机器人控制系统设计(毕业设计)文献综述.doc

一、前言1. 课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势1.1课题研究的意义随着机器人在工业装配线的应用越来越广泛，工业环境对其控制系统的要求也越来越高，所以开放式机器人控制系统的设计具有工程实际意义。课题以一四自由度关节型机器人研制为背景，设计机器人运动控制系统的硬件电路和软件结构，对机器人的运动控制电路进行设计，实现机器人按照预定轨迹或自主运动控制功能。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地将其他领域（如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等）的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中，是一项富有挑战性的研究工作。而具有开放式结构的模块化、标准化机器人，其控制系统的研究无疑对提高机器人性能和自主能力，推动机器人技术的发展具有重大意义。1.2国内外研究现状和发展趋势随着机器人控制技术的发展，针对结构封闭的机器人控制器的缺陷，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向。近几年，日本、美国和欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器，如日本安川公司基于PC开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制器。我国863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项。由于适用于机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展，开发一个结构完全开放的标准化机器人控制器存在一定困难，但应用现有技术，如工业PC良好的开放性、安全性和联网性，标准的实时多任务操作系统，标准的总线结构，标准接口等，打破现有机器人控制结构封闭的局面，开发结构开放性、功能模块化的标准化机器人控制器是完全可行的。 新型的机器人控制器应有以下特色：(1)开放式系统结构采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便的扩充功能，使其适用不同类型机器人或机器人化自动生产线。(2)合理的模块化设计对硬件来说，根据系统耍求和电气特性，按模块化设计，这不仅方便安装和维护，且提高了系统的可靠性，系统结构也更为紧凑。(3)有效的任务划分不同的子任务由不同的功能模块实现，以利于修改、添加、配置功能。(4)实时性、多任务要求机器人控制器必须能在确泣的时间内完成对外部中断的处理，并且珂以使多个任务同时进行。(5)网络通讯功能利用网络通讯的功能，以便于实现资源共享或多台机器人协同工作。(6)形象直观的人机接口另外，机器人控制器中，运动控制板是必不可少的。由于机器人性能的不同，对运动控制板的要求也不同。美国De1taTau公司推出的PMAC(Programinable Multi-axies Controller)在国内外引起重视。PMAC是一种功能强大的运动控制器，它全面地开发了DSP技术的强大功能，为用户提供了很强的功能和很大的灵活性。借助于Motorola公司的DSP56001数字信号处理器，PMAC可以同时操纵1-8轴，比起其他运动控制板來说，有很多可取之处。由于适用于机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展，开发-个结构完全开放的标准化机器人控制器存在一定困难，但应用现有技术，如工业PC良好的开放性、安全性和联网性，标准的实时多任务操作系统，标准的总线结构，标准接口等，打破现有机器人控制器结构封闭的局面，开发结构开放性、功能模块化的标准化机器人控制器是完全可行的。1.3目前机器人控制器存在的问题随着现代科学技术的飞速发展和社会进步，对机器人的性能提出更高的要求。智能机器人技术的研究已成为机器人领域的主要发展方向，如各种精密装配机器人，力/位置混合控制机器人，多肢体协调控制系统以及先进制造系统中的机器人的研究等。相应的，对机器人控制器的性能也提出了更高的要求。 但是，机器人自诞生以来，特别是工业机器人所采用的控制器基本上都是开发者基于自己的独立结构进行开发的，采用专用计算机、专用机器人语言、专用操作系统、专用微处理器。这样的机器人控制器已不能满足现代工业发展的要求。从前面提到的两类机器人控制器来看，串行处理结构控制器的结构封闭，功能单一，且计算能力差，难以保证实时控制要求，所以目前绝大多数商用机器人都是采用单轴PID控制，难以满足机器人控制的高速、高精度的要求。虽然分布式结构在一定层次上是开放的，可以根据需要增加更多的处理器，以满足传感器处理和通讯的需要，但它只是在有限范围内开放。并行处理结构控制器虽然能从计算速度上有了很大突破，能保证实时控制的需要，但我们必须看到还存在许多问题。