第一篇：工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)研究論文

摘要：隨著科技與經(jīng)濟的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演的角色也越來越重要，其對機器人運動控制系統(tǒng)提出了更高的要求。作為工業(yè)機器人的重要組成部分，控制系統(tǒng)也在一定程度上制約了機器人技術(shù)的發(fā)展。本文從機器人開放式控制系統(tǒng)概述出發(fā)，介紹了幾種主流開放式控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并對控制系統(tǒng)的未來發(fā)展寄予展望。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；開放式控制系統(tǒng)；實現(xiàn)方法；發(fā)展展望

伴隨德國工業(yè)4.0與戰(zhàn)略中國2025計劃的提出，傳統(tǒng)制造業(yè)也面臨改革和升級，以機器為主導(dǎo)的自動化設(shè)備越來越受歡迎。制造業(yè)要求機器人更強的柔性與開發(fā)性，能夠與工業(yè)生產(chǎn)中不同的設(shè)備通過總線或者以太網(wǎng)連接到同一網(wǎng)絡(luò)平臺，以形成一套綜合控制系統(tǒng)。但是就目前的狀況來看，不同廠家的機器人控制系統(tǒng)只遵循相關(guān)廠家的要求和標準，采用封閉的編程語言與控制器，用戶在根據(jù)需求進行調(diào)整中遇到的困難是極大的，因此工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)的研究成為了國內(nèi)外科研機構(gòu)研究的重點。

一、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)以機器人為核心，機器人由機器人本體、控制系統(tǒng)、驅(qū)動以及傳感器組成。由此可知，硬件和軟件組成了工業(yè)機器人控制系統(tǒng)，它依據(jù)指令和傳感器對機器人進行控制，促使其完成規(guī)定動作或任務(wù)。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)主要由主控單元、執(zhí)行機構(gòu)以及檢測單元組成。作為整個系統(tǒng)的核心，主控單元主要對機器人進行運動學(xué)的計算、運動規(guī)劃以及插補計算等，將用戶的運動控制指令傳輸?shù)綀?zhí)行機構(gòu)。由于工業(yè)機器人的所有動作指令均來源于控制系統(tǒng)，因此控制系統(tǒng)在很大程度上限制了工業(yè)機器人的開發(fā)性。

二、開放式機器人控制系統(tǒng)

現(xiàn)階段來說，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)性還沒有較為嚴格的定義，從IEEE對“開放”的官方定義來看，開放系統(tǒng)應(yīng)滿足系統(tǒng)的應(yīng)用可以在不同的平臺之間移植，與其他應(yīng)用系統(tǒng)相互交互，為用戶提供一致的交互方式[1]。對于開放式控制器來說，它應(yīng)具有接口標準化、模塊化的開放式結(jié)構(gòu)，使得用戶只要具備簡單的機器人知識就可操作機器人，不必深入了解機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便在工序發(fā)生變化時用盡量少的時間和代價修改系統(tǒng)，以滿足新的應(yīng)用。

三、開放式控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

1.開放式控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方法開放式控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括基于PC總線系統(tǒng)和VME總線系統(tǒng)，由于PC開放性強、軟件環(huán)境開發(fā)優(yōu)良、通訊功能良好及成本低廉，它成為了大部分機器人廠商機器人開放式控制系統(tǒng)的主要研究和開發(fā)對象。其硬件實現(xiàn)方法有以下四種：一是基于“PC+運動控制卡”，優(yōu)勢表現(xiàn)在對PC實時性要求低，具備開發(fā)性等，但是對運動控制卡要求較高，同時還需搭配DSP；基于“IPC+運動控制卡”，優(yōu)勢在于影響更為簡單，整體也更為緊湊，在具有開發(fā)性的基礎(chǔ)上還具有兼容性，與前者的區(qū)別在于更能緩解控制卡的數(shù)據(jù)處理壓力，此種模式下工控機與運動控制卡有明確的分工；基于PLC的控制系統(tǒng)，在硬件連接方面十分簡單，同時具有強大的聯(lián)網(wǎng)功能，以實現(xiàn)對多機器人的監(jiān)控；最后基于“通用PC+工業(yè)實時以太網(wǎng)”的控制系統(tǒng)，控制效率高，且可拓展性極強。2.開放式控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方法就目前來說，在開放式控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方面，大部分機構(gòu)均是以硬件開放式架構(gòu)為基礎(chǔ)，利用開放式純軟件控制技術(shù)來實現(xiàn)的。純軟件控制技術(shù)多運行于工控機上Windows或Linux環(huán)境下，所有的運動控制運算與邏輯運算都由軟件本身的內(nèi)核完成，硬件僅僅負責(zé)I/O信號的傳輸[2]。此時便可選擇高性能的伺候網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建伺候通訊平臺，方便的接入多個機器人，以實現(xiàn)對多機器人的控制。

四、開放式控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望

隨著科技與經(jīng)濟的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演的角色也越來越重要，即其對機器人運動控制系統(tǒng)提出了更高的要求。對于如何實現(xiàn)開放式控制系統(tǒng)的問題，來自倫敦大學(xué)的學(xué)者在采用分層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了開放式機器人控制器的結(jié)構(gòu)。從開放式控制系統(tǒng)的概念提出至今，許多國家出資對此進行了研究與探索，其中最具影響力的三個為：歐盟的OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithAutomationSystem），由歐洲的研究機構(gòu)和控制器廠商共同提出且于1996年完成開發(fā)；日本的OSEC，由日本國內(nèi)一些大型機械及機電制造商于1994年提出，意在為全球的自動化公司制定一種標準；美國于1994年提出的OMAC，區(qū)別于前兩個計劃的是OMAC的控制系統(tǒng)具有標準化的接口層，此時用戶便于制定滿足自己需求的一系列特定功能模塊，“即插即用”，方便連接到簡單的控制系統(tǒng)。計算機快速發(fā)展的同時，具備平臺通用性的機器人控制軟件也在快速發(fā)展，從2001年的自主機器人系統(tǒng)CLARAty一直到2010年采用分布式處理構(gòu)架的開源機器人操作系統(tǒng)ROS，可執(zhí)行文件能夠單獨被設(shè)計，系統(tǒng)本身能夠自帶控制算法與指令。就目前來說，雖然還沒有嚴格意義上的完全開發(fā)的控制系統(tǒng)，但隨著科技的發(fā)展，未來工業(yè)機器人開放式控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的前景是不可估量的。

第二篇：工業(yè)機器人論文

走進科技論文

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顏衛(wèi)勤

工業(yè)機器人論文

在科技界，科學(xué)家會給每一個科技術(shù)語一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之一是機器人還在發(fā)展，新的機型，新的功能不斷涌現(xiàn)。根本原因主要是因為機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學(xué)問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。其實并不是人們不想給機器人一個完整的定義，自機器人誕生之日起人們就不斷地嘗試著說明到底什么是機器人。但隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時代的到來，機器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富，機器人的定義也不斷充實和創(chuàng)新。

在此，我僅根據(jù)自己的所學(xué)及課本給出的定義概述一下有關(guān)機器人的定義。機器人（Robot）是1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》的劇本中，塑造的一個具有人的外表、特征和功能，愿意為人服務(wù)的機器奴仆“Robota”一詞衍生出來的。根據(jù)這個定義，我們可以這樣說：機器人是一個在三維空間中具有多自由度的，并能實現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機器；而工業(yè)機器人（Industrial Robot）則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機器人。

而美國機器人工業(yè)協(xié)會（U.S.RIA）提出的工業(yè)機器人定義為機器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機械手(manipulator)或者通過不同程序的調(diào)用來完成各種工作任務(wù)的特種裝置”。日本機器人協(xié)會(JIRA)的定義則是：工業(yè)機器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(end effector)的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”?？梢娒绹鴻C器人協(xié)會和日本機器人協(xié)會給出了相類似的定義。國際標準化組織(ISO)的定義：“機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”。而我國科學(xué)家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。在我國，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的機器人我們稱為工業(yè)機器人。通常人們對工業(yè)機器人的定義是：工業(yè)機器人是一種能模擬人的手、臂的部分動作, 按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求, 實現(xiàn)抓取、搬運工件或操作工具的自動化裝置。

工業(yè)機器人的最顯著的特點簡單概述為可編程、擬人化、通用性、機電一體化。

工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。

工業(yè)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計算機上已編好的作業(yè)程序文件，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機器人控制柜。

示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動執(zhí)行機構(gòu)，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。

具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動完成更為復(fù)雜的工作。

清潔機器人的涵蓋范圍廣泛，依照IFR World Robotic的分類，可分為產(chǎn)業(yè)型與家用型兩大類，在產(chǎn)業(yè)型方面例如地板清潔（吸塵與洗地）、風(fēng)管空調(diào)系統(tǒng)清潔、除草、大樓窗戶清洗、水箱清潔等。目前為止應(yīng)用最成功的仍屬地板清潔型機器人，包括機場、大賣場、工廠、飯店大廳等大范圍面積的場所，原因在于地板屬于2-D幾何平面，技術(shù)相對較為單純。而家用型的地板清潔機器人（吸塵器）在近年來則快速竄起，成為市場主流產(chǎn)品，根據(jù)IFR World Robotics 2005的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，服務(wù)型機器人中，清潔機器人仍是主要應(yīng)用。其中家用清潔機器人更占整體服務(wù)型機器人的95%以上，其中2005-2008年更可高達447萬臺。

家用型清潔機器人受到熱烈歡迎的主要原因在于已開發(fā)與開發(fā)中國家多以雙薪家庭為主，并逐漸走向少子化與高齡化的趨勢，在家庭人口結(jié)構(gòu)變少的情況下，清潔工作的替代便成為新興市場發(fā)展的重要需求，遂使的清潔機器人成為各國爭相投入的技術(shù)研發(fā)重點。

隨著自動化技術(shù)與人工智能的快速發(fā)展，機器人在人類的環(huán)境中扮演越來越重要的腳色。傳統(tǒng)上機器人的應(yīng)用層面多集中于工業(yè)化的生產(chǎn)系統(tǒng)與制造流程上，專門應(yīng)付長時間作業(yè)、大量重復(fù)性動作、系統(tǒng)復(fù)雜且需要精密控制、高危險性等工作上。而近年來的演進則漸漸朝向服務(wù)型機器人的方向快速蓬勃發(fā)展。那么在我們身邊有什么樣的機器人呢？ 生活中常見的工業(yè)機器人有如下幾種：

