機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(畢業(yè)設(shè)計(jì))文獻(xiàn)綜述

1、一、 前言. 課題研究的意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)課題研究的意義隨著機(jī)器人在工業(yè)裝配線的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，工業(yè)環(huán)境對(duì)其控制系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，所以開(kāi)放式機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有工程實(shí)際意義。課題以一四自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人研制為背景，設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照預(yù)定軌跡或自主運(yùn)動(dòng)控制功能。在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓

2、、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善?？梢詼p輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒(méi)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)機(jī)器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地將其他領(lǐng)域（如圖像處理、聲音識(shí)別、最優(yōu)控制、人工智能等）的研

3、究成果應(yīng)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作中，是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的研究工作。而具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人，其控制系統(tǒng)的研究無(wú)疑對(duì)提高機(jī)器人性能和自主能力，推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制器的缺陷，開(kāi)發(fā)“具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”是當(dāng)前機(jī)器人控制器的一個(gè)發(fā)展方向。 近幾年， 日本、 美國(guó)和歐洲一些國(guó)家都在開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器，如日本安川公司基于PC開(kāi)發(fā)的具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能的機(jī)器人控制器。我國(guó)863計(jì)劃智能機(jī)器人主題也已對(duì)這方面的研究立項(xiàng)。由于適用于機(jī)器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技

4、術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)發(fā)一個(gè)結(jié)構(gòu)完全開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器存在一定困難，但應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，如工業(yè)PC 良好的開(kāi)放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)接口等，打破現(xiàn)有機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)封閉的局面，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)開(kāi)放性、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器是完全可行的。新型的機(jī)器人控制器應(yīng)有以下特色：(1)開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用開(kāi)放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便的擴(kuò)充功能，使其適用不同類型機(jī)器人或機(jī)器人化自動(dòng)生產(chǎn)線。(2)合理的模塊化設(shè)計(jì)對(duì)硬件來(lái)說(shuō)，根據(jù)系統(tǒng)耍求和電氣特性，按模塊化設(shè)計(jì)，這不僅方便安裝和維護(hù)，且提高了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為緊湊。(3)有效的任務(wù)劃分不同的子任務(wù)由不同的

5、功能模塊實(shí)現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能。(4)實(shí)時(shí)性、多任務(wù)要求機(jī)器人控制器必須能在確泣的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)外部中斷的處理，并且珂以使多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。(5)網(wǎng)絡(luò)通訊功能利用網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，以便于實(shí)現(xiàn)資源共享或多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作。(6)形象直觀的人機(jī)接口另外，機(jī)器人控制器中，運(yùn)動(dòng)控制板是必不可少的。由于機(jī)器人性能的不同，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制板的要求也不同。美國(guó)De1taTau公司推出的PMAC(PrograminableMulti-axies Controller) 在國(guó)內(nèi)外引起重視。PMAC是一種功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器，它全面地開(kāi)發(fā)了DSP 技術(shù)的強(qiáng)大功能，為用戶提供了很強(qiáng)的功能和很大的靈活性。 TOC o

6、 1-5 h z 借助于 Motorola 公司的 DSP56001 數(shù)字信號(hào)處理器，PMAC 可以同時(shí)操縱1-8軸，比起其他運(yùn)動(dòng)控制板來(lái)說(shuō)，有很多可取之處。由于適用于機(jī)器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)發(fā)- 個(gè)結(jié)構(gòu)完全開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器存在一定困難，但應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，如工業(yè)PC良好的開(kāi)放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)接口等，打破現(xiàn)有機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)封閉的局面，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)開(kāi)放性、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器是完全可行的。目前機(jī)器人控制器存在的問(wèn)題隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，對(duì)機(jī)器人的性能提出更高的要求。智能機(jī)器人技術(shù)的研究已成為

7、機(jī)器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，如各種精密裝配機(jī)器人，力 / 位置混合控制機(jī)器人，多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進(jìn)制造系統(tǒng)中的機(jī)器人的研究等。相應(yīng)的，對(duì)機(jī)器人控制器的性能也提出了更高的要求。但是， 機(jī)器人自誕生以來(lái)，特別是工業(yè)機(jī)器人所采用的控制器基本上都是開(kāi)發(fā)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，采用專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語(yǔ)言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器。這樣的機(jī)器人控制器已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。從前面提到的兩類機(jī)器人控制器來(lái)看，串行處理結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)封閉，功能單一，且計(jì)算能力差，難以保證實(shí)時(shí)控制要求，所以目前絕大多數(shù)商用機(jī)器人都是采用單軸PID 控制，難以滿足機(jī)器人控制的高速、高精度的要求。雖然分布式

