基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统开发.pdf
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基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统开发学位论文完成日期:
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纽垒鏊青岛科技大学研究生学位论文基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统开发摘要机器人是典型的机电一体化产品,机器人学是全球自动化研究领域学者最为关注的学科。
机器人技术涵盖了机械设计、信息处理、电子控制、程序控制等多个领域。
为了实现机器人完成特定的伺服任务,需要设计特定的算法,计算每个关节的驱动力矩或者是计算其驱动加速度。
本课题主要利用固高科技GTS系列运动控制卡和工业计算机的有机结合完成基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统搭建,开发了开放式的六自由度机械手实验平台。
机械手的传动方式采用了三菱伺服电机和绿的谐波减速机组合。
在对六自由度机械手的基本结构和性能进行分析的基础上,对六自由度机械手的运动学问题、路径规划问题进行初步的研究和改进。
本课题构造DH模型对机械手的连杆参数进行了分析,对六自由度机械手的直线轨迹、圆弧轨迹规划进行了研究和分析。
最后设计开发了基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统上位机软件。
关键词:
运动控制卡开放式系统运动学轨迹规划上位机软件基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统开发DEVELOPMENTOF6DOFMANIPULATORCONTROLSYSTEMBASED0NMOTIONCONTROLCARDABSTRACTRobotiSatypicalmechatronicsproductandRoboticsiSasubjectinautomationareathatglobalacademicsfoUCSonRobottechnologycoverdownmanySUbjectssuchasmechanicaldesign,informationprocessing,electroniccontrol,processcontrolandSOOnInordertoallowtherobotstocompleteaspecificservotask,somealgorithmsarepresentedtocalculatethedrivingforoeandaecelerationofeveryjointInthispaper,motioncontrolsystemof6一DOFmanipulatoriscompletedbymakinguseoftheorganiccombinationofGTSmotioncontrolcardandPCAnopenexperimentalplatformisbuiltinthispaper,HighperformanceservomotorfromJapanMitsubishiandGreenharmonicreducerarecombinedtodriveallthejointsoftherobotinthisprojectInversekinematicproblemsandpathplanningoftherobotarestudiedpreliminarilyandimprovedsimplybasedontheanalyzingofthebasicstructureandPerformanceof6-DOFmanipulatorDHmodelisproposedtoanalysisthelinkparametersofarobotintheresearchInCartesianspace1ineartrajectoriesandarctrajectoriesofthisrobotarediscusseddeeplyAepistasissoftwarefordriving6-DOFmanipulatorbasedonmotioncontrolcardisdevelopedintheendoftheprojeCtKEYWoRDS:
MotionControlCardOpenSystemKinematics,Trajectoryplanning,EpistasisSoftware青岛科技大学研究生学位论文目录1绪论l11课题研究的背景和意义112国内外研究现状和发展趋势113开放式机器人控制系统一4131开放式控制系统的设计思想一4132基于PC的开放式控制系统结构414运动控制卡简述一515课题研究的主要内容一816论文的主要安排一82机械手控制系统总体方案设计1021引言一lO22控制系统结构设计一10221电机控制系统的基本组成11222专用输入输出接口定义一12223谐波减速机性能参数13224伺服电机主要技术参数1423运动控制卡指令与运动模式17231系统配置17232系统配置的基本过程182。
