六轴工业机器人的轨迹规划与控制系统研究

硕士学位论文六轴工业机器人的轨迹规划与控制系统研究RESEARCHONTRAJECTORYPLANNINGANDCONTROLSYSTEMOFSIXAXISINDUSTRIALROBOT宋金华哈尔滨工业大学2013年12月国内图书分类号：TP24学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工学硕士学位论文六轴工业机器人的轨迹规划与控制系统研究硕士研究生:宋金华导师:马新军申请学位:工学硕士专业:电气工程所在单位:深圳研究生院答辩日期:2013年12月授予学位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP24U.D.C:629.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTRAJECTORYPLANNINGANDCONTROLSYSTEMOFSIXAXISINDUSTRIALROBOTCandidate：SongJinhuaSupervisor：MaXinjunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ElectricEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2013Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-I-摘要随着科学技术的日益发展，机器人技术也突飞猛进，逐渐深入到人们生活的各个方面，包括工业上的生产、制造、加工等。本文针对六轴工业机器人主要开展了以下几个方面的工作：机器人硬件系统的设计，包括机器人本体以及电控柜电气连接部分的设计。上位机的主要功能是完成与控制器的通信，同时也要完成机器人运动学、轨迹规划方面算法的实现，还有状态的实时显示。关节控制器采用香港固高公司生产的GTS-800运动控制卡，主要实现位置、速度和力矩伺服控制算法的实现。对机器人的运动学理论进行研究，采用标准的D-H建模方法，建立各关节的齐次变换矩阵。利用六组变换矩阵的乘积得到运动学正解，采用解析法结合投影法推导出运动学的几组逆解，最后利用MATLAB的机器人工具箱进行仿真验证，确定正确的一组解。机器人的轨迹规划部分，采用S曲线加减速控制算法结合三次样条插值对机器人进行笛卡尔空间的直线插补和圆弧插补，使得运动平稳、可靠。并且实现算法优化，优化前后的速度、加速度、加加速度变化过程以及直线插补和圆弧插补均由MATLAB仿真验证。本文最后给出了控制系统的软件设计部分。基于MFC结合固高控制卡的API函数完成了控制界面程序的编写，实现系统与操作者之间的信息交互，完成了机器人运动状态检测、数字量输入检测、运动参数显示、操作信息提示、串口通信功能开启、运动模式的切换以及机器人视觉信息处理的初步工作。并且基于MFC和OpenGL动态链接库，开发了一套适用于此六轴机器人的三维仿真工具，其中融入了此机器人逆解和插值算法，用此仿真工具可以验证轨迹规划是否合理、逆解算法是否正确。通过实验结果表明，控制系统的各部分功能运行良好，能够准确控制此六轴机器人进行各种模式运动。关键词：运动学分析；控制系统设计；轨迹规划；OpenGL哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-II-AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationofrobotshasbeenincreasinglypopular,andhasbeengraduallyappliedinmanyfields.Mechanicalarmisoneofthemostimportantactuatorofindustrialrobot,soithasimportantsignificanceforitsresearch.Thispaperhascarriedoutthefollowingseveralaspects:Firsttargetisthedesignofhardwaresystemofthesixaxisindustrialrobot,includingthedesignoftherobotbodyandtheelectriccontrolcabinet.IndustrialPC'smainfunctionistomonitorthecontrollerstate,andatthesametimetocompletethemechanicalarmkinematicsandtrajectoryplanningalgorithmimplementation.SolidjointcontrollerusestheGTS-800motioncontrolcardtocompletethemainposition,speedandtorqueservocontrolalgorithmimplementation.Secondthispaperstudiesrobotkinematicstheory,usingd-hmodelingtodescribetherelationshipofthetranslationandrotationbetweenadjacentbars.Kinematicspositivesolutionsareobtainedbytheproductofthetransformationmatrix,andthenanalyzetheinversekinematicsofmanipulator,adoptstheanalyticalmethodcombinedwithprojectiontodecouplingalgorithmofjointangle,andusingrobottoolboxoftheMATLABsimulationverifyitscorrectness.Afterthatistheworkofrobot’strajectoryplanning,adoptingtheScurvedecelerationcontrolalgorithmcombinedwiththecubicsplineinterpolationtorealizelinearinterpolationandcircularinterpolation,makingthemovementstableandreliable.Thenmakealgorithmoptimization,verifiedbyMATLABsimulation.Thelastworkistherobotcontrolsystemsoftwaredesign.UsingAPIfunctionstocompletetheinteractionbetweentheoperatorandinformationsystembasedonMFC,realizingtherobotmotiondetection,digitalinput,motionparametersdisplayandserialcommunication.BasedontheMFCframeworkclassandOpenGLgraphicslibrary,thispaperspeciallydevelopedasetof3DsimulationtoolssuitableforthiskindofconfigurationinVC++6.0platform.Simulationtoolsintegratedthekinematicsandtrajectoryplanningalgorithm,whicheffectivelyverifythecorrectnessofthemathematicalmodel,thepositiveandinversekinematicssolvingprocess,andeffectivelysolvetheproblemofthehighcosttestingontherobotontology.Theexperimentalresultsshowthatthecontrolsystemworkswellandcouldcontrolvariousmodeofmechanicalarmmovementexactinreal-time.Keywords:kinematicsanalysis,controlsystem,trajectoryplanning,openGL哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-1-目录摘要..........................................................................................................................IABSTRACT.................................................................................................................II第一章绪论...............................................................................................................11.1研究的背景和意义.......................................................................................11.2工业机器人研究现状...................................................................................21.2.1国内工业机器人发展状况................................................................21.2.2国外工业机器人发展状况................................................................31.3工业机器人未来的发展趋势........................................................................31.4课题的来源及主要研究内容........................................................................4第二章六轴工业机器人的硬件系统设计..................................................................62.1控制系统硬件总体设计...............................................................................62.2机器人本体设计...........................................................................................82.3本章小结......................................................................................................9第三章六轴工业机器人建模....................................................................................103.1概述.