?２８?《机床与液压》２００４．Ｎｏ．７
多关节机器人实用通信系统的构建＋
徐开芸，饶华球
（南京工程学院，江苏南京２１００１３）
摘要：介绍了多关节机器人实用通信系统的设计过程，采用主从控制方式，实现三级计算机结构多ｃＰｕ并行工作。利用Ｖｃ＋＋６．０中Ｍｓｃｏｍｍ控件（Ｍｉｃｍｓｏｆｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｔｒ０１）实现第一级（Ｐｃ机）与第二级（８９ｃ５１单片机）之间的串行通信，利用汇编语言通过内部总线实现第二级与第三级（８９ｃ２０５１单片机）之间的并行通信，从而完成整个机器人系统的通信控制。经自行研制的教学工业两用型机器人（ＮＧＲ０１）实际使用表明，该通信系统能够长时间可靠、稳定运行。
关键词：机器人；通信系统；Ｖｃ＋＋；单片机
中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：Ｂ文章编号：１００１—３８８ｌ（２００４）７—０２８—４
Ｃｏ施ｔｒＩｌｃｔｉｏｎｏｆＰｍｃｔｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＵｓｅｄｆｏｒＭｕｍ一．ｉｏｉｎｔＲｏｂｏｔ
ＸＵＫａｉ—ｙｕｎ，ＲＡＯＨｕａ—ｑｉｕ
（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＮａｎｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ７ｒｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｕｓｅｄｆｏｒｍｕｌｔｉ—ｊｏｉｎｔＴｏｂｏｔｗａｓｉｎｔｍｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｅｍｐｌｏｙｓｍａｉｎ—ｓｌａｖｅｃｏｎｔｍｌｍｏ（１ｅ，ａｎｄｔｈｒｅｅ１ｅｖｅｌｃｏｍｐｕｔｅｒｓｗｏｒｋｓｐａｒａｌｌｅＩｌｙ．Ｔｈｅｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆｉｒｓ卜ｌｅｖｅｌｃｏｍｐｕｔｅｒ（ＰＣ）ａｎｄｔｈｅｓｅｃｏｎｄ—ｌｅｖｅｌｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ（８９Ｃ５１）ａｄｏｐｔｓｔｈｅＭＳＣｏｍｍｏｆＶＣ＋＋６．０．Ｔｈｅｉｎｔｅｍａｌｐａｒａｌｌｅｌｂｕｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅ—ｔｗｅｅｎｔｈｅｓｅｃｏｎｄ—ＩｅｖｅｌａＩｌｄｔｈｅｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ（８９Ｃ２０５１）ｕｓｅｓｔｈｅａｓｓｅｍｂｌｙｌａｎｇｕａｇｅ．Ｔｈｅａｂｏｖｅｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｓｔｌｌｅｗｈｏｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｔｍｌ，ｗｈｉｃｈｉｓ印ｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｍｂｏｔＮＧＲ０１ｕｓｅｄｆｏｒｅｄｕｃａｔｉｏｎａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｙ．７１１ｌｅ１１ｌｎｎｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｓｔａｂｌｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｏｂｏｔ；Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ＶＣ＋＋；Ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐｍｉｃｍｃｏｍｐｕｔｅｒ
０引言直平面内运动时，可以通过肩关节和肘关节旋转来实机器人作为一种能够进行编程并在自动控制下执现，它们复合在一起可以改变机器人手指的位置，而行操作和移动作业任务的机械装置，它是一个典型的其姿态可以通过手腕（摆腕和旋腕）的运动来实现。高技术密集型机电一体化产品。从２０世纪６０年代问由于这种机器人的工作空间形成球面的大部分，故也世以来，已发展成为自动化领域的一大分支。特别是称之为关节式球面机器人。
进入上世纪８０年代以后，在信息技术、控制技术、
人工智能和传感技术的支持下，机器人己远远超出了
服务于制造业的范围，并被广泛地应用于非制造业。
我国将后者称之为特种机器人，而国外一般称为先进
机器人（ａｄｖａｎｃｅｄｒｄｂｏｔ）。也就是说，非制造业机器
人与结构化环境下作业的工业机器人相比，前者与环
境的交互作用更加复杂、控制更加困难，要求的智能
程度更高，是更先进的机器人。
显然，随着机器人复杂程度的提高，其控制技术
难度也越来越大，目前较多采用了多ｃＰｕ并行工作
方式，这样它们之间的通信问题就变得非常重要了。下面结合我们自行研制的多关节教学工业两用型机器人¨。一ＮＧＲ０１来介绍一种实用通信系统体系结构，并重点说明三级计算机之间的通信实现方法。
１ＮＧＲ０１型机器人
如图１所示ＮＧＲ０１型机器人外形，它由腰、肩、肘、摆腕、旋腕共五个关节和一个电动手指组成，全部采用铝材加工而成，通过谐波齿轮减速和同步齿形带传动。这样，当要求机器人在水平面上运动时，可以通过腰关节绕底座旋转来实现，当要求机器人在垂
图ｌＮＧＲ０ｌ型机器人外形结构
ＮＧＲ０１型机器人采用了间接驱动方式，除腰关节电动机安装在底座内以外，其余电动机均安装在机器人肩关节旁边，然后通过传动链将力矩传递到相应的关节，这样可以减轻机器人本身负载重量及惯性，改善其动态性能，同时还可以通过结构优化设计美化外观。考虑到目前主要将该机器人用于教学场合验证有关原理和演示工作过程，必须兼顾生产成本和动、静态指标等因素。因此，各关节选用了日本三洋公司生产的混合式步进电动机驱动系统。如果选用交流伺
＋基金项目：江苏省高校自然科学研究计划项目（９９ｌ（ＪＢ４６０００６）资助 万方数据
《机床与液压》２００４．Ｎｏ．７?２９?
