面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究（可编辑）

面向数控机床群的上下料机器人与控制研究（可编辑） 面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 顾寄南 指导教师 姓 名 陈艳 江 苏大学 年月独创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果,也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名:阳、和 厶弓年,月日??帅 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊光盘版 电子杂志社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, 允许论文被查阅和借阅,同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入《中国 学位论文全文数据库》并向社会提供查询,授权中国学术期刊光盘版电子杂 志社将本论文编入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》并向社会提供查询。 论文的公布包括刊登授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密团。 学位论文作者签名:子再、弘 沙弓年月日江苏大学硕士学位论文 摘 要 随着中国制造的全球化和市场竞争的日趋激烈,产品的生产周期已在逐步缩 短,客户的也同益多样化,许多产品已由传统大批量单品种的生产模式转变 为小批量多品种的生产模式。为了适应时代的发展需求,我国的装备制造业正面 临着产业的升级换代。工业机器人在先进制造业中起到了不可替代的作用,随着 计算机技术和控制技术的发展,它已经成为衡量一个国家制造业水平和科技发展 水平的重要标志。本课题中,针对企业实际的发展需要,研究并构建了面向多台 数控机床的上下料机器人运动控制系统。 论文首先阐述了课题研究的背景和意义,介绍了上下料机器人国内外研究现 状、发展趋势及其分类,对国内外运动控制技术的发展现状和存在的关键问题进 行了分析和研究。 其次,根据上下料机器人实际应用的需求,结合双四杆机器人本体结构和实 际加工环境的特点,设计了双四杆上下料机器人的工作流程,提出了面向多台数 控机床的上下料机器人运动控制系统总体设计,对上下料机器人运动控制平 台的芯片和电机等硬件部分进行了分析和选型。 然后,利用坐标变换.参数法的基本原理,对上下料机器人进行运动学 分析和研究。针对上下料机器人双四杆的机构特性,用解析法对双四杆机构末端 输出位置进行速度和加速度分析,在软件中建立模型对双四杆机构进行 运动学仿真,并对上下料机器人的工作空间进行模拟。 再次,概述了关节空间和直角坐标空间两种主要的轨迹规划方法的特点,对 上下料机器人工作路径进行了讨论和分析,在拟定的电机控制方案基础上, 利用 平面矢量分解的方法将直角坐标空间的运动轨迹转换为关节空间变量,并对上下 料机器人的关键轨迹进行了分析和研究。 最后,对嵌入式操作系统进行了移植和配置,在开发环 境中对芯片进行了电机控制程序的设计;以运动控制芯片为目标板, 对直线插补算法进行了实验验证。 本文对上下料机器人双四杆机构进行了运动学和轨迹规划研究,应用了一种面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 基于的运动控制方法,验证了上下料机器人运动控制方法的正确性 和可行性,同时能够满足数控装备柔性化的实际需求,为后续的物理样机的研究 和制造奠定了理论基础。 关键词:双四杆机构;运动学分析;轨迹规划;运动控制 ?江苏大学硕士学位论文 ,, ? . ,. , , . , ,. , ,. ., . , , , , ., , . ’面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 . . , , . . , , .. . , ., . .: ; ; ; 江苏大学硕士学位论文 目 录 第一章 绪 论??。 .课题研究的背景、意义及来源 ..课题研究的背景及意义? ..课题来源? .上下料机器人研究现状及发展趋势?. ..上下料机器人分类 ..机器人技术的发展 ..上下料机器人发展现状?. .机器人运动控制研究基础..运动控制研究现状 ..运动控制相关技术及发展趋势? ..存在问题分析?. .主要研究内容. .本章小结??. 第二章上下料机器人的总体设计?.. .弓言?。 .机器人本体结构??.. .环境描述 .控制平台硬件.. .. 微控器. .. 运动控制.. 与的数据通信. .电机的选型.本章小结? 第三章机器人运动学分析?.. .引占?.. .运动学数学基础?.. 面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 ..