8、結(jié)構(gòu)在一定層次上是開(kāi)放的，可以根據(jù)需要增加更多的處理器，以滿足傳感器處理和通訊的需要，但它只是在有限范圍內(nèi)開(kāi)放。并行處理結(jié)構(gòu)控制器雖然能從計(jì)算速度上有了很大突破，能保證實(shí)時(shí)控制的需要，但我們必須看到還存在許多問(wèn)題。目前的并行處理控制器研究一般集中于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型的并行處理方面，基于并行算法和多處理器結(jié)構(gòu)的映射特征來(lái)設(shè)計(jì)，即通過(guò)分解給定任務(wù)，得到若干子任務(wù)，列山數(shù)據(jù)相關(guān)流圖，實(shí)現(xiàn)各子任務(wù)在對(duì)應(yīng)處理器上的并行處理。由于并行算法中通訊、同步等內(nèi)在特點(diǎn)，如程序設(shè)計(jì)不當(dāng)則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn)象。綜合起來(lái)，現(xiàn)有機(jī)器人控制器存在很多問(wèn)題，如：（1）開(kāi)放性差（2）軟件獨(dú)立性差（3）容錯(cuò)性差（4）

9、擴(kuò)展性差（5）缺少網(wǎng)絡(luò)功能.課題的研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題課題研究的目標(biāo)、內(nèi)容本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。本課題以一四自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人研制為背景，設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照預(yù)定軌跡或自主運(yùn)動(dòng)控制功能。主要的研究?jī)?nèi)容是對(duì)SCARA 機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟硬件選型和實(shí)現(xiàn)不同位

10、置間運(yùn)動(dòng)，包括上下料的控制程序的研究。擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題1、確定本課題研究的機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；2、對(duì)應(yīng)確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選用機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)；3、設(shè)計(jì)運(yùn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件部分；4、控制系統(tǒng)的電路圖設(shè)計(jì)；二、設(shè)計(jì)方案的確定研究路線、方法和擬使用的方法（1）機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)其中， 機(jī)器人的關(guān)節(jié)均選用私服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，光電碼盤用來(lái)控制大臂和小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)量， 極限開(kāi)關(guān)用來(lái)控制升降軸的上下移動(dòng)量。運(yùn)動(dòng)控制卡用來(lái)控制機(jī)械手關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定位，總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。(2)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)通過(guò)小組初步討論決定控制計(jì)算機(jī)使用研華的主機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制卡選用ADT(深圳眾為興)，電機(jī)選用伺服

11、電機(jī)。(3)控制系統(tǒng)的軟件部分主要采用VC 進(jìn)行編程，構(gòu)建一個(gè)控制系統(tǒng)平臺(tái)，在程序中給定坐標(biāo)后，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)進(jìn)行上下料的搬運(yùn)工作。之所以使用VC，一方面，ADT的運(yùn)動(dòng)控制卡支持VC進(jìn)行編程，另一方面，使用VC進(jìn)行編程比較靈活，易于改進(jìn)和變化。(4)電路圖部分根據(jù)所選的硬件設(shè)備，使用Protel 進(jìn)行繪制。三、作者已進(jìn)行的準(zhǔn)備及資料收集情況在設(shè)計(jì)之前，翻閱了多篇關(guān)于機(jī)器人方面的書籍。對(duì)于控制系統(tǒng)的發(fā)展及其在機(jī)器人上的應(yīng)用都有了相關(guān)的了解，這為建立機(jī)器人控制系統(tǒng)的模型做了一些前期準(zhǔn)備工作。在此期間，還自學(xué)Protel 和 Solidworks 等軟件，為控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)

12、做好了準(zhǔn)備。還借了 單片機(jī)基礎(chǔ)、 48 小時(shí)精通Solidworks2014 、工業(yè)機(jī)器人等書籍便于今后設(shè)計(jì)過(guò)程翻閱參考。四、階段性計(jì)劃及預(yù)期研究成果1.階段性計(jì)劃第 1 周：閱讀相關(guān)文獻(xiàn)(中文 10篇，英文 1 篇)，提交文獻(xiàn)目錄及摘要。第 2 周：翻譯有關(guān)中英文文獻(xiàn)，完成文獻(xiàn)綜述、外文翻譯，提交外文翻譯、文獻(xiàn)綜述。第 36 周：控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，提交設(shè)計(jì)結(jié)果。第 711 周：硬件元器件的選型、I/O 口接線圖，提交設(shè)計(jì)結(jié)果第 , 1214周：軟件編程，裝配圖。第 15周：工程圖繪制，工程圖。第 16 周撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書，提交論文，準(zhǔn)備答辯。預(yù)期的研究成果(1)通過(guò)該課題的完成，能讓自己對(duì)