服系统来实现闭环驱动，ＮＧＲ０ｌ型机器人完全可以
应用到工业生产中。
ＮＧＲ０ｌ型多关节机器人的使用场合、结构形式
以及各项性能指标如表１所示。
表１ＮＧＲ０ｌ型机器人技术参数
指尖最大速度
型号ＮＧＲ０ｌｌ（）ｏｍｒｎ／ｓ
（步进驱动）
用途教学、培训、研究、开发
最
腰关节３４０。
结构多关节球面型大肩关节９００
自由度数５动
肘关节１８０。作
末端作用器电动式夹持器范摆腕关节１８０。
围
载重０．５ｋｇ旋腕关节３６０。
２通信系统硬件平台设计
第一级（工业Ｐｃ机）
ｌＲｓ２３２ｃｌ
ＵＴｍ、ＲｘＤ、ＧＮＤ
ＩＣＬ２３２
第二级（ＡｔｍｅＩ８９ｃｓｌ单片机）
】ｔ内部并行接口
ｌ第三级（ＡｔｍｅＩ８９ｃ２０ｓ１单片机）
恒孚ｃ：。５１ＩＩｚ＃ｓ鉴：。ｓ－｜ｌｙｓ翼。ｓ?№：！：２１１１ｌｐｓ＝竺ｓ，Ｉｌｓ”８９：竺５ｌＩｌｌ驱动模块｜｜驱翌篓划ｌ驱翌篓块ＩＩ驱动模块｜｜驱动模块ＩＩ驱动模块Ｉｌ腰关节电机｜｜肩关节电机ｌＩ肘关节电机１Ｉ摆腕电机ＩＩ旋腕电机ＩＩ手指电机Ｉ图２ＮＧＲ０ｌ型机器人控制系统总框图
ＮＧＲＯｌ型机器人控制系统采用三级结构的多ＣＰｕ并行工作方式，其结构框图如图２所示。图中第一级计算机选用Ｐｃ机，采用Ｖｃ＋＋编写控制软件，主要完成机器人路径规划、正向运动学和逆向运动学的计算，然后把计算结果通过ＲＳ２３２ｃ串行口送给下一级计算机。第二级计算机选用了Ａｔｍｅｌ公司８９ｃ５ｌ单片机实现，通过ＩｃＬ２３２芯片调制解调后与上位机串行口进行通信，它一方面接受Ｐｃ机下发的命令信息（如示教方式、自动方式、状态查询等）或各关节旋转角度数据，另一方面还要把各关节信息转发到下一级计算机执行。同时，它还具有独立的下位机手动示教键盘接口功能。第三级计算机也选用了Ａｔｍｅｌ公司８９ｃ２０５１单片机实现，通过内部并行数据总线和握手信号按约定的逻辑关系进行数据通信，它主要接受上一级计算机发来的命令和数据，然后控制对应关节电动机旋转相应的角度，驱动机器人手指到达所要求的位置。
３第一级与第二级之间通信设计
３．１通信连线和数据格式
这一层主要是Ｒｓ２３２ｃ串行通信，采用了最简单的三线方式．即发送数据线ＴｘＤ、接收数据线ＲｘＤ和公共地线，其连接如图３所示。
第一级计算机实现串行通信的方法有四种，包括利用ｗｉｎｄｏｗｓＡＰＩ通信函
数、利用Ｖｉｓｕａｌｃ＋＋的标
准通信函数（一ｉｎｐ，一ｉｎ。
ｐｗ，一ｉｎｐｄ，一ｏｕｔｐｗ，～
ｏｕｔｐｄ）、利用编写的通信
类、利用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌｃ
＋＋的通信控件
第一级—］ＴｘＤ
ＲｘＤ广第二级
计算机
计算机
口Ｉ堡婴ｌ业ｌ口８９Ｃ５１
Ｐｃ机
＿Ｊ：Ｌ
图３第一级与第三致
之间通信连线
（Ｍｓｃｏｍｍ）等。而这里采用了第四种即通信控件（Ｍｓｃｏｍｍ）的方式，这种方法编写的代码少，具有可移植性，提高了编程效率，增加了程序的可靠性。
在上述软件基础上进行通信时，必须约定数据格式。通信数据中包括命令和数据两种形式，其中几个特征字母约定如下：Ｍ～示教方式，Ｇ一自动方式，ｓ一启动命令，Ｒ一数据块开始，ｚ一数据块结束。
由于步进电动机步距角与关节旋转角度之间的比例为七＝０．００３６。／步，这样如果关节最大旋转角度为３６０。，则相应步数为１０００００步，对应十六进制数为１８６ＡＯＨ，也就是说必须用２．５个字节才能放得下。另外，考虑到串行通信之间只能传送ＡｓｃＩＩ码，这样每个关节至少发送五次才能完成。例如在自动方式下发送一个数据块（共３２个字节）的形式如下：斟Ｉ腰关节步数ｌｌ肩关节步数ｌｌ肘关节步数ｌＩ摆腕关节步数１Ｉ旋腕关节步数｜｜指关节步数１１ｚｌ
Ｍｓｃｏｍｍ控件提供了两种工作方式，即事件驱动方式和查询方式。事件驱动方式是一种非常有效的处理串口交互的方式，通过设置ｃｏｍｍＥｖｅｎｔ属性来设定串口需响应的事件，当相应事件或串口错误发生时，ＭｓＣｏｍｍ控件会激发一个Ｏｎｃｏｍｍ事件，在其？肖息响应函数中增加相应的事件处理代码，就可以完成串行通信。这种驱动方式响应及时，经常采用。而查询方式是通过查询串口的属性来了解串口发生的事件或错
表２ＭＳｃｏｍｍ控件的属性表
属性名称类型说明
ＣｏｍｍＰｏｒｔ串口号ｓｈｏｒｔ设置并返回通信端口
设置并返回端口状态，Ｐｏｒｔｏｐｅｎ
串口状态Ｂ００Ｌ
也可打开和关闭端口
设置字符串形式（波特率、Ｓｅｔｔｉｎｇｓ参数设置ＣＳｔｒｉｎｇ
奇偶校验、数据位、停止位）Ｉｎｐｕｔ读取数据ＶＡＲＩＡＮＴ从接收缓冲区返回数据Ｏｕｔｐｕｔ
发送数据ＶＡＲＩＡＮＴ向发送缓冲区写人数据
接收缓接收缓冲区大小，
ＩｎＢ珊ｆｅｒＳｉｚｅＩｎｔ
冲区默认１０２４Ｂｙｔｅｓ
发送缓发送缓冲区大小，
ＯｕｔＢｕｆｆｅｒＳｉｚｅＩｎｔ
冲区默认５１２Ｂｙｔｅｓ
万方数据
?３０?《机床与液压》２００４．Ｎｏ．７
误，并进行相应处理。在此机器人通信系统中就采用了事件驱动工作方式。其中Ｍｓｃｏｍｍ控件的属性如表２所示。
３．２第一级计算机中通信程序拉．３Ｊ
现给出使用的初始化子程序、发送子程序和接收子程序如下：
（１）对Ｍｓｃｏｍｍ控件初始化子程序
ＢＯＯＬＣＴｅａｃｈＤｌｇ：：ｏｎＩｎｉｔＤｉａｌｏｇ（）
｛ｍ—ｃｏｍ．ＳｅｔＣｏｍｍＰｏｒｔ（１）；／／选择ＣＯＭｌ
ｍ—ｃｏｍ．ｓｅｔＩｎＢｕｆｆｅｒＳｉｚｅ（１０２４）；／／设置输入缓冲区的大小，Ｂｙｔｅｓ
ｍ—ｃｏｍ．ｓｅｔｏｕｔＢｕｆｆｅｒＳｉｚｅ（５１２）；／／设置输出缓冲区的大小，Ｂｙｔｅｓ
ｉｆ（！ｍ—ｃｏｍ．（ｋｔＰｏｎｏｐｅｎ（））ｍ—ｃｏｍ．ＳｅｔＰｏｒｔＯｐｅｎ（ＴＲＵＥ）；／／手］‘开串口
ｍ—ｃｏｍ－ＩｎｐｕｔＭｏｄｅｌ（１）；／／设置输入方式为二进制方式
ｍ—ｃｏｍ．ＳｅｔＳｅｔｔｉｎｇｓ（”９６００，ｎ，８，１ｆＩ）；／／设置波特率、奇偶校验等参数
ｍ—ｃｏｍ．ｓｅｔＲＴＨｒｅｓｈｏｌｄ（１）；，／／为１表示有一个字符引发一个事件
ｍ—ｃｏｍ．ｓｅｔＩｎｐｕｔＬｅｎ（０）；／／为０表示读取全部内容
ｍ—ｃｏｍ．ＧｅｔＩｎｐｕｔ（）；／／清除接收缓冲区
ｒｅｔｕｍＴＲＵＥ；｝
（２）发送数据子程序
ＶｏｉｄＣＴｂａｃｈＭＤｌｇ：：ｏｎＷｒｉｓｔ（）
｛．…??／／准备要发送的旋转角度和相应的命令代码
ｃＢｙｔｅＡｍｙａｍｙ；／／保存待发送数据
……／／检查输入内容，并存人ａ删数组
ｍ—ｃｏｍ．ｓｅｔＲｒｒＳＥｎａｂｌｅ（０）；／／将串口ＲＴＳ置０，准备发送
ｍ—ｃｏｍ．Ｓｅｔｏｕｔｐｕｔ（ＣＯｌｅＶａｒｉａｎｔ（ａｒｍｙ））；／／发送数据
ｍ—ｃｏｍ．ｓｅｔＲＴｓＥｎａｂｌｅ（１）；｝／／将串口ＲＴＳ置ｌ，转换数据传送方向，接收数据
（３）接收数据子程序
ＶｏｉｄＣＴｅａｃｈＭｄｌｇ：：Ｓｔａｔｕｓ（ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒＲＤａｔａ［］，ｉｎｔ＆ｃｏｕｎｔ）
｛ＶＡＲＩＡＮＴｖａｒ；／／接收数据结构
ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ术ｐｖａｌ；／／接收数据指针
Ｃ０ｕｎｔ＝ｍ—ｃｏｍ．ＧｅｔＩｎＢｕｆｆｅ妃ｏｕｎｔ；／／读字节数Ｉｆ（Ｃｏｕｎｔ＞ＭＡＸＣＯＭＭＢＹＴＥＳ）Ｃｏｕｎｔ＝ＭＡＸ—ＣＯＭＭＢＹＴＥＳ：
