基于CPAC的SCARA机器人控制系统的研究

发布时间：2017-05-11 22:08

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【摘要】：SCARA机器人是目前工业上使用较为广泛的一款机器人,它主要应用在工业上的零件搬运和装配。传统的机器人控制系统大多采用封闭的体系结构,而封闭的体系结构通常采用专用的机器人语言和封闭的控制器,使用户存难以根据自己的实际功能需求进行调整和扩展。基于此研究背景,本文提出了一种基于CPAC运动控制器的SCARA机器人控制系统,采用开方式的构架和指导思想,对SCARA机器人的关键技术进行了相应的研究和设计。论文一开始对机器人的历史背景、研究意义以及关键技术做了详细介绍,然后对工业机器人的相关理论进行了重点阐述,包括物体在空间位置和姿态的描述、坐标变换、数学模型的建立、标准D-H参数的求解,正向运动学分析和求解、逆向运动学分析。论文提出一种以Otostudio软件和计算机可编程自动化控制器(CPAC)作为研究的软硬件平台的方案,介绍了在该平台上开发SCARA机器人的控制系统,对系统的硬件结构进行了相应的介绍,包括CPAC运动控制器、Otostudio软件平台、SCARA机器人本体结构、示教盒、伺服驱动器和电机等。系统利用Otostudio软件开发了一套示教盒控制程序,编写了SCARA机器人控制系统的底层运动控制模块,实现了Jog手动运行模式和点位运动模式控制,完成了SCARA机器人单轴的正反转以及示教-再现控制。与此同时,本文还完成了控制系统的UI界面设计。最后,根据SCARA机器人的特点,利用模糊控制器与PID控制器的相结合的控制策略对机器人控制系统做了相关改进,对两种控制器的优缺点取长补短,对伺服电机的阶跃响应,以及SCARA机器人关节的轨迹跟踪做了仿真实验,实验结果表明采用模糊控制器与PID控制器的相结合的控制器,控制效果明显优于单独的PID控制。
【关键词】：SCARA机器人 CPAC运动控制器 模糊PID 运动学正逆解
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-13
• 1.1 课题研究的背景和意义8
• 1.2 国内外工业机器人研究现状8-10
• 1.3 工业机器人控制系统方案的研究10
• 1.4 机器人控制算法研究现状10-11
• 1.5 本课题研究的意义及章节安排11-12
• 1.6 本章小结12-13
• 第2章 SCARA机器人控制系统的总体设计13-21
• 2.1 工业机器人的系统作用及其组成13-15
• 2.2 SCARA机器人控制系统的硬件平台15-19
• 2.2.1 CPAC运动控制器的介绍16-17
• 2.2.2 手持示教盒17-18
• 2.2.3 驱动器及伺服电机18
• 2.2.4 SCARA机器人的本体结构18-19
• 2.3 CPAC软件平台OtoStudio简介19-20
• 2.4 本章小结20-21
• 第3章 SCARA机器人运动学分析21-31
• 3.1 工业机器人的运动学系统分析21-24
• 3.1.1 位置与姿态的描述21-23
• 3.1.2 坐标变换23-24
• 3.2 连杆参数和D-H变换24-26
• 3.2.1 连杆坐标系的参数的确定24-25
• 3.2.2 D-H变换25-26
• 3.3 SCARA机器人运动学正逆解26-30
• 3.3.1 SCARA机器人正运动学分析26-27
• 3.3.2 SCARA机器人逆运动学分析27-30
• 3.4 本章小结30-31
• 第4章 SCARA机器人示教盒系统的程序设计31-53
• 4.1 概述31
• 4.2 手持示教盒主要功能31-32
• 4.3 示教盒系统程序数据设计32-34
• 4.3.1 机器人关节状态结构体的设计33-34
• 4.3.2 示教信息结构体的设计34
• 4.4 系统初始参数配置34-37
• 4.4.0 系统参数配置34-35
• 4.4.1 关节参数的初始化35-36
• 4.4.2 示教盒按键映射及IO定义36-37
• 4.5 程序功能模块的设计37-50
• 4.5.1 机器人运动学37-44
• 4.5.2 示教再现44-47
• 4.5.3 人机交互界面47-48
• 4.5.4 文件管理模块48-49
• 4.5.5 实时监测及IO反馈模块的设计49-50
• 4.6 JOG模式和点位运动模式实验测试50-52
• 4.6.1 Jog运动模式测试50-51
• 4.6.2 点位运动的模块测试51-52
• 4.7 本章小结52-53
• 第5章 单关节模糊PID控制算法研究53-63
• 5.1 引言53
• 5.2 PID控制算法53-54
• 5.3 模糊控制算法54-56
• 5.3.1 模糊控制器的基本原理54-56
• 5.4 SCARA机器人模糊PID控制器的实现方案56-60
• 5.4.1 模糊PID控制系统56
• 5.4.2 精确量的模糊化56-58
• 5.4.3 模糊规则表建立58-60
• 5.4.4 PID参数自适应校正60
• 5.5 仿真结果分析60-62
• 5.6 本章小结62-63
• 第6章 总结和展望63-65
• 6.1 总结63-64
• 6.2 展望64-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-70
• 附录70

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