基于7自由度模块化机器人的灵巧操作

石家庄铁道大学硕士学位论文开题报告基于7自由度模块化机器人的灵巧操作专业：电力电子与电力传动研究方向：计算机测控导师：高蒙研究生：韩峥培养单位：电气与电子工程学院2011年10月16日1课题研究的目的及意义随着航天事业的迅速发展和人类太空探索的不断深入，宇宙中的航天器将会越来越多，未来的空间活动将会越来越频繁，如空间站的建造维护、空间设备的维修、科学实验载荷的照料等。由于受太空环境的特殊性和目前科技水平的限制，这些任务还不能全靠宇航员来完成，空间机器人具有适应微重力、高温差、高辐射的太空作业环境的能力，因此采用空间机器人协助或代替宇航员完成一些太空作业在经济性和安全性方面都具有很重要的意义。本课题就是以国家航天921项目为依托展开的。机器人从诞生到现在已有半个多世纪的历史了，伴随着新一代计算机的出现与电子技术的发展，加快了机器人的发展，出现了基于模块设计的机器人，模块化机器人是一种由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的模块组成的，能够被装配成各种不同构形的机器人。模块化机器人系统能够根据环境和工作条件的变化改变构型，以适应任务的变化。模块化机器人由于其灵活的自身结构可变性，与传统机器人相比，具有更大的应用领域。尤其对于复杂的应用环境及变化的应用要求，此类机器人更能适应任务的需要。如:太空探测，适应复杂未知的地表环境;管道检测，抢险救援，适应狭小弯曲的运行空间;柔性制造，可根据部件形状构成不同自动传送装置等。2机器人的国内外研究现状2.1国外研究和发展概况工业机器人的研究工作是20世纪50年代初从美国开始的。日本、俄罗斯、欧洲的研制工作比美国大约晚10年。但日本的发展速度比美国快。欧洲特别是西欧各国也比较注重工业机器人的研制和应用，其中英国、德国、瑞典、挪威等国的技术水平较高，产量也较大。美国工业机器人技术的发展，大致经历如下几个阶段:1)1963一1967年为实验定型阶段。1963一1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺实验。1967年，该公司生产的工业机器人定型1900型。2)1968一1970年为实际应用阶段。从20世纪60年代后期开始，搬运、喷漆、弧焊机器人相继在生产中得以应用，并且出现了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(FMC)。3)1970一1980年为技术和推广应用阶段。1970年4月，第一次国际工业机器人会议在美国伊利斯工学院举行，工业机器人多种卓有成效的实用范例促进了机器人应用领域的进一步扩展。据当时统计，美国已采用大约200台工业机器人，工作时间共达650万小时以上。同时，基于不同应用场合的各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现，产生了所谓的高级机器人。4)1980年至今为产业化、实用化、商品化阶段。随着大规模集成电路技术的飞速发展，微型计算机的普遍应用和性能飞跃，机器人的控制性能得到了大幅度的提高，成本不断下降，于是产生了不同用途的机器人。工业机器人进入了商品化和实用化阶段，形成了大规模的机器人产业。日本、俄罗斯、西欧等，大都是从1967、1968年开始以美国的Unimate和Versation型机器人为蓝本进行研制的。2.2国内研究和发展概况我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过30多年的发展，大致经历了3个阶段:20世纪70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的实用化期。我国于1972年开始研制自己的工业机器人。当时，北京自动化研究所和沈阳自动化研究所相继开展了机器人技术的研究工作。