基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统开发

青岛科技大学研究生学位论文
目录
１绪论……………………………………………………………………ｌ
１．１课题研究的背景和意义…………………………………………………………’１ １．２国内外研究现状和发展趋势……………………………………………………‘１ １．３开放式机器人控制系统…………………………………………………………一４ １．３．１开放式控制系统的设计思想…………………………………………………一４ １．３．２基于ＰＣ的开放式控制系统结构………………………………………………４ １．４运动控制卡简述…………………………………………………………………一５ １．５课题研究的主要内容……………………………………………………………一８ １．６论文的主要安排…………………………………………………………………一８
６总结与展望…………………………………………………………．．５４ 参考文献………………………………………………………………一５５ 致谢……………………………………………………………………５８
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青岛科技大学研究生学位论文
１绪论
１．１课题研究的背景和意义
机器人是极为典型的机电一体化产品之一，机器人学也是目前世界上研究最 为热门的领域之一，机器人技术的研究涵盖了机械设计、信息处理、电子控制、 人工智能、传感器技术、程序设计等多个学科和领域。一套完善的机器人系统的 设计开发需要一个完整的技术团队进行合作，并且经过长时间的实验和改进。在 机器人系统的开发设计过程中，为了实现机器人完成特定的伺服任务，需要设计 特定的算法，计算每个关节的驱动力矩或者是计算其驱动加速度。但是由于多自 由度机器人系统是一个非线性、强耦合的动力学系统，因此使用一般的伺服技术 进行简单的线性或者非线性的分析计算都无法满足要求，常用经典的控制理论和 现代前沿的控制理论都不能很好地解决问题。因此，机器人的控制问题引起了技 术领域内的广泛研究。但是到目前为止，机器人的控制理论仍然不够完善和系统。
工业机器人在工业领域内是机器人技术发展的典型代表。习惯上，工业机器 人也被称作为机械手。其中，由于六自由度机械手具有六个自由度，可以实现对 机械手末端执行器的位置和姿态的控制，其末端执行可以实现在空间内绝大部分 位置的任意姿态，因此六自由度机械手成为机械手控制系统研究的主要对象之
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由于目前世界以及国内的机器人生产和技术研发团队并不开放其机器人研 究成果及研究理论，因此我们对于机器人系统开发和研究的进程缓慢并且遇到了 很多困难。机械手控制系统的开发和优化需要一个完整的机器人实验平台，并且 需经过长期的控制方法优化和路径规划优化。局限于现有的技术积累，课题主要 基于固高科技研发的ＧＴＳ系列运动控制卡完成六自由度串联机械手控制系统的 搭建，并且完成开放式的六自由度机械手实验平台的设计，在对六自由度机械手 的基本结构和性能进行分析的基础上，对六自由度机械手的运动学问题、动力学 问题、路径规划问题进行初步的研究和改进。开放式实验平台的开发和研究，对 于整个工业机器人技术的开发和研究具有重要的意义。
５上位机软件总体设计与实现………………………………………一４５
５．１引言……………………………………………………………………………一４５ ５．２软件开发平台……………………………………………………………………４５ ５．３软件结构总体设计………………………………………………………………４６ ５．３．１控制系统实现流程……………………………………………………………４７ ５．３．２软件开发平台与接口…………………………………………………………４８ ５．３．３主要功能模块的实现…………………………………………………………·５ｌ ５．３．４本章小结………………………………………………………………………５３
１．２国内外究现状和发展趋势
工业机器人的研究最早起源于２０世纪５０年代的美国。世界上最早的工业机 器人是英格伯格和德沃尔研发制造的“尤尼梅逊”，早期应用于工业领域内的工
基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统开发 业机器人是美国的“尤尼梅逊”和“沃尔萨特兰”。“尤尼梅逊”的外形就像一个 旋转坦克。“沃尔萨特兰”在铸造行业内的使用拉开了美国工业机器人黄金时代 的序幕。这个时期的工业机器人只是完成了一些简单的动作，从一定意义上说只 是一台可以重复工作的专业化机械设备。直到１９６８年，世界上第一台智能机器 人在斯坦福大学研制成功。
基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统开发
３．４．１机器人运动学正解……………………………………………………………２９ ３．４．２机器人运动学逆解……………………………………………………………３０ ３．４．３机器人运动学逆解的优化……………………………………………………３４ ３．５本章小结………………………………………………………………………一３５
ｏｎ ａｒｅａ ｔｈａｔ ｇｌｏｂａｌ ａｃａｄｅｍｉｃｓ ｆｏＵＣＳ ｏｎ．Ｒｏｂｏｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｖｅｒ ｄｏｗｎ ｍａｎｙ ＳＵ
ｂｊｅｃｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ，ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｐｒｏ
ｈｅ ｊｏｉｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐｒｏｊｅｃｔ．
Ｉｎｖｅｒｓｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｐｒｅｌｉｍｉ ｎａｒｉｌｙ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｍｐｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐ ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ６－ＤＯＦ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．Ｄ．Ｈ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｌｉｎｋ ｐａ