位姿描述. ..广义连杆及变换矩阵?。 .机器人运动方程的建立??.. .机器人运动方程的反解??. .解析法速度分析??. .运动仿真??. .工作空问分析.. .本章小结 第四章轨迹规划算法研究 .引。言?。 .上下料机器人运动轨迹规划。 ..轨迹规划方法概述??。 ..上下料路径分析. ..电机控制方案?. .运动插补??一 ..插补概述? ..直线插补原理?. ..上下料机器人直线运动插补?一 ..变化路径的进给量分析.. .直线插补算法. .本章小结??. 第五章嵌入式系统实现及算法验证?。 .引言?。 .嵌入式软件设计??.. ..移植操作系统? .. 应用程序?. .运动控制模块实现.. 开发环境?一 ..系统初始化??. 江苏大学硕士学位论文 .. 输出设置..外设中断程序.. 脉冲控制程序??。 .插补实验结果分析.本章小结. 第六章与展望?.. .全文总结 .研究展望??。 参考文献 谢.........................?............?....?.........?............. ............... , 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文发表的论文?. 参加的科研项目?。 ?江苏大学硕士学位论文 绪论 第一章 .课题研究的背景、意义及来源 ..课题研究的背景及意义 工业机器人是指由各种外部传感器引导,带有一个或多个末端执行器,通过 可编程运动,在其工作空间内对真实物体进行操作的、软件可控制的机械装置。 自从年第一代工业机器人在美国被研制出来,工业机器人的应用范围日益 扩大并且受到广泛关注,比如上下料机器人、点焊机器人、喷涂机器人、搬运机 器人等均在工业生产中发挥着重要的作用。实践证明,工业机器人不仅可以提高 产品的质量和数量从而提高企业的市场竞争力,在保障人身安全、减轻劳动强度、 改善劳动环境、提高劳动生产率方面均有着重要的意义。 在国外,机器人技术已作为一种工业生产中的标准设备被广泛应用。瑞典的 、日本的、德国的、美国的 都是 世界著名的机器人公司,这些公司甚至成为了该地区的产业支柱【。上个世纪 年代以后,世界机器人产业发展迅速,年增长率在%左右,进入世纪以后, 机器人的年增长率达到了%左右,在年甚至达到了%,而这一年在亚 洲地区,机器人的增长率达到%。 在国内,《“十二五”高端装备制造业产业发展规划》中指出,未来年是 中国高端装备制造业的黄金增长期,它将成为我国国民经济的重要支柱。预计到 年,高端装备制造业年销售产值在万亿元以上;到年,高端装备制 造业销售产值占装备制造业销售产值的%以上,国内市场满足率超过%。 这充分说明,工业机器人研发在中国具有巨大的市场需求和广阔的发展前景。 工业机器人技术不仅综合了计算机技术、信息和传感器技术、控制技术,还 涉及到机构学、人工智能学、仿生学等多门学科。人们对工业机器人的研究和探 索从未止步,正朝着智能化、模块化和多技术融合方向发展,主要表现在控制技 术的开放化、化和网络化,结构的模块化和可重构化,多传感技术的实用 化等方面。从工业机器人的技术范畴来看,第一代工业机器人是基于内部检测元 件的示教或可编程机器人,第二代工业机器人是以传感技术与微机控制技术为特面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 征的机器人。第三代工业机器人可以根据人的指示和自身感知环境的结果来决定 工作方式并且实现任务目标,也就是智能机器人。智能机器人的研究是当前第三 代工业机器人研究的热点。 随着中国制造的全球化和市场竞争的日趋激烈,产品的生产周期已在逐步缩 短,客户的要求也同益多样化,促使许多产品的生产模式从传统的大批量单品种 转变为小批量多品种生产发展。因此,为了适应时代的发展要求,我国的装备制 造业正面临着产业的升级换代嗍。目前,数控机床仍然是绝大部分加工制造企业 使用的主要设备;而作为数控机床的附属功能部件的上下料装置,都采用离线编 程或示教再现的工作方式。这种工作方式不但使其只能为一台数控机床服务,而 且难以适应工作条件的变化,尤其面对小批量多品种的生产任务时,需要人工进 行修正,制约了企业自动化水平的提高。因此,研制面向多台数控机床的上下料 机器人已成为当务之急。 我国机器人技术的研究与发达国家相比起步较晚,在机器人运动控制方面的 研究尚未达到先进水平的行列,虽然国内出现一批专门用于生产自主品牌的运动 控制器厂家,但是控制的精度并不高,这导致了国内控制技术产业化发展缓慢, 绝大多数的国内机器生产厂家愿意选用更高价格的国外运动控制器。因此, 控制 技术作为工业机器人技术中的关键技术,它的发展程度是衡量一个国家机器人发 展水平的标志。对上下料机器人控制系统的研究不仅可以促进工业机器人的发 展,而且有助于提升数控机床的柔性加工技术,对促进国产高端制造装备水平的 发展具有极其重要的应用价值。 ..课题来源 本课题来源于机器人学国家重点实验室开放项目“面向数控机床群的智能移 动机器人视觉、力觉与触觉融合技术研究编号:与苏州市应用 基础研究计划项目“面向多台数控机床的智能移动机器人关键技术研究编号: 。 