玎Ｌｃｏｍ．ｓｅｔＩｎｐｕｔＬｅｎ（ｃ叫ｎｔ）；／／设置读取字节数ｖａｒ＝ｍ—ｃｏｍ．ＧｅｔＩｎｐｕｔ（）；／／读取缓冲区数据
ｐＶａｌ＝（ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ半）（ｖａｒ．ｐａｍｙ）一＞ｐｖＤａ—ｔａ）；／／取指向接收数据指针
ｆｏｒ（ｉｎｔＩ＝０；Ｉ＜Ｃｏｕｎｔ；Ｉ＋＋）ＲＤａｔａ［Ｉ］＝ｐｖａｌ［Ｉ］；｝／／保存数据；
３．３第二级与第一级计算机的通信程序设计。
第二级计算机采用８９ｃ５ｌ单片机，为了完成９６００波特率的通信功能，其晶振频率选用了１１．０５９ＭＨｚ，并且初始化设置必须与上位机保持一致。另外，还要说明的是，单片机串行端口为ｗＬ电平形式，而Ｐｃ机是ＥＩＡ电平形式，为了使两者相互兼容，在单片机侧选用了调制解调器集成电路ＩＣＬ２３２Ｃ、：
单片机串行口设置成中断工作方式，上位机一旦发送数据，单片机就进入中断服务程序中接收数据，完成后退出，并转入相应的处理过程。其中８９ｃ５ｌ串行口初始化程序如下：
０ＲＧ００２３Ｈ；单片机串行口中断矢量
ｆＪＭＰｓＥＲＶＥ；转中断服务程序
ＭＯＶＴＭ（）Ｄ，＃２０Ｈ；波特率设置，Ｔ１为方式２定时状态
ＭＯＶＴＬｌ，棚ＦＡＨ；Ｔｌ初始化
ＭＯＶＴＨｌ．｝｝０ＦＡＨ
ＭＯＶｓＣＯＮ，＃５０Ｈ；串行口工作方式ｌ
ＭＯＶＰｃ０Ｎ，＃８０Ｈ；设置ｓＭＯＤ＝１，波特率加倍
ＭＯＶＩＰ，＃１０Ｈ；设串行口中断优先
ＳＥＴＢＴＲｌ；启动定时器ｌ
ＳＥＴＢＥＡ；开中断
ｓＥＴＢＥｓ；允许串行口中断
４第二级与第三级之间通信设计【４］
４．１通信连线
图４第二级与第三级之间的通信连线
第二级计算机和第三级计算机之间通过自行约定的内部并行总线相连，如图４所示。其中包括８根并行数据线Ｄ０一Ｄ７（对应８９ｃ５ｌ的Ｐ０端口和８９ｃ２０５１的Ｐｌ端口）、３根关节编码信号线Ｃ１、ｃ２、Ｃ３（对应８９Ｃ５１的Ｐ３．５、Ｐ３．６、Ｐ３．７和８９Ｃ２０５ｌ的Ｐ３．２、Ｐ３．３、Ｐ３．４）、１根发送信号线ｓ（对应８９ｃ５ｌ的Ｐ２．０和８９ｃ２０５１的Ｐ３．１）、１根应答信号线Ｄ（对应８９Ｃ５１的Ｐ３．４和８９ｃ２０５１的Ｐ３．Ｏ）。由于每次只有
万方数据
《机床与液压》２００４．Ｎｏ．７?３１?
一个８９ｃ２０５ｌ才能收到数据，所以，这里将６个
８９ｃ２０５】的应答信号相或后送给８９ｃ５】，以此减少端
口数目
４．２握手信号的逻辑配合
在如图４所示通信连线中，ｓ和Ｄ是两根握手信
号线，逻辑配合过程如下：设发送数据前所有通信端
口均为低电平，当第二级汁算机要向第三级计算机发
送数据时，先将数据放在Ｄｌ～Ｄ７上，然后设置关节
编码信息Ｃｌｃ２Ｃ３（００ｌ一腰、（）１０一肩、０１１一肘、
１００一摆腕、１０ｌ一旋腕、１１０一手指），稳定后置ｓ信
号为高电平，表明开始发送数据，这时六个８９ｃ２０５１
均渎入编码信息，查看是否是自己的数据，如果不是
则退出等待下次接收数据；如果是则读入该字节数
８９（！ｓｌ通信甜始
霞发送数据Ｄ０一Ｄ７
设关节编码信息
置发送信号ｓ为岛
土！
清发送信号ｓ为低＜之芝竺竺≥ｋ◇●Ｙ厂磊击靠
８９ｃ２０５ｌ通信开始ｒ二ｊｓ为高时进入ｌ（与荚诲编袒５相对应）
读入数据并保存
置接收信号Ｄ为高
土：
清接收信号Ｄ为低
土１
８９ｃ２０５ｌ通信结束
图５第二级与第三级之间的通信流程图
据，并置应答信号为高，当８９ｃ５１收到Ｄ为高时得
（上接第１６页）
度、降低消耗，并可用于指导生产实践。有着广泛的应用前景。
图３知数据发送成功，则清ｓ信号为低，当８９ｃ２０５１查到ｓ信号为低时则清应答信号Ｄ为低。至此表明该次通信传送的一个字节完成，如果需要则重复上述过程继续传送第二、第三个字节。，
４．３软件实现
根据上述通信过程的描述没计出第二级（８９（引）和第三级（８９ｃ２０５１）计算机之间通信软件流程如图５所示。
５小结
机器人控制系统体系结构很多，相应的通信系统各育特点．．而这里介绍的多关节机器人通信系统采用两层通信网络，实现了三层计算机多ｃＰｕ并行工作．这种模式具有一定的通用性和代表性，只要稍加修改即可应用于类似场合。将这种通信体系结构应用于自行研制的ＮＧＲ０ｌ型教学工业两用型机器人控制系统中，经过长时间运行，通信可靠，性能稳定，并且正进行产品化，不久将推向市场。
参考文献
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【３】李现勇．Ｖｉｓｕａｌｃ＋＋串口通信技术与工程实践．北京：人民邮电出版社，２００２．
【４】何立民．Ｍｃｓ～５ｌ系列单片机应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，１９９０．
作者简介：徐开芸（１９６６～），女，江苏仪征人，南京工程学院工程师，主要研究方向是计‘算机控制和自动化装置等。电话：０２５—３４９７７５６／叭３８１３８４８０４９，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｕ．ｋａｉｖｕｎ７７６＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ。，
参考文献，
【ｌ】向世民．ＯｐｅｎＧＬ编程实例．电子工业出版社，１９９９．【２】蔡自兴．机器人学．清华大学出版社，２０００．
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【７】朱玉蓉，工业机器人运动学仿真理沦分析与数学建模．郑州工程学院．硕士论文，２００３．
【８】孟飞，基于０ｐｅｎＧＬ的工业机器人运动学仿真与研究．郑州工程学院硕士论文，２００３．
作者简介：翟雪琴（１９７６一），女，在读研究生机械设计及自动化。，联系方式：电话０３７ｌ一７７１５４８７，Ｅ—ｍａｉ＿｜：ｚｈａｉｘｕｅｑｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ。
收稿时间：２００３—０６—２３ 万方数据
多关节机器人实用通信系统的构建
作者：徐开芸， 饶华球
作者单位：南京工程学院,江苏,南京,210013
刊名：
机床与液压
英文刊名：MACHINE TOOL & HYDRAULICS
年，卷(期)：2004，(7)
引用次数：7次
参考文献(4条)
1.汪木兰.饶华球.徐开芸.张四弟NGR01型机器人电气控制系统设计[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术
2003(4)
2.刘小石精通Visual C++6.0 2000
3.李现勇Visual C++串口通信技术与工程实践 2002
4.何立民MCS-51系列单片机应用系统设计 1990
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煤矿救援探测机器人地下稳定可靠的通信与良好的人机交互能力是搜救工作的保障.提出了远程有线通信和近距离无线通信相结合的方式,它可保障救援机器人通信正常工作.此外,多机器人协同工作是今后的发展趋势.
