機器人控制系統(tǒng)設計(畢業(yè)設計)文獻綜述

一、前言1. 課題研究的意義，國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.1課題研究的意義隨著機器人在工業(yè)裝配線的應用越來越廣泛，工業(yè)環(huán)境對其控制系統(tǒng)的要求也越來越高，所以開放式機器人控制系統(tǒng)的設計具有工程實際意義。課題以一四自由度關節(jié)型機器人研制為背景，設計機器人運動控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件結構，對機器人的運動控制電路進行設計，實現(xiàn)機器人按照預定軌跡或自主運動控制功能。在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、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合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)隨著機器人技術的發(fā)展，機器人應用領域的不斷擴大，對機器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地將其他領域（如圖像處理、聲音識別、最優(yōu)控制、人工智能等）的研究成果應用到機器人控制系統(tǒng)的實時操作中，是一項富有挑戰(zhàn)性的研究工作。而具有開放式結構的模塊化、標準化機器人，其控制系統(tǒng)的研究無疑對提高機器人性能和自主能力，推動機器人技術的發(fā)展具有重大意義。1.2國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢隨著機器人控制技術的發(fā)展，針對結構封閉的機器人控制器的缺陷，開發(fā)“具有開放式結構的模塊化、標準化機器人控制器”是當前機器人控制器的一個發(fā)展方向。近幾年，日本、美國和歐洲一些國家都在開發(fā)具有開放式結構的機器人控制器，如日本安川公司基于PC開發(fā)的具有開放式結構、網(wǎng)絡功能的機器人控制器。我國863計劃智能機器人主題也已對這方面的研究立項。由于適用于機器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術的飛速發(fā)展，開發(fā)一個結構完全開放的標準化機器人控制器存在一定困難，但應用現(xiàn)有技術，如工業(yè)PC良好的開放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標準的實時多任務操作系統(tǒng)，標準的總線結構，標準接口等，打破現(xiàn)有機器人控制結構封閉的局面，開發(fā)結構開放性、功能模塊化的標準化機器人控制器是完全可行的。 新型的機器人控制器應有以下特色：(1)開放式系統(tǒng)結構采用開放式軟件、硬件結構，可以根據(jù)需要方便的擴充功能，使其適用不同類型機器人或機器人化自動生產(chǎn)線。(2)合理的模塊化設計對硬件來說，根據(jù)系統(tǒng)耍求和電氣特性，按模塊化設計，這不僅方便安裝和維護，且提高了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)結構也更為緊湊。(3)有效的任務劃分不同的子任務由不同的功能模塊實現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能。(4)實時性、多任務要求機器人控制器必須能在確泣的時間內完成對外部中斷的處理，并且珂以使多個任務同時進行。(5)網(wǎng)絡通訊功能利用網(wǎng)絡通訊的功能，以便于實現(xiàn)資源共享或多臺機器人協(xié)同工作。(6)形象直觀的人機接口另外，機器人控制器中，運動控制板是必不可少的。由于機器人性能的不同，對運動控制板的要求也不同。美國De1taTau公司推出的PMAC(Programinable Multi-axies Controller)在國內外引起重視。PMAC是一種功能強大的運動控制器，它全面地開發(fā)了DSP技術的強大功能，為用戶提供了很強的功能和很大的靈活性。借助于Motorola公司的DSP56001數(shù)字信號處理器，PMAC可以同時操縱1-8軸，比起其他運動控制板來說，有很多可取之處。由于適用于機器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術的飛速發(fā)展，開發(fā)-個結構完全開放的標準化機器人控制器存在一定困難，但應用現(xiàn)有技術，如工業(yè)PC良好的開放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標準的實時多任務操作系統(tǒng)，標準的總線結構，標準接口等，打破現(xiàn)有機器人控制器結構封閉的局面，開發(fā)結構開放性、功能模塊化的標準化機器人控制器是完全可行的。1.3目前機器人控制器存在的問題隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展和社會進步，對機器人的性能提出更高的要求。智能機器人技術的研究已成為機器人領域的主要發(fā)展方向，如各種精密裝配機器人，力/位置混合控制機器人，多肢體協(xié)調控制系統(tǒng)以及先進制造系統(tǒng)中的機器人的研究等。相應的，對機器人控制器的性能也提出了更高的要求。 