进入20世纪80年代后，在高技术浪潮的冲击下，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷漆、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。比如我国自行研制的水下机器人，在无缆的情况下可潜入水下6000m，而且具有自主功能，这一技术达到了国际先进水平。北京自动化研究所研制的PJ型喷漆机器人，其性能指标已经与国际同类水平相当，而且在生产线上也经过了长期检验，受到了用户的好评，现已批量生产。同时，国内也开始了Internet机器人网络控制方而的研究。在过去的几年中，我国“863高科技发展计划”、“国家自然科学基金重点资助项目”以及各地的科技资助项目，为这方面的研究提供了相应的资金支持，并且已有相关的技术成果。如上海交通大学设计的利用以太网的机器人在线切割系统。南开大学设计的遥控操作系统平台，其目的是利用网络的通用性和交互性，构造一个集研究和实验为一体的机器人遥控操作平台，以提高机器入设备的资源共享率。哈尔滨工业大学2000年完成一项通过网络遥控指挥机器人工作的国家863计划项目，它主要借助远地机器人的传感器信息，使远程操作人员真切感受到现场的感觉，并且可以完成物体的抓取、搬运等工作。在我国的高校和科研院所中，中国科学院、航天工业部、清华大学、北京航空航天大学、中科院沈阳自动化所机器人实验室、北京理工大学、上海交通大学等单位开展了基于Internet的远程控制机器人系统的研究。3机器人机械结构三维造型建模设计机器人系统由机械部分、传感器、控制系统三大部分组成。机械部分主要是由清华大学遥操作实验室与北京邮电大学联合开发的七自由度机械臂，传感器安装在机械臂上。控制系统由上位机控制子系统和下位机控制子系统组成。机器人的主要性能指标有:自由度、运动行程、运动速度、定位精度、编程方式等。其中特别重要的是定位精度和运动速度，前者决定机器人能否符合作业的精度要求，直接影响到控制要求及技术指标，后者决定机器人能否获得快速的响应性能及系统的动态性能指标。为了满足这两者要求，必须在机械结构设计中，充分考虑结构刚度和抗振性，同时要采取有效措施，减轻和消除冲击与振动，使机器人具有良好的工作稳定性。机器人系统采用基于PC的开放式运动控制系统，其硬件组成包括通用PC机或工控机，基于PCI总线的高性能多轴运动控制卡，包含了电机驱动器和接口电路板的控制柜，机器人本体，以及伺服电机和传感器。3.1控制系统本机器人控制系统由上位机控制子系统和下位机控制子系统组成。3.1.1上位机控制子系统上位机控制子系统由工控PC机组成。主要对机器人系统进行实时的监视与控制。其上运行机器人控制主程序，该子系统具有友好的人机界面，依据用户给定的末端执行器的位姿信息，进行运动学运算、逆运动学运算、轨迹插补等操作，计算出对应于每个关节电机的控制参数，并下传至下位控制子系统。此外，该子系统能实时接收下位子系统反馈的各关节位置信息，有效地对系统进行实时监控与操作。3.1.2下位机控制子系统下位机控制子系统由高性能多轴运动控制卡、接口板和关节伺服驱动器组成。主要实现机器人各关节(电机)直接、精确的位置数字控制。高性能运动控制卡作为底层控制器，运用一定的控制策略完成关节电机的运动控制。PC机和运动控制卡通过PCI总线通信，运动控制卡还提供了API函数库，PC机调用库函数下达任务并检测命令执行的状态。运动控制卡的控制信号送入控制柜中的各个关节电机驱动器中，经过运算放大后驱动机器人本体上的关节电机运动，同时实时反馈各关节的位置参数给上位机控制子系统。3.1.3控制系统的特点与工作流程系统采用从上到下，逐级分层次、模块化设计的方法。在整体上，系统分为上位机控制系统和下位机控制系统;下位控制系统分为高性能多轴运动控制卡、接口板和关节伺服驱动器。运动控制卡按功能分为通用数字输出、专用数字输入、编码计数、脉冲输出、DA输出、通讯模块。采用这种分层次、模块化的结构来设计控制系统，使得控制系统中的各个层次之间相对独立，系统由多种功能模块组成，各模块完整而单一，这样建立起来的系统，不仅性能好、开发周期短、而且成本较低。模块化还使系统开放，易于修改、重构、具有添加配置功能。