點焊機器人，這主要是針對汽車生產(chǎn)線，提高生產(chǎn)效率，提高汽車焊接的質(zhì)量，降低工人的勞動強度的一種機器人。它的特點是通過機器人對兩個鋼板進行點焊的時候，需要承載一個很大的焊鉗，一般在幾十公斤以上，那么它的速度要求在每秒鐘一米五到兩米這樣的高速運動，所以它一般來說有五到六個自由度，負載三十到一百二十公斤，工作的空間很大，大概有兩米，這樣一個球形的工作空間，運動速度也很高，那么自由度的概念，就是說，是相對獨立運動的部件的個數(shù)，就相當(dāng)于我們?nèi)梭w，腰是一個回轉(zhuǎn)的自由度，我們大臂可以抬起來，小臂可以彎曲，那么這就三個自由度，同時腕部還有一個調(diào)整姿態(tài)來使用的三個自由度，所以一般的機器人有六個自由度，就能把空間的三個位置，三個姿態(tài)，機器人完全實現(xiàn)，當(dāng)然也有小于六個自由度的，也有多于六個自由度的機器人，只是在不同的需要場合來配置。

弧焊機器人也是工業(yè)機器人中一個最重要的方面，像我們汽車的后橋，進行焊接的時候，它連續(xù)焊接，所以它的特點是連續(xù)軌跡控制，所以它要求的軌跡精度要求非常高，一般來說也是五到六個自由度，由于它焊槍比較小，所以在五到十公斤就可以了，這個方面是在國際和國內(nèi)應(yīng)用非常大的一類機器人，在另一方面像搬運和鉚接，這些工作場合下，像搬運，主要是要求機器人有很高的速度，承載能力很多、很強，像日本的大庫機器人，它可以承載三百公斤，抓取、來進行搬運和碼垛。

醫(yī)療機器人，是近五年來發(fā)展比較迅速的一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，那么這個也可以看到幾個方面，包括人是一個非常珍貴的生物，那么包括人的眼球、神經(jīng)、血管都很精細，那么如果人手術(shù)的時候，醫(yī)生來手術(shù)，一個是疲勞，另一個人手操作的精度還是有限的，那么這是在德國，一些大學(xué)里面，面向人的脊椎，如腰間盤突出這種病，進行識別以后，能夠自動地用機器人來輔助進行定位，進行操作和手術(shù)。還有一類叫康復(fù)機器人，康復(fù)機器人像比方說，現(xiàn)在發(fā)病量比較大的是偏癱和半身不遂這種病患，當(dāng)他恢復(fù)治療完以后，需要對他的肢體進行鍛煉和恢復(fù)，那么如果醫(yī)生是有限的，不可能一個醫(yī)生，天天給一個病人進行按摩或牽引這樣的工作，那么家庭的人員都上班，沒有時間照顧，那么用一個機器人，可以對他的手進行牽動，天天強迫他進行鍛煉，使人的肌肉的恢復(fù)達到最好，更為精細的工作像很多大學(xué)和一些醫(yī)院在開發(fā)像人的腦手術(shù)，這個是很危險的事情，但是，已經(jīng)得到了很好的例證，包括北航開發(fā)出了對人腦的定位和鉆孔這樣的工作，還包括像美國已經(jīng)有一千多例機器人對人眼球進行手術(shù)，這樣的機器人，還包括通過遙控操作的辦法，實現(xiàn)對人的胃腸這種手術(shù)，大家在電視里邊看到，一個機械手，大概有手指這樣粗細的一個機械手，通過插入腹臟以后，人在屏幕上操作這個機器手，同時對它用激光的方法對病灶進行激光的治療，這樣的話，人就不用很大幅度地破壞人的身體，這實際對人的一種解放，是非常好一種機器人，醫(yī)療機器人它也很復(fù)雜，一方面它完全自動去完成各種工作，是有困難的，一般來說都是人來參與，這是美國開發(fā)的一個林白手術(shù)這樣一個例子，人通過在屏幕上，通過一個遙控操作手來控制另一個機械手，實現(xiàn)通過對人的腹腔進行手術(shù)，前幾年我們國家展覽會上，美國已經(jīng)成功的實現(xiàn)了對人的心臟瓣膜的手術(shù)和搭橋手術(shù)，這已經(jīng)在機器人領(lǐng)域中，引起了很大的轟動，還包括，AESOP的這種外科手術(shù)機器人，它實際上通過一些儀器能夠?qū)θ说囊恍┎∽冞M行檢查，通過一個機械手就能夠?qū)崿F(xiàn)對人的某些部位進行手術(shù)，還包括遙操作機械手，以及多個醫(yī)生可以在機器人共同參與下進行手術(shù)，包括機器人給大夫醫(yī)生拿鉗子、鑷子或刀子來代替護士的工作，同時把照明能夠自動的給醫(yī)生的動作聯(lián)系起來，醫(yī)生的手到哪兒，照明就去哪兒，這樣非常好的，一個醫(yī)生的助手。

由此可見，工業(yè)機器人是人類的得力助手，隨著社會的發(fā)展，大量的工業(yè)機器人把人們從繁重的體力和危險的環(huán)境中解放出來，使人們有更好的崗位去工作，去創(chuàng)造更好的精神財富和文化財富，機器人來做這些危險環(huán)境的工作，展望21世紀工業(yè)機器人將是一個與20世紀計算機的普及一樣，會深入地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，有人說在21世紀的前20年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關(guān)鍵時期，目前國際上很多國家，也對機器人對人類社會的影響的估計提出了新的認識，同時，我們也可以看到機器人技術(shù)，涉及到多個學(xué)科，機械、電工、自動控制、計算機測量、人工智能、傳感技術(shù)等等，它是一個國家高技術(shù)實力的一個重要標準。所以，作為當(dāng)代大學(xué)生，作為一名機械專業(yè)的學(xué)生，我們的使命任重而道遠。

第三篇：工業(yè)機器人--論文

材料：工業(yè)機器人論文

摘要：工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。機器人技術(shù)是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術(shù)領(lǐng)域。國際電氣電子工程師協(xié)會IEEE的科學(xué)家在對未來科技發(fā)展方向進行預(yù)測中提出了4個重點發(fā)展方向，機器人技術(shù)就是其中之一。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；構(gòu)造；中國工業(yè)機器人；發(fā)展前景；

由來

1920年捷克作家卡雷爾·查培克在其劇本《羅薩姆的萬能機器人》中最早使用機器人一詞，劇中機器人“Robot”這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個具有人的外表，特征和功能的機器，是一種人造的勞力。它是最早的工業(yè)機器人設(shè)想。

20世紀40年代中后期，機器人的研究與發(fā)明得到了更多人的關(guān)心與關(guān)注。50年代以后，美國橡樹嶺國家實驗室開始研究能搬運核原料的遙控操縱機械手。

所示，這是一種主從型控制系統(tǒng)，主機械手的運動。系統(tǒng)中加入力反饋，可使操作者獲知施加力的大小，主從機械手之間有防護墻隔開，操作者可通過觀察窗或閉路電視對從機械手操作機進行有效的監(jiān)視，主從機械手系統(tǒng)的出現(xiàn)為機器人的產(chǎn)生為近代機器人的設(shè)計與制造作了鋪墊。

1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人。現(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。1959年第一臺工業(yè)機器人在美國誕生，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元

特點

戴沃爾提出的工業(yè)機器人有以下特點:將數(shù)控機床的伺服軸與遙控操縱器的連桿機構(gòu)聯(lián)接在一起，預(yù)先設(shè)定的機械手動作經(jīng)編程輸入后，系統(tǒng)就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人還可以接受示教而完成各種簡單的重復(fù)動作，示教過程中，機械手可依次通過工作任務(wù)的各個位置，這些位置序列全部記錄在存儲器內(nèi)，任務(wù)的執(zhí)行過程中，機器人的各個關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動下依次再現(xiàn)上述位置，故這種機器人的主要技術(shù)功能被稱為“可編程”和“示教再現(xiàn)”。

1962年美國推出的一些工業(yè)機器人的控制方式與數(shù)控機床大致相似，但外形主要由類似人的手和臂組成。后來，出現(xiàn)了具有視覺傳感器的、能識別與定位的工業(yè)機器人系統(tǒng)。當(dāng)今工業(yè)機器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、具有多種感知能力、具有較強的對作業(yè)環(huán)境的自適應(yīng)能力的方向發(fā)展。目前，對全球機器人技術(shù)的發(fā)展最有影響的國家是美國和日本。美國在工業(yè)機器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的工業(yè)機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。

構(gòu)造與分類

工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。

工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓

柱坐標型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。

工業(yè)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。

工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計算機上已編好的作業(yè)程序文件，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機器人控制柜。

示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動執(zhí)行機構(gòu)，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。

具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動完成更為復(fù)雜的工作。

應(yīng)用

所謂工業(yè)機器人，就是具有簡單記憶和可變控制程序的自動機械。它是在機械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，國外稱為industrial robot。工業(yè)機器人的出現(xiàn)將人類從繁重單一的勞動中解放出來，而且它還能夠從事一些不適合人類甚至超越人類的勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化，避免工傷事故和提高生產(chǎn)效率。，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。隨著世界生產(chǎn)力的發(fā)展，必然促進相應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。工業(yè)機器人能夠極大地提高生產(chǎn)效率，已經(jīng)廣泛地進入人們的生活生產(chǎn)領(lǐng)域。

20世紀50年代末，美國在機械手和操作機的基礎(chǔ)上，采用伺服機構(gòu)和自動控制等技術(shù)，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人；60年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用；1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達國家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機器人。

由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。中國的工業(yè)機器人

我國工業(yè)機器人起步于70年代初期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。

70年代是世界科技發(fā)展的一個里程碑：人類登上了月球，實現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界上工業(yè)機器人應(yīng)用掀起一個高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下，我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。

進入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國機器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一

批特種機器人。

從90年代初期起，我國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期，掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進步熱潮，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應(yīng)用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。

雖然中國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。從市場占有率來說，更無法相提并論。工業(yè)機器人很多核心技術(shù)，目前我們尚未掌握，這是影響我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸。

工業(yè)機器人在世界其他主要國家的發(fā)展：

美國是工業(yè)機器人的誕生地，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進。現(xiàn)今美國有著一批具有國際影響力的工業(yè)機器人供應(yīng)商，像Adept Technologe、American Robot、Emersom Industrial Automation 等。

