基于ROS的工业机器人示教编程器研制

硕士学位论文基于ROS的工业机器人示教编程器研制DEVELOPMENTOFANINDUSTRIALROBOTTEACHPENDANTBASEDONROS高永卓哈尔滨工业大学2014年7月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：621.865.8密级：公开工程硕士学位论文基于ROS的工业机器人示教编程器研制高永卓导师：杜志江教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2014年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学硕士研究生：ClassifiedIndex:TP242.2U.D.C:621.865.8DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDEVELOPMENTOFANINDUSTRIALROBOTTEACHPENDANTBASEDONROSCandidate：GaoYongzhuoSupervisor：Prof.DuZhijiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2014Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-I-摘要随着工业技术的不断进步，在简单重复动作或高强度高精度作业的岗位上，机器人逐渐取代了人力劳动，成为工业生产的重要装备。示教编程器作为人与机器人交互的核心设备，其先进的技术一直被国外大型机器人厂商所垄断。所以，研制具有一定通用性和开放性、功能强、交互友好的示教编程器意义重大。本文首先阐述了一种利用ROS（RobotOperatingSystem,机器人操作系统）提供的消息服务机制建立基于以太网的机器人示教控制系统架构。分析了ROS在构建工业机器人示教控制系统上的优势，如，易于建立网络化、分布式控制系统、易于实现和维护复杂控制系统的模块化设计、以及具有丰富的机器人软件系统开发工具等。从安全性、稳定性、通用性、开放性、功能性和交互友好性几个方面对示教盒的功能需求进行分析，并提出示教盒系统的总体设计方案。在电气系统方面，设计了以ARMcortex-A8内核作为硬件核心的电气系统结构，为美观的交互界面及丰富的功能的处理提供了良好的硬件支持，提高了对用户输入的响应速度；采用三维摇杆、高分辨率液晶触摸屏作为用户输入，提高用户的交互体验。在机械结构方面，结合人机工程学标准，设计了适宜单手手持的示教盒壳体，提高了用户在操作时的灵活性；结合用户交互习惯和电气系统接线方式，合理布置了示教盒内部各电气组件，使壳体机械结构为电气系统提供了良好的支撑和保护。在软件方面，采用模型-视图-控制器（MVC）软件设计模式：利用Qt-quick开发触摸屏交互界面视图，并遵照简易性、安全性、人性化等设计原则，提高界面的友好性；在控制器中利用Arduino库简化硬件监测等来实现对用户输入的响应定义；在模型功能上基于ROS库和X11库实现了手动控制-示教-再现、高级编程、校准、用户坐标系建立、机器人状态实时显示、工作空间限制、系统状态指示、用户管理、系统控制等功能，并实现与服务器的数据互通。最后，结合示教盒搭建了基于ROS的半实物仿真训练平台，为用户的示教盒操作训练提供了模拟环境。完成了基于不同构型的机器人本体的示教盒软硬件功能测试，结果证明示教盒软硬件功能实现效果良好，具有一定的通用性，满足示教盒功能需求。关键词：示教盒；工业机器人；ROS；示教再现；软件设计哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-II-AbstractWiththedevelopmentofindustrialtechnologies,theindustrialrobotsareequippedtoreplacehumanbeingsgraduallyonthetasksthatneedsimpleandrepetitivemotions,highstrengthorhighprecision.Theteachpendantisarobotoperator’sprimarydeviceofcontrollingarobot,whoseadvancedtechniquesaremonopolizedbythelargeinternationalcompanies.Therefore,itissignificanttodevelopanuniversal,open,functional,andinteractiveteachpendant.Inthisthesis,aframeworkofanindustrialrobotgroupbasedontheROS’smessage-passingcommunicationwasproposed,inwhichasingleteachpendantcancontrolorteachmulti-typerobots.Thisarchitecturefeaturesseveraladvantages,e.g.easytoestablishthecommunicationsystem,easytomanagethemodularizationaldesignandcomplexsystem,easytobedevelopedandexpanded,andeasytocontrolmulti-typerobotswithvarioussoftwaretools.Theeventualdesignschemeisproposedbasedontheanalysisofsafety,stability,universality,openess,functionalityandinteractivitybasedontheframework.Theelectricsystemdesignbasedonthecorehardwareoftheteachpendant,whichistheARMcortex-A8CPU.Theconfigurationaboveensuresthearithmeticspeedtheunderlyingsupports.Moreover,thehardwarealsooffersasupporttothefineandcomplicatedinteractiveinterface,andsimultaneouslyincreasestheresponsespeedoftheuserinput.Theteachpendantusesa3-axisjoystickwithabutton,a7inchLCDtouchscreenandthemembraneswitchesfortheuserinput,whichimprovestheusers’interactiveexperiences.Inthemechanicalstructuredesign,themechanicalstructureoftheteachpendanthousingisdesignedbasedontheergonomicsstandards,whichimprovestheoperationflexibility.Meanwhile,itprovidesastructuralsupportandprotectionfortheelectricsystem.TheMVCframeworkisutilizedintheinteractivesoftwaredesign.Qt-quickmoduleisusedtodevelopthetouchableinteractiveinterfacebasedonthedesignprinciplese.g.simplicity,safety,humanizationetc.,whichimprovestheusers’interactiveexperiences.TheArduinolibisemployedinthecontrollertosimplifythehardwaremonitoringandimplementtheusers’inputsdefinition.Inthemodelfunction,aseriesoffunctionscanberealizedbasedonROSandX11libe.g.control-teach-playback,offlineprogramming,calibration,coordinatesystemassignment,robotstatusdisplay,workspacelimit,systemstatusdisplay,usermanagement,andsystemcontrol,etc.ThedatasharedonROSmasterserverbasedonEthernet.Finally,asemi-physicalsimulationtrainingplatformisbuiltupbasedonROS哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-III-fortheproposedteachpendant.Thisplatformoffersasimulationenvironmentfortrainingusers’beforeoperatingarealrobotsystem.Basedonthat,thedevelopedteachpendantsystemwastestedonthevirtualmodelandtherealprototype.Theresultsshowtheeffectivenessofthedevelopedsystem,whichfulfilstherequirementsofthebasicfunctions.Keywords:teachpendant,industrialrobot,ROS,teachandplayback,softwaredesign哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-IV-目录摘要..........................................................................................................................IABSTRACT................................................................................................................II第1章绪论......................................................................................................1课题背景及研究的目的和意义.................................................................11.1机器人作业示教的分类及特点.................................................................21.2国内外在示教盒研制方面的发展概况......................................................31.31.3.1国外示教盒产品的发展............................................................................31.3.2国外示教盒的研究现状..........