機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(畢業(yè)設(shè)計(jì))文獻(xiàn)綜述

一、前言1. 課題研究的意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.1課題研究的意義隨著機(jī)器人在工業(yè)裝配線的應(yīng)用越來越廣泛，工業(yè)環(huán)境對其控制系統(tǒng)的要求也越來越高，所以開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有工程實(shí)際意義。課題以一四自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人研制為背景，設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件結(jié)構(gòu)，對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照預(yù)定軌跡或自主運(yùn)動(dòng)控制功能。在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善?？梢詼p輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對機(jī)器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地將其他領(lǐng)域（如圖像處理、聲音識(shí)別、最優(yōu)控制、人工智能等）的研究成果應(yīng)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作中，是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的研究工作。而具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人，其控制系統(tǒng)的研究無疑對提高機(jī)器人性能和自主能力，推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，針對結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制器的缺陷，開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”是當(dāng)前機(jī)器人控制器的一個(gè)發(fā)展方向。近幾年，日本、美國和歐洲一些國家都在開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器，如日本安川公司基于PC開發(fā)的具有開放式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能的機(jī)器人控制器。我國863計(jì)劃智能機(jī)器人主題也已對這方面的研究立項(xiàng)。由于適用于機(jī)器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)一個(gè)結(jié)構(gòu)完全開放的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器存在一定困難，但應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，如工業(yè)PC良好的開放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)接口等，打破現(xiàn)有機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)封閉的局面，開發(fā)結(jié)構(gòu)開放性、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器是完全可行的。 新型的機(jī)器人控制器應(yīng)有以下特色：(1)開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便的擴(kuò)充功能，使其適用不同類型機(jī)器人或機(jī)器人化自動(dòng)生產(chǎn)線。(2)合理的模塊化設(shè)計(jì)對硬件來說，根據(jù)系統(tǒng)耍求和電氣特性，按模塊化設(shè)計(jì)，這不僅方便安裝和維護(hù)，且提高了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為緊湊。(3)有效的任務(wù)劃分不同的子任務(wù)由不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能。(4)實(shí)時(shí)性、多任務(wù)要求機(jī)器人控制器必須能在確泣的時(shí)間內(nèi)完成對外部中斷的處理，并且珂以使多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。(5)網(wǎng)絡(luò)通訊功能利用網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，以便于實(shí)現(xiàn)資源共享或多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作。(6)形象直觀的人機(jī)接口另外，機(jī)器人控制器中，運(yùn)動(dòng)控制板是必不可少的。由于機(jī)器人性能的不同，對運(yùn)動(dòng)控制板的要求也不同。美國De1taTau公司推出的PMAC(Programinable Multi-axies Controller)在國內(nèi)外引起重視。PMAC是一種功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器，它全面地開發(fā)了DSP技術(shù)的強(qiáng)大功能，為用戶提供了很強(qiáng)的功能和很大的靈活性。借助于Motorola公司的DSP56001數(shù)字信號處理器，PMAC可以同時(shí)操縱1-8軸，比起其他運(yùn)動(dòng)控制板來說，有很多可取之處。由于適用于機(jī)器人控制的軟、硬件種類繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)-個(gè)結(jié)構(gòu)完全開放的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器存在一定困難，但應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，如工業(yè)PC良好的開放性、安全性和聯(lián)網(wǎng)性，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)接口等，打破現(xiàn)有機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)封閉的局面，開發(fā)結(jié)構(gòu)開放性、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器是完全可行的。1.3目前機(jī)器人控制器存在的問題隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，對機(jī)器人的性能提出更高的要求。智能機(jī)器人技術(shù)的研究已成為機(jī)器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，如各種精密裝配機(jī)器人，力/位置混合控制機(jī)器人，多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進(jìn)制造系統(tǒng)中的機(jī)器人的研究等。相應(yīng)的，對機(jī)器人控制器的性能也提出了更高的要求。 但是，機(jī)器人自誕生以來，特別是工業(yè)機(jī)器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的，采用專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器。這樣的機(jī)器人控制器已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。從前面提到的兩類機(jī)器人控制器來看，串行處理結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)封閉，功能單一，且計(jì)算能力差，難以保證實(shí)時(shí)控制要求，所以目前絕大多數(shù)商用機(jī)器人都是采用單軸PID控制，難以滿足機(jī)器人控制的高速、高精度的要求。雖然分布式結(jié)構(gòu)在一定層次上是開放的，可以根據(jù)需要增加更多的處理器，以滿足傳感器處理和通訊的需要，但它只是在有限范圍內(nèi)開放。并行處理結(jié)構(gòu)控制器雖然能從計(jì)算速度上有了很大突破，能保證實(shí)時(shí)控制的需要，但我們必須看到還存在許多問題。