德國工業(yè)機器人的數(shù)量占世界第三，僅次于 日本和美國，其智能機器人的研究和應(yīng)用在世界上處于領(lǐng)先地位。目前在普及第一代工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上，第二代工業(yè)機器人經(jīng)推廣應(yīng)用成為主流安裝機型，而第三代智能機器人已占有一定比重并成為發(fā)展的方向。世界上的機器人供應(yīng)商分為日系和歐系。瑞典的ABB公司是世界上最大機器人制造公司之一。1974年研發(fā)了世界上第一臺全電控式工業(yè)機器人IRB6，主要應(yīng)用于工件的取放和物料搬運。1975年生產(chǎn)出第一臺焊接機器人。到1980年兼并Trallfa噴漆機器人公司后

工業(yè)機器人的發(fā)展前景

在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。

機器人技術(shù)是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術(shù)領(lǐng)域。國際電氣電子工程師協(xié)會IEEE的科學(xué)家在對未來科技發(fā)展方向進行預(yù)測中提出了4個重點發(fā)展方向，機器人技術(shù)就是其中之一。1990年10月，國際機器人工業(yè)人士在丹麥首都哥本哈根召開了一次工業(yè)機器人國際標準大會，并在這次大會上通過了一個文件，把工業(yè)機器人分為四類：⑴順序型。這類機器人擁有規(guī)定的程序動作控制系統(tǒng)；⑵沿軌跡作業(yè)型。這類機器人執(zhí)行某種移動作業(yè)，如焊接。噴漆等；⑶遠距作業(yè)型。比如在月球上自動工作的機器人；⑷智能型。這類機器人具有感知、適應(yīng)及思維和人機通信機能。

日本工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)早在上世紀90年代就已經(jīng)普及了第一和第二類工業(yè)機器人，并達到了其工業(yè)機器人發(fā)展史的鼎盛時期。而今已在第發(fā)展三、四類工業(yè)機器人的路上取得了舉世矚目的成就。日本下一代機器人發(fā)展重點有：低成本技術(shù)、高速化技術(shù)、小型和輕量化技術(shù)、提高可靠性技術(shù)、計算機控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、高精度化技術(shù)、視覺和觸覺等傳感器技術(shù)等。

根據(jù)日本政府2007年指定的一份計劃，日本2050年工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到1.4兆日元，擁有百萬工業(yè)機器人。按照一個工業(yè)機器人等價于10個勞動力的標準，百萬工業(yè)機器人相當(dāng)于千萬勞動力，是目前日本全部勞動人口的15%。

我國工業(yè)機器人起步于70年代初，其發(fā)展過程大致可分為三個階段：70年代的萌芽期；80年代的開發(fā)期；90年代的實用化期。而今經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。目前我國已生產(chǎn)出部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機器人已服務(wù)于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批機器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來。一些相關(guān)科研機構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化設(shè)計制

造技術(shù)；工業(yè)機器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)；機器人軟件的設(shè)計和編程技術(shù)；運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)；弧焊、點焊及大型機器人自動生產(chǎn)線與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制備技術(shù)等。某些關(guān)鍵技術(shù)已達到或接近世界水平。

一個國家要引入高技術(shù)并將其轉(zhuǎn)移為產(chǎn)業(yè)技術(shù)（產(chǎn)業(yè)化），必須具備5個要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有著“機器人王國”之稱的日本相比，我國有著截然不同的基本國情，那就是人口多，勞動力過剩。刺激日本發(fā)展工業(yè)機器人的根本動力就在于要解決勞動力嚴重短缺的問題。所以，我國工業(yè)機器人起步晚發(fā)展緩。但是正如前所述，廣泛使用機器人是實現(xiàn)工業(yè)自動化，提高社會生產(chǎn)效率的一種十分重要的途徑。我國正在努力發(fā)展工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)，引進國外技術(shù)和設(shè)備，培養(yǎng)人才，打開市場。日本工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的輝煌得益于本國政府的鼓勵政策，我國在十一五綱要中也體現(xiàn)出了對發(fā)展工業(yè)機器人的大力支持。

總結(jié)

1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。1959年第一臺工業(yè)機器人在美國誕生，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。

第四篇：工業(yè)機器人運動控制畢業(yè)論文

ADAMS環(huán)境下工業(yè)robot運動控制

和聯(lián)合仿真

年 級: 2005級 學(xué) 號: 20051035 姓 名: *****

專 業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)老師: @@@@@

2009 年 6 月

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第I頁

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第II頁

摘 要

虛擬樣機技術(shù)就是在建造第一臺物理樣機之前,設(shè)計師利用計算機技術(shù)建立機械系統(tǒng)的數(shù)字化模型,進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下的各種特性,從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。

ADAMS軟件是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的虛擬樣機分析軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。但針對復(fù)雜的robot機械系統(tǒng)，要想準確的控制其運動，僅依靠ADAMS軟件自身也很難做到；MATLAB軟是Mathworks公司開發(fā)的一種集計算、圖形可視化和編輯功能于一體的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，具有強大的計算能力，能夠建立復(fù)雜的控制模型準確控制復(fù)雜robot系統(tǒng)的運動；OpenGL（開放式圖形庫全稱）是SGI公司開發(fā)的底層三維圖形API，目前在圖形開發(fā)領(lǐng)域已成為工業(yè)標準。使用OpenGL可以創(chuàng)建視覺質(zhì)量接近射線跟蹤程序的精致漂亮的3D圖形。Visual C++ 6.0已經(jīng)成為集編輯、編譯。運行、調(diào)試為一體的功能強大的集成編程環(huán)境，在Windows編程中占有重要地位。OpenGL和Visual C++ 6.0有緊密接口，利用二者可以開發(fā)出優(yōu)秀的視鏡仿真系統(tǒng)。ADAMS、MATLAB和Visual C++ 6.0由于定位不同，都有各自的優(yōu)勢和缺點，但是三者之間又可以通過接口聯(lián)合控制或者混合編程。本文分別利用ADAMS對三自由度robot的運動學(xué)和軌跡優(yōu)化方案進行研究，利用Visual C++ 6.0、OpenGL和從MATLAB里導(dǎo)出的控制模型的數(shù)據(jù)對三自由度robot進行了視景仿真的研究。論文首先通過建立坐標系和矩陣變換，對剛體的空間表示進行了闡述，然后采用通用的D-H法則，將robot關(guān)節(jié)角度參數(shù)化，推導(dǎo)出其正運動學(xué)方程和逆運動關(guān)節(jié)角，并計算出robot手部的初始坐標。其次采用ADAMS軟件，詳細介紹了robot三維建模過程，包括整體框架構(gòu)建，單個構(gòu)件繪圖和布爾運算等，并對robot關(guān)節(jié)點進行了參數(shù)化設(shè)計。最后從robot軌跡規(guī)劃的基本原理和方法出發(fā)，比較分析了關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和直角坐標空間軌跡規(guī)劃的差別，并采用三次多項式和五次多項式對robot進行了軌跡規(guī)劃，利用ADAMS軟件中內(nèi)嵌的Step函數(shù)對運動軌跡進行了仿真分析。然后在Windows XP Professional的系統(tǒng)環(huán)境下，以Visuall C++6.0為開發(fā)工具，建立了三自由度機械手視景仿真系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了仿真系統(tǒng)對MATLAB控制模型導(dǎo)出數(shù)據(jù)的讀取和利用。

關(guān)鍵詞:運動學(xué) 軌跡規(guī)劃 ADAMS虛擬樣機技術(shù) 視景仿真

紋理映射

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Abstract

Virtual prototyping technology in the construction of the first physical prototype, designers use computer technology to build digital models of mechanical systems, simulation analysis and graphically display the various characteristics of the system in real engineering conditions to modify and get the most excellent design technology.ADAMS software is currently the most widely used international virtual prototype analysis software, users can use the software is very easy to statics, kinematics and dynamics of the virtual mechanical systems.However, the complexity of the robot mechanical systems, in order to accurately control its movements, and only rely on ADAMS software is also very difficult to achieve;of MATLAB soft Mathworks company has developed a set of computing, graphical visualization and editing functions in one of the best mathematical applications, computing power, able to build complex control model to accurately control the movement of complex robot systems;OpenGL(Open Graphics Library Name), SGI, the development of the underlying 3D graphics API, currently in the field of graphical development has become the industrial criteria.Use OpenGL to create exquisite and beautiful 3D graphics, visual quality close to the ray-tracing program.Visual C + + 6.0 has become a set of editor, compiler.Run, debug, as one of the features a powerful integrated programming environment, plays an important role in Windows programming.OpenGL and Visual C + + 6.0 interface, using the two can develop excellent endoscopic simulation system.ADAMS, MATLAB and Visual C + + 6.0 due to different positioning has its own advantages and disadvantages, but among the joint interface control, or mixed programming.In this paper, using the ADAMS program of three degrees of freedom of the robot kinematics and trajectory optimization using the Visual C + + 6.0, OpenGL and data export control from the MATLAB model the three degrees of freedom robot visual simulation.Firstly, through the establishment of the coordinate system and matrix transform space of the rigid body are described, and then use the DH rule, the robot joint angle parameters, deduced are kinematic equations and inverse kinematics, joint angles, and calculate the robot the initial coordinates of the hand.ADAMS software, followed by the detailed three-dimensional modeling of robot process, including the overall framework to build a single component mapping and Boolean operations, and the robot joint point of parametric design.Finally, the robot trajectory planning principles and methods, comparative analysis of the difference of the trajectory planning of the joint space and Cartesian coordinate space trajectory planning, and third order polynomial and quintic polynomial on robot trajectory planning, the use of the ADAMS software embedded in Step function of the trajectory of the simulation analysis.Then, in Windows XP Professional system environment, in to Visuall C + + 6.0 development tools, the establishment of a three degree of freedom robotic visual simulation system model, read and use the simulation system model to export data to MATLAB control.Key words: kinematics, trajectory planning ADAMS virtual prototyping technology, visual simulation, texture mapping