5.学位论文徐璟业F-180小型足球机器人通信网的设计实现2005
本文论述了F-180小型足球机器人系统，包括机器人小车、视觉、决策和无线通信四个子系统。其中无线通讯系统是衔接主机和底层机器人之间联系的不可缺少的一环，它必须保证从主机端到机器人底层之间的数据传送是可靠的，从而使得机器人比赛能够顺利流畅进行。由于比赛双方都有多个机器人同时在场地上跑动，要求无线通讯有一定的抗干扰性。无线通讯系统的性能，相当程度上直接影响着机器人的场上表现。 本文对F-180小型足球机器人的通信系统进行了深入的研究，由于现有的小型足球机器人的通信系统都是简单的单向广播式通信系统，无法满足各个机器人自主决策的需要。因此本文设计并实现了一种应用于此种机器人比赛的无线通信网络包括相应的网络协议设计和系统具体的软硬件实现，最后还给出了针对这个网络的理论性能参数和具体实验测量结果。
6.期刊论文吴楠.郭培源.WU Nan.GUO Pei-yuan基于E-LINK网络数据传输技术的远程机器人通信系统-北京工商
大学学报（自然科学版）2007,25(1)
介绍了由上位机、E-LINK网络数据传输器、机器人组成的远程机器人实时通信系统. 以E-LINK网络数据传输器与机器人的双向通信为重点,介绍了应用VC++软件程序,使得控制指令从上位机通过局域网络下传到E-LINK网络数据传输器,再通过RS232下传到机器人的过程,实现了机器人前行、后退、避障、左转、右转、停止、视频监视等各种控制.
7.会议论文顾宇俊.周亦敏.邱立强机器人无线网络通信系统的研究2006
本文探讨基于无线通信网络的机器人遥操作,对目前主要应用的二种无线通信网络技术(即无线局域网、GPRS移动通信网络)在楼宇环境下对机器人进行遥操作控制进行了研究,并通过实际应用予已验证.
8.学位论文梁锋多机器人系统的控制和数据通信系统的研究和实现2007
随着机器人技术的发展，人们将更多的精力转移到多机器人系统中。事实证明，使用多机器人系统可以更好的完成复杂任务。多机器人系统的研究尚属起步阶段。控制结构、通信、冲突解决是多机器人系统的主要研究内容。本文以类人机器人为平台，在多机器人系统的控制和数据通信系统做了初步的研究。 本文首先介绍智能体和多智能体系统，多智能体机器人系统(MARS)是多智能体的概念在机器人学领域的一个具体应用。根据智能体的抽象描述设计出智能体的计算机模型。智能体计算机模型由核心调度模块和各功能模块组成。 对类人机器人控制器的软硬件进行设计和实现是本文的主要工作。机器人控制器分为多舵机机控制模块、有线和无线数据通信模块、行为数据存储模块和电源模块。机器人的控制软件是核心。以智能体的标准分别设计各个功能模块的程序，功能模块由智能体处理核心进行统一调度。该控制程序具有良好的可移植性和扩展性，可以方便的在不同的微控制器中进行移植，并且能够很容易的实现对于1～24自由度机器人的控制。 本文多智能体机器人系统采用C/S模型，并给出数据通信接口的数据类型设计。通过并对常用的实时调度算法的研究，决定采用蚁群算法作为实时调度算法，并对该算法在实时调度应用中进行优化，最后给出算法流程设计。
9.学位论文毛洋林消防侦察机器人控制及通信系统的设计与实现2004
消防侦察机器人是国家863及上海市科委重点支持的重大项目.本文的主要研究内容是消防侦察机器人的图像及数据通信传输系统,该系统主要由采集功能模块、无线数据通信模块和中央控制模块以及主控测试模块等组成,文中给出了系统的设计方案及具体的软硬件实现.为了达到消防侦察机器人通信系统所要求的可靠、稳定等目标,系统采用了公网GPRS无线通信和高频无线数据通信的双通道无线通信策略,着重研究了多通信信道下的各类数据传输、接收、分发等机制,具有创新点.此外,本文介绍了该设计系统所涉及的GPRS基础理论和uClinux操作系统的基础理论.
10.学位论文李斌MiroSot 3Vs3机器人足球比赛小车控制与通信系统研究2008
机器人足球比赛是近年来迅速开展起来的高科技对抗活动，涉及机器人学、计算机技术、数字通讯、图象处理、传感器数据融合和人工智能等多个领域，为多智能提系统、自主机器人等理论研究以及各种相关学科的研究提供了良好的试验平台，是理论密切联系实际极富生命力的成长点。
MiroSot足球机器人系统包括视觉、决策、通信和机器人小车四个子系统。通信子系统是决策子系统和机器人小车信息传递的桥梁，机器人小车是机器人足球系统的执行机构，足球机器人能否实现决策意图取决于通信系统的性能和机器人小车的性能。本文对MiroSot机器人系统的无线通信和机器人小车子系统进行了深入研究。 本论文搭建了一套完整的MiroSot 3VS3机器人足球比赛系统，该系统采用DSP5416作为主控芯片，同时采用基于nRF905的射频电路进行无线通信，采用CPLD实现逻辑控制、地址译码等功能。论文同时采用C语言和汇编语言混合编程模式完成了相关系统软件设计，包括系统主程序设计、FLASH编程与擦写程序设计、DSP内存定位程序设计、BOOT程序设计、无线通讯模块控制子程序设计、电机驱动程序设计等。论文还结合光电测速单元，实现了增量型数字PID算法控制。实验表明，本论文设计的无线通信和机器人小车子系统基本达到MiroSot机器人足球比赛要求。
引证文献(7条)
1.闫桥梁.庄海军机器人运动仿真系统的移植与开发[期刊论文]-机械制造与自动化 2008(03)
2.汪木兰.徐开芸.饶华球.张思弟虚实结合的多关节机器人开放式仿真系统研究[期刊论文]-系统仿真学报
2007(21)
3.汪木兰.张崇巍.徐开芸多关节虚拟机器人构建与运动学实现[期刊论文]-制造业自动化 2006(02)
4.汪木兰.徐开芸.饶华球.张思弟基于改进型BP神经网络多关节机器人逆向运动学求解[期刊论文]-南京航空航天大学学报 2006(z1)
5.徐开芸.汪木兰.饶华球.张思弟NGR01型多关节机器人智能遥控器的研制[期刊论文]-南京工程学院学报（自然科学版） 2006(02)
6.汪木兰.张崇巍.谢震通用型机器人关节控制器的研制[期刊论文]-制造业自动化 2005(05)
7.汪木兰.张崇巍.饶华球.张思弟多关节机器人通用体系结构的研究[期刊论文]-机床与液压 2005(02)
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移动机器人定位--传感器和技术 摘要 确切的了解车辆的位置是移动机器人应用的一个基本问题。在寻找解决方案时，研究人员和工程师们已经开发出不同的移动机器人定位系统、传感器以及技术。本文综述了移动机器人定位相关技术，总结了七种定位系统：1.里程法；2.惯性导航；3.磁罗盘；4.主动引导； 5.全球定位系统； 6.地标式导航和 7.模型匹配。讨论了各自的特点，并给出了现有技术的例子。 移动机器人导航技术正在蓬勃发展，正在开发更多的系统和概念。因为这个原因，本文给出的各种例子只代表各自的种类，不表示作者的倾向。在文献上可以发现许多巧妙的方法，只是限于篇幅，本文不能引用。 1。介绍 摘要概述了该技术在传感器、系统、方法和技术的目标，就是在一个移动机器人的工作环境中被找到。在测量文献中讨论这个问题，很明显，不同方法的基准比较是困难的，因为缺乏公认的测试标准和规的比较。使用的研究平台大不相同，用于不同的方法的关键假设也大不相同。再进一步，困难源自事实上不同的系统是处在其发展的不同阶段。例如，一个系统已经可以商业化；而另一个系统，也许有更好的性能，却只能实验室条件下作有限的测试。正是由于这些原因，我们一般避免比较甚至判断不同系统或技术的表现。在这篇文章里，我们也不考虑自动引导车(AGV)。AGV使用磁带、地下的引导线、或地面上的彩色条纹在作引导。这些小车不能自由设计路径，不能改变自己的道路，那样它们无法响应外部传感器输入（如避障）。然而，感兴趣的读者可能会在[Everett, 1995]找到AGV引导技术调查。 也许最重要的移动机器人定位文献的阅读结果，正是到目前为止，并没有真正完美的解决问题的方案。许多局部的解决办法大致分为两组：绝对的和相对的位置测量。因为缺乏一种完善的方法，开发移动机器人通常结合两种方法，从每个小组选一个方法。这些方法可以进一步分为以下七类: I：相对位置的测量（也称为Dead-reckoning） 1。里程法 2。惯性导航 II：绝对位置测量（基于参考的系统） 3。磁罗盘 4。主动发射引导 5。全球定位系统 6。地标式导航 7。模型匹配
六轴关节机器人机械结构 e y . <7>J4 akis motor <8>J5 axis / tiKi呂motor 说uation Mdr / Flhaw -U 」￡: □nis rritx r crc .inTi * 12；、JE处也mn空 < 13 ■ J6 axis red jction gear ■ S J3 axi reduct ken / \<1t）〉J5 酣仪timi啊belt i < / /<1 1>J5 3ME Wrist hoqsine/ / r也［juGlidn 営凸mr <2>J1 axis n'dijnt rm 3" J? miG irctci： <4>J2 axis rrdi.nt nn ￡rn^ 上图为常见的六轴关节机器人的机械结构，六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带 轮等驱动六个关节轴的旋转，注意观察一、二、三、四轴的结构，关节一至关节四的驱动电机为空心结构，关节机器人的驱动电机采用空心轴结构应该不常见，空心轴结构的电机一般 较大。采用空心轴电机的优点是：机器人各种控制管线可以从电机中心直接穿过，无论关节轴怎么旋转，管线不会随着旋转，即使旋转，管线由于布置在旋转轴线上，所以具有最小的 旋转半径。此种结构较好的解决了工业机器人的管线布局问题。对于工业机器人的机械结构 设计来说，管线布局是难点之一，怎样合理的在狭小的机械臂空间中布置各种管线（六个电机的驱动线、编码器线、刹车线、气管、电磁阀控制线、传感器线等），使其不受关节轴旋 转的影响，是一个值得深入考虑的问题。 机器人的腕部结构常见有如下几种结构
?3RS 在这三种手腕部的结构中，以第一种（RBR型）结构应用最为广泛，它适应于各种工作场合，后两种结构应用范围相对较窄，比如说3R型的手腕结构主要应用在喷涂行业等关节设计： 对于国外的工业机器人主要制造国家来说，六轴关节机器人的研发设计及制造已经有好几十 年的历史了，整个工业机器人的研发制造体系较为完善，他们的技术相对来说比较成熟，他们 在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新，他们的技术对于国内来说，近乎完美?而 国内目前这个行业还处在黎明前的黑暗阶段，虽然有不少公司有这个研发意图，或者正在研发途中，不管怎么说，浮出水面公布自己正在研发或者研发成功的公司应该说是极少数，即使宣布自己研发成功，也只是初步试验成功，真正产业化、商品化还有一段相当漫长的路要走?而更多的公司还停留在项目立项、技术评估、投入风险分析的阶段?由于国内做这个行业的 很少，相关的结构也没有什么可参考的，技术储备不足，少数的单位或个人有机会能够拆拆别 人的机器，拆个一知半解，更多的人只能在旁边看看了（比如说我，想拆都没机会A_A），还好了，网络资源丰富，今搜集到不少机械结构方面的图片，分享给大家参考，希望咱们做机械设计的（我应该也算是个机械工程师啊A_A毕竟我也是做机械的）少走点弯路，做出更好的机器? 六轴关节机器人的腕部关节设计较为复杂，因为在腕部同时集成了三种运动?小型的六轴关 节机器人的腕部关节主要采用谐波减速器?下面的图片较为详细的描述了常见的六轴关节机 器人的腕部结构?
机器人技术是综合了许多学科的知识，例如计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当今研究领域十分重视的课题，机器人在很多领域都得到广泛应用。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志，因而受到各先进工业国家的重视，投入大量人力物力加以研究和应用。 本文的主要任务和要解决的问题，是设计一台六自由度的机器人，在已有的技术资料的基础上，通过分析，确定腕部的传动系统，然后假设腕部末端的结构，确定腕部的输出功率，然后计算出腕部所需的电机。在确定电机和传动机构的基础上，对锥齿轮和传动中所需的带轮以及同步齿形带进行设计，并且对它们进行校核，确定所设计的腕部结构能够配合机器人的其他结构进行喷漆动作。并用CAD软件完成从建模到运动学分析、应力分析的全过程。需要全面理解机械原理、机械设计、机械系统设计以及CAD制图标准等相关的知识，并考虑其可靠性、实用性、经济性等性能。 本课设在已有理论基础上，针对以往研究的不足，根据实际使用要求，确定采用六自由度的关节型机器人结构方案;由于机器人结构复杂，构件繁多，需要用高端软件配合进行建模，装配的工作，而我们现有的材料相当有限，所以本课设只是设计了机器人的腕部结构;并采用CAD绘制了其装备和零件图，并对其中某些零件的强度进行了校核，使腕部的整体结构能够满足工作的要求。 关键词:机器人腕部
1绪论 (1) 1.1机器人的组成 (2) 1.1.1驱动装置 (2) 1.1.2控制系统 (2) 1.1.3执行机构 (2) 1.2机器人分类 (4) 1.2.1按用途分类 (4) 1.2.2按控制形式分类 (4) 1.2.3按驱动方式分类 (4) 1.3腕部结构选形 (5) 1.3.1单自由度手腕 (6) 1.3.2两自由度手腕 (7) 1.3.3三自由度手腕 (8) 1.3.4装配机器人腕部结构选型 (9) 1.4机器人设计 (11) 2末端执行器 (12) 2.1夹持器 (12) 2. 2拟手指型执行器 (13) 2. 3吸式执行器 (13) 3腕部设计 (15) 3.1手腕结构的选择 (15) 3.2传动装置的运动和动力参数计算 (17) 3.2.1选择电机 (17) 3.2.2分配系统传动比和动力参数的设计 (19)
目录 1 前言 (1) 1.1 课题来源与分析 (1) 1.2 国内外发展及研究现状 (1) 1.3 本课题要解决的主要问题及设计总体思路 (3) 2 关节型机器人的总体设计 (4) 2.1 确定基本技术参数 (4) 2.1.1 机械结构类型的选择 (4) 2.1.2 额定负载 (4) 2.1.3 操作机的驱动系统设计 (5) 2.1.4 确定关节型机器人手臂的配置形式 (5) 2.2 关节型机器人本体方案设计 (6) 3 关节型机器人腰部及大臂部设计 (8) 3.1 电动机的选择 ........................................................................... 错误！未定义书签。 3.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比 ....................... 错误！未定义书签。 3.3 基座及腰部轴的设计计算 ....................................................... 错误！未定义书签。 3.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率 ....................................... 错误！未定义书签。 3.3.2轴的结构设计 ..................................................................... 错误！未定义书签。 3.4 肘关节轴的设计计算 ............................................................... 错误！未定义书签。 3.5 齿轮设计计算 ........................................................................... 错误！未定义书签。 3.5.1基座处齿轮设计计算 ............................................................ 错误！未定义书签。 3.5.2肘关节处齿轮设计计算 ........................................................ 错误！未定义书签。 3.6轴承的选择和计算 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.7 壳体设计 ................................................................................... 错误！未定义书签。 3.7.1 箱体的主要功能 ................................................................... 错误！未定义书签。 3.7.2 箱体设计的问题和要求 ....................................................... 错误！未定义书签。 3.7.3 壳体结构的设计 ................................................................... 错误！未定义书签。 3.7.4 箱体结构参数的选择 ........................................................... 错误！未定义书签。 4 关节型机器人的位姿分析..................................................... 错误！未定义书签。 4.1 机器人的位姿与运动分析 ....................................................... 错误！未定义书签。 4.2关节型机器人的广义连杆变换齐次矩阵 ............................... 错误！未定义书签。5结论...................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献.................................................................................. 错误！未定义书签。致谢 ................................................................................... 错误！未定义书签。附录.................................................................................. 错误！未定义书签。
工业领域中一般多用6关节型机器人，根据所学内容谈谈该种机器人都有哪些部件组成，每个部件的工作原理及选择该部件的依据 图例 六关节型机器人，又称之为“六自由度型机器人”。是我们大型工业生产中，使用相当广泛的一种机器人类型。如图所示的，为一个基本的六关节型机器人，亦是最常见的六关节型机器人。其基本结构为由六个转轴，组成的空间六杆开链结构机器人。由七个部件和六个关节连结而成的，拥有六个自由度，每个自由度均为旋转关节，具有与外界交互性能良好的开式结构。 由此例，我们可以得出，该类机器人的机械结构部件由主要是以三个主要部件所组成：机身部件、手臂部件、手腕及手部部件所组成的。 绝大多数的六关节型机器人都是以机座回转式的机身部件为基础，他的作用是直接连接、支承和传动机器人的主要运动机构。而六关节类的机器人通常是用在汽车或者其他较大型设备的生产流水线里，需要一套运动范围相对较大且可以有效率的进行生产的机器人设备，这也是六关节机器人通常使用回转式机座型机身的原因。 连结在机身上进行承载传动的，则是该类机器人最主要的部分，亦是关节使用最多的运动机构，通常为机械臂形式的手臂部件。通常手臂部件是由与机身部件相连接的大臂带动的第二关节、第三关节和小臂与手部组成的第四关节所形成的，手臂部件的作用是支承腕部和手部，并带动它们在空间运动。
手臂部件（简称“臂部”），在六关节类的机器人身上，比较常使用的是“转动伸缩型臂部结构”。该类臂部的好处，是使得机器人的工作范围大适应性广，配合其大角度大范围的手腕活动，使它工作时位置的适应性很强。是在实际生产中，对于大幅度提高大型设备的生产效率，起到了一个良好的基础作用。 而在整套机械结构末端的，是其腕部及其手部部件，主要是由腕部与臂部连结的第四关节和手部自身旋转或者夹持所用到的第五、第六关节所组成的。它的主要作用是确定手部的作业方向，而多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。 要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：(1 臂转：绕小臂轴线方向的旋转。（第四关节的旋转）(2手转：使手部绕自身的轴线方向旋转。（第五关节的旋转）(3腕摆：使手部相对于臂进行摆动。（第六关节的旋转） 在实际的生产中，这套部件决定了该类型机器人在操作流水线上的生产方式，机器人的手部是最重要的执行机构，是实际生产中最重要的一个环节，他决定了产品生产的效率和质量。在工业生产中用到的六关节类机器人，通过运用不同类型的手部，进行着各种直接的生产操作。 总体而言，六关节型机器人其第一关节旋转轴（基座旋转轴）、第四关节旋转轴、第六关节旋转轴（手腕端部法兰安装盘的旋转中心）在同一个平面内；第二关节旋转轴、第三关节旋转轴以及第五关节旋转轴互相平行，而且与前面提到到平面垂直；另外，还需要保证第四关节旋转轴线、第五关节旋转轴线以及第六关节旋转轴线相交于一点。采用该种结构的工业机器人可以使得其运动学算法最为简单可靠。
复杂环境下多移动机器人协同路径规划 多移动机器人协同路径规划是机器人导航研究领域中极具挑战性的问题。复杂环境下多移动机器人协同路径规划,需要为各机器人寻求一条从起始点到目标点的最优路径,同时保证机器人间以及机器人与动、静态障碍物之间无碰撞。因此,如何实现机器人间的避碰和机器人与动态障碍物的避障是该问题的研究难点。当前大部分研究仍聚集于静态环境下单机器人路径规划,复杂环境下多移动机器人协同路径规划问题仍是亟待解决的难题。本文主要工作如下:1)针对单机器人全局路径规划问题,采用约束满足法构建优化数学模型,并结合问题属性提出一种改进蚁群算法。利用当前节点的局部路径方向与起始点至终点的欧式路径方向夹角设计新启发式函数,引导机器人沿最短路径行走;根据可选节点数量设计避障规则,提高避障能力;依据路径长度对信息素进行比较更新,提高算法收敛速度。实验表明,改进算法性能优于原始蚁群算法。2)针对静态环境下多移动机器人协同路径问题,构建以路径长度短和暂停时间少为目标的多目标数学模型。考虑到机器人之间存在碰撞冲突,研究启发式规则对冲突进行消除。以单机器人全局路径规划为基础,研制出一种基于全局路径规划和融入启发式规则的局部路径调整的两阶段规划算法求解该问题,仿真实验表明了该算法的有效性。3)针对动态环境下多移动机器人协同路径规划问题,基于静态环境下多移动机器人路径规划的研究成果,根据动态障碍物的运动性质研究避障方法,消除机器人与动态障碍物的碰撞冲突。设计了相应的仿真实验,结果表明了该方法的有效性。4)考虑
到企业的实际需要,设计了多移动机器人协同路径规划系统。该系统具有较好的集成性和开放性,提供了用户登录、用户管理、单机器人调度方案和多机器人调度方案等交互界面,满足用户在不同运行环境下的需要。
第1章绪论 1.1 引言 工业机器人的出现和高速发展是社会、经济发展的必然，是为提高社会的生产水平和人类的生活质量，让机器人替人们干那些人们不愿干、干不了、干不好的工作。我国对于工业机器人的定义为：“一种自动化的机器，所不同的这种机器具备一些与人或者生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。 20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如图0.2所示，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。 1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年，美国发明家英格伯格与德沃尔制造出世界上第一台工业机器人Unimate以来，从此工业机器人在现代化社会工业生产的环节中的占比与日俱增。同时伴随着新一轮工业革命及科技革命的到来，各国对于工业现代化都提出了更高的要求，德国提出了“工业4.0”美国提出了“先进制造业国家战略计划”，并采取多种措施“吸引制造业回流”，英国提出了“高价值制造业战略”，日本提出了“产业复兴计划”、法国提出了“新工业法国”等。中国作为全球制造业中心，更要做好充分准备，提升中国制造业的国际竞争新优势，打造中国的工业现代化、做大做强中国制造，对此，我国提出了“中国制造2025”战略。在这场全球聚焦的科技革命中，机器人由于其安全，高效，智能，高精度及稳定性必将在这场革命中发挥巨大的作用。
第一章绪论 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业,还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造中的一个重要组成部分。机器人显著地提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。因而受到各先进工业国家的重视，投入大量人力物力加以研究和应用。 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手,统称为机器人。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是除了具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。它可以灵活运用在工业上的各个方面，如喷漆、焊接、搬运等。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外称为“Mechanical Hand "，它是为主机服务的，由主机驱动;除少数外，工作程序一般是固定的，采用机械编程。因此是专用的。 本课题通过对通用机器人smart6.50R 的结构进行分析和研究，完成对其腕部的设计，最终期望腕部与小臂、手部、大臂能够协调工作，能够完成各种现代工业加工过程中所要求的动作。 本课题的设计思路是：借助已有的通用机器人的腕部设计思想和方法，综合考虑腕部机构在机器人运动中所起的作用和机器人的整体技术参数。
工业机器人的五大机械结构和三大零部件解析 根据国际机器人联合会（International Federation of Robotics；简称IFR）定义，机器人分为工业机器人（Industrial Robots）及服务型机器人（Service Robots）。其中，目前工业机器人又佔全球机器人80％的市佔率，远高于服务型机器人。 若以机械结构来看，工业机器人可区分为单轴机器人、座标机器人、水平多关节机器人（SCARA）、垂直多关节机器人以及并联式机器人（DELTA）等，以下依序就这五种类型来说明。 一、工业机器人之五大机械结构 1. 单轴机器人 单轴机器人一般分为两种传动方式，一为滚珠螺杆传动，二为同步齿形带（简称：同步带）传动，两种皆是以直线导轨做为导向，并配合伺服电机或步进电机，来实现不同应用领域的定位、移载、搬运等等。透过不同的组合样式，还可以实现两轴、三轴、龙门式的组合。单轴机器人的应用领域涵盖半导体、家电、医疗、汽车、包装、点胶机、焊接、切割、检测等自动化应用领域，而台湾的上银科技在单轴机器人的市场名列全球前三。 2. 直角座标机器人 直角座标机器人是基于X、Y、Z直角座标，在各座标的长度范围内进行工作或运动，适用于搬运、取放等作业，可应用的领域包括射出成型机取出用手臂、移动并定位、堆迭、锁螺丝、切割、装夹、压入、插取、装配、自动药房等。 台湾机器人相关业者数量约有80家，现有40家以上的业者可从事座标机器人相关设备的设计开发，所使用的关键零组件国产化程度较高。在射出成型机取出用机械手臂中，天行自动化（Alfa）与台湾精锐（Apex）为该领域之领先业者，并在中国大陆具有一定的市场佔有率。 3. 水平多关节（SCARA）机器人
BONMET ROBOT 在当今高度竞争的全球市场，工业实体必须快速增长才能满足其市场需求。这意味着，制造企业所承受的压力日益增大，既要应付低成本国家的对手，还要面临发达国家的劲敌，二后者为增强竞争力，往往不惜重金改良制造技术，扩大生产能力。 自动化的优势 机器人自动化一系列广受好评的优势，可参见”投资机器人的10大理由”。许多行业尤其是工程、食品等传统行业，普遍面临劳动力老龄化、对年轻人缺乏吸引力的问题。引入机器人解决方案之后，可减轻对传统技术人员的依赖，充分发挥IT、计数机等新兴技术的优势，相关人才也更容易在年轻一代中物色。 改善困难的工作条件与安全性 在高温、腐蚀等高危环境中，高柔性的自动化系统能够代替工作
人员勇挑重担。工作人员从事高度重复性的操作，稍有不慎就会造成经济或质量损失等。而实现自动化作业之后，工作人员便可以转调到对技能要求更高的岗位，工作成就感也将随之上升。恻然解决了招人难、留人难、老龄化这些问题。 优质稳定的产品与工艺降低生产成本 高度柔性的机器人自动化系统能根据市场需求的波动灵活性增减产量；每逢订单激增，即可安排夜班或周末班，而只负担有限的加班成本。机器人自动化还能加快产品转换，在确保品质恒定如一的同时，实现小批量、短周期、多频次供货，从而提升服务水准。自动化系统的重复定位精度与一致性俱优，加工公差更小，工艺控制更严，能长期确保优异的产品质量、最大限度降低生产和劳动力成本。 提高生产效率 机器人是开源节流的得利助手，能有效降低单位制造成本。只要给定输入成值，机器人就可确保生产工艺和产品质量的恒定一致，显著提高产量。自动化将人类从枯燥繁重的重复性劳动中解放出来，让人类的聪明才智和应变能力得以释放，从而生产更大的经济回报。
六轴关节机器人机械结构 上图为常见的六轴关节机器人的机械结构,六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转，注意观察一、二、三、四轴的结构,关节一至关节四的驱动电机为空心结构，关节机器人的驱动电机采用空心轴结构应该不常见,空心轴结构的电机一般较大.采用空心轴电机的优点是：机器人各种控制管线可以从电机
中心直接穿过，无论关节轴怎么旋转，管线不会随着旋转,即使旋转，管线由于布置在旋转轴线上，所以具有最小的旋转半径。此种结构较好的解决了工业机器人的管线布局问题。对于工业机器人的机械结构设计来说，管线布局是难点之一，怎样合理的在狭小的机械臂空间中布置各种管线(六个电机的驱动线、编码器线、刹车线、气管、电磁阀控制线、传感器线等)，使其不受关节轴旋转的影响，是一个值得深入考虑的问题.?机器人的腕部结构常见有如下几种结构:?
在这三种手腕部的结构中，以第一种(ＲBＲ型)结构应用最为广泛,它适应于各种工作场合，后两种结构应用范围相对较窄，比如说3Ｒ型的手腕结构主要应用在喷涂行业等。?关节设计：?对于国外的工业机器人主要制造国家来说，六轴关节机器人的研发设计及制造已经有好几十年的历史了,
整个工业机器人的研发制造体系较为完善,他们的技术相对来说比较成熟，他们在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新，他们的技术对于国内来说，近乎完美。而国内目前这个行业还处在黎明前的黑暗阶段，虽然有不少公司有这个研发意图，或者正在研发途中，不管怎么说，浮出水面公布自己正在研发或者研发成功的公司应该说是极少数，即使宣布自己研发成功，也只是初步试验成功,真正产业化、商品化还有一段相当漫长的路要走.而更多的公司还停留在项目立项、技术评估、投入风险分析的阶段.由于国内做这个行业的很少，相关的结构也没有什么可参考的，技术储备不足，少数的单位或个人有机会能够拆拆别人的机器，拆个一知半解，更多的人只能在旁边看看了(比如说我，想拆都没机会＾_^），还好了,网络资源丰富,今搜集到不少机械结构方面的图片,分享给大家参考，希望咱们做机械设计的(我应该也算是个机械工程师啊^_^毕竟我也是做机械的）少走点弯路,做出更好的机器.?六轴关节机器人的腕部关节设计较为复杂,因为在腕部同时集成了三种运动．小型的六轴关节机器人的腕部关节主要采用谐波减速器。下面的图片较为详
关节型机器人腕部结构结构设计 1绪论 1.1 选题背景及其意义 本题设计的是关节型机器人腕部结构，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及控制系统设计，此课题来源于实际生产，对于目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练成都要求高，因此采用机器人技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产力，实现生产过程自动化， 改善劳动条件。题目要求是：动作范围：手腕回转ο150,摆动ο90,旋转ο360。各 轴最大速度要求：s /30ο。额定载荷kg 5，最大速度s m /3。2、腕部最大负荷： 5kg 。机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。自古以来,人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机器。特别是在20世纪20年代前后,捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品,更使机器人在人们的思想中成为一种无所不能的“超人”。在现实生活中,一些民间工匠根据这些文学描绘,也制造出一些仿人或仿生的机器人。然而在当时的科技条件下,要使机器人具有某种特殊的“智能”而成为“超人”,显然是不可能的。美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手,他首先突破了对机器人的传统观点,提出机器人并不一定必须像人,但是必须能做一些人的工作。1954年,他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置,发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文,并获得了美国专利。戴沃尔将遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起,预定的机械手动作一经编程输入后,机械等就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人也可以接受示教而完成各种简单任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器中，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。 1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 随着全球能源短缺、环境污染以及温室效应等问题的日益突显。寻找可持续
基于Multi-Agent的多机器人编队控制 摘要：多移动机器人协调是当前机器人技术的一个重要发展方向。多移动机器人之间的协调与 合作将大大提高机器人行为的智能化程度，完成由单个机器人难以完成的更加复杂的作业。多 移动机器人协调技术的研究对提高机器人的智能化水平及加快机器人的实用化进程具有重要的 理论研究意义和实用价值。本文结合多智能体技术对多机器人编队控制进行了研究，同时根据 具体的多机器人系统，进行了仿真实验。验证了多智能体技术在机器人编队控制系统中的应用，完成了小规模的编队控制。 关键词：多智能体；多机器人；编队控制；协调控制；模糊控制 Multi-robot Formation Control Based on Multi - Agent Abstract :The problem of multi-robot cooperation and coordination is central to mobile robotics. Cooperation and coordination will improve the intelligent performance of robots and can complete lots of impossible missions for single robot.The research on multi-robot cooperation and coordination is of great academic and applied significance. The multi-robot formation is developed combined with the multi-agent technology in this dissertation, and the simulation is done with the multi-robot system. The application of multi-agent is verified in the multi-robot formation control through a small system adopt the fomation control. Key words: Multi-agent ;Multi-robot ;Formation control;Coordination control;Fuzzy control 1. 国内外机器人系统发展现状 自80年代末以来，基于多智能体系统理论研究多机器人协作受到了普遍的关注，从军事领域到工业与民用领域，从星际探险到海底考察，从比赛到教学，都取得了不同程度的进步。近年来，在IEEE R&A,IROS等著名的国际机器人学术会议上，几乎每次会议都有多智能体协作机器人系统的专题。一些机器人学术刊物出版了有关多智能体机器人的研究专辑。一些研究项目，如ACTRESS,CEBOT,GOFER,SWARM等，已进行了多年[1]。 目前，国内关于群体机器人系统的研究刚刚起步，基本上还处于基础技术的研究阶段，这方面的研究成果报道比较少。中科院沈阳自动化所机器人开放研究实验室是国内研究多机器人技术较早也较全面的科研单位。 (1)CEBOT(Cellular Robotic System) CEBOT是一种自重构机器人系统(Self-Reconfigurable Robotic System)，它的研究是受生物细胞结构的启发，将系统中众多的具有相同和不同功能的机器人视为细胞元，这些细胞元可以移动，寻找和组合。 根据任务或环境的变化，细胞元机器人可以自组织成器官化机器人，多个器官化机器人可以进一步自组织，形成更加复杂的机器人系统。细胞结构机器人系统强调是单元体的组合如何根据任务和环境的要求动态重构。因此，系统具有多变的构型，可以具有学习和适应的系统智能(Group Intelligence)，并具有分布式的体系结构[3]。 (2)ALLANCE/L-ALLANCE系统
本科生毕业设计（论文） 开题报告 学生姓名: 沈维堂 学号: 14021217 班级: 140212 专业: 机械工程及自动化 指导教师: 张宏颖
开题报告 课题名称：水平多关节型工业机器人设计 ——机身与大臂结构及控制系统设计一、课题介绍: 课题背景： 据有关专家介绍，机器人充分体现了人和机器的各自优长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。 在制造业中诞生的工业机器人是继动力机、计算机之后而出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，作为现代制造业的主要自动化装备在制造业中广泛应用，并将在未来的制造企业中扮演越来越重要的角色。 机器人及其自动化成套装备已成为目前国内外极受重视的高新技术应用领域。机器人及其自动化成套装备是指以机器人为核心，以信息技术和网络技术为媒介，将所有设备连接到一起而形成的大型自动化生产线。它是先进制造装备的典型代表，是发展先进制造技术实现生产线的数字化、网络化和智能化的重要手段。 据介绍，机器人及其成套设备的应用将使现代制造业产生变革，对改变传统生产模式，全面提升企业的综合竞争力具有重大作用。机器人及其自动化成套装备的拥有量和水平是衡量一个国家制造综合实力的重要标志之一。 在机器人中，人（操作者）是不可缺少的重要组成部分，在用这种装置完成一项操作任务的整个过程中，自始至终都必须有人的参加。同时，人通过观察系统对从动部件的工作情况及其周围环境保持直接或间接的视觉监视，从而能充分的依靠人的感觉和智力及时做出判断和决策，以适应工作对象或其周围环境的变化，随机应变地完成那些较为复杂的、或者事先难以预料的操作任务。 目前，机器人已经越来越多、越来越广泛地应用于生产生活的各个方面。金字塔探密，机器人功不可没。美国攻打伊拉克，机器人也发挥了重要作用。中国神州五号的成功发射，充分显示了我国在机器人某个领域的实力。 我国现代工业机器人技术发展现状的研究 1、工业机器人技术概念 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
移动机器人控制系统的发展方向 摘要随着计算机技术、传感器技术的不断发展，对于机器人领域的发展具有一定的促进作用。而由于移动机器人具有能够自治与移动的特征，在机器人领域处于核心地位。在复杂、危险的环境中，移动机器人所发挥的作用是有目共睹的。对此，对当前国内外较为常见的移动机器人控制系统进行剖析，并在此基础上论述了该领域的未来发展方向。 【关键词】移动机器人控制系统发展方向 移动机器人属于能够自动执行工作任务的机器，不但能够按照事先编译的程序运行，同时人类还可对其指挥。当前主要被运用在生产业、建筑业以及航空航天领域，而该领域的发展情况直接关系到国家综合实力的提升速度，对此加强对移动机器人控制系统的发展情况，以及未来发展方向的研究势在必行。 1 国内外常见的移动机器人控制系统 相对于国内在移动机器人的研究状况，能够看出国外在该领域的研究是较早的，其中具有代表性的有Saphira、TeamBots以及ISR。而在国内方面，代表性的有OSMOR、ZJMR以及Agent。下面，便对较为常用的控制系统进行介绍：
1.1.1 Saphira控制系统 Saphira控制系统是移动机器人领域中最早的系统，是有SRI国际人工智能中心在1990年所研发的，此系统是基于本地感知空间的共享内存与黑板，来实现协调与通信进程。由于Saphira是采用C语言来进行开发的，同时支持Windows 与Unix系统，因此具有文档资料相对完整、系统资源占用少等特征。但是需注意的是，由于Saphira系统在定位方面无法达到当前的实际需求，因此运用是相对较少的。 1.1.2 TeamBots控制系统 本系统是基于Java包与Java应用程序而构建的，经过20余年的发展后，此系统截止到目前已经被运用到多种类型的机器人平台当中。除此之外，在适用的操作系统方面，其中具有代表性的有Windows、MacOS以及Linux等，因此其运用的范围是更加广泛的。 1.1.3 ISR控制系统 ISR是基于行为的控制模式，其中是有任务执行层、反映层以及推理层所构成的，是有CAS研究中心所研发的。其中，任务执行层的作用是执行推理层所传输的指令；反映层其中包含资源、控制器以及行为；推理层的功能是根据用户的指令来对决策进行制定。此外，ISR控制系统仅能够在Linux中进行操作，并且没有公开化使用。
1前言 1.1机器人的概念 机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的工业机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。英国和日本机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准GB/T12643-90将工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。 机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。 1.1.1操作机 操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成： a.末端执行器又称手部，是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。 b. 手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有2～3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。 c. 手臂它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。 d. 机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。 1.1.2驱动单元 它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。 1.1.3控制装置 它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。 1.1.4人工智能系统
六轴关节机器人机械结构 欧阳学文 上图为常见的六轴关节机器人的机械结构,六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转,注意观察一、二、三、四轴的结构，关节一至关节四的驱动
电机为空心结构，关节机器人的驱动电机采用空心轴结构应该不常见，空心轴结构的电机一般较大。采用空心轴电机的优点是：机器人各种控制管线可以从电机中心直接穿过，无论关节轴怎么旋转，管线不会随着旋转，即使旋转，管线由于布置在旋转轴线上，所以具有最小的旋转半径。此种结构较好的解决了工业机器人的管线布局问题。对于工业机器人的机械结构设计来说，管线布局是难点之一，怎样合理的在狭小的机械臂空间中布置各种管线（六个电机的驱动线、编码器线、刹车线、气管、电磁阀控制线、传感器线等），使其不受关节轴旋转的影响，是一个值得深入考虑的问题。机器人的腕部结构常见有如下几种结构:
在这三种手腕部的结构中,以第一种(RBR型)结构应用最为广泛,它适应于各种工作场合,后两种结构应用范围相对较窄,比如说3R型的手腕结构主要应用在喷涂行业等.关节设计:对于国外的工业机器人主要制造国家来说,六轴关节机器人的研发设计及制造已经有好几十年的历史了,整个工业机器人的研发制造体系较为完善,他们的技术相对来说比较成熟,他们在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新,他们的技术对于国内来说,近乎完美.而国内目前这个行业还处在黎明前的黑暗阶段,虽然有不少公司有这个研发意图,或者正在研发途中,不管怎么说,浮出水面公布自己正在研发或者研发成功的公司应该说是极少数,即使宣布自己研发成功,也只是
初步试验成功,真正产业化、商品化还有一段相当漫长的路要走.而更多的公司还停留在项目立项、技术评估、投入风险分析的阶段.由于国内做这个行业的很少,相关的结构也没有什么可参考的,技术储备不足,少数的单位或个人有机会能够拆拆别人的机器,拆个一知半解,更多的人只能在旁边看看了(比如说我,想拆都没机会^_^),还好了,网络资源丰富,今搜集到不少机械结构方面的图片,分享给大家参考,希望咱们做机械设计的(我应该也算是个机械工程师啊^_^毕竟我也是做机械的)少走点弯路,做出更好的机器.六轴关节机器人的腕部关节设计较为复杂,因为在腕部同时集成了三种运动.小型的六轴关节机器人的腕部关节主要采用谐波减速器.下面的图片较为详细的描述了常见的六轴关节机器人的腕部结构.