江苏大学硕士学位论文 .上下料机器人研究现状及发展趋势 ..上下料机器人分类 按照机器人的机械本体几何结构来分,可以分为直角坐标机器人、圆柱坐标 机器人、球坐标机器人、和关节式机器人【】。直角坐标机器人具有三个移动关节, 可使手部产生三个互相垂直的独立位移,如图.所示,可以形成空间长发体形 状的工作空间,有龙门式、悬臂式和天架式三种结构。它的主要特点是成本 造价 低,工作效率高,但是占地空间较大。圆柱坐标机器人具有两个移动关节和一个 转动关节,可以形成圆柱状的工作空间。它的特点是构造简单精度高,适合搬运 作业。球坐标型机器人具有两个转动关节和一个移动关节,可以形成一个类球形 的工作空间。它的特点是结构简单成本较低,但是工作精度不高。关节型机器人 是模拟人的上肢而构成的,具有三个转动关节,可绕铅垂轴转动和绕两个平行于 水平面的轴转动,如图.所示。它的主要特点是占地空间小,动作节拍快速, 工作空间大,但是成本投入高,通常使用于复杂设备之中。 图.直角坐标型上下料机器人 图.关节型上下料机器人 . . 按照控制系统来分,可以分为非伺服型机器人和伺服型机器人。两者的区别 在于,伺服型机器人有反馈控制系统,利用原信号与反馈信号比较后的误差信号 对机器人的速度、位置进行修正。而非伺服型机器人利用预先编好的程序在限位 不关、制动器等元件的指定下进行运动。 按照用途来分,可以分为专用型机器人和通用型机器人。专用型机器人是具 有固定程序而没有独立控制系统的附属于加工机床的机械装置;服务的对象唯 一,结构简单,运行可靠,适合在大批量自动生产线中使用。由于上下料机器人面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 作为数控加工机床辅助工具的形式出现,在一些文献中,我们把上下料机器人也 称为机床自动上下料机械手。通用型机器人是具有独立的控制系统的/依赖主机 的机械装置,程序呵变,灵活性强,工作窄问大;只要安装不同的木端执行器就 叮以满足、同工作任务的需求,适用于中小批量的自动化生产线。 ..机器人技术的发展 机器人的起源?以追溯到年美幽学者英格博格.矛 发明的第一台一:业机器人,它是机械手臂 治?德沃尔 与可编程控制技术的首次结合‘。这种机械手臂’町以通过编制彳同的程序实现不 同的工作,是世界上第一台真可用于生产的:业机械手,外形类似于坦克炮塔, 具有与人类手臂相似的功能,如图.所示。 曙 图.世界上第一台工业机器人 . 年,英格博格仃.和乔治?德沃尔组建了譬门用于二产 业机器人的公司,这也足世界:第家机器人制造工。;同年,荚目 通』公?.阿次将二木械手应用于汽乍生产线,不创了机器人:业时代的先河。 年,公司卜产“』了机器人,它是。种多控制的多关 节全电动驱动机器人,采用专用语言‘,配置视觉、听觉、触觉传感器。 这一时期出现的机器人属于示教再现的第一代机器人,?二该类机器人存二 维空间中良好的灵活性和不依赖主机的通用性得至广泛的心用,但缺陷是这种机 器人只具备记忆存储和按照程序重复作业的能力,对外界环境的变化没自’感知和 江苏大学硕士学位论文 反馈的能力。 到上世纪年代中后期,随着计算机技术和传感器技术在机器人领域的成 熟应用,机器人的发展进入了一个全新的发展时期。年,美国通用公司在 汽车生产线上的装配机器人配置了视觉系统,标志了新一代的工业机器人产生 了。第二代工业机器人也称为计算机数控机器人,可以通过软件程序改变机器人 的动作,也可以实现多台计算机控制。 上世纪年代,人工智能学与机器人控制技术的交叉结合使得机器人学有 了新的研究方向旧。就技术起源而言,人工智能学和机器人控制技术属于不 同的 学科范畴。机器人控制技术来源于古典工程控制理论的反馈控制技术,而非人工 智能学。经过十几年的发展,机器人人工智能技术的研究主要集中在以下几个方 向: 自然语言的理解。 传感器信息处理。 专家系统。 机器人规划。 目前%的工业机器人都不属于智能机器人,智能机器人的研究还在实验研 制阶段。 机器人技术的推广和应用一直以来都受到世界上发达国家的重视。随着计算 机技术的发展和市场经济全球化,机器人在生产中发挥了巨大的价值和作用,提 高了产品的数量和质量,缩短了产品制造周期,同时也提高了劳动生产率,节约 了大量的人力资本。正因为工业机器人与人工劳动力相比有巨大优势,工业机器 人被广泛应用于焊接、加工、装配、喷涂、搬运、码垛等作业。 我国的工业机器人从上个世纪年代开始起步,“七五’’科技攻关计划中将 工业机器人列入了发展计划。当时的机械工业部组织了焊接、喷漆等一批型 号的 机器人技术攻关项目,引发了中国工业机器人研发的首次高潮。年代的“ 计划已经完成了种工业机器人系列的研发。到上世纪年代未,我国已经 实现了个机器人产业化基地和个科研基地的布局。 虽然我们国家已经能够生产出具有国际先进水平的一些机器人产品,例如码 垛机器人、搬运机器人、电焊机器人和装配机器人,但在世界机器人产业化水平 面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 来看,我国的工业机器人产业离发达国家存在差距,还没有达到大规模扛产的程 度。