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目 錄

第一章 緒論............................................................1 1.1工業(yè)robot的發(fā)展現(xiàn)狀............................................1 1.2 虛擬樣機技術(shù)簡介...............................................2 1.2.1 虛擬樣機的定義和特點......................................2 1.2.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢........................................2 1.4 本文要研究的主要內(nèi)容...........................................4 第二章 robot運動學(xué)....................................................5 2.1 空間點和坐標系的表示...........................................5 2.1.1 空間點的向量表示..........................................5 2.1.2坐標系在固定參考坐標系中的表示............................6 2.2 坐標系的變換..................................................6 2.2.1 齊次變換..................................................6 2.2.2 坐標系相對于旋轉(zhuǎn)坐標系的變換.............................10 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第V頁

2.2.3 變換矩陣的逆.............................................10 2.3 robot的正逆運動學(xué).............................................11 2.3.1正運動學(xué)的D-H表示法.....................................12 2.3.2逆運動學(xué)方程的求解.......................................15 2.4 微分運動......................................................16 第三章 基于ADAMS的robot的虛擬樣機分析...............................18 3.1 ADAMS概述.....................................................18 3.2 ADAMS中robot模型的建立.......................................18 3.2.1 設(shè)置建模環(huán)境.............................................19 3.2.2robot實體建模............................................19 3.2.3 robot模型的設(shè)置.........................................20 3.3 軌跡規(guī)劃仿真分析..............................................21 3.3.1 軌跡規(guī)劃方法的理論分析..................................21 3.3.2 軌跡規(guī)劃仿真分析........................................27 第四章 基于模型的視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).............................32 4.1 OpenGL概述....................................................33 4.1.1 OpenGL工作方式.........................................33 4.1.2 OpenGL繪制過程.........................................34 4.2 robot三維可視化框架建立......................................35 4.2.1 利用MFC建立單文檔應(yīng)用程序框架..........................35 4.2.2 設(shè)置OpenGL繪圖環(huán)境.....................................37 4.3 機械手三維模型的建立.........................................40 4.3.1 導(dǎo)入機械手模型..........................................40 4.3.2 在OpenGL中建立機械手的模型.............................41 4.4 建立仿真場景.................................................44 5.4.1 紋理貼圖的實現(xiàn)..........................................45 4.4.2 設(shè)置光照................................................48 4.5 基于模型的視景仿真的實現(xiàn).....................................51 4.5.1 數(shù)據(jù)的讀取..............................................52 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第VI頁

4.5.2 利用讀取的數(shù)據(jù)控制機械手的運動..........................55 4.5.3 實現(xiàn)觀察視角的交互式鍵盤控制............................60 結(jié)論..................................................................63 致謝..................................................................65 附錄..................................................................66 參考文獻..............................................................73 實習(xí)報告..............................................................74

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第一章 緒論

1.1工業(yè)robot的發(fā)展現(xiàn)狀

1961年，美國的Consolided Control Corp和AMF公司聯(lián)合制造了第一臺實用的示教再現(xiàn)型工業(yè)robot，迄今為止，世界上對工業(yè)robot的研究已經(jīng)經(jīng)歷了四十余年的歷程，日本、美國、法國、德國的robot產(chǎn)業(yè)已日趨成熟和完善。工業(yè)robot由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提

【1】

高生產(chǎn)效率改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。

采用工業(yè)robot，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)robot的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)robot得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，robot都已逐步取代了人工作業(yè)。如，2004年德國汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有工業(yè)robot的數(shù)量為1140臺?！?】在國外，工業(yè)robot技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標準設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)robot公司，它們包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA Roboter，美國的Adept Technology、American Robot、意大利COMAU，英國的AutoTech Robotics公司，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。

在我國，工業(yè)robot的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)接近20多年了，已經(jīng)基本實現(xiàn)了試驗、引進到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。2004年全年國產(chǎn)工業(yè)robot數(shù)量（主要指在國內(nèi)生產(chǎn)和組裝的）突破1400臺，產(chǎn)值突破8億元人民幣。進口robot數(shù)量超過9000臺，進口額達到2.6億美元。國內(nèi)各個工業(yè)robot廠家都呈現(xiàn)出產(chǎn)銷兩旺的局面。截至2004年底，我國工業(yè)robot市場已經(jīng)突破30億元人民幣?，F(xiàn)階段，我國工業(yè)robot正逐步發(fā)展成為一種有影響力的【3】產(chǎn)業(yè)。

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第2頁

1.2 虛擬樣機技術(shù)簡介

1.2.1 虛擬樣機的定義和特點

虛擬樣機技術(shù)就是在建造第一臺物理樣機之前,設(shè)計師利用計算機技術(shù)建立機械系統(tǒng)的數(shù)字化模型,進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下的各種特性,從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。該技術(shù)以機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心,加上成熟的三維計算機圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù),將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)集成在一起,提供一個全新研發(fā)機械產(chǎn)品的設(shè)計方法。它是一種計算機模型,它能夠反映實際產(chǎn)品的特性,包括外觀、空間關(guān)系以及運動學(xué)和動力學(xué)的特性。借助于這項技術(shù),設(shè)計師可以在計算機上建立機械系統(tǒng)的模型,伴之以三維可視化處理,模擬在真實環(huán)境下系統(tǒng)的運動和動力特性,并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)化系統(tǒng)。虛擬樣機技術(shù)利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能,對產(chǎn)品進行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。它在CAD模型的基礎(chǔ)上,把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合,為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個全新的設(shè)計方法。它具有以下特點：

A 全新的研發(fā)模式

虛擬樣機技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)性的產(chǎn)品優(yōu)化,使產(chǎn)品在概念設(shè)計階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計方案,確定影響性能的敏感參數(shù),并通過可視化技術(shù)設(shè)計產(chǎn)品、預(yù)測產(chǎn)品在真實工況下的特征,從而獲得最優(yōu)工作性能。

B 研發(fā)成本低、周期短、產(chǎn)品質(zhì)量高

通過計算機技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型,可以完成無數(shù)次物理樣機無法進行的虛擬試驗,不但減少了物理樣機的數(shù)量,降低了成本,而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

C 實現(xiàn)了動態(tài)聯(lián)盟

廣泛地采用動態(tài)聯(lián)盟, 通過Internet共享和交流，臨時締結(jié)成的一種虛擬企業(yè)，適應(yīng)了快速變化的全球市場,克服單個企業(yè)資源的局限性。

1.2.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

虛擬樣機技術(shù)在一些較發(fā)達國家,如美國、德國、日本等已得到廣泛的應(yīng)用,應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、工程機械、航空航天業(yè)、到醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等很多方面。

美國航空航天局(NASA)的噴氣推進實驗室(JPL)研制的火星探測器“探路號”，就是JPL工程師利用虛擬樣機技術(shù)仿真研究研發(fā)的。美國波音飛機公司的波音777飛機是世界上首架以無圖方式研發(fā)及制造的飛機,其設(shè)計、裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機技術(shù),不但縮短了研發(fā)周期、降低了研發(fā)成本,而且確保了最終 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第3頁 產(chǎn)品一次接裝成功。

我國從“九五”期間開始跟蹤和研究虛擬樣機的相關(guān)技術(shù),主要研究集中在虛擬樣機的概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的支撐技術(shù),應(yīng)用多集中在一些高精尖領(lǐng)域。近年來,才嘗試著將虛擬樣機技術(shù)用于一般機械的開發(fā)研制。天津大學(xué)與河北工業(yè)大學(xué)采用虛擬樣機技術(shù)聯(lián)合開發(fā)了沖擊式壓實機,對其進行了仿真計算,得到各部件的運動規(guī)律曲線,驗證了壓實機各部件參數(shù)值的合理性。

【4】虛擬樣機概念正向廣度和深度發(fā)展,今后的虛擬樣機技術(shù)將更加強調(diào)部件、技術(shù)、知識的重用,強調(diào)便于虛擬樣機柔性協(xié)同的運行管理的組織重構(gòu),強調(diào)跨領(lǐng)域技術(shù)的溝通支持，重點在以下幾個方面進行研究：

（1）基于虛擬樣機的優(yōu)化設(shè)計；（2）以虛擬樣機為中心的并行設(shè)計設(shè)計；（3）分析和仿真工具的集成；（4）虛擬樣機系統(tǒng)的容錯性研究。

1.3 視景仿真技術(shù)簡介

1.3.1 視景仿真的定義和特點

視景仿真又稱虛擬仿真虛擬現(xiàn)實仿真。它是21世紀最有前景的高科技技術(shù)之一，它是計算機技術(shù)，圖形圖象技術(shù)，光學(xué)技術(shù)，控制技術(shù)等多種高科技的結(jié)合，是延伸人類感覺器官的一門科學(xué)，通過對現(xiàn)實世界或者是人類想象的虛擬世界進行三維建模并實時驅(qū)動，通過頭盔顯示器或者三維投影技術(shù)顯示出來。

視景仿真(Visual Simulation)是一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說，就是采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作 用、相互影響，從而產(chǎn)生“沉浸”于等同真實環(huán)境的感受和體驗。其作為計算機技術(shù)中最為前沿的應(yīng)用領(lǐng)域之一，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實、模擬駕駛、場景再現(xiàn)、城市規(guī)劃及其它應(yīng)用領(lǐng)域。計算機仿真又稱全數(shù)字仿真，是根據(jù)相似原理，利用計算機來逼真模仿研究系統(tǒng)中的研究對象，將研究對象進行數(shù)學(xué)描述，建模編程，并且在計算機中運行實現(xiàn)．作為計算機仿真的組成部分，視景仿真采用計算機圖形圖像技術(shù)，根據(jù)仿真的目的．構(gòu)造仿真對象的三維模型并再現(xiàn)真實的環(huán)境，達到非常逼真的仿真效果．目前，視景仿真技術(shù)在我國已廣泛應(yīng)用于各種研究領(lǐng)域：軍事演練、城市規(guī)劃仿真、大型工程漫游、名勝古跡虛擬旅游、模擬訓(xùn)練以及交互式娛樂仿真等．視景仿真技術(shù)對作戰(zhàn)裝備的使用效果有很好的實時顯示，給人以強烈的視覺上的沖擊，對提高武器裝備的性能、研制效率有著重要的作用

