基于CLIPPER的灯光抓取机器人控制系统研究

发布时间：2019-10-09 02:30

【摘要】：本课题结合实际需求,研发了一套灯光机器人系统,对其机械结构进行了分析。设计了控制系统的硬件电路和各部分软件程序,最后通过样机测试,表明该灯光机器人控制系统功能正常,符合预期。具体为以下几个方面:(1)结合灯光机器人的结构特点,分析了其工作空间,采用DH建模法建立灯光机器人的正运动学模型。根据所建立的运动学模型得到灯光机器人末端位姿矩阵并进行逆解运算。为编写PMAC运动程序奠定了基础。(2)参考国内外该领域的研究现状,确定了以计算机+PMAC运动控制卡为核心的控制系统架构方案。该种方案性能良好,是工业机器人开发领域的广泛采用的方案之一[1]。通过对比分析PMAC各类产品的特点,选用TURBO PMAC2中的Clipper产品作为该系统的运动控制器,根据灯光机器人系统的负载情况,选择了松下A5系列的伺服驱动器和伺服电机作为驱动部分。结合功能需求,设计了电气控制柜和控制电路的电气方案。(3)根据控制系统的硬件架构,将软件划分为上位机界面软件部分、PMAC运动程序部分和PMAC的PLC程序部分。上位机软件负责用户命令的输入、参数设置及回零、限位等信号的监视。PMAC运动程序包括单轴增量运动程序、多轴联动程序、空间直线插补程序、空间圆弧插补程序、快速运动至某点程序和正逆运动学缓冲区程序等。PLC程序包括初始化程序、运动程序状态监视程序、运动学逆解状态监视程序、限位状态监视程序、伺服报警监视程序等部分。三部分程序相互配合,共同完成控制任务。(4)按照设计好的方案实现灯光机器人样机,对驱动轴的零点和终点进行了标定,以模块化方式进行调试,防止出现安全事故并且便于故障的定位和排除。根据各轴工作特点设置合适驱动器的参数并带电机进行JOG试运行。然后将上位机和PMAC卡的IP设置在同一局域网内实现Ethernet通信,通信成功后即可使用PEWIN32PRO进行其他功能的测试。最后逐个测试上位机界面软件的限位回零监视、空间运动、示教等功能模块。
【图文】：

图 1-2 2005-2015 全球工业机器人销量及我国占比Fig. 1-2 2005-2015 Sales of global industrial robots and the proportion of China然我国的机器人产业和技术有了长足的进步，，但在机器人及其关键零配件产业工业发达国家仍存在差距和不足，高精度伺服电机、高端减速机和运动控制器依赖进口，国产机器人技术创新不足，可靠性相对较差，许多高精端制造场合进口机器人产品[19]。针对劣势和不足，我国已将机器人产业发展列入十三五规发布了机器人产业发展规划[20]，配合着优势产业的发展和科技的不断升级，我领域在未来的一段时间内，将会有更迅猛的发展。着人工智能领域的发展和兴起，人工智能科学和机器人技术的结合越来越紧密多数机器人的智能化仍然程度较低，仅能根据特定的程序和指令完成相应任务特殊或者突变的情况无法进行智能化处理，这些局限制约了机器人在更多领域用，根据 IEEE 的定义，智能控制必须具有模拟人类学习(Learning)和自适tation)的能力，这也契合了机器人领域的发展目标，能根据环境的变化，做出相和应对，面对非线性、快时变、多变量、强耦合等复杂系统时，具有效的全局和容错能力，而不再是单一固定的数学模型和程序结构[21]。更高级的机器人应有分析理解数据，从外部现象中抽象出逻辑知识并进行学习和应用的功能。

图 1-8 一种以计算机和运动控制卡为核心的控制系统原理图Fig. 1-8 A schematic diagram of the control system with computer and motion control card as the core另一方面，控制系统是整个机器人的中枢核心，对机器人的运行性能影响重大，性能优越的控制系统应该具有响应迅速，高可靠性，定位精准等特点。机器人控制系统涉及机电设计、信号采集与处理、信号传输、伺服控制算法、软件开发等多项技术，不同的机器人系统个性化程度很高[41]。本文研究的工控机+PMAC 的架构模式是当前较为主流的控制系统解决方案，在定制性和通用性之间取得了很好的平衡，同时具有良好的的可扩展性和可维护性，为实验室后续的机器人控制系统研究提供了可参考的平台和基础。1.4 本文的主要研究内容本文首先结合国内外研究现状对机器人控制系统的发展及主要架构形式进行研究，确定本系统合适的架构方案。然后根据灯光机器人的机械结构进行运动学分析，研究以工控机和 PMAC 为核心的灯光机器人的控制系统，硬件方面包括硬件选型、硬件总体架构设计、电气控制柜主电路和芯片电路的设计。软件方面包括上位机人机界面、PMAC中的运动程序和 PLC 程序的设计。最后，按照硬件、软件的设计方案实现样机并进行调试，解决出现的问题并进行优化。主要包括以下几个方面：
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

【参考文献】

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本文编号：2546556