機器人控制系統(tǒng)設計(畢業(yè)設計)文獻綜述

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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： ①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。 ②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。 ③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3~6周：控制系統(tǒng)總體設計，提交設計結果。 第7~11周：硬件元器件的選型、I/O口接線圖，提交設計結果 第,12~14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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