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第4頁

1.3.2 工業(yè)robot視景仿真系統(tǒng)研究的意義

由于robot價格昂貴,以及robot的作業(yè)空間需要較大而獨立的試驗場地等諸多原因,不可能達到每個需要學(xué)習(xí)robot的人都能親自操作robot的要求。而可視化技術(shù)的出現(xiàn),使得人們能夠在三維圖形世界中觀察robot,并通過計算機交互式對robot進行示教仿真?；赩C++6.0的OpenGL上的工業(yè)robot的視景仿真系統(tǒng)可以提供一個真實的實驗平臺，在不接觸實際robot及其工作環(huán)境的情況下，通過圖形技術(shù)，提供一個和robot進行交互的虛擬環(huán)境。此系統(tǒng)充分利用OpenGL的實時交互性，模擬工業(yè)robot的示教/再現(xiàn)過程，可以在此系統(tǒng)上編輯工業(yè)robot的程序并動態(tài)模擬工業(yè)robot的運動過程，觀察工業(yè)robot的運動結(jié)果，檢驗所編寫工業(yè)robot程序的正確性。進行實物實驗之前，可以先在仿真系統(tǒng)上進行模擬仿真，觀察實驗的運動過程以及運動結(jié)果，避免直接在現(xiàn)實中操作對工業(yè)robot及周圍物體可能造成的傷害。另外，對于剛接觸工業(yè)robot的操作員來說，此系統(tǒng)可以提供與現(xiàn)實工業(yè)robot幾乎相同的操作步驟，在操作員真正操作工業(yè)robot之前，可以增加其操作的熟練程度，增加安全系數(shù)。

1.4 本文要研究的主要內(nèi)容

為了簡化研究，本文采用一個3自由度關(guān)節(jié)robot，分別通過ADAMS軟件的建模和仿真，結(jié)合MATLAB的運算功能，進行了robot運動學(xué)分析和空間坐標的軌跡規(guī)劃，實現(xiàn)運動軌跡的最優(yōu)化。又在Windows XP環(huán)境下，利用Visual C++6.0和OpenGL完成了基于模型的視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，具體工作如下：

（1）進行運動學(xué)分析。按照通用的D-H法則，通過矩陣變換，得到了robot的正運動學(xué)方程和初始坐標，推導(dǎo)出robot逆運動學(xué)的關(guān)節(jié)角度。

（2）在ADAMS/View中構(gòu)造robot部件，運用約束庫中的移動和旋轉(zhuǎn)副對部件進行鏈接，添加驅(qū)動力，實現(xiàn)robot的運動，完成三維建模。

（3）對robot的運行軌跡進行多項式優(yōu)化，利用ADAMS/View的仿真和后處理模塊，繪制小臂末端處所取點的位置、速度、加速度、角速度和角加速度曲線，結(jié)合曲線進行三次多項式和五次多項式軌跡規(guī)劃的仿真分析，并進行比較分析。

（4）利用Visual C++6.0和OpenGL導(dǎo)入并建立機械手模型，建立仿真場景，實現(xiàn)基于模型數(shù)據(jù)的運動仿真，并實現(xiàn)視角的交互式鍵盤控制。

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第5頁

第二章 robot運動學(xué)

robot運動學(xué)指研究robot各個連桿相對運動的空間幾何關(guān)系。在實際應(yīng)用中，最為感興趣的問題是robot手部（即末端執(zhí)行器）相對于參考坐標系的空間描述。robot可以看成為一個開環(huán)的運動鏈，該鏈是由一組桿件相連而成，其一端固定在基座上，另一端固定在robot手部上。兩個桿件之間通過關(guān)節(jié)相連，關(guān)節(jié)由驅(qū)動器驅(qū)動，使桿件之間產(chǎn)生相對運動，從而使robot手部達到期望的位置和姿態(tài)。

在robot運動學(xué)的研究過程中，又可以分為兩類基本問題，即robot運動學(xué)的正問題與逆問題。其中，robot運動學(xué)的正問題指在已知桿件幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)變量值的前提下，求解robot手部相對于參考坐標系的位置與姿態(tài)的問題；robot運動學(xué)的逆問題指根據(jù)robot手部在笛卡爾坐標系中的位置與姿態(tài)求解robot各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量值的問題。

【5】2.1 空間點和坐標系的表示

2.1.1 空間點的向量表示

在直角坐標系中，可以用一個3×1的位置矢量來表示空間內(nèi)任意一點的位置。對于直角坐標系中任意一點p的位置可以用3×1的位置矢量P表示為

?px???

P??py????pz?

(2-1)

如圖2-1所示，px，py和pz分別 表示點P在當(dāng)前坐標系中的三個坐標軸 方向的分量。這里P稱為位置矢量，這

種表示法也可變化為如下形式：

圖2-1 空間點的位置表示

p????px?py?pz??w?

(2-2)，p?為p的齊

T加入一個比例因子w，使得

?py??pxpzpx?,py?,pz?www 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第6頁 次坐標。10 【】2.1.2坐標系在固定參考坐標系中的表示

當(dāng)一個坐標系位于另一個坐標系中時，如圖2-2所示，通常用三個互相垂直的單位向量n、o、a表示，這三個變量分別代表法線（normal）、指向（orientation）與接近（approach）向量（如圖2-2所示）。每一個單位向量都可以由它所在參考坐標系中的三個分量表示，這樣，坐標系F就可以表示為由四個向量組成的矩陣：

?nx??nyF =??nz??0oxoyoz0axayaz0?py?（2-3）

? pz?1??px?

圖2-2 一個坐標系在另一個坐標系中的表示

式（2-3）中前三個列向量取w=0，表明該坐標系三個單位向量n、o、a的方向。而第四個列向量中w=1，表示該坐標系相對于參考坐標系的位置。

2.2 坐標系的變換

坐標系的變換包括繞固定參考坐標系的變換和繞運動參考坐標系的變換。

2.2.1 齊次變換

空間中一個坐標系相對于固定的參考坐標系的運動稱為齊次變換。齊次變換可以是平移運動，可以是旋轉(zhuǎn)運動，也可以是平移與旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運動。

（1）純平移齊次變換

如果一個坐標系（它可能表示的是一個物體）在空間運動中相對于固定參考坐標系的姿態(tài)不發(fā)生變化，即該坐標系的三個單位向量方向不變，只改變它的坐標原點位置，則稱這種運動為平移運動。如圖2-3所示，坐標系｛A｝沿平移向量d平 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第7頁 移到新的位置：

d=??dxdydz??(2-4)

T【7】其中dx,dy,dz是平移向量d相對于固定參考系三個坐標軸方向的分量。

圖2-3 坐標系的平移

平移后新的坐標系原點位置向量可以表示為原來坐標系的原點位置向量與位移向量d的矢量和。若采用矩陣形式，新坐標系的矩陣表示可以通過將坐標系左乘變換矩陣。由于平移過程中方向向量保持不變，所以平移變換矩陣T可以簡單地表示為: ?1??0T???0??001000010dx??dy??(2-5)dz?1??可以看到，矩陣的前三列沒有旋轉(zhuǎn)運動（等同于單位矩陣），而最后一列表示平移運動，這個方程可以用符號表示如下：

Fnew?即 Trans(dx,dy,dz)?Fold(2-6)西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第8頁

Fnew?1??0???0??0?nx??ny???nz??001000010dx??nx??dy??ny???dz??nz1????0?py?dy??pz?dz??1?oxoyoz0axayaz0?py??pz?1??px?oxoyoz0axayaz0px?dx?(2-7)（2）繞軸純旋轉(zhuǎn)齊次變換

為了簡化旋轉(zhuǎn)變換的推導(dǎo)，假設(shè)坐標系｛B｝位于坐標系｛A｝的原點。純旋轉(zhuǎn)就是｛B｝坐標系在空間中運動中相對于固定參考坐標系｛A｝的位置不發(fā)生變化，即只改變該坐標系三個單位向量的方向而不改變其原點位置。這樣坐標系｛B｝可以由坐標系｛A｝經(jīng)過旋轉(zhuǎn)次變換后得到，由此可以推廣到其他旋轉(zhuǎn)情況。

設(shè)向量x, y, z為坐標系｛A｝的三個單位向量，空間任意一點p的位置可以用向量p表示。向量p在坐標系｛A｝中的表示為：

Ap=pxix+pyjy+pzkz(2-8)向量p在坐標系｛B｝中的表示為：

Bp?pnin+pojo+p?k?(2-9)B則向量P在坐標系｛A｝中的投影分別為

Px?ix.Bp?ix.inpn+ix.jopo+ix.k?p?(2-10)Py?iy.Bp?iy.inpn+iy.jopo+iy.k?p?(2-11)Pz?iz.Bp?iz.inpn+iz.jopo+iz.k?p?(2-12)寫成齊次矩陣形式則為：

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第9頁

?ix.?px?in???in?iy.?py? ????in?iz.?pz????1???0?ix.in?in?iy.??in?iz.??0?iy.ioiy.i?0??iz.i0iz.io0?001???ix.ioix.i?0??pn????po?(2-13)?p??????1??ix.ioix.i?0?iy.ioiy.i?0??(2-14)

iz.i0iz.io0?001??ARB當(dāng)坐標系｛B｝只相對于坐標系｛A｝單個軸轉(zhuǎn)動時稱為基本變換矩陣。如坐標系｛B｝只繞坐標系｛A｝的x軸轉(zhuǎn)動角度θ時，基本轉(zhuǎn)動變換矩陣記為Rot(x,θ)，由式（2-14）可以計算得：

?1?Rot(x,?)??0??00C?S????S??(2-15)C???0可以用同樣的方法來分析坐標系｛B｝繞坐標系｛A｝的y軸和z軸旋轉(zhuǎn)的情況，結(jié)果如下：

?C?0?Rot(y,?)??01???S?0?C??Rot(z,?)??S???0（3）復(fù)合齊次變換

?0?(2-16)C???S???S?0??C?0?(2-17)01??復(fù)合齊次變換是有由固定坐標系或當(dāng)前運動坐標系的一系列沿軸平移和繞軸旋轉(zhuǎn)變換所組成的，此時該固定坐標系在參考系中不僅原點位置發(fā)生變化，同時它的三個坐標軸單位向量的方向也發(fā)生變化。此時的變換順序很重要，變換順序不同，結(jié)果不同。

我們假設(shè)坐標系(n, o, a)相對于參考坐標系(x ,y ,z)依次進行了下列四個變 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第10頁 換：

? 繞z軸旋轉(zhuǎn)θ度 ? 繞z軸平移d ? 繞x軸平移a ? 繞x軸旋轉(zhuǎn)α度 則復(fù)合齊次變換XYZxyzTnoa可由下式求解：

Tno??Rot(x,?)?Trans(a,0,0)?Trans(0,0,d)?Rot(z,?)(2-18)可見，齊次變換矩陣是由一組平移和旋轉(zhuǎn)矩陣依次左乘獲得，矩陣書寫的順序