丰要的原凶在于:第一,关键零部件制造能力差。虽然我国是制造大国,在 机器人的相关零部件的生产制造上已经积累了。定的经验,但是对一一些高性能 的交流伺服电机或减速器等关键部件,无论是系列的全而度还是质量都与发达国 家有定的差距。第二,幽内品牌缺乏市场认知度。由于国外机器人凭借成熟的 产、链,利用低价购买高价维护的售机方式打压中国的机器人市场,这使得我困 机器人市场,‘有率越加缩小。 ..上下料机器人发展现状 上下料机器人在工业忪中一般是为数控机床服务的。数控机床的加时间 包括切削时间和辅助时问。当上下料机器人的上料精度达到一定的要求,就可以 缩减数控机床譬.时问,从叮减少了切削时、只‘剐。冈此,卜下料机器人就是通 过减少生产辅助时间和缩短对刀时间来达到提高数控机床加工效率的日的。 图.服务台机屎的 一/机器人 .一/ 奉公州研制的二卜料机器人存国际:享仃很高的知名度。如图. 所/?, 一/机器人利用商清摄像头对尤定化工件的涉置判 断,’丈现了尤央』 定位的什广动柔性搬运技术,叮以完成司时为台机床上下料的任务。 视觉系统是其火键技术之‘,它通过软件殳 胃将视觉成像得到的工件斟像与枷:定的::比得到的偏差作为位置补偿值, 凶此,待加:的:件可以伍托盘【的移动范围为?厘米和旋转角度度。这种 江苏大学硕士学位论文 结构简单、安全可靠并且没有污染的机器人系统解决了传统专机占地面积大且结 构复杂的问题,满足了不同种类产品的生产要求,提高了机械加工柔性生产水平。 瑞典的公司是世界上最大的机器人制造商,它生产的机器人使用的广 上下料机器人是公 泛程度可以说几乎涵盖所有行业。 司今年来研发的世界上最快速的四轴并联机器人,如图.所示,主要用于太阳 能硅片和电池片的分拣拾取,最高速度可达每小时片。上下料 机器人的控制系统使用了公司的控制器和软件,简化了 编程工作,提升了上下料工序的效率。 图. 公司的 上下料机器人 . 美国德克萨斯大学学者也成功将通用机器人应用到自动上下料系统中,研发 了一款往硅片上放置载体的机器人,其手部采用真空装置实现了高难度的上 下料 的功能。 图.发动机壳体自动化上下料机器人 .面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 国内已经有一些生产机器人的企业针对重工业的特点开发了应用于实际生 产的上下料机器人,如图.所示,为沈阳莱茵机电有限公司为汽车发达机壳体 加工生产线的自动上下料机器人。 .机器人运动控制研究基础 运动控制是机器人学的一个重要分支,是一门综合性多学科的交叉技术。机 器人运动控制就是将预定的控制方案和指令转变为期望的机器人关节运动, 从而 实现对机器人关节的位置、速度、加速度和转矩的控制。就目前来看,基于 视觉 技术的上下料机器人运动控制系统仍没有一个通用的系统出现。 ..运动控制研究现状 随着控制技术和网络技术的发展,运动控制器可以划分成三种类型。 第一类是基于计算机标准总线的运动控制器,具有开放体系结构,利用 或总线接口与计算机通信。 第二阶段是纯软件型开放式运动控制器,其运动控制软件全部装在计算机 中,而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部/之间的标准化通用接口。 第三类是嵌入式结构的运动控制器,把计算机嵌入到运动控制器中,能够独 立的运行四。 目『世界上最具权威性的三个开放式结构控制器标准是原本针对开放式数 控提出的美国的计划、欧洲的计划和日本的计划,这三 个计划对运动控制的研究发展起到了巨大的推动作用。 美国的 公司生产的控制器,,以生产 的为控制卡主处理器,每块卡可控制的轴数达到轴,如果把多块控制器 链接起来则可以控制更多的轴数,同时伺服周期仅需微秒:在控制算法方面, 不仅可以实现常规的直线、曲线的加减速、样条插补、圆弧插补、多次轨迹 计 算、滤波控制等算法,还可以实现电子凸轮、电子齿轮等特殊变速功能的运 动控制。 德国的斯图加特大学早期以标准为基础开发了开放式的结构控制 器,并以行总线连接硬件模块研制了模块化结构的控制器,对控制器可以灵 活地 江苏大学硕士学位论文 进行重新配置进行了深入的研究。 我国对运动控制器的研制起步较晚,技术较西方发达国家相对落后,但是目 前已有一些企业开发出自己品牌,深圳固高、摩信、顺康数码科技等公司均 是从 事开发式控制器生产的厂家‘。南京顺康数码科技有限公司的使用带 插补功能,可以控制个电机的运动控制芯片,适用于机总线的 线路板。 ..运动控制相关技术及发展趋势 目前在运动控制嵌入式系统的研究取得了一定的成果‘,例如贾一博提出 了以嵌入式为核心在上集成了服务器和机器人网络控制平 台‘阚,周丽丽等人提出了基于处理器的水下机器人嵌入式控制系统刀, 邓仕钧提出了基于嵌入式微处理器和操作系统的网络移动机器人远程 控制的方案,时天龙以自行设计制作的四轮差动式移动机器人为实验平台设 计了基于的移动机器人导航系统‘】,陈剑斌提出了基于与的 移动机器人控制系统设计,杨小铸等人提出了基于嵌入式和 的移动机器人控制器设计,张云洲等人提出了基于/?