4本章小结193六自由度机械手本体结构及运动学分析一2031引言2032机器人的本体结构一2033机器人控制数学基础22331位置和姿态的描述22332齐次坐标变换24333广义连杆变换齐次矩阵26334机器人的DH模型一2734机器人运动学一29基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统开发341机器人运动学正解29342机器人运动学逆解30343机器人运动学逆解的优化3435本章小结一354机器人笛卡尔空间的轨迹规划一3641引言3642机器人空间直线轨迹规划3743机器人空间圆弧轨迹规划39431圆心与半径的确定40432坐标系变换41433机器人角位移计算43434圆弧插补计算4444本章小结一445上位机软件总体设计与实现一4551引言一4552软件开发平台4553软件结构总体设计46531控制系统实现流程47532软件开发平台与接口48533主要功能模块的实现5l534本章小结536总结与展望54参考文献一55致谢58IV青岛科技大学研究生学位论文11课题研究的背景和意义1绪论机器人是极为典型的机电一体化产品之一,机器人学也是目前世界上研究最为热门的领域之一,机器人技术的研究涵盖了机械设计、信息处理、电子控制、人工智能、传感器技术、程序设计等多个学科和领域。
一套完善的机器人系统的设计开发需要一个完整的技术团队进行合作,并且经过长时间的实验和改进。
在机器人系统的开发设计过程中,为了实现机器人完成特定的伺服任务,需要设计特定的算法,计算每个关节的驱动力矩或者是计算其驱动加速度。
但是由于多自由度机器人系统是一个非线性、强耦合的动力学系统,因此使用一般的伺服技术进行简单的线性或者非线性的分析计算都无法满足要求,常用经典的控制理论和现代前沿的控制理论都不能很好地解决问题。
因此,机器人的控制问题引起了技术领域内的广泛研究。
但是到目前为止,机器人的控制理论仍然不够完善和系统。
工业机器人在工业领域内是机器人技术发展的典型代表。
习惯上,工业机器人也被称作为机械手。
其中,由于六自由度机械手具有六个自由度,可以实现对机械手末端执行器的位置和姿态的控制,其末端执行可以实现在空间内绝大部分位置的任意姿态,因此六自由度机械手成为机械手控制系统研究的主要对象之C由于目前世界以及国内的机器人生产和技术研发团队并不开放其机器人研究成果及研究理论,因此我们对于机器人系统开发和研究的进程缓慢并且遇到了很多困难。
机械手控制系统的开发和优化需要一个完整的机器人实验平台,并且需经过长期的控制方法优化和路径规划优化。
局限于现有的技术积累,课题主要基于固高科技研发的GTS系列运动控制卡完成六自由度串联机械手控制系统的搭建,并且完成开放式的六自由度机械手实验平台的设计,在对六自由度机械手的基本结构和性能进行分析的基础上,对六自由度机械手的运动学问题、动力学问题、路径规划问题进行初步的研究和改进。
开放式实验平台的开发和研究,对于整个工业机器人技术的开发和研究具有重要的意义。
12国内外研究现状和发展趋势工业机器人的研究最早起源于20世纪50年代的美国。
世界上最早的工业机器人是英格伯格和德沃尔研发制造的“尤尼梅逊”,早期应用于工业领域内的工基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统开发业机器人是美国的“尤尼梅逊”和“沃尔萨特兰”。
“尤尼梅逊”的外形就像一个旋转坦克。
“沃尔萨特兰”在铸造行业内的使用拉开了美国工业机器人黄金时代的序幕。
这个时期的工业机器人只是完成了一些简单的动作,从一定意义上说只是一台可以重复工作的专业化机械设备。
直到1968年,世界上第一台智能机器人在斯坦福大学研制成功。
下图是工作在生产线上的“尤尼梅逊”。
图11正在工作的“尤尼梅逊”Fig1一IWorking“UNIMATE虽然美国始终领导着世界机器人的核心技术发展和方向,但是日本的工业机器人后来居上,在世界上占据了大部分的市场份额。
美国机器人强调了高技术、高性能的设计思路,而日本从轻巧、方便、实用等方面出发也取得了长足的发展。
机器人控制系统始终是目前机器人发展的瓶颈,特别是智能化的控制系统。
机器人控制系统主要有两种结构:
集中式结构(中央式体系结构)和分布式结构【I】0传统的机器人控制系统多为中央式体系结构,中央式体系结构在对单个机器人进行控制时具有一定的优势,其控制方式简单,控制硬件相对简洁,但是控制器和控制程序的扩展性不高。
特别是随着机器人控制节点的增多,运算数据的不断膨胀,中央式体系结构越来越显现出不足。
分布式结构具有分级管理、模块化管理的特点。
这
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