GJR-G2A机器人控制系统的研究与设计

硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION论文题目GJR-G2A机器人控制系统的研究与设计作者姓名范鲁玉学科专业机械电子工程指导教师史艳国教授2016年5月中图分类号：TP242.2学校代码：10216UDC：621.3密级：公开工学硕士学位论文GJR-G2A机器人控制系统的研究与设计硕士研究生：范鲁玉导师：史艳国教授申请学位：工学硕士学科专业：机械电子工程所在单位：机械工程学院答辩日期：2016年5月授予学位单位：燕山大学ADissertationinMechanicalandElectronicEngineeringTHERESEARCHANDDESIGNOFCONTROLSYSTEMFORGJR-G2AROBOTbyFanLuyuSupervisor:ProfessorShiYanguoYanshanUniversityMay,2016燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《GJR-G2A机器人控制系统的研究与设计》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日燕山大学硕士学位论文使用授权书《GJR-G2A机器人控制系统的研究与设计》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要-I-摘要随着我国工业自动化水平的不断提高，工业机器人的使用与需求量迅速增长，应用领域日益广泛，但国产工业机器人在整个市场中所占比例很小，因此加大对工业机器人技术的研究，缩短与国外的差距，对我国的制造业具有重要意义。基于此背景，本文以学院引进的GJR-G2A工业机器人为研究对象，深入分析了现有的控制方法在GJR-G2A机器人上的应用效果，在吸取国内外主流的工业机器人控制方案优点的基础上，提出了基于多轴运动控制卡的开放式6轴工业机器人控制方案。本文首先基于GJR-G2A工业机器人的机械本体建立杆件坐标系，求得机器人的运动学正、反解，在此基础上运用牛顿-欧拉公式建立机器人的动力学模型，求解机器人关节转矩的显式表达式，并使用ADAMS和MATLAB软件对动力学公式进行仿真，验证其正确性。其次，分析了机器人现有控制算法的优劣，给出了基于MATLAB和ADAMS软件联合仿真的方法。基于目前的实际的应用方案选取独立PID控制方法对GJR-G2A工业机器人进行控制仿真，通过分析PID控制方法下机器人各轴的轨迹运行状况，实时的轨迹误差大小以及力矩变化情况，得出在独立PID方式的控制下GJR-G2A工业机器人的运行品质良好。最后，确定了基于EURO408运动控制卡和松下A5伺服电机的机器人伺服控制方案，确定运动控制卡的运行方式为速度模式，并设计硬件的电气接线图，以第1轴电机为例，建立关节电机的伺服控制模型，并对其速度环和位置环参数进行整定。基于VisualStudio2010平台，采用VB.NET语言编写机器人控制软件，并设计人机操作界面。关键词：GJR-G2A工业机器人；PID控制方式；多轴运动控制卡；人机界面燕山大学工学硕士学位论文-II-AbstractWiththeremarkableimprovementofdomesticindustrialautomation,thedemandofindustrialrobotsisincreasinggreatlyandhasbeenwidelyusedintheindustrialfields.However,theproportionofdomesticindustrialrobotsinthewholemarketisverysmall.Therefore,increasingtheindustrialrobottechnologyresearchefforts,shortenthegapwithforeigncountries,hasgreatsignificanceforthemanufacturingindustryofourcountry.Baseonthisbackground,thisdissertationaddressesthestudyofGJR-G2Aindustrialrobot,deeplyanalyzedtheeffectsoftheexistingcontrolmethodsthatappliedontheGJR-G2Aindustrialrobot.Onthebasisofabsorbingtheadvantagesofindustrialrobotcontrolschemeathomeandabroad,anopencontrolschemefor6-axisindustrialrobotbasedonmulti-axismotioncontrolcardisproposed.Firstly,thisdissertationestablishmenttherodcoordinatessystembasedontheGJR-G2Aindustrialrobotbody,obtainsthekinematicspositivesolution,inversesolution,andsetuptherobot’sdynamictheorymodelwithNewton-Eulermethod,obtaintheexplicitexpressionofrobotjointtorque.UsingADAMSandMATLABsoftwaretosimulatethedynamicformula,verifyitscorrectness.Secondly,thisdissertationanalyzedtheadvantagesanddisadvantagesoftheexistingcontrolalgorithms,proposedthejointsimulationmethodbasedonMATALBandADAMSsoftware.ThispaperselectsthecontrolmethodofindependentPIDbasedonactualapplicationtosimulateupontheGJR-G2Aindustrialrobot.Byanalyzingthemovingtrail,thereal-timetrackingerrorandtheeachaxis’storquechangesofGJR-G2AindustrialrobottoprovethatGJR-G2Aindustrialrobot’soperationqualityisverywellundertheindependentPIDcontrolmethod.Finally,acontrolschemebasedontheEURO408motioncontrolcardandtheA5Panasonicservomotorisproposedinthispaperandsettingthemotioncontrolcard’sworkingmodetospeedmode,designingtheelectricconnectiondiagramsofthehardware.Thisdissertationtakingthefirstaxis’smotorasexampletoestablishitsservocontrolmodelandsettingthevelocityloopandpositionloop’sparameters.Atlast,theauthorAbstract-III-designedacontrolsoftwareandhuman-machineinterfaceforGJR-G2AindustrialrobotbasedontheVisualStudio2010platform.Keywords:GJR-G2Aindustrialrobot;PIDcontrolmode;multi-axismotioncontrolcard;human-machineinterface燕山大学工学硕士学位论文-IV-目录-V-目录摘要...............................................................................................................................IABSTRACT.....................................................................................................................II第1章绪论.................................................................................................................11.1课题研究背景和意义............................................................................................11.2国内外工业机器人的研究现状............................................................................21.2.1国外工业机器人发展现状.............................................................................21.2.2国内工业机器人发展现状.............................................................................41.3工业机器人控制方法研究现状............................................................................51.4本文的主要研究内容............................................................................................6第2章GJR-G2A运动学与动力学求解.......................................................................72.1引言........................................................................................................................72.2GJR-G2A的运动学求解.......................................................................................82.2.1机器人运动学正解........