H法建立SCARA機(jī)器人坐標(biāo)系，求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解及用 于速度分析的雅克比矩陣。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)基本機(jī)器人應(yīng)用，利用MP-C154 運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)SCARA機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)，包含參數(shù)設(shè)置、示教再 現(xiàn)、狀態(tài)監(jiān)

53、控等功能模塊開(kāi)發(fā)。4、基于系統(tǒng)碩件平臺(tái)，合理設(shè)計(jì)了測(cè)試采樣與分析系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)， 分析了系統(tǒng)高精度采樣的實(shí)現(xiàn)方法。釆用OpenGL圖形開(kāi)發(fā)庫(kù)，設(shè)計(jì)了用于仿真 機(jī)器人三維空間運(yùn)動(dòng)的可視化平臺(tái)，該平臺(tái)包括場(chǎng)景漫游、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控及曲線(xiàn) 顯示等功能。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人速度.直線(xiàn)、圓弧的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及仿真測(cè) 試，并對(duì)SCARA開(kāi)放式機(jī)器人控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了評(píng)估。11第一章緒論1.5.2論文章節(jié)安排本文共分為六章，章節(jié)主要內(nèi)容如下：第一章緒論，首先分析了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題，介紹了 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，隨后分析了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究的關(guān)鍵 技術(shù)，最后介紹了系統(tǒng)的研究

54、背最、意義及主要工作內(nèi)容。笫二章運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試研究平臺(tái)設(shè)計(jì)，首先分析了 KeMotion專(zhuān)用控制器和 開(kāi)放式控制器的特點(diǎn)，給出了運(yùn)動(dòng)控制開(kāi)發(fā)與測(cè)試研究的總體實(shí)現(xiàn)方案?；谕?導(dǎo)的模塊化關(guān)節(jié)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了集運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試于一體的硬件平臺(tái)，介紹了 系統(tǒng)應(yīng)用配置及接口設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)精度測(cè)量及分析。第三章基于高速總線(xiàn)的測(cè)控系統(tǒng)通信研究，本章首先分析了 SERCOS III協(xié) 議的特點(diǎn)，研究了基于NetX的主站設(shè)計(jì)及通信交互機(jī)制，利用CIFX50-RE通信 板卡構(gòu)建SERCOS III通信主站，并給出了基于SERCOS III的運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試方 案，通過(guò)引入RTX實(shí)施擴(kuò)展內(nèi)核.驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)及Windo

55、ws平臺(tái)下的參數(shù)配置，實(shí) 現(xiàn)了 PC對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，并進(jìn)行了通信報(bào)文分析，同時(shí)為基于高速 總線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)驗(yàn)提供了便利接口。第四章基于PCI總線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡的機(jī)器人控制開(kāi)發(fā)，首先介紹了 MP-C154 的功能特點(diǎn)及機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，在給出SCARA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析基 礎(chǔ)上，進(jìn)行了 SCARA機(jī)器人開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，并詳細(xì)論述了系統(tǒng)主要 開(kāi)發(fā)技術(shù)的應(yīng)用及參數(shù)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、示教再現(xiàn)等模塊的實(shí)現(xiàn)。第五章測(cè)試采樣及分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，首先介紹系統(tǒng)的功能組成，及基于系統(tǒng)硬 件平臺(tái)的采樣機(jī)制。介紹了 OpenGL圖形開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)并設(shè)計(jì)了包括機(jī)器人關(guān)節(jié)構(gòu) 件、DH坐標(biāo)系、視圖漫游功能的

56、機(jī)器人三維仿真平臺(tái)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人速度. 直線(xiàn)、圓弧等軌跡插補(bǔ)的仿真，完成了測(cè)控系統(tǒng)集成及SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制 系統(tǒng)性能測(cè)試評(píng)估。第六章總結(jié)與展望，總結(jié)了系統(tǒng)已經(jīng)完成的工作，并對(duì)后續(xù)研究工作進(jìn)行了 分析與展望。#第二章運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試研究平臺(tái)設(shè)計(jì)13第二章運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試研究平臺(tái)設(shè)計(jì)第二章運(yùn)動(dòng)控制與測(cè)試研究平臺(tái)設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究與測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)主要有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)控 系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)三部分組成。本章主要對(duì)系統(tǒng)總體構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行運(yùn)行硬件 平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和可行性驗(yàn)證，為開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與性能測(cè)試提供良好的 硬件支撐。2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析2.1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)

57、是工業(yè)機(jī)器人的大腦，控制著機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，基于國(guó)外的先進(jìn) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和自主開(kāi)發(fā)開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是目前工業(yè)機(jī)器人 的控制系統(tǒng)架構(gòu)的兩種主要方式，有東南大學(xué)和華恒焊接設(shè)備有限公司聯(lián)合研發(fā) 的昆山一號(hào)焊接機(jī)器人系統(tǒng)就是KeMotion控制系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)的成功用例。FavorrtttMovtffltnCStomgsSystem FuncbcnsFkw 0«oUolSOodules“外9畑CinctlSpm(a)應(yīng)用開(kāi)發(fā)指令集:» A fam(b) Scope仿真軟件圖21 KeMotion指令集及仿真軟件在昆山一號(hào)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，通過(guò)采用KeMotion控制系統(tǒng)并根據(jù)焊接功 能需求擴(kuò)展I/O. CAN總線(xiàn)通信及示教盒終端等模塊，可以很方便的完成焊接機(jī) 器人控制系統(tǒng)的搭建。釆用KeMotion控制系統(tǒng)的軟PLC模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控 制，并利用擴(kuò)展的RC Interface接口和RC模塊通信。RC模塊封裝了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng) 控制功能，KeMotion實(shí)現(xiàn)了 PTP、直線(xiàn).圓弧.歸零等運(yùn)動(dòng)控制