13、控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用有全面的了解，增強(qiáng)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。(2)通過(guò)該課題的完成，綜合考慮無(wú)負(fù)載條件和有負(fù)載條件下的工況要求，通過(guò)減少擾動(dòng)誤差來(lái)提高系統(tǒng)精度。五、參考文獻(xiàn)劉文波，陳白寧，段智敏編著,工業(yè)機(jī)器人. 東北大學(xué)出版社, 2007.12.王承義著 , 機(jī)械手及其應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社, 1981(TP241/2).(蘇 )尤列維奇著, 新時(shí)代出版社,機(jī)器人和機(jī)械手控制系統(tǒng). 1985(TP24/1).4機(jī)械結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)械手編寫組編,工業(yè)機(jī)械手.上冊(cè) , 上海科學(xué)技術(shù)出版社,1978( TP241/1:1)5王淑英.電氣控制與PLC 的應(yīng)用 . 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.張 奇 志 ,

14、周 亞 麗 編 著 . 機(jī) 器 人 學(xué) 簡(jiǎn) 明 教 程 . 西 安 電 子 科 技 大 學(xué) 出 版社 ,2013.04(TP242/103)Saeed B. Niku 著 . 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論:分析、控制及應(yīng)用:analysis, control, applications(美 ). 電子工業(yè)出版社, 2013(TP24/36).布魯諾西西利亞諾 , (美 ) 歐沙瑪哈提卜編輯 . 機(jī)器人手冊(cè)(意 ). 機(jī)械工業(yè)出版社 ,2013 (TP242-62/1)金廣業(yè)編譯. 工業(yè)機(jī)器人與控制. 東北大學(xué)出版社,1991.3周伯英編著. 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì). 機(jī)械工業(yè)出版社,1995( 俄 )索羅門采夫主編.

15、 工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè). 機(jī)械工業(yè)出版社,1993.5A. Mohammadia, n, M. Tavakoli b, nn, H. J. Marquez b, F. Hashemzadeh b.Nonlinear disturbance observer design for robotic manipulators. Control Engineering Practice 21 (2013) 253 267六、指導(dǎo)教師審閱意見(jiàn)簽名年月日合同管理制度1 范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了龍騰公司合同管理工作的管理機(jī)構(gòu)、職責(zé)、合同的授權(quán)委托、洽談、承辦、會(huì)簽、訂閱、履行和變更、終止及爭(zhēng)議處理和合同管理的處罰、獎(jiǎng)勵(lì)；

16、本標(biāo)準(zhǔn)適用于龍騰公司項(xiàng)目建設(shè)期間的各類合同管理工作，廠內(nèi)各類合同的管理，廠內(nèi)所屬各具法人資格的部門，參照本標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。2 規(guī)范性引用3 定義、符號(hào)、縮略語(yǔ)4 職責(zé)4.1 總經(jīng)理：龍騰公司經(jīng)營(yíng)管理的法定代表人。負(fù)責(zé)對(duì)廠內(nèi)各類合同管理工作實(shí)行統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)。以法人代表名義或授權(quán)委托他人簽訂各類合法合同，并對(duì)電廠負(fù)責(zé)。4.2 工程部：是發(fā)電廠建設(shè)施工安裝等工程合同簽訂管理部門；負(fù)責(zé)簽訂管理基建、安裝、人工技術(shù)的工程合同。4.3 經(jīng)營(yíng)部：是合同簽訂管理部門，負(fù)責(zé)管理設(shè)備、材料、物資的訂購(gòu)合同。4.5 合同管理部門履行以下職責(zé)：4.5.1 建立健全合同管理辦法并逐步完善規(guī)范；4.5.2 參與合同的洽談、起草、審查、簽約、變更、解除以及合同的簽證、公證、調(diào)解、訴訟等活動(dòng)，全程跟蹤和檢查合同的履行質(zhì)量；4.5.3 審查、登記合同對(duì)方單位代表資格及單位資質(zhì)，包括營(yíng)業(yè)執(zhí)照、經(jīng)營(yíng)范圍、技術(shù)裝備、信譽(yù)、越區(qū)域經(jīng)營(yíng)許可等證件及履約能力（必要時(shí)要求對(duì)方提供擔(dān)保），檢查合同的履行情況；4.5.4 保管法人代表授權(quán)委托書、合同專用章，并按編號(hào)歸口使用；4.5.5 建立合同管理臺(tái)帳，對(duì)合同文本資料進(jìn)行編號(hào)統(tǒng)計(jì)管理；4.5.6 組織對(duì)法規(guī)、制度的學(xué)習(xí)和貫徹執(zhí)行，定期向有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和部門報(bào)告工作；4.5.7 在總經(jīng)理領(lǐng)導(dǎo)下，做好合同管理的其他工作，4.6 工程技術(shù)部：專職合同管理員及材料、燃料供應(yīng)部