和的嵌 入式移动机器人,张捍东等提出基于和的移动机器人控制系 统设计?,刘森等提出了基于和的拟人机器人控制器设计 等。 ’ 在系统结构上,运动控制技术下朝着基于,柔性和开放性发展。计算机 技术的飞速发展使得各种基于的控制系统应运而生。基于的运动控制系 统结合了计算机和独立于计算机的运动控制器。此类控制系统具有开发配置灵 活,软件功能丰富,通讯功能强大等优点。开放式的运动控制器则是把所有的运 动控制软件全部安装在计算机中,而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部/ 之间标准化通用接口。用户可以在操作系统的支持下利用控制系统提供的内核开 发自己所需要的控制功能。这两种运动控制技术的发展都不同程度地促进运动控 制技术的柔性化,用户可以根据需要控制各种不同类型的电机或实现各种不同的 控制系统,可在无需更新控制器硬件的条件下提供连续采用新技术、新工艺的能 力。 面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 在控制策略上,由简单的控制发展为各种先进的控制方法。运动控制 器主要的性能指标一般为:动态响应的快速性、稳态跟踪的高精度以及行为的鲁 棒性。这些指标是一个统一的整体,是实现一个运动控制系统的关键技术所在。 目前高性能的运动控制技术在数控加工等应用领域上所面临的主要问题有: 在存 在扰动、非线性、模型和参数不确定性的情况下如何设计高性能的控制器;如何 实现动态响应的快速性和状态监控。运动控制性能的提高和问题的解决不仅意味 着执行机构和反馈装置等方面的先进技术,而且更重要的是新型控制策略的 应用伫。控制器以其结构简单,使用方便和运行可靠等优点在运动控制中 也经常被采用。在解决系统中存在非线性因素不易定量描述的控制问题时, 控制器无法解决。模糊控制、滑模变结构控制、自适应最优控制等智能控制方法 已在运动控制中有了一定的应用。 ..存在问题分析 虽然国外的运动控制器在性能方面具有许多优势,但也存在不足‘: 开放性差。封闭的控制器结构使其具有特定的功能,适应特定的环境, 不便于系统的扩展和改进幽。 软件独立性差。软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件,难以在不同 的系统间移植。 容错性差。由于并行计算中的数据相关性,通讯及同步等内在特点,控 制器的容错性能变差,其中一个处理器出故障可能导致整个系统的瘫痪。 缺少网络功能。 国内运动控制器的差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性,可控 轴数目相对国外较少,在多轴联动能力上还有很大不足,插补功能不够强大, 在 总线上多为总线,只有个别高端产品采用、总线。 .主要研究内容 针对国内制造业装备水平的发展现状和企业的发展需求,本文研究并构建了 面向多台数控机床的上下料机器人运动控制系统,主要研究工作和内容如下: 根据上下料机器人实际应用的需求和双四杆的本体结构特点,给出双 江苏大学硕士学位论文 四杆上下料机器人的工作流程,构建面向多台数控机床的上下料机器人运动控制 系统总体设计方案,对上下料机器人运动控制平台的芯片和电机等硬件部分进行 分析和选型。 利用坐标变换?参数法的基本原理,对上下料机器人进行运动学分 析和研究。针对上下料机器人双四杆平面机构的特性,用解析法对双四杆机构末 端输出位置进行速度和加速度分析,在软件中建立模型对双四杆机构 进行运动学仿真,并对上下料机器人的工作空间进行模拟。 在拟定的电机控制方案基础上对上下料机器人工作路径进行讨论和分 析,利用平面矢量分解的方法将直角坐标空间的运动轨迹转换为关节空间变量, 并对上下料机器人的关键轨迹进行分析和研究。 对嵌入式操作系统进行了移植和配置,在 开发环境中编写电机控制程序,并以 运动控制芯片为目标板, 对直线插补算法进行实验验证。 .本章小结 本课题来源于机器人学国家重点实验室项目和苏州市应用基础研究计划项 目,阐述了课题研究的背景及意义,对上下料机器人及运动控制器的研究现状及 发展趋势进行了描述,总结了国内外机器人运动控制研究中存在的问题,对本文 上下料机器人运动控制的研究具有借鉴作用。面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 第二章上下料机器人的总体设计 .引言 一个完整的机器人系统应包括四大组成部分:环境、任务、机构本体和控制 器【,如图.所示。机构本体是具有传动执行装置的机械,用于执行指定的作 用任务;控制器是机器人的指挥系统,它控制驱动系统,使执行机构按照规定的 要求进行操作,并检测操作是否正确。在机器人所处的环境中,存在机器人的工 作对象和障碍物,机器人必须避开障碍物对工作对象进行操作。任务就是对机器 人与环境之间的初始阶段和目标阶段两种状态的描述,一般根据不同的计算 机系 统采用不同的计算机语言存储在机器人控制器中。