本课题主要利用固高科技ＧＴＳ系列运动控制卡和工业计算机的有机结合 完成基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统搭建，开发了开放式的六自由 度机械手实验平台。机械手的传动方式采用了三菱伺服电机和绿的谐波减速机 组合。
在对六自由度机械手的基本结构和性能进行分析的基础上，对六自由度机 械手的运动学问题、路径规划问题进行初步的研究和改进。本课题构造Ｄ．Ｈ模 型对机械手的连杆参数进行了分析，对六自由度机械手的直线轨迹、圆弧轨迹 规划进行了研究和分析。最后设计开发了基于运动控制卡的六自由度机械手控 制系统上位机软件。
基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统开发
学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字：
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基于运动控制卡的六自由度机械手控制系统开发
摘要
机器人是典型的机电一体化产品，机器人学是全球自动化研究领域学者最 为关注的学科。机器人技术涵盖了机械设计、信息处理、电子控制、程序控制 等多个领域。为了实现机器人完成特定的伺服任务，需要设计特定的算法，计 算每个关节的驱动力矩或者是计算其驱动加速度。
２机械手控制系统总体方案设计……………………………………．．１０
２．１引言……………………………………………………………………………一ｌＯ ２．２控制系统结构设计……………………………………………………………一１０ ２．２．１电机控制系统的基本组成……………………………………………………１１ ２．２．２专用输入／输出接口定义……………………………………………………一１２ ２．２．３谐波减速机性能参数…………………………………………………………１３ ２．２．４伺服电机主要技术参数………………………………………………………１４ ２．３运动控制卡指令与运动模式…………………………………………………～１７ ２．３．１系统配置………………………………………………………………………１７ ２．３．２系统配置的基本过程…………………………………………………………１８ ２。４本章小结…………………………………………………………………………１９
ｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ＳＯ Ｏｎ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｌｌｏｗ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔｓ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ａ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｅｒｖ ｏ ｔａｓｋ，ｓｏｍｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｏｅ ａｎｄ ａｅｃｅｌｅｒａ
ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｒｄ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅ
Ｃｔ
ＫＥＹ ＷｏＲＤＳ：Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃａｒｄ．Ｏｐｅｎ Ｓｙｓｔｅｍ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ，Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ
ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｅｐｉｓｔａｓｉｓ Ｓｏｆｔｗａｒｅ
４机器人笛卡尔空间的轨迹规划……………………………………一３６
４．１引言………………………………………………………………………………３６ ４．２机器人空间直线轨迹规划………………………………………………………３７ ４．３机器人空间圆弧轨迹规划………………………………………………………３９ ４．３．１圆心与半径的确定……………………………………………………………４０ ４．３．２坐标系变换……………………………………………………………………４１ ４．３．３机器人角位移计算……………………………………………………………４３ ４．３．４圆弧插补计算…………………………………………………………………４４ ４．４本章小结………………………………………………………………………一４４
ｔｉｏｎ ｏｆ ｅｖｅｒｙ ｊｏｉｎｔ．
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ６一ＤＯＦ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂｙ ｍａｋｉｎｇ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ＧＴＳ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｒｄ ａｎｄ ＰＣ．Ａ ｎ ｏｐｅｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，Ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｅｒｖｏｍｏｔｏ ｒ ｆｒｏｍ Ｊａｐａｎ Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ ａｎｄ Ｇｒｅｅｎ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｒｅｄｕｃｅｒ ａｒｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ａｌｌ ｔ