目前的并行處理控制器研究一般集中于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型的并行處理方面，基于并行算法和多處理器結(jié)構(gòu)的映射特征來設(shè)計(jì)，即通過分解給定任務(wù)，得到若干子任務(wù)，列山數(shù)據(jù)相關(guān)流圖，實(shí)現(xiàn)各子任務(wù)在對應(yīng)處理器上的并行處理。由于并行算法中通訊、同步等內(nèi)在特點(diǎn)，如程序設(shè)計(jì)不當(dāng)則易出現(xiàn)鎖死與通訊堵塞等現(xiàn)象。綜合起來，現(xiàn)有機(jī)器人控制器存在很多問題，如：（1）開放性差（2）軟件獨(dú)立性差（3）容錯(cuò)性差（4）擴(kuò)展性差（5）缺少網(wǎng)絡(luò)功能2.課題的研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題2.1課題研究的目標(biāo)、內(nèi)容本設(shè)計(jì)通過對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。本課題以一四自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人研制為背景，設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件結(jié)構(gòu)，對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照預(yù)定軌跡或自主運(yùn)動(dòng)控制功能。主要的研究內(nèi)容是對SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟硬件選型和實(shí)現(xiàn)不同位置間運(yùn)動(dòng)，包括上下料的控制程序的研究。2.2擬解決的關(guān)鍵問題1、確定本課題研究的機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)； 2、對應(yīng)確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選用機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)； 3、設(shè)計(jì)運(yùn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件部分；4、控制系統(tǒng)的電路圖設(shè)計(jì)；二、設(shè)計(jì)方案的確定1. 研究路線、方法和擬使用的方法(1)機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)其中，機(jī)器人的關(guān)節(jié)均選用私服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，光電碼盤用來控制大臂和小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)量，極限開關(guān)用來控制升降軸的上下移動(dòng)量。運(yùn)動(dòng)控制卡用來控制機(jī)械手關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定位，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。(2)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)通過小組初步討論決定控制計(jì)算機(jī)使用研華的主機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制卡選用ADT（深圳眾為興），電機(jī)選用伺服電機(jī)。(3)控制系統(tǒng)的軟件部分主要采用VC進(jìn)行編程，構(gòu)建一個(gè)控制系統(tǒng)平臺(tái)，在程序中給定坐標(biāo)后，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)進(jìn)行上下料的搬運(yùn)工作。之所以使用VC，一方面，ADT的運(yùn)動(dòng)控制卡支持VC進(jìn)行編程，另一方面，使用VC進(jìn)行編程比較靈活，易于改進(jìn)和變化。(4)電路圖部分 根據(jù)所選的硬件設(shè)備，使用Protel進(jìn)行繪制。三、作者已進(jìn)行的準(zhǔn)備及資料收集情況 在設(shè)計(jì)之前，翻閱了多篇關(guān)于機(jī)器人方面的書籍。對于控制系統(tǒng)的發(fā)展及其在機(jī)器人上的應(yīng)用都有了相關(guān)的了解，這為建立機(jī)器人控制系統(tǒng)的模型做了一些前期準(zhǔn)備工作。在此期間，還自學(xué)Protel和Solidworks等軟件，為控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備。還借了單片機(jī)基礎(chǔ)、48小時(shí)精通Solidworks2014、工業(yè)機(jī)器人等書籍便于今后設(shè)計(jì)過程翻閱參考。四、階段性計(jì)劃及預(yù)期研究成果1. 階段性計(jì)劃第1周：閱讀相關(guān)文獻(xiàn)（中文10篇，英文1篇），提交文獻(xiàn)目錄及摘要。第2周：翻譯有關(guān)中英文文獻(xiàn)，完成文獻(xiàn)綜述、外文翻譯，提交外文翻譯、文獻(xiàn)綜述。第36周：控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，提交設(shè)計(jì)結(jié)果。第711周：硬件元器件的選型、I/O口接線圖，提交設(shè)計(jì)結(jié)果第,1214周：軟件編程，裝配圖。第15周：工程圖繪制，工程圖。第16周撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，提交論文，準(zhǔn)備答辯。2. 預(yù)期的研究成果(1) 通過該課題的完成，能讓自己對控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用有全面的了解，增強(qiáng)對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。(2) 通過該課題的完成，綜合考慮無負(fù)載條件和有負(fù)載條件下的工況要求，通過減少擾動(dòng)誤差來提高系統(tǒng)精度。五、參考文獻(xiàn)1 劉文波，陳白寧，段智敏編著,工業(yè)機(jī)器人. 東北大學(xué)出版社, 2007.12.2 王承義著, 機(jī)械手及其應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社, 1981(TP241/2).3 (蘇)尤列維奇著, 新時(shí)代出版社,機(jī)器人和機(jī)械手控制系統(tǒng). 1985(TP24/1).4機(jī)械結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)械手編寫組編,工業(yè)機(jī)械手.上冊, 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1978( TP241/1:1)5王淑英.電氣控制與PLC的應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.6張奇志,周亞麗編著. 機(jī)器人學(xué)簡明教程. 西安電子科技大學(xué)出版社,2013.04(TP242/103)7. Saeed B. Niku著. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論:分析、控制及應(yīng)用:analysis, control, applications (美). 電子工業(yè)出版社, 2013(TP24/36).8. 布魯諾西西利亞諾, (美) 歐沙瑪哈提卜編輯. 機(jī)器人手冊 (意). 機(jī)械工業(yè)出版社,2013 (TP242-62/1)9.金廣業(yè)編譯.工業(yè)機(jī)器人與控制.東北大學(xué)出版社,1991.310.周伯英編著.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社,199511.(俄)索羅門采夫主編.工業(yè)機(jī)器人圖冊.機(jī)械工業(yè)出版社,1993.512. A. Mohammadia, n, M. Tavakoli b, nn, H. J. Marquez b, F. Hashemzadeh b.Nonlinear disturbance observer design for robotic manipulators. Control Engineering Practice 21 (2013) 253267六、指導(dǎo)教師審閱意見簽名 年 月 日