目前的并行处理控制器研究一般集中于机器人运动学、动力学模型的并行处理方面，基于并行算法和多处理器结构的映射特征来设计，即通过分解给定任务，得到若干子任务，列山数据相关流图，实现各子任务在对应处理器上的并行处理。由于并行算法中通讯、同步等内在特点，如程序设计不当则易出现锁死与通讯堵塞等现象。综合起来，现有机器人控制器存在很多问题，如：（1）开放性差（2）软件独立性差（3）容错性差（4）扩展性差（5）缺少网络功能2.课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题2.1课题研究的目标、内容本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。本课题以一四自由度关节型机器人研制为背景，设计机器人运动控制系统的硬件电路和软件结构，对机器人的运动控制电路进行设计，实现机器人按照预定轨迹或自主运动控制功能。主要的研究内容是对SCARA机器人控制系统的软硬件选型和实现不同位置间运动，包括上下料的控制程序的研究。2.2拟解决的关键问题1、确定本课题研究的机器人控制系统的总体结构； 2、对应确定的系统结构，选用机器人控制系统的硬件结构； 3、设计运行机器人控制系统的软件部分；4、控制系统的电路图设计；二、设计方案的确定1. 研究路线、方法和拟使用的方法(1)机器人控制系统的总体结构其中，机器人的关节均选用私服电机驱动，光电码盘用来控制大臂和小臂的转动量，极限开关用来控制升降轴的上下移动量。运动控制卡用来控制机械手关节的转动和移动，实现定位，总体结构如图2所示。(2)控制系统的硬件结构通过小组初步讨论决定控制计算机使用研华的主机，运动控制卡选用ADT（深圳众为兴），电机选用伺服电机。(3)控制系统的软件部分主要采用VC进行编程，构建一个控制系统平台，在程序中给定坐标后，实现机械手从一点移动到另一点进行上下料的搬运工作。之所以使用VC，一方面，ADT的运动控制卡支持VC进行编程，另一方面，使用VC进行编程比较灵活，易于改进和变化。(4)电路图部分 根据所选的硬件设备，使用Protel进行绘制。三、作者已进行的准备及资料收集情况 在设计之前，翻阅了多篇关于机器人方面的书籍。对于控制系统的发展及其在机器人上的应用都有了相关的了解，这为建立机器人控制系统的模型做了一些前期准备工作。在此期间，还自学Protel和Solidworks等软件，为控制系统的电路设计和程序设计做好了准备。还借了单片机基础、48小时精通Solidworks2014、工业机器人等书籍便于今后设计过程翻阅参考。四、阶段性计划及预期研究成果1. 阶段性计划第1周：阅读相关文献（中文10篇，英文1篇），提交文献目录及摘要。第2周：翻译有关中英文文献，完成文献综述、外文翻译，提交外文翻译、文献综述。第36周：控制系统总体设计，提交设计结果。第711周：硬件元器件的选型、I/O口接线图，提交设计结果第,1214周：软件编程，装配图。第15周：工程图绘制，工程图。第16周撰写毕业设计说明书，提交论文，准备答辩。2. 预期的研究成果(1) 通过该课题的完成，能让自己对控制系统的开发设计及应用有全面的了解，增强对控制系统的设计能力。(2) 通过该课题的完成，综合考虑无负载条件和有负载条件下的工况要求，通过减少扰动误差来提高系统精度。五、参考文献1 刘文波，陈白宁，段智敏编著,工业机器人. 东北大学出版社, 2007.12.2 王承义著, 机械手及其应用.机械工业出版社, 1981(TP241/2).3 (苏)尤列维奇著, 新时代出版社,机器人和机械手控制系统. 1985(TP24/1).4机械结构工业机械手编写组编,工业机械手.上册, 上海科学技术出版社, 1978( TP241/1:1)5王淑英.电气控制与PLC的应用. 机械工业出版社，2007.6张奇志,周亚丽编著. 机器人学简明教程. 西安电子科技大学出版社,2013.04(TP242/103)7. Saeed B. Niku著. 机器人学导论:分析、控制及应用:analysis, control, applications (美). 电子工业出版社, 2013(TP24/36).8. 布鲁诺西西利亚诺, (美) 欧沙玛哈提卜编辑. 机器人手册 (意). 机械工业出版社,2013 (TP242-62/1)9.金广业编译.工业机器人与控制.东北大学出版社,1991.310.周伯英编著.工业机器人设计.机械工业出版社,199511.(俄)索罗门采夫主编.工业机器人图册.机械工业出版社,1993.512. A. Mohammadia, n, M. Tavakoli b, nn, H. J. Marquez b, F. Hashemzadeh b.Nonlinear disturbance observer design for robotic manipulators. Control Engineering Practice 21 (2013) 253267六、指导教师审阅意见签名 年 月 日