机器人的系统设计

第一章 绪论

1.1 机器人的发展及分类 1.1.1 机器人的发展

机器人的发展通常可规划分为三代： 第一代机器人：通常是指目前国际上商品化与使用化的“可编程的机器人”，又称“示教再现机器人”，即为了让机器人完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需要的各种知识，通过直接或间接手段，对机器人进行“示教”，机器人将这些知识记忆下来后，即可根据“再现”指令，在一定精度范围内，忠实的重复再现各种被示教的动作。1962年美国万能自动化公司的第一台Unimate机器人在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。 第二代机器人：通常是指具有某种智能功能的“智能机器人”。即有传感器得到触觉、力觉和视觉等信息计算机处理后，控制机器人的操作机完成相应的适当操作。1982年美国通用汽车在装配线上为机器人装备了视觉系统，从而宣布了新一代智能机器人的问世。

第三代机器人：即所谓的“只治式机器人”。它不仅具有感知功能，而且还有一定的决策及规划能力。第一代机器人目前仍处在实验室研究阶段。机器人经历了诞生---成长---成熟期后，已成为制造业中不可缺少的核心装备，世界上有约75万台机器人正与工人朋友并肩战斗在个条生产线上，特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途发特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。

我国的机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人的操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术、生产了部分机器人的关键元器件，开发出喷漆、焊弧、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台配套喷漆机器人在二十与家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的机器人技术及其工程应用水平和国外比还有一定的距离，因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。

1.1.2 机器人的分类

机器人按不同的方法可分下述类型

机器人按操作机坐标形式分以下几类：（坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。） （1） 直角坐标型机器人

其运动部分由三个相互垂直的直线移动（即PPP）组成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他机器人协调工作。 （2） 圆柱坐标型机器人

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其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱，与直角坐标型机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其他机器人协调工作。

（3） 球坐标型机器人 又称极坐标型机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动（即RRP）所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或教低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。 （4） 多关节型机器人

又称回转坐标型机器人，这种机器人的手臂与人一体上肢类似，其前三个关节是回转副（即RRR），该机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂见形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他机器人协调工作，但位置精度教低，有平衡问题，控制耦合，这种机器人应用越来越广泛。 （5） 平面关节型机器人

它采用一个移动关节和两个回转关节（即PRR），移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的机器人又称SCARA装配机器人。在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有教大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。 机器人按驱动方式分以下几类： （1）气动式机器人 这类机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源压力一般只有6kPa左右，所以这类机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。

（2）液压式机器人 液压压力比气压压力高得多，一般为70kPa左右，故液压传动机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。 （3） 电动式机器人 这是目前用得最多的一类机器人，不仅因为电动机品种众多，为机器人设计提供了多种选择，也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。这些驱动单元或是直接驱动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。

1.2 机器人控制系统 1.2.1 机器人控制系统的特点

机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来的，因此两者之间并无根本的不同但机器人控制系统也有许多特殊之处。其特点如下： （1） 机器人有若干个关节，典型机器人有五六个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。

（2）机器人的工作任务是要求操作机的手部进行空间点位运动或连续轨迹运动，对机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。

（3） 机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应

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等复杂控制技术。

（4）较高级的机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。 机器人的控制系统发基本要求有：

（1）实现对机器人的位置、速度、加速度等控制功能，对于连续轨迹运动的机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能。

（2）方便的人---机交互功能，操作人员采用直接指令代码对机器人进行作用指示。使用机器人具有作业知识的记忆、修正和工作程序的跳转功能。

（3） 具有对外部环境的检测和感觉功能。为使机器人具有对外部状态变化的适应能力，机器人应能对诸如视觉、力觉、触觉等有关信息进行测量、识别、判断、理解等功能。在自动化生产线中，机器人应用与其它设备交换信息，协调工作的能力。

1.2.2 机器人控制系统的分类：

机器人控制系统可以从不同角度分类，如控制运动的方式不同，可为关节控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式的不同，可分为点位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式的不同，可分为速度控制、加速度控制、力控制。

程序控制系统：给每个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。

自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。

人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。因而本系统是一种自适应控制系统。

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第二章 基于运动卡的控制系统的建立

2.1总体系统的构建 2.1.1 总体方案的确定

机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机器人控制系统基本上是设计者基于自己的独立结构和生产目的而开发，它采用了专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器的封闭式体系结构。这种结构的控制器存在制造和使用成本高，开发周期长，升级换代困难，无法添加系统的新功能等一系列缺点。该系统基于TRIO运动控制卡的开放式结构机器人控制系统，采用IPC+DSP的结构来实现机器人的控制。这种机器人控制系统采用开放式硬件、软件结构，可以根据需要方便地扩展功能，具有良好的开放性和扩展性，能适应于不同类型机器人或机器人自动生产线。通过运动控制卡在机器人控制系统中的应用，根据运动控制的相关理论和直流伺服电机的具有不易受干扰、易于用微机实现数字控制、无积累误差等特性以及其动作迅速、反映快、维护简单、可实现过载自动保护等特点作为相关背景的基础之上提出了基于TRIO运动控制卡的自动化程度和定位精度均较高的机器人控制系统。这种机器人控制系统的重要特点在于它采用通用个人计算机加DSP—多控制回路的开放式体系结构以及它的网络控制特性。

2.1.2可行性论证

目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在机器人中得到广泛应用一般负载1000N以下的机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机。其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直流驱动电动机（DD）均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。利用运动控制卡对机器人驱动系统进行控制能够有效地提高整个机器人系统的性能及开发效率。由于机器人需要精确的控制和精准的定位，采用合适的直流电机调速器和光电轴角编码器即能满足要求。

PCI—208是Trio Motion公司的一款基于PC的PCI总线控制的数字运动控制卡，该控制卡采用了独立的120MHZ大DSP微处理器技术，提高了电机运动和计算速度。该控制卡可以控制2—8 轴的伺服电机或步进电机或者二者的任意结合；32-bit的33MZ，2.2版本的 PCI总线。采用100-pin的高精度屏蔽电缆与外部转接板模块连接，提高了设备的抗干扰信号的能力。提供 ActiveX可以用VB、VC、C/C++等高级语言根据设备的需要进行二次开发，还有CAN总线口，可以根据设备的需要对I/O和摸拟输入口进行扩展，能够满足要求。

由于所选用的硬件设备都是市场上成熟的，综上所述，本设计题目的理论基础、整体的构想和所实施的方案是切实可行的，在老师的指导下，借鉴相关书籍，通过通过自己的学习，能够达到本次设计的要求。

2.1.3系统的构成

该系统主要由个人PC、PCI—208系列TRIO运动控制卡、运动卡外接线板、ZK4系列直流电机调速器、光电轴角编码器、系统工作状态检测输入行程开关等

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