【6】和進行變換的順序正好相反，而且變換的順序不能更改，否則結(jié)果會隨之改變。

2.2.2 坐標系相對于旋轉(zhuǎn)坐標系的變換

前面我們所討論的所有變換都是相對于固定參考坐標系的。也就是說，所有平移和旋轉(zhuǎn)都是相對于參考坐標系的軸來測量的。然而事實上，也有可能相對于運動坐標系或當(dāng)前坐標系的軸的變換。例如，相對于運動坐標系（當(dāng)前坐標系）的n軸而不是參考坐標系的x軸旋轉(zhuǎn)θ度。為了計算當(dāng)前坐標系中點的坐標相對于參考坐標系的變化，我們需要右乘變換矩陣而不是左乘。由于運動坐標系中的點或剛體的位置總是相對于運動坐標系測量的，所以必須右乘來表示該點或剛體的位置矩陣。

2.2.3 變換矩陣的逆

A在分析robot時，如果已知坐標系｛B｝相對于坐標系｛A｝的值

BTB到｛A｝相對于｛B｝的描述

TA，為了得,需要求這個矩陣的逆。一個直接求逆的方法就是將4?4齊次變換求逆。同樣，我們還可以通過變換的性質(zhì)求逆。下面是關(guān)于x軸簡單旋轉(zhuǎn)矩陣的求逆過程。旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

?1?Rot(x,?)??0??00C?S????S??(2-19)C???0我們采用以下的步驟來計算旋轉(zhuǎn)矩陣的逆： 1)計算矩陣的行列式 2)將矩陣轉(zhuǎn)置

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第11頁 3)將轉(zhuǎn)置矩陣的每個元素用它的子行列式代替 4)用轉(zhuǎn)置后的矩陣除以行列式 通過以上步驟我們得到：

?1?TRot(x,?)??0??00C??S?0??S??(2-20)C???關(guān)于x軸的旋轉(zhuǎn)矩陣的逆與它的轉(zhuǎn)置矩陣相同，即：

TRot(x,?)?1?Rot(x,?)(2-21)2.3 robot的正逆運動學(xué)

對于一個已知構(gòu)型的robot，當(dāng)它的連桿長度和關(guān)節(jié)角度都已知時，計算robot手的位姿就稱為正運動學(xué)。也就是說，如果已知robot所有的關(guān)節(jié)變量，用正運動學(xué)方程就能計算任一瞬間robot的位置和姿態(tài)。如果要將robot的手放到一個期望的位姿，就必須知道robot所有關(guān)節(jié)的長度和角度。由robot手的位姿來求關(guān)節(jié)和連桿變量的過程就稱為robot的逆運動學(xué)。對于正運動學(xué)，必須推導(dǎo)出一組特定方程，我們只要將已知的關(guān)節(jié)和連桿變量代入方程就能計算出robot的位姿，然后再根據(jù)這些方程求解出逆運動學(xué)方程。

在空間中，要確定一個物體的幾何狀態(tài)需要確定其3個位移坐標（位置）和三個旋轉(zhuǎn)坐標（姿態(tài)）。robot手部的空間位置和姿態(tài)的表示可以借助一個固連在它上面的參考坐標系來表示，只要這個坐標系可以在基座的參考坐標系的空間中表示出來，那么該robot手部相對于基座的位姿就是已知的了，可采用齊次坐標變換的方法完成這兩個坐標系的坐標轉(zhuǎn)化。

圖2-3 robot手的位置和姿態(tài)描述

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第12頁

robot手部的位姿如圖2-3所示，可由固接在robot手部的坐標系｛B｝來表示。該坐標系由其原點位置和三個單位矢量(n, o, a)唯一確定。坐標系｛A｝表示固連在robot基座上的固定參考坐標系。向量P為坐標系｛B｝原點在坐標系｛A｝中的位置矢量。前面已經(jīng)討論過了一個坐標系在固定坐標系的表示故這里直接給出坐標系｛B｝在坐標系｛A｝中的位姿的表示：

?n??nY?F =??n???0o?oYo?0a?aYa?0?pY?（2-22）?p??1??p??2.3.1正運動學(xué)的D-H表示法

robot建模采用的是Denavit和Hartenberg提出來的標準方法，我們簡稱為D-H模型，該模型可用于任何復(fù)雜的robot構(gòu)型。

假設(shè)robot由一系列的關(guān)節(jié)和連桿構(gòu)成，這些關(guān)節(jié)包括滑動的和旋轉(zhuǎn)的，連桿長度任意，確保在空間能構(gòu)成任意想要的robot模型。為了表示這個模型，我們需要為每個關(guān)節(jié)指定一個參考坐標系，然后再考慮從一個關(guān)節(jié)到下一個關(guān)節(jié)的變換。

假設(shè)一個robot由任意多的連桿和關(guān)節(jié)以任意形式構(gòu)成。如圖2-4所示，任意三個順序連接的關(guān)節(jié)和連桿，每個關(guān)節(jié)都可以平移或旋轉(zhuǎn)。指定第一個關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)n，第二個第三個關(guān)節(jié)分別為n+1和n+2,連桿n位于關(guān)節(jié)n和n+1之間，連桿n+1位于關(guān)節(jié)n+1和關(guān)節(jié)n+2之間，這些關(guān)節(jié)和連桿前后還有其他連桿和關(guān)節(jié)。

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第13頁

圖2-4 關(guān)節(jié)-連桿組合的通用D-H表示法

D-H表示法建模的第一步是為每個關(guān)節(jié)指定本地參考坐標系，每個關(guān)節(jié)都必須指定x軸和z軸，由于D-H法不用y軸，一般不指定y軸。具體步驟如下： ? 所有關(guān)節(jié)用z軸表示，如果關(guān)節(jié)是旋轉(zhuǎn)，z軸位于按右手規(guī)則旋轉(zhuǎn)的方向，如果關(guān)節(jié)是滑動的，z軸為沿直線運動的方向。關(guān)節(jié)n處z軸的下標記作n-1。對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，繞z軸的旋轉(zhuǎn)（?角）是關(guān)節(jié)變量，對于滑動關(guān)節(jié)，沿z軸的連桿長度d是關(guān)節(jié)變量。

? 如圖2-4所示，通常關(guān)節(jié)不一定平行或相交，因此z軸通常是斜線，但總有一條公垂線，正交于任意兩條斜線。通常在公垂線方向上定義本地參考坐標系的x軸。例如an表示zn?1和zn之間的公垂線，xn的方向即沿an方向。? 如果兩個關(guān)節(jié)的z軸平行，那么它們之間就有無數(shù)條公垂線，我們可以挑選與前一公垂線共線的公垂線，從而簡化模型。

? 若兩相鄰的關(guān)節(jié)z軸相交，則不存在公垂線，我們選擇垂直于兩軸平面的任意直線，同樣簡化了模型。

在圖2-4中，?角表示繞z軸的旋轉(zhuǎn)，d表示z軸上兩相鄰公垂線之間的距離，a表示每一條公垂線的長度，?角表示相鄰兩z軸的夾角。通常只有?和d是變量。從一個參考坐標系變換到另一個參考坐標系（例如從xn-zn到xn?1-zn?1），可以通過以下四步標準運動實現(xiàn)：

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第14頁 ? 繞zn軸旋轉(zhuǎn)?n?1，使得xn和xn?1相互平行且共面。? 沿zn軸平移dn?1距離，使得xn和xn?1共線。

? 沿xn軸平移an?1距離，使得的原點重合，此時兩個坐標系的原點在同一位置。? 將zn軸繞xn?1旋轉(zhuǎn)?n?1，使得zn和zn?1對準。至此，坐標系n和坐標系n+1完全一致，變換結(jié)束。

在n+1和n+2坐標系間按照同樣的運動順序也可以實現(xiàn)坐標系間的變換。我們可以從參考坐標系開始，轉(zhuǎn)換到robot底座，再到第一個關(guān)節(jié)，依次下去直至末端執(zhí)行器。每個變換矩陣（記作A）都是由上述四個矩陣依次右乘的結(jié)果：nTn?1?An?1?Rot(z,?n?1)?Trans(0,0,dn?1)?Trans(an?1,0,0)?Rot(x,?n?1)?C?n?1－S?n?100??10???S?n?1C?n?100??01????0??00010????001??00?0???1?0???0???0??00?1dn?1??01??000??0?0??1??

000an?1??10??0C??S?100??n?1n?1?010??0S?n?1C?n?1??001?0???00（2-23）

An?1?C?n?1?S?n?1????0??0?S?n?1C?n?1S?n?1S?n?1?C?n?1S?n?1an?1C?n?1?an?1S?n?1?dn?11?

?（2-24）???C?n?1C?n?1S?n?10C?n?10從robot基座到手（末端執(zhí)行器）之間的總變換可以表示為：

RTH?RT11T22T3...n?1Tn?A1A2A3...An（2-25）

為了簡化計算，我們?yōu)殛P(guān)節(jié)和連桿參數(shù)制作一個表格，每個參數(shù)可以從robot的原理圖上讀出，計算時再這些參數(shù)代入A矩陣。在本文中設(shè)計的簡單三自由度robot模型參數(shù)如圖2-5所示。所有鏈接采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，D-H參數(shù)如表2-1所示。

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第15頁

圖2-5 簡單三自由度robot（單位：英寸）表2-1 robotD-H參數(shù)表（逆轉(zhuǎn)為正，順轉(zhuǎn)為負）連桿i 1 2 3 4

?

d

0 65 0 0

a

0 0 200 150

?

90° 0°-30°-30°

0°-90° 0° 0°

將上述角度值代入式（2-25），運用MATLAB進行計算出robot初始位置坐標：

2.3.2逆運動學(xué)方程的求解

為了讓robot處于適當(dāng)?shù)奈蛔耍覀冃枰蠼饷總€關(guān)節(jié)的角度值，這就是robot

R的逆運動學(xué)。我們可以通過矩陣

TH左乘

An?1來求解，如下：

RTH為了求解角度，我們從式：

?n??nY??A1A2A3...An???n???0A1?1o?oYo?0a?aYa?0p??（2-26）?p??1??pY??開始，依次左乘上述矩陣，得到每個關(guān)節(jié)角度表達 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第16頁

A?11?n??nY????n???0o?oYo?0a?aYa?0?pY?（2-27）?A2A3...An

?p??1??p??因此，我們的三自由度robot逆運動關(guān)節(jié)角度表達

?1?arctan(?PX/PY)

?2?arccos?PC?(1?C?3)?PYS?3?/?18(1?C?3)C?1????Z1??