本章中主要介绍上下料机器人 的总体设计方案,包括机器人本体结构和嵌入式控制平台的硬件设计。 外传感信息 ? 图.机器人系统的组成 ..机器人本体结构 机构本体是指机体结构和机械传动系统的组成,它是机器人运动的基础构 件。机器人的机构本体也被称为操作机、机械臂或机械手,由臂、关节和末端执 行器相互连接构成一个运动机构,不用的机械手有不同的结构。 上下料机器人本体结构采用双四杆串联机构,利用软件/ .进行三维 建模,如图.所示。从图中可以看出,上下料机器人本体结构主要由基座、固 定在基座上的支架以及与支架通过铰链连接的两个四杆机构组成。 江苏大学硕士学位论文 上下料机器人的基座可以安装固定在移动小车上,小车沿导轨移动实现机器 人在工作环境中的运动。靠近基座的四杆机构驱动臂称为大臂,它与支架通过铰 链相连,当大臂关节在电机的驱动下发生转动时,四杆机构,就在垂直平面内产 生角位移,并且四杆机构,的第三杆成为第二个四杆机构的驱动件,四杆机构口 就在整个机器人平面内产生运动。四杆机构口的第三杆为滚珠丝杆传动结构,它 可以在第三杆的轴线方向做伸缩运动来调节末端执行器来达到抓取工件的位置。 ~? 重~ ? 一 图.上下料机器人本体结构三维建模 . 四杆机构口的第三杆是滚珠丝杆传动结构,在计算自由度时,可以将其看成 一个绕杆件旋转的局部自由度和一个沿着杆件轴线的移动副。在计算整个机构自 由度时,局部自由可以省略。两个四杆机构与支架连接在一起,可以看成是一个 平面机构,除去支架和基座,这个机构有个杆件和个低副包括移动副组 成,应用平面机构自由度的计算公式,则有 ?,双四杆机构有 个自由度:基座固定于移动小车』:,支架与相对于基座有一个转动自由度;另外, 术端执行器有两个自由度。因此,上下料机器人一共有个自由度。面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 .环境描述 在真实的工作条件,为节省机床的辅助时间来提高生产的工作效率,一台 上下料机器人常常要为多台数控机床服务。本课题中的双四杆上下料机器人同时 为台数控机床服务,数摔机床在工作车间一字排开,采用顺序加工的方式,每 台数控机,木负责不同的::序,上道工序加工完毕的零件被卸到机床左边的料箱中 等待下一台机床的上料请求。利用/ .对数控机床、上卜料机器人及其周 围工作环境进行二维模拟,如图.所示。 图.服务于台数控机床的上下料机器人 . 从图.中可以看出,台数控机床的矿方.米处均铺设了直行导轨供上 料机器人在其:水甲移动。一道:序完成后,执: 二完工序的机床发出停止指令, :卜料机器人接收剑卸料请求后移动到机床指定口置进,一。次下料和:料的操 作,具体的:卜.料流程如图.所示。 江苏大学硕士学位论文 图.上下料流程图 ..控制平台硬件 上下料机器人控制平台的设计是以应用为目的,应具备较好的实时性,能够 在规定的时间内完成规定的功能,并且对外部异步事件做出应有的反应。同时, 上下料机器人控制平台必须能够非常稳定地运行,并且具备系统故障自检并在故 障期保证安全的能力。除此之外,嵌入式控制平台应能够开放性的兼容大部分软 件和硬件,具备良好的拓展功能。 嵌入式系统的功能性需求分析对设计好嵌入式控制系统非常关键,它关系到 整个控制系统能否顺利的实现预期的工作任务。依据上下料机器人工作环境和工 作流程,上下料机器人的控制系统应具备摄像、图像处理、电机控制、与数控机 床通信、传感器检测等功能。因此,上下料机器人的控制系统大致可以分为微控 面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 器模块、视觉图像处理模块、电机控制模块、无线通信模块。 图.机器人总体设计方案 机 器 人 执 磊 件 图.上下料机器人运动控制方案. . 本课题中研究的:卜.料机器人控制系统的特点是面向多台数控机床,不仅要 江苏大学硕士学位论文 实现与多台数控机床之间的无线通信,还要协调机器人各关节和末端执行器电机 工作,使每个电机在不同时段完成不同的动作。这对上下料机器人控制系统在控 制策略和处理速度方面都提出了较高的要求。因此,本课题中采用 分级控制的模式,主处理器为微控器,它在人机交互、监视控制、支持实时 控制等方面具有强大的功能,主要负责与多台数控机床的通信、监测机床与机器 人的工作状态、对系统进行管理、人机交互、调用中断程序发送任务指令;从处 理器采用数字信号处理能力很强的芯片,主要负责机器人运动学下反解和 关节电机运动控制阢,如图.和.所示。 .. 微控器 ... 介绍 目前主流的系列有、\、、和 微控器采用基 的\等。 于精简指令集的处理器架构,由于其外形小性能高的优势而被广泛应用于 嵌入式控制系统中。系列微控器采用/位双指令集合结构,内部 集成多级流水线处理指令的操作方式,不仅能够良好地支持其它位/位的协 处理器,而且大大提高了数据处理速度。除此之外,它还具有体积小、、重量 轻、 功耗低、可靠性高、成本低、无污染等优点。 