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五自由度串联机器人开放式控制系统的研究

作　者: 郭雷
导　师: 胡明
学　校: 东北大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 开放式运动控制器机器人 G代码编译器线性插值
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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引　用: 4次
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内容摘要

传统的封闭式机器人控制器虽然简单、可靠,但只适用于固定的作业任务和作业对象,无法适应因产品多样化的要求越来越高,致使生产任务不断变化的现代制造业。为了满足现代制造业的这种柔性化的生产,必须采用具有开放式结构的控制器。开放式机器人控制器的软件和硬件都是开放的,能根据不同的情况和要求做出相应的调整,这即有利于保持机器人的现有性能,延长其使用寿命；又有利于机器人采用最新的先进的控制技术,促进其技术更新。这些都会进一步降低机器人开发的成本,促进机器人应用的普及,而应用领域的拓展,反过来又会进一步促进了机器人技术的发展,从而形成良性循环。本文首先纵向比较了封闭式控制系统和开放式控制系统的优缺点和横向对比阐述了当前常用的单片机控制系统、PLC(程序逻辑控制)控制系统和基于PC机控制系统的各自特点。其次,进一步比较了基于PC的开放式控制系统的几种实现模式,从而确定建立了本课题所采用的PC机+运动控制器的开放式五自由度控制系统。并分别对研华PCI-1243U运动控制器、保护电路、驱动电路进行了分析,建立了机器人控制系统的硬件平台。再次,讨论了机器人的运动学问题,运用Denavt—Hartenberg表示方法建立了机器人各个关节的坐标系,求得了机器人末端手爪的参考点相对于基坐标系的位姿变换矩阵,建立了机器人的运动学数学模型。最后,以机器人的运动学数学模型为算法基础,采用面向对象的编程技术和模块化思想设计方法,在微软WindowsXP系统平台下,用Visual Basic语言编写了机器人点位控制的操作界面和计算程序。研究了机器人轨迹控制中的直线插补问题,详细分析了常用直线插补算法精度不高的问题所在,并提出了相应的改进算法。同时结合该问题,研究了在VB开发环境下,实现周期性时间控制的方法。并在该系统环境下编写了数控G代码的译码程序。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-16
  1.1 引言  11
  1.2 开放式控制系统发展状况  11-13
    1.2.1 国外发展状况  11-12
    1.2.2 国内发展状况  12
    1.2.3 最新发展动态  12-13
  1.3 本课题机器人简介  13-14
    1.3.1 机器人的机械结构  13-14
    1.3.2 机器人的基本参数  14
  1.4 论文的主要工作  14-16
第2章机器人控制系统概述  16-21
  2.1 机器人控制系统的发展  16-17
    2.1.1 传统专用控制系统  16-17
    2.1.2 开放式控制系统  17
  2.2 几种常见的控制系统  17-21
    2.2.1 单片机控制系统  17-18
    2.2.2 PLC(程序逻辑控制)控制系统  18-19
    2.2.3 基于PC的开放式控制系统  19-21
第3章机器人控制系统硬件平台  21-30
  3.1 基于PC的开放式控制系统的实现模式  21-22
    3.1.1 专用控制器+PC的控制模式  21
    3.1.2 PC+运动控制器的控制模式  21
    3.1.3 全软件控制模式  21-22
  3.2 控制方案的确定  22-23
  3.3 硬件系统总体结构  23-24
  3.4 硬件系统各单元详解  24-30
    3.4.1 上位PC机  24
    3.4.2 系统总线  24
    3.4.3 研华PCI-1243U运动控制器  24-28
    3.4.4 保护电路  28
    3.4.5 驱动电路  28-30
第4章机器人运动学方程  30-45
  4.1 引言  30
  4.2 运动学分析方法  30
  4.3 齐次坐标变换  30-32
    4.3.1 齐次坐标  30-31
    4.3.2 齐次变换  31-32
  4.4 连杆坐标系的建立方法  32-34
    4.4.1 机械手位姿的表示  32
    4.4.2 确定杆系的D-H法  32-34
  4.5 机器人运动方程的建立  34-38
    4.5.1 杆件和关节的编号  34-35
    4.5.2 建立机器人坐标系  35-36
    4.5.3 相邻两杆的Ai矩阵  36-37
    4.5.4 机器人正向运动学  37-38
  4.6 机器人反向运动学  38-45
    4.6.1 求解关节变量  38-41
    4.6.2 逆解的合理取值  41-42
    4.6.3 初始参数的确定方法  42-43
    4.6.4 初始参数合法性的判定  43-45
第5章机器人控制系统程序设计  45-59
  5.1 操作系统及开发环境选择  45-46
    5.1.1 Windows XP系统  45
    5.1.2 编程环境Visual Basic 6.0  45-46
  5.2 Visual Basic程序和运动控制器的关系  46-49
    5.2.1 程序与硬件  46-47
    5.2.2 动态链接库(DLL)的调用  47-48
    5.2.3 动态链接库(DLL)的使用流程  48-49
  5.3 主控程序的设计  49-50
  5.4 人机交换界面的设计  50-55
    5.4.1 用户界面  51-54
    5.4.2 管理员界面  54-55
  5.5 轨迹控制  55-59
    5.5.1 线性插值  56-57
    5.5.2 周期性时间控制的方法  57-59
第6章 G代码编译器  59-67
  6.1 引言  59
  6.2 G代码的功能转换与扩展  59-60
    6.2.1 G代码的指令集  60
    6.2.2 G代码的输入规则  60
  6.3 G代码的译码方式选择  60-61
  6.4 G代码的译码  61-65
    6.4.1 G代码程序的预处理  61-62
    6.4.2 G代码程序的语法、词法检查  62-64
    6.4.3 G代码程序的数据处理  64-65
    6.4.4 G代码程序的执行  65
  6.5 G代码的译码流程  65-67
第7章结论与建议  67-69
  7.1 结论  67
  7.2 建议  67-69
参考文献  69-72
致谢  72-73
附录  73-79

五自由度串联机器人开放式控制系统的研究

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