（2-28）?3?arccos?(PY/C?)2?(PZ)2?162/162?

???2.4 微分運動

微分運動即robot的微小運動，可以用它來推導(dǎo)不同部件之間的速度關(guān)系。

圖2-6（a）具有兩自由度平面結(jié)構(gòu)（b）速度圖

如圖所示的兩個自由度的簡單機構(gòu)，1表示第一個連桿相對于參考坐標系的旋轉(zhuǎn)角度，下：

??2表示第二個連桿相對于第一個連桿的旋轉(zhuǎn)角度。B點的速度可以計算如VB?VA?VB/A?sin?i?l??cos?j?l(?????)??l1?（2-29）11111212?sin(?1??2)i?l2(??1???2)cos(?1??2)j將速度方程寫成矩陣形式得到如下結(jié)果：

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第17頁

?VBX ?V??BY???l1sin?1?l2sin(?1??2)??????l1cos?1?l2cos(?1??2)??l2sin(?1??2)??l2cos(?1??2)?????? ???（2-30）

???方程左邊表示B點速度的x,y分量。B點的位置我們可以用下述方程表示：

??XB?l1cos?1?l2cos(?1??2)（2-31）???YB?l1sin?1?l2sin(?1??2)對方程中的?1和?2微分，寫成矩陣形式如下：

?l2sin(?1??2)??l2cos(?1??2)???d?1? ??（2-32）

??d?2???dX??B?d???YB???l1sin?1?l2sin(?1??2)???l1cos?1?l2cos(?1??2)我們看到，（2-29）和（2-31）式在形式上很相像，只是前者表示的是速度關(guān)系，后者表示的是微分運動的關(guān)系。因此在robot運動中，我們可以將關(guān)節(jié)的微分運動與速度聯(lián)系起來。

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第18頁

第三章 基于ADAMS的robot的虛擬樣機分析

3.1 ADAMS概述

美國MSC.Software公司在2003年3月收購了全球最大機構(gòu)的仿真軟件、咨詢服務(wù)、系統(tǒng)集成供應(yīng)商MDI/ADAMS。MSC.Software公司的ADAMS軟件是虛擬樣機領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的軟件,可以使工程師、設(shè)計人員能夠在物理樣機構(gòu)造前,建立機械系統(tǒng)的“模擬樣機”,預(yù)估出機器的工作性能。ADAMS軟件具有如下特點:（1）分析類型包括運動學(xué)、靜力學(xué)分析以及線性和非線性動力學(xué)分析（2）具有二維和三維建模能力

（3）具有50余種聯(lián)結(jié)副、力和發(fā)生器組成的庫和強大的函數(shù)庫（4）具有組裝、分析和動態(tài)顯示模型的功能，包含剛體和柔體分析（5）具有與CAD、UG、Pro/E、Matlab、ANSYS等軟件的專用接口（6）具有開放式結(jié)構(gòu),允許用戶集成自己的子程序

基于ADAMS的虛擬樣機技術(shù)是在制造物理樣機前,利用計算機技術(shù)建立該產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型,通過基于實體的可視化仿真分析,模擬該系統(tǒng)在實際工作環(huán)境中的運動學(xué)和動力學(xué)特性,并反復(fù)修改設(shè)計,從而得到最優(yōu)方案。

A 創(chuàng)建模型

創(chuàng)建機械系統(tǒng)模型時,首先要創(chuàng)建構(gòu)成模型的各個零部件。零部件創(chuàng)建完后,需要使用運動關(guān)節(jié)約束庫創(chuàng)建零部件之間的約束副,確定部件之間的連接情況以及仿真過程中構(gòu)件之間的位置關(guān)系。最后,施加運動及各種載荷使樣機按照設(shè)計要求進行仿真。

B 測試驗證模型并細化

模型創(chuàng)建過程中和完成后,都可以對模型進行運動仿真測試。通過對模型的性能測試,驗證設(shè)計方案的正確性，然后,在模型中增加更復(fù)雜的因素,進一步細化模型。為便于不同方案的比較,通過設(shè)計變量不同取值的迭代仿真,求出設(shè)計變量的最優(yōu)值。

C 優(yōu)化設(shè)計

采用設(shè)計和優(yōu)化分析的研究手段，確定各個設(shè)計變量相對于解算結(jié)果的靈敏度并最終確定目標函數(shù)的最優(yōu)值。

【8】3.2 ADAMS中robot模型的建立

本文機械手模型參考了PUMArobot的結(jié)構(gòu)，建模過程中依照模塊化的思想先繪制各個部件，然后通過布爾運算和參數(shù)的調(diào)整，完成建模。

【15】 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第19頁

3.2.1 設(shè)置建模環(huán)境

打開ADAMS/View,選擇創(chuàng)建新模型，將機械手模型命名為model_2jixieshou,其他采用系統(tǒng)默認值，進入建模界面。

在建模界面中，首先要設(shè)定工作柵格，點擊菜單Settings中的Working Gird.如圖3-1所示，根據(jù)建模需要，柵格范圍設(shè)置為1000×1000（mm）,大小為50×50（mm）。

圖3-1 工作柵格設(shè)置

設(shè)置完工作柵格就可以開始建模。

3.2.2robot實體建模

ADAMS/View中集成了很多圖形模板，包括點，線，面，體各方面。我們構(gòu)建的是robot的三維立體模型，其主要部件都是剛體。ADAMS中的剛體模板包括圓柱，圓錐，長方體，球體，拉伸體，平板等。我們選擇圓柱體（圓盤）作為robot的底座，圓柱體作為robot的腰部，拉伸體作為robot的手臂。在建模過程中，作者一直根據(jù)模塊化的原則，在建立每一個部件的過程中都同時通過布爾運算等對模塊進行優(yōu)化，很好的美化了模型，并且是模型更加合理。這種工作方法為最后的總裝提供和很大的便利和好處，節(jié)省了很多時間，提高了工作效率，值得在其他工作中借鑒。由于建模過程主要是ADAMS軟件的操作過程，如果對ADAMS比較熟悉這個過程就很簡單。本文不再對建模過程做詳細介紹。建立好的機械手實體模型如下圖3-2 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第20頁 所示：

圖3-2 機械手實體模型

3.2.3 robot模型的設(shè)置

robot實體模型建好以后，應(yīng)對其屬性進行修改。我們設(shè)計用的robot材料為鋁材，初始位移為各個點的初始位置，初始速度設(shè)置為零。選定材料后，物體的密度就自動確定了，同時系統(tǒng)會自動計算構(gòu)件的質(zhì)量。然后對關(guān)節(jié)添加相應(yīng)的約束和驅(qū)動力。如果我們要模擬某些特殊的工作過程，我們還應(yīng)該在相應(yīng)的位置處添加力和力矩。如我們模擬提升物體的操作過程，那么我們就在小臂（PART6）的端部PART6_MARKER_6處添加一個大小為10N方向向下的力。完成這個設(shè)置后robot的模型如下圖3-3所示：

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第21頁

圖3-3 robot最終模型

至此，我們已經(jīng)完成了三自由度robot的建模過程，通過軟件自檢功能，可以判定模型正確與否，建模完成以后就可以進行運動學(xué)仿真分析。

3.3 軌跡規(guī)劃仿真分析

完成建模過程后，我們就可以運用軟件的仿真功能對模型的運動學(xué)，靜力學(xué)，動力學(xué)進行分析，本文對所建立的模型進行了運動學(xué)的理論分析，然后又結(jié)合軌跡規(guī)劃進行了仿真分析。軌跡規(guī)劃一般分為兩種：一種是在關(guān)節(jié)空間進行規(guī)劃，將關(guān)節(jié)變量表示成時間的函數(shù)，并規(guī)劃它的一階和二階時間導(dǎo)數(shù)；另一種是在直角空間(笛卡爾空間)進行規(guī)劃，將末端位姿、速度、加速度表示為時間的函數(shù)，而相應(yīng)的關(guān)節(jié)位移、速度和加速度由末端信息導(dǎo)出。

【12】

本文分別給出了對模型進行關(guān)節(jié)空間和直角空間軌跡規(guī)劃方法的理論分析，并在ADAMS/View的仿真和后處理模塊中利用ADAMS內(nèi)嵌的step函數(shù)對關(guān)節(jié)空間內(nèi)三次多項式和五次多項式軌跡規(guī)劃進行了分析比較。

3.3.1 軌跡規(guī)劃方法的理論分析

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第22頁

（1）關(guān)節(jié)空間內(nèi)三次多項式軌跡規(guī)劃

假設(shè)robot的初始位姿是已知的，通過逆運動學(xué)方程可以求得期望位姿對應(yīng)的關(guān)節(jié)角。若考慮其中某一關(guān)節(jié)在運動開始時刻運動到新的角度?f，使用多項式函數(shù)可以保證初始和末端的邊界條件與已知條件相

ti的角度?i，希望該關(guān)節(jié)在tf時刻匹配，這些條件信息可以求解下面的三次多項式方程。

23?(t)?c0?ct?ct?ct（3-1）123這里的初始條件和末端條件是：

?(ti)??i?(tf)??f??(ti)?0??(tf)?0（3-2）

對4-1式求導(dǎo)，得：

?(t)?c?2ct?3ct2 ?（3-3）123將4-2式分別代入4-1和4-3式得：

?(ti)?c0??i23?(tf)?c0?ct?ct?ct1f2f3f?(t)?c?0?i1?(t)?c?ct?ct2?0?f12f3f（3-4）

聯(lián)立求解這四個方程就可以得到任意時刻的關(guān)節(jié)位置，控制器則據(jù)此來驅(qū)動關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)分別規(guī)劃，同步運行。如果要求robot依次通過多個點，則每一段末端求解出的速度和位置都可用作下一段的初始條件，每一段的軌跡都可采用上述的三次多項式來規(guī)劃。

針對本文設(shè)計的三自由度robot，在其初始位置基礎(chǔ)下，我們要求robot手臂在6S后分別運動?1=180°，?2=60°，?