上下料机器人的主处理器选用三星公司生产的处理器系列的 产品,主要原因是: 处理速度快,主频为,最高可达; 价格低,性价比较高; 片内资源和接口丰富; 功耗较低,一般为几十毫安; 容易调试等因素。 面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 图. 微控器 . ...微控器的硬件资源特性 核一是/:的的处理器,主频为, 最高可达,采用级流水线指令执行操作,实现、 与 的高速缓冲,同时支持位的指令集和他的指令集,具备全 性能的和支持、、等多种嵌入式操作系统。它具自‘的 ,从硬件卜.保证了系统的快速响应速度。 提供了卜富的内置部件,如图.所示,包括:,内部 ,控制器,讲自动握手的通道,通道。系统管理器片 选逻辑,//控制器,’了功能的通道定制器,/端,通 道,.接,同步接【和高频器。通过提供令 面的、通用的片:外设,人大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置, 从 而最小化系统的成本【’引。 .内核,带有高速缓存器总线体系结构,:频高 江苏大学硕士学位论文 至; 外部存储器控制器厘/控制,片选逻辑; 控制器最大支持色,具有专用: 通道通用,通道外设并具有外部请求引脚; 通道带有握手协议,通道: 通道多主.控制器; 通道.控制器; 个定时器和通道内部定时器; 看门狗定时器; 个通用/口,通道外部中断源; 具有普通,慢速,空闲和停止模式; 通道位: 具有同历功能的: 具有的片上时钟发生器。 .. 运动控制 ... 芯片 ,也称为数字信号处理 全称为数字信号处理 器,是一种适合进行实时数字信号处理和运算、具有特殊结构的微处理器, 其主 要特点是能够对各种数字信号实现实时快速地处理。芯片的内部采用程序和 数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器并提供特殊的指令,广泛采 用流水线操作,可以用来快速实现各种数字信号处理算法【。 芯片的主要供应商有美国德州仪器公司、美国模拟器件公司、 摩托罗拉公司和美国电话电报公司。公司生产的芯片在全球 市场占有率将近%。国内使用的大部分芯片均来自公司的系 列。 与一般的微控器相比,具有以下特点】: 采用改进的哈弗结构。程序和数据存储在不同的存储空间,每个存储器 独立编址,独立访问。 面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 流水线操作 采用流水线减少了指令执行时间,指令操作交叠进行,提高了处理能力。 专用的硬件乘法器 内部专门的硬件乘法器进行“一次乘法运算,只需一个指令周期。 特殊的指令 支持循环寻址、反转位寻址等一些提高运算速度的特殊指令。 良好的多机并行运算特性 为满足的并行处理,芯片上提供多个硬件通信接口。 ... 功能 上下料机器人的运动控制模块采用公司生产的芯片,如图 .所示。 该芯片的主要有以下一些特点】: 系统时钟周期为.,运算速度可达,芯片内建有看门狗电 路; 采用层核心板与层底板的模式; 内部存储器为 ,内建可加密的,编程电 压为.; 路位转换器,内建个采样保持器,最快的转换速度为; 对于电机控制有独特设计的电机控制口; 双路一增强型主机通信接口可实现异步通信; 总线接口。可做终端节点或其他任意节点; 个增强型多通道缓存串口; 板上集成 晶振; 具有可编程位指示灯; 个数据、地址、/以及控制信号扩展接口,扩展所有的功能引脚; . 板上 连接器接口; 可单电源供电,也可通过扩展接口从扩展板供电; 串口,可通过跳线可选择串口或;江苏大学硕士学位论文 两个事件管理器模块、,可用于运动控制和电机控制; 一个高性能器件?钔?,用户可通过编程灵活分配板 上存储器资源,以及重新分配扩展口引脚定义。 图. 纠箕决 . .. 与的数据通信 上下料机器人主控器与运动控制芯片通 过双口进行通信,双口的型号为,如图.所示。 是的双向,具有两套完全独立的控制线、地址线和/线, 与都可以对其进行访问操作,当一方对其写入数据时,另一方可 读出数据。同时有完全的独立的忙逻辑和中断逻辑,既可以保证两个 独立的控制器对同一单元读写的正确性,也可使独立的控制器通过异步操作 的端 口高速存取和共享资源。 面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 / 塑 亚 阪舳飘。 删丽‰‰ 图. 功能框图. .电机的选型 电机是运动控制系统广泛使用的驱动执行装置,它的选择对整个机器人控 制系统的精度和性能有很大的影响。在选用电机时,一般要考虑以下几个方向: 依据控制系统的精度要求。不同的控制系统对电机的选用要求不同,对 :高速高精的数控系统, 一般要求电机响应速度快,稳态误筹小,定化精度高; 而对于普通的.:业机械手装备,期望电机低速人转矩,通过外部传感器或者限位 块对位胃和速度进行控制。 依据使用场合的技术指标来选择。在选择电机时,根据使用场合的负载 转矩大小、转动惯甓大小和速度、加速度等凶素进行分析和计算。机器人在满载 的情况一般要求电机转动惯量较小起动转矩较大,时要求电机的转速与控制 信几.成线性或近似线性关系。 