但是，機器人自誕生以來，特別是工業(yè)機器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨立結構進行開發(fā)的，采用專用計算機、專用機器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器。這樣的機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器人控制器來看，串行處理結構控制器的結構封閉，功能單一，且計算能力差，難以保證實時控制要求，所以目前絕大多數(shù)商用機器人都是采用單軸PID控制，難以滿足機器人控制的高速、高精度的要求。雖然分布式結構在一定層次上是開放的，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開放。并行處理結構控制器雖然能從計算速度上有了很大突破，能保證實時控制的需要，但我們必須看到還存在許多問題。目前的并行處理控制器研究一般集中于機器人運動學、動力學模型的并行處理方面，基于并行算法和多處理器結構的映射特征來設計，即通過分解給定任務，得到若干子任務，列山數(shù)據(jù)相關流圖，實現(xiàn)各子任務在對應處理器上的并行處理。由于并行算法中通訊、同步等內在特點，如程序設計不當則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn)象。綜合起來，現(xiàn)有機器人控制器存在很多問題，如：（1）開放性差（2）軟件獨立性差（3）容錯性差（4）擴展性差（5）缺少網(wǎng)絡功能2.課題的研究目標、內容和擬解決的關鍵問題2.1課題研究的目標、內容本設計通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。本課題以一四自由度關節(jié)型機器人研制為背景，設計機器人運動控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件結構，對機器人的運動控制電路進行設計，實現(xiàn)機器人按照預定軌跡或自主運動控制功能。主要的研究內容是對SCARA機器人控制系統(tǒng)的軟硬件選型和實現(xiàn)不同位置間運動，包括上下料的控制程序的研究。2.2擬解決的關鍵問題1、確定本課題研究的機器人控制系統(tǒng)的總體結構； 2、對應確定的系統(tǒng)結構，選用機器人控制系統(tǒng)的硬件結構； 3、設計運行機器人控制系統(tǒng)的軟件部分；4、控制系統(tǒng)的電路圖設計；二、設計方案的確定1. 研究路線、方法和擬使用的方法(1)機器人控制系統(tǒng)的總體結構其中，機器人的關節(jié)均選用私服電機驅動，光電碼盤用來控制大臂和小臂的轉動量，極限開關用來控制升降軸的上下移動量。運動控制卡用來控制機械手關節(jié)的轉動和移動，實現(xiàn)定位，總體結構如圖2所示。(2)控制系統(tǒng)的硬件結構通過小組初步討論決定控制計算機使用研華的主機，運動控制卡選用ADT（深圳眾為興），電機選用伺服電機。(3)控制系統(tǒng)的軟件部分主要采用VC進行編程，構建一個控制系統(tǒng)平臺，在程序中給定坐標后，實現(xiàn)機械手從一點移動到另一點進行上下料的搬運工作。之所以使用VC，一方面，ADT的運動控制卡支持VC進行編程，另一方面，使用VC進行編程比較靈活，易于改進和變化。(4)電路圖部分 根據(jù)所選的硬件設備，使用Protel進行繪制。三、作者已進行的準備及資料收集情況 在設計之前，翻閱了多篇關于機器人方面的書籍。對于控制系統(tǒng)的發(fā)展及其在機器人上的應用都有了相關的了解，這為建立機器人控制系統(tǒng)的模型做了一些前期準備工作。在此期間，還自學Protel和Solidworks等軟件，為控制系統(tǒng)的電路設計和程序設計做好了準備。還借了單片機基礎、48小時精通Solidworks2014、工業(yè)機器人等書籍便于今后設計過程翻閱參考。四、階段性計劃及預期研究成果1. 階段性計劃第1周：閱讀相關文獻（中文10篇，英文1篇），提交文獻目錄及摘要。第2周：翻譯有關中英文文獻，完成文獻綜述、外文翻譯，提交外文翻譯、文獻綜述。第36周：控制系統(tǒng)總體設計，提交設計結果。第711周：硬件元器件的選型、I/O口接線圖，提交設計結果第,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)設計說明書，提交論文，準備答辯。2. 預期的研究成果(1) 通過該課題的完成，能讓自己對控制系統(tǒng)的開發(fā)設計及應用有全面的了解，增強對控制系統(tǒng)的設計能力。(2) 通過該課題的完成，綜合考慮無負載條件和有負載條件下的工況要求，通過減少擾動誤差來提高系統(tǒng)精度。五、參考文獻1 劉文波，陳白寧，段智敏編著,工業(yè)機器人. 東北大學出版社, 2007.12.2 王承義著, 機械手及其應用.機械工業(yè)出版社, 1981(TP241/2).3 (蘇)尤列維奇著, 新時代出版社,機器人和機械手控制系統(tǒng). 1985(TP24/1).4機械結構工業(yè)機械手編寫組編,工業(yè)機械手.上冊, 上?？茖W技術出版社, 1978( TP241/1:1)5王淑英.電氣控制與PLC的應用. 機械工業(yè)出版社，2007.6張奇志,周亞麗編著. 機器人學簡明教程. 西安電子科技大學出版社,2013.04(TP242/103)7. 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