系统的工作流程为:上位机根据用户给定的目标工作点和作业方式进行起始点到终点的轨迹规划、逆运动学求解和相关轨迹插补操作，得到每一个上位控制周期内的控制量。这些控制量被周期性地通过PCI总线下传到下位运动控制卡。驱动器实时接收控制指令值，并在下位伺服控制周期内对指令值进行插补，计算出每一插补值处电机的控制脉冲指令数。这就可以方便地采用位置控制方式实现交流伺服电机的精确定位。4模块化设计介绍“模块化设计”是针对常规机器人的设计方法的不足提出的。模块化是系统设计和建立的一种现代方法。模块化正成为自1990年以来机器人多功能性、灵活性和容错性研究后新的机器人研究热点，近年来引起了日本、美国等大学和研究机构的极大兴趣。机器人采用模块化设计的优点：1.重构性好；2.冗余性好；3.装配方便；4.灵活性好；5.便于维护。4.1模块化关节机械本体的设计机器人关节是机器人的基础部件，其性能的好坏直接影响机器人的性能。机器人的动作是由各种杆件和关节组合而产生的，因此关节对机器人的动作具有关键的作用。在机器人组成部分中，机构包括关节机构是最重要的部分之一。随着伺服驱动和传感技术等机电技术的不断发展，机器人关节呈现出新的特征和趋势。关节机构趋于系列化、模块化、标准化。日、德、美的模块化直角坐标机器人可以根据构形、自由度、行程、负荷、速度和精度等组合出成千上万种型号，这样可以缩短设计周期，降低成本，促进机器人的发展;关节机构趋于小型化。由于驱动电机占用关节空间，又成为负载，大力矩、小体积、重量轻的直接驱动电机的发展促进了关节的小型化发展;高速度、高精度和高灵敏度;关节驱动趋于机电一体化机构、控制电路、驱动电机、传感器组成一体的伺服系统，可以达到最佳的耦合和匹配，从而更好地满足了机器人高精度、小体积、轻量化的要求。综合国内外的模块化机器人的研究成果，可以概括出机器人的模块化关节基本部件一般由电机、减速器、反馈元件（光电编码器、旋转编码器、光栅等）组成，还有其他附件如制动器、限位开关、各种传感器等。根据减速器类型的不同，模块化关节设计大致有四种方案：行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、杯形谐波减速器和环形谐波减速器。其中使用多级行星齿轮减速器对减速器和安装结构的精度要求比较严格，并且减速器质量较大，导致最终关节质量较大。蜗轮蜗杆减速器质量较轻，但是在大传动比的情况下，系统效率较低，增大了电机的功率和质量。谐波减速器质量小、传动比大、多齿啮合传动平稳、承载能力大并且结构简单安装方便。所以，一般选定使用杯形谐波减速器的方案。该方案中包括分体式直流无刷伺服电机、杯形谐波减速器、永磁制动器、光电编码器。杯形谐波减速器的柔轮固定，刚轮输出。制动器和位置反馈元件直接安装在电机的主轴上。电机外壳通过轴承与关节外壳连接。此方案结构简单、紧凑，安装和拆卸都比较方便。4.2模块化关节控制系统设计4.2.1硬件设计关节控制系统如图所示，采用上下位机控制策略，上位机采用高性能工控PC机控制，下位机采用DSP伺服运动控制器，上下位机通过PCI适配卡进行信息传输。每个模块化关节的控制系统主要由DSP伺服运动控制器、CAN总线接口电路、直流无刷电机与光电编码器组成。4.2.1.1伺服电机伺服电机控制器如图所示，包括主控电路、功效电路与信号电路与信号反馈电路。伺服运动控制器的核心芯片选择DSP芯片；驱动选用电机控制专用芯片；功率器件选用IRFP150N,最大工作电流42啊，最大工作电压100V.智能伺服控制技术传统的模拟控制虽然具有连续性好、响应速度快及成本低的优点，但也有难以克服的缺点，如系统调试困难，容易受到环境温度变化的影响而产生漂移，难以实现柔性化设计，缺乏实现复杂计算的能力，无法实现现代控制理论指导下的控制算法等。所以现代伺服控制器均采用全数字化结构，伺服控制系统的主要理论也采用了现代的矢量控制思想，即对电动机的参数坐标进行变换，使电动机定子电流分解成励磁电流和转矩电流并分别加以控制，它实现了电流向量的幅值控制和相位控制。伺服系统的控制结构一般由电流环、速度环和位置环组成，各环大多采用PID控制器