根据电机的物理或经济指标选择。经济指标指的是电机的惟价比:物理 指标要是指电机的大小、体移和重量等外在基本冈素,对:有同样凋速范围的 电机来说,体积小、重最轻的电机对机器人动态性能的影响较小‘。 江苏大学硕士学位论文 上下料机器人控制系统选用的直流电机参数如表.所示,适配驱动器的型 号和参数见表.。 表.上下料机器人直流电机参数 . 表.适配驱动器的型号及性能参数 . 一 驱动器型号 供电电源 ,容量. 额定输入电流 额定转速 依所选电机确定 额定转矩 依所选电机确定 调速范围 至额定转速 使用温度 。一。 % 使用湿度 对温度速度变动率 ?%以下 ?%以下 对电压速度变动率 对负荷速度变动率 ?%以下 最大震动 ./ 绝缘电阻 常温常压下】 ×× 体积 重量 .面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 .本章小结 本章介绍了上下料机器人双四杆本体结构和实际工作环境,描述了上下料机 器人具体工作流程,提出了面向多台数控机床的上下料机器人控制系统的总 体设 计方案。利用模块化分级管理思想,上下料机器人的控制系统采用 的嵌入式结构,其中为主控器,为运动控制模块。最后,对上下料机 器人运动控制平台的芯片和电机等硬件部分进行了分析和选型。江苏大学硕 士学位论文 第三章机器人运动学分析 .引言 双四杆上下料机器人的本体结构是由一系列的关节串联连接起来的连杆机 构,运动学研究的是机器人各关节坐标系之间的运动关系。为了准确描述双 四杆 机器人各关节之间的关系,本章对其进行了运动学方程下解的求解并讨论了 运动 学逆解进行了讨论。 .运动学数学基础 ..位姿描述 对于直角坐标系】.,空间任一点的位置可用的列矢量表示。 . 巾引 其中,只,只, 是点在坐标系中的三个坐标分量。的上标代表参考坐标系 ,就称为位置矢量‘?。 设空间内有一个刚体,用表示,为了规定空间该刚体的方位,设置一个 直角坐标系与此刚体固接。用坐标系的三个单位主矢量%,,%相对 于参考坐标系的方向余弦组成的矩阵来表示刚体口相对于坐标系的方位 . 岔月而儿 %,至差差 ;尺就称为旋转矩阵,表示刚体相对于坐标系的方位。在这个旋转矩阵 的九个元素中,只有三个是相互独立的。若分别对于,,或作转轴为的旋面向 数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 . ,: 一口 一汐 秒 . ,秒 ?秒 乡 ? . 尺如,秒 . 口】.;。 ..广义连杆及变换矩阵 机器人的机械本体结构是由一系列杆件连接起来的空间运动链。为了描述各 个杆件的相对位姿,通常的方法是对每个连杆分别建立坐标系,然后用参数 表示 每个坐标系与相邻坐标系之间的关系。这种方法称为.参数法。 对于每一个杆件,我们都可以用两个参数来描述,即连杆长度和连杆扭角 ;连杆长度表示相邻两轴线的公共法线距离,连杆扭角哆表示公共法线平 面内两轴的夹角。对于相邻两杆之间的关系,可以用另外两个参数来描述, 即两 连杆距离,和两连杆夹角幺:两连杆距离,表示相邻公共法线与轴的交点之间 的有向距离,两连杆央角毋表示两连杆法线的夹角。 连杆的坐标系建立之后,相邻连杆之间的位置关系可以用四个齐次变换来描 述。这四个齐次变换分别是: 绕再一轴旋转?角,记为,卜; 沿‘一轴平移一距离,记为,?; 沿毛轴平移一距离喀,记为,喀;江苏大学硕士学位论文 绕轴旋转角够,记为,幺。 上述四个齐次变换相乘就得到了连杆变换矩阵。 . ,一,,幺 假设一个机构有玎个连杆组成,表示第一个连杆对基系的位置和姿态,: 表示第二个连杆对于第一个连杆的位置和姿态。依次类推,第疗个连杆对于 基系 的位置和姿态用矩阵表示为: ..。 . 连杆变换通式为: ?? 口卜 叫 一 ? ?一 . ;~ 一 口 ?雌雄。 .机器人运动方程的建立 用.参数法对双四杆机器人各连杆建立坐标系,如图.所示。 图.上下料机器人.坐标系. 面向数控机床群的上下料机器人设计与控制研究 由建立的坐标系得到双四杆机器人的连杆参数,如表.所示。 表.上下料机器人的连杆参数 . 根据表.所示的连杆参数和式.连杆变换通式,可得到上下料机器人 的连杆变换矩阵如下: ? 鸥一嫂 嫂 艰 ,扣 。。. 咀鹤 『呜鹋 蚂 ,鸥呜 . ,?将式.中的各矩阵相乘,得到上下料机器人的总变换矩阵: 刀 口. 罗?? 刀 口: 式.是关于关节变量、岛、岛、幺的函数,也就是上下料机器人运 动方程,它描述了上下料机器人末端连杆坐标系相对于基坐标系的位姿。其 中:江苏大学硕士学位论文 忍 厅万一 工 口 鼻 口 口 口 儿 口墨 【。 其中,,,勖,岛。 .机器人运动方程的反解 上一节中利用.参数法建立了上下料机器人的运动方程并通过运动方程 求得了上下料机器人末端执行器相对基坐标系的位姿,这是机构分析和综合 的基 础,称为机器人运动方程正向求解。若给定机器人末端执行器的位姿,来求各 个 关节变量的值,则称为运动方程的反解。 将式.改写成如下形式: 工 . 譬 罗?求幺 用逆变换矩阵左乘式.左右两端,则有: . 代入数值得到: