基于机器人运动控制系统软件设计

基于CoDeSys平台的六自由度工业机器人运动控制器设计王耀东;徐建明;徐胜华【摘要】针对ER50六自由度工业机器人,基于CoDeSys软件平台开发了一款机器人运动控制器;采用ARM+ CoDeSys架构和PLCopen规范进行六自由度工业机器人控制系统软件开发以及人机交互界面设计;首先根据D-H参数对ER50机器人进行运动学建模,并在此基础上封装ER50机器人正逆运动学功能块;然后对控制器的示教模块、点动模块以及在线编程模块进行软件开发并设计各个模块的人机交互界面;在ER50机器人上实现了运动控制器在线示教、点动以及在线编程等功能;最后通过直线和圆弧轨迹跟踪实验验证了运动控制器设计的有效性.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2018(026)009【总页数】6页(P103-107,125)【关键词】工业机器人;CoDesys;PLCopen;运动控制器【作者】王耀东;徐建明;徐胜华【作者单位】浙江工业大学信息工程学院,杭州 310023;浙江工业大学信息工程学院,杭州 310023;浙江工业大学信息工程学院,杭州 310023【正文语种】中文【中图分类】TP2770 引言随着机器人在现代工厂的广泛应用，机器人技术得到了迅猛发展，使得传统工业发生新的变革。

在生产、医疗、物流等新兴领域，机器人的应用改变了整个行业的发展模式。

面对现代工业发展需求的不断提高，降低生产成本、缩短开发周期和扩大应用领域尤为重要。

目前，机器人控制器多采用专用的控制器，成本高，开放性和移植性差。

这就需要开发出一套高开放性、可移植性和可扩展性的机器人控制系统。

控制器是机器人控制系统的核心，机器人的运动学求解、运动控制和轨迹规划等都由控制器完成。

控制器大致分为四类，基于单片机的控制器［1］、基于PLC的运动控制器［2］、基于PC运动控制卡的控制器［3］以及软件型运动控制器［4］。

其中基于PCI总线的运动控制卡控制方式和软件型运动控制器在当下运用最为广泛。

基于STM32的负压爬壁机器人控制系统设计负压爬壁机器人是一种能够在垂直墙壁上行走的机器人，它通过产生负压吸附在墙面上，从而实现在墙面上的运动。

该机器人常用于工业领域的检测、维护和清洁等任务。

本文将基于STM32单片机设计一个负压爬壁机器人控制系统，并详细介绍其系统架构、硬件设计和软件设计。

一、系统架构设计负压爬壁机器人控制系统的架构主要包括传感器模块、控制模块和执行器模块。

传感器模块用于获取机器人周围的环境信息，控制模块用于处理传感器数据并对机器人进行控制，执行器模块用于实现控制指令的执行。

二、硬件设计1.MCU选择：采用STM32系列单片机作为控制模块的主控芯片，主要考虑到其性能强大、成本低廉、易于开发和丰富的外设资源。

2.传感器选择：负压爬壁机器人的传感器主要包括倾角传感器、陀螺仪、距离传感器等。

倾角传感器用于检测机器人的姿态信息，陀螺仪用于检测机器人的角速度，距离传感器用于检测机器人距离墙面的距离。

3.执行器选择：负压爬壁机器人的执行器主要包括吸盘和电机。

吸盘用于产生负压吸附在墙面上，电机用于驱动机器人进行运动。

4.通信模块选择：负压爬壁机器人的通信模块主要用于与外部设备进行数据交互，例如与上位机进行通信。

可以选择UART、SPI、CAN等通信方式。

三、软件设计负压爬壁机器人控制系统的软件设计主要包括姿态控制算法、路径规划算法和动力学模型等。

1.姿态控制算法：通过倾角传感器和陀螺仪获取机器人的姿态信息，然后通过PID控制算法对机器人进行姿态控制，使机器人能够保持平衡并沿着墙面行走。

2.路径规划算法：根据机器人当前位置和目标位置，设计路径规划算法确定机器人的运动路径。

可以使用传统的A*算法或者一些启发式算法。

3.动力学模型：基于机器人的动力学模型设计控制算法，实现机器人在墙面上的运动控制。

可以通过电机的转速和吸盘的负压力来调整机器人的运动速度和吸附力。

四、系统测试与优化设计完成后，需要对负压爬壁机器人控制系统进行测试和优化。

1绪论1.1 SCARA机器人的现状、发展SCARA（平面关节型）机器人是一种精密型装配机器人，在水平方向具有顺应性，在垂直方向具有很大的刚性，具有速度快、精度高、柔性好等特点，采用伺服电机驱动，可应用于电子、机械和轻工业等有关产品的自动装配、搬运、调试等工作。

迄今为止，SCARA机器人仍被认为是自动加工生产中不可或缺的元素。

在各种自动机械手臂的选择中，SCARA是被广泛认可的。

由于它的速度、成本效率、可靠性和在工作过程中的小轨迹，使它在很多的工作中仍然是最好的机器人，比如：分配、装载、包装、安放以及装配和码跺等。

近年来，其有效载重能力的提高，对智能系统地整合以及末端感应器种类的增加等因素都很好的扩展了SCARA机器人的应用。

但是，对于机器人的控制大部分仍是以嵌入式单片机为核心的 ,其运算速度和处理能力远不能满足机器人控制系统飞速发展的需要 ,日益成为阻碍机器人技术进步的瓶颈。

随着以电子计算机和数字电子技术为代表的现代高技术的不断发展 ,尤其是高速度数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）的出现 ,从根本上解决了嵌入式系统运算能力不足的问题 ,并为机器人运动控制系统的改进提供了新的途径。

该设计正是从这一点出发 , 选用控制能力很强的DSP芯片作为机器人控制器的主处理器 ,设计出一套功能强大、使用方便的机器人运动控制系统 ,从根本上解决了单片机带来的各种问题。

1.2 运动控制器的现状、发展目前，国内外的运动控制器大致可以分为3类：（1）以单片机或微处理器作为核心的运动控制器。

这类运动控制器速度较慢，精度不高，成本相对较低。

在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。

（2）以专用芯片（ASIC）作为核心处理器的运动控制器。

这类运动控制器结构比较简单，但这类运动控制器大多数只能输出脉冲信号，工作于开环控制方式。

这类控制器对单轴的点位控制场合是基本满足要求的，但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动控制器不能满足要求。

基于ROS的自主移动机器人控制系统设计自主移动机器人是近年来兴起的一种新型机器人，它能够在无人监管的情况下完成一定的任务。

集成控制系统是自主移动机器人的重要组成部分，它可以实现机器人的定位、导航、避障等基本功能。

本文将介绍一个基于ROS（Robot Operating System）的自主移动机器人控制系统设计。

1. ROS简介ROS是一个开源机器人操作系统，它为机器人开发者提供了一套标准化的工具和库，使得机器人软件开发变得更加简单和高效。

ROS是以C++和Python为主要语言开发的，它提供了许多机器人领域常用的功能模块，包括运动规划、感知、控制等。

2. 控制系统的硬件架构自主移动机器人控制系统的硬件架构主要包括机器人本体、传感器、计算机等部分。

机器人本体主要由底盘、电机、轮子等组成，传感器则包括激光雷达、视觉传感器、惯性导航系统等。

计算机可以是嵌入式电脑或者笔记本电脑等。

3. 控制系统的软件设计在ROS中，机器人的控制系统被称为“ROS节点”。

我们需要为机器人的各个模块（底盘、激光雷达、摄像头等）分别创建ROS节点，并在节点之间建立通信机制。

例如，我们可以为底盘设计一个控制节点，为激光雷达设计一个数据处理节点，为摄像头设计一个图像处理节点等。

4. 控制系统的软件框架控制系统的软件框架是ROS节点的整体设计方案，它主要包括节点的定义、通信机制设计、运动规划、障碍物避障等。

在本文中，我们以一个四轮差速机器人为例，介绍自主移动机器人控制系统的软件框架。

(1) 定义节点我们需要为机器人的各个功能模块定义ROS节点，例如底盘控制节点、激光雷达节点、摄像头节点等。

在定义节点时，需要指定节点的名称、输入输出消息类型等。

(2) 通信机制设计在各个节点之间建立通信机制，可以使用ROS的消息机制实现。

节点之间可以发布（Publish）和订阅（Subscribe）消息，实现数据的传输与共享。

(3) 运动规划运动规划是机器人控制系统的重要组成部分，它可以实现自主导航和路径规划。

机器人及其软件系统的设计机器人，这个从未在我们的生活中缺席的神奇物体，随着科技的不断进步和创新，已经掀起了一场机器人革命。

机器人的设计以及软件系统的优化，是机器人技术发展中不可或缺的部分。

今天，我们就一起来探讨机器人及其软件系统的设计。

一、机器人的设计机器人的设计通常分为两个部分：机械设计和电气设计。

机械设计包含三个主要部分：机身设计、运动系统和夹具系统。

机身设计考虑机器人的整体结构以及形状大小等因素。

运动系统是机器人的关节、电机和减速机等部件的组成，它控制机器人的运动。

夹具系统可以在机器人上加装各种工具和传感器，以执行不同的任务和操作。

电气设计包含三个主要部分：控制系统、传感器和执行器。

控制系统是机器人的大脑，负责控制机器人的运动和工作。

传感器主要用于感知环境和地形，获得准确的环境信息；而执行器则通过执行任务来实现机器人的工作。

除了基本的机械和电气设计，机器人的设计还有其它的方面，比如可以使用三维打印技术制造零部件等。

二、机器人软件系统的设计机器人软件系统是机器人技术发展中不可或缺的一部分，它负责控制机器人、处理数据和实现交互。

机器人软件系统可以在不同层次的机器人上进行设计和开发，包括机器人操作系统、机器人控制器、智能算法和应用程序。

机器人操作系统是机器人软件系统的基础，它类似于计算机的操作系统，负责控制硬件资源、处理通信和消息传递等操作。

机器人控制器是机器人软件系统的核心，它负责控制机器人的运动和行为。

控制器可以是嵌入式的或者是在PC上运行的软件。

智能算法是机器人软件系统的重要组成部分。

它可以使机器人具有更加智能的功能，比如决策、学习和优化等。

智能算法包括机器学习、深度学习、神经网络等。

应用程序是机器人软件系统的最上层，它负责实现各种功能和任务，可以在机器人上部署各种应用程序来完成不同的工作，例如，巡逻、清洁、物流等。

三、机器人设计和软件系统的发展前景机器人技术是当前科技的热点之一，随着各种新技术的出现和发展，机器人技术也将得到更大的发展空间。

《基于ROS的智能工业机器人系统的设计与实现》一、引言随着科技的进步和工业自动化的快速发展，智能工业机器人系统在制造业中扮演着越来越重要的角色。

而机器人操作系统（ROS）作为一种开源的、灵活的机器人开发平台，为智能工业机器人系统的设计与实现提供了强大的支持。

本文将详细介绍基于ROS的智能工业机器人系统的设计与实现过程。

二、系统设计1. 需求分析在系统设计阶段，首先进行需求分析。

明确智能工业机器人系统的任务目标，包括物品搬运、加工、检测等。

同时，还需考虑系统的实时性、稳定性、灵活性以及扩展性等要求。

2. 系统架构设计基于需求分析，设计智能工业机器人系统的整体架构。

系统采用分层设计，包括感知层、决策层、执行层。

感知层负责获取环境信息，决策层进行数据处理和决策规划，执行层负责机器人的动作执行。

此外，系统还采用ROS作为开发平台，利用其强大的社区支持和丰富的开发资源。

3. 硬件设计根据系统需求和架构设计，选择合适的硬件设备，包括机器人本体、传感器、执行器等。

同时，考虑硬件的兼容性、稳定性以及成本等因素。

4. 软件设计在软件设计方面，利用ROS平台进行开发。

首先，设计机器人系统的通信机制，确保各部分之间的信息传递畅通。

其次，设计机器人系统的算法和模型，包括感知算法、决策算法、执行算法等。

最后，进行系统集成和调试，确保系统的稳定性和可靠性。

三、系统实现1. 感知层实现感知层主要通过传感器获取环境信息，包括视觉传感器、激光雷达等。

利用ROS提供的传感器驱动程序，实现对传感器的控制和数据的获取。

同时，利用图像处理、物体识别等技术，对获取的数据进行处理和分析。

2. 决策层实现决策层主要负责数据处理和决策规划。

利用ROS提供的各种算法库和工具，实现对数据的处理和分析。

同时，结合机器学习、深度学习等技术，实现决策规划功能。

在决策过程中，还需考虑机器人的运动学模型、动力学模型等因素。

3. 执行层实现执行层主要负责机器人的动作执行。

下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计1. 引言下肢外骨骼康复机器人是一种应用于康复医学领域的新型辅助设备。

它通过机器人结构和控制系统，帮助患者进行下肢康复训练，恢复肌肉力量和运动功能。

在这样的机器人系统中，控制系统软件设计起着至关重要的作用。

2. 下肢外骨骼康复机器人的功能需求下肢外骨骼康复机器人的主要功能是辅助患者进行下肢运动。

因此，控制系统软件设计需要满足以下需求：a. 运动控制：能够根据医生或康复师的指令，控制机器人完成特定的下肢运动，如行走、上下楼梯等。

b. 力量支持：能够根据患者的需要，通过机器人的力量支持，帮助患者完成康复训练。

c. 感知调整：能够通过传感器监测患者的运动状态、肌肉力量等信息，并根据实时数据对机器人的运动进行调整。

d. 安全保障：能够确保患者在康复训练过程中的安全，如及时停止机器人运动、报警等。

3. 下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计流程下肢外骨骼康复机器人控制系统软件的设计流程主要包括以下几个步骤：a. 界面设计：设计机器人控制系统的用户界面，包括显示患者的运动状态、机器人的控制参数等。

b. 运动规划：根据患者的康复需求，设计机器人的运动规划算法，确定机器人的运动轨迹以及关节角度的控制。

c. 力量控制：设计机器人的力量控制算法，实现对机器人的力量输出的控制，以满足患者的康复需求。

d. 传感器数据处理：通过传感器获取患者的运动状态、肌肉力量等信息，并进行数据处理，提取有效指标。

e. 控制策略设计：设计机器人的控制策略，通过数据处理结果和运动规划算法，实现对机器人的运动控制。

f. 安全保障设计：设计机器人的安全保护策略，包括患者紧急停止机制、机器人异常报警等。

4. 下肢外骨骼康复机器人控制系统软件的关键技术下肢外骨骼康复机器人控制系统软件的设计中，涉及到以下关键技术：a. 运动规划算法：根据医生或康复师的指令，设计机器人的运动规划算法，确定机器人的动作轨迹和关节角度。

基于ABB机器人的焊接控制系统设计1. 引言焊接是制造业中常见的一种工艺，而自动化焊接系统能够提高生产效率和产品质量。

在自动化焊接系统中，机器人的运动控制是非常关键的一部分。

ABB机器人是一种常见的工业机器人品牌，具有稳定的性能和广泛的应用领域。

本文将基于ABB机器人，设计一个焊接控制系统，以实现自动化焊接过程的精确控制。

2. 系统架构设计2.1 硬件部分焊接控制系统的硬件部分主要包括ABB机器人、焊接设备、传感器和控制器。

其中，ABB机器人用于进行焊接操作，焊接设备用于提供焊接能量，传感器用于监测焊接过程中的参数，控制器用于控制整个系统的运行。

2.2 软件部分焊接控制系统的软件部分主要包括机器人控制软件、焊接参数设置软件和数据分析软件。

机器人控制软件用于控制机器人的运动，实现焊接操作。

焊接参数设置软件用于设置焊接过程中的参数，如焊接速度、焊接电流等。

数据分析软件用于分析焊接过程中的数据，评估焊接质量。

3. 系统功能设计3.1 焊接运动控制焊接运动控制是焊接控制系统的核心功能之一。

通过机器人控制软件，控制机器人的运动轨迹和速度，实现焊接操作。

根据焊接工艺要求，精确控制机器人的位置和姿态，确保焊接质量。

3.2 焊接参数设置焊接参数设置是焊接控制系统的重要功能之一。

通过焊接参数设置软件，设定焊接过程中的参数，如焊接速度、焊接电流等。

根据焊接工艺要求，合理设置参数，实现焊接过程的精确控制。

3.3 数据监测与分析数据监测与分析是焊接控制系统的关键功能之一。

通过传感器监测焊接过程中的参数，如焊接温度、焊接压力等，将数据实时传输到数据分析软件中。

数据分析软件对数据进行分析和处理，评估焊接质量，并提供报告和数据可视化结果。

4. 系统实现步骤4.1 硬件部署首先，将ABB机器人、焊接设备、传感器和控制器按照设计要求进行硬件部署。

确保每个硬件设备都能正常连接和通信。

4.2 软件安装和配置其次，安装机器人控制软件、焊接参数设置软件和数据分析软件。