3=30°。

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第23頁

表4.1 三次多項式規(guī)劃關(guān)節(jié)角度

t

0 1 2 3 4 5 6

?1

0.0000 13.3333 46.6667 90.0000 133.3333 166.6667 180.0000

?2

0.0000 4.4444 15.5556 30.0000 44.4444 55.5556 60.0000

?3

0.0000 2.2222 7.7778 15.0000 22.2222 27.7778 30.0000 將上述邊界條件代入4-4式，解得第一個關(guān)節(jié)軌跡參數(shù)為c0=0，c1=0，c2=15，532=-5/3軌跡方程為：(t)?15t?t；同樣可得出第二個關(guān)節(jié)軌跡參數(shù)c0=0，?1c33532=0，=5，=-5/9軌跡方程為：第三個關(guān)節(jié)參數(shù)c0=0，c1=0，(t)?5t?t；?2c1c2c395253=5/2，=-5/18軌跡方程為：(t)??32t?18t c2c3我們將運動過程分為5段，則每秒鐘robot運動的關(guān)節(jié)角度如表4-1所示。（2）關(guān)節(jié)空間內(nèi)五次多項式軌跡規(guī)劃

在三次多項式規(guī)劃中，我們采用的邊界條件是起點和終點的位置與速度，如果同時指定起點和終點的加速度，這樣邊界條件就增加到6個，可以用同樣的方法進行五次多項式的規(guī)劃：

2345?(t)?c0?ct?ct?ct?ct?ct（3-5）12345?(t)?c?2ct?3ct2?4ct3?5ct4（3-6）?12345???(t)?2c2?6c3t?12c4t2?20c5t3（3-7）

（3）關(guān)節(jié)空間內(nèi)拋物線過渡的線性運動軌跡規(guī)劃

在關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃的另一種方法就是讓關(guān)節(jié)以恒定的速度在起點和終點之間運動，軌跡方程相當(dāng)于一次多項式，速度為常數(shù)，加速度為零。這樣意味著在起點和終點的加速度必須為無窮大，為避免這一情況，線性運動在起點和終點可以用拋物線來過渡。如圖4-6，拋物線與直線過渡段在時間和處是對稱的，由此得到：

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第24頁

12?(t)?c0?ct?ct122?(t)?c?ct?（3-8）12???(t)?c2

圖4-6 拋物線過渡的線性段規(guī)劃方法

此時拋物線運動段的加速度為一常數(shù)，在A點和B點速度連續(xù)，將邊界條件代入得：

??(t?0)??i?c0????(t?0)?0?c1?????(t)?c2從而得出拋物線的方程為：

?c0??i???c1?0

????c2???(t)??i???(t)?c2t???(t)?c212c2t2（3-9）

將零初速度，線性段常值速度?以及零末端速度代入上式，得到：

12c2tb2??ct???A2b?A??i?

?B??A???(tf?tb)?tb???A???tf?2tb????????BA 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第25頁

?f??B?(?A??i)??0?f從而可求出過渡時間：

（3-10）

?i??f??tftb?（3-11）

?顯然，不能大于總時間的一半，否則整個過程中只有加減速而沒有直線運動。終點的拋物線段與起點是對稱的，只是加速度為負而已。

我們依然用設(shè)計的三自由度robot來進行規(guī)劃。在其初始位置基礎(chǔ)上，我們要求robot手臂在6S后分別運動

?1=180°，?2=60°，?3=30°中間勻速運動的速度分別為v1?40?/s，v2?12?/s，v3?6?/s，那么過渡時間分別為：

0?180?40?60?60?12?60?30?6?6?1.5(s)，tb2??1.0(s)，tb3??1.0(s)

40126勻加速，勻速，勻減速運動方程分別如下： tb1?1802????t?23??80????t??i?A3??????80第一個關(guān)節(jié)角?1： ?3????30?40?(t?1.5)????40 ?A??B? ?????0?180???180??(6?t)2?23??80? ?B??f? ??(6?t)3???80?????3?1?2???12t?2???第二個關(guān)節(jié)角?2：?i??A???12t

?????12??? 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第26頁

???6?12?(t?1)?? ?A??B? ??12?????0?1?2??60??12?(6?t)?2??? ?B??f? ??12?(6?t)??????12???1?2???6t?2???第三個關(guān)節(jié)角?3：?i??A???6t

?????6??????3?6?(t?1)?? ?A??B? ??6?????0?1???30??6?(6?t)2?2??? ?B??f? ??6?(6?t)??????6???則在0s到6s關(guān)節(jié)的角度分別如表4-2所示：

表4-2 拋物線過渡規(guī)劃關(guān)節(jié)角度 t 0 1 2 3 4 5 6

?1

0 40/3 50 90 130 500/3 180

?2

0 6 18 30 42 54 60

?3

0 3 9 15 21 27 30（4）直角空間軌跡規(guī)劃

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第27頁

直角坐標空間軌跡與robot相對于直角坐標系的運動有關(guān)，robot末端執(zhí)行器的位姿就是沿循直角坐標空間的軌跡。實際上所有的關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃的方法都可用于直角坐標空間的軌跡規(guī)劃。其差別在于：對于關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃，規(guī)劃函數(shù)生成的值就是關(guān)節(jié)值，而直角坐標空間軌跡規(guī)劃函數(shù)生成的值是robot末端執(zhí)行器的位姿，必須通過反復(fù)求解逆運動學(xué)方程來計算關(guān)節(jié)角。

其過程可以綜合如下： 將時間增加一個增量t?t??t；

利用所選擇的軌跡函數(shù)計算末端執(zhí)行器的位姿； 利用robot逆運動學(xué)方程計算位姿對應(yīng)的關(guān)節(jié)量； 將關(guān)節(jié)信息傳遞給控制器； 重復(fù)以上循環(huán)過程。

3.3.2 軌跡規(guī)劃仿真分析

（1）三次多項式軌跡規(guī)劃仿真分析

我們在ADAMS里進行三次多項式軌跡仿真時，用的是STEP函數(shù)。[13] STEP函數(shù)利用的是三次多項式逼近海賽階躍函數(shù)。STEP階躍函數(shù)有連續(xù)的一階導(dǎo)，但在起點處的二階導(dǎo)不連續(xù)，在速度圖像上表現(xiàn)為速度連續(xù)但加速度不連續(xù)。

我們設(shè)定robot三個部分在6S時間內(nèi)分別轉(zhuǎn)動180°，60°，30°，為了分析其運動特性，我們分別選取robot小臂PART6末端的PART6_MARKER_6點的運動參數(shù)進行分析。

robot小臂末端的PART6_MARKER_6在X,Y,Z三個方向上的位移曲線如下：

圖4-7 PART6_MARKER_6在X,Y,Z三個方向上的位移圖

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第28頁

從上圖中我們看到，在三次多項式規(guī)劃條件下，X,Y,Z三個方向上的點都呈現(xiàn)出起伏變化，與勻速驅(qū)動條件下情況不同。PART6_MARKER_6點從（248.2051，70.0962，-40.0）運動到（-303.1089，475.0，40.0）處。

PART6_MARKER_6速度和加速度曲線如圖4-8所示，我們可以看到，速度由0mm/s增大到297.6708mm/s,然后又逐漸下降到0mm/s,而加速度最大值達到了2s253.6641mm/,并且在0.012s和5.988/s處存在突變。

圖4-8 PART6_MARKER_6速度和加速度圖像

PART6_MARKER_6角速度和角加速度曲線如圖4-9所示，PART6_MARKER_6角速度和角加速度變化與速度變化類似，最大角速度為50.3512d/s,角加速度最大為33.4069d/s,在0.012s和5.988/s處存在突變。2

圖4-9 PART6_MARKER_6角速度和角加速度圖像

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第29頁（2）五次多項式軌跡規(guī)劃仿真分析

我們運用ADAMS內(nèi)嵌的step5函數(shù)對robot關(guān)節(jié)進行五次多項式軌跡規(guī)劃，step5函數(shù)是通過五次多項式逼近海塞階躍函數(shù)。同樣選取我們分別選取robot小臂PART6末端PART6_MARKER_6點的運動參數(shù)進行分析。

PART6_MARKER_6在X,Y,Z三個方向上的位移曲線如圖4-16所示：

圖4-16 PART6_MARKER_6在X,Y,Z三個方向上的位移圖像

從上圖中我們可以看出，三次多項式和五次多項式軌跡規(guī)劃相比，robot手臂末端的始末位置不變，都是從（248.2051，70.0962，-40.0）運動到（-303.1089，475.0，40.0），中間點的位移也沒太大變化。但是其速度和加速度等運動參數(shù)變化卻比較大。五次多項式軌跡規(guī)劃條件下PART6_MARKER_6的速度和加速度曲線如圖4-17所示：

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第30頁

圖4-17 PART6_MARKER_6的速度和加速度圖像

PART6_MARKER_6的角速度和角加速度曲線如圖4-18所示：

圖4-18 PART6_MARKER_6的角速度和角加速度圖像

從上面的圖像中我們可以看到，PART6_MARKER_6的速度先增后減，加速度變化也一樣。速度從開始時刻的0mm/s增大到中間時刻的370.1791mm/s再減小到終點時刻的0mm/s,加速度變化較三次多項式規(guī)劃時平緩，不存在突變點。在0s時最小，為0mm/s,中間時刻達到最大值396.2381mm/s,然后逐漸下降到終點時的0mm/s。角速度和角加速度的變化情況如下：最大角速度為62.8912d/s，最大角加速度為32.826d/s，角加速度不存在明顯突變。（3）軌跡規(guī)劃比較分析

2222 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第31頁

從上面的兩種軌跡仿真結(jié)果中可以看出，三次多項式軌跡規(guī)劃和五次多項式軌跡規(guī)劃最大的區(qū)別就在前者的加速度和角加速度在中間點存在跳變，而后者的加速度和角加速度的變化則趨于平緩。我們對兩種情況下PART6_MARKER_6點的運動參數(shù)變化情況進行比較，如下表所示：

表4-3 PART3_MARKER_12點的運動參數(shù)比較 比較項目 最大速度mm/s 最大加速度mm/s

加速度突變 最大角速度d/s 最大角加速度d/s 角加速度突變

22三次多項式 297.6708 253.6641 有 50.3512 33.4069 有

五次多項式 370.1791 396.2381 無 62.8912 32.826 無

之所以有這種區(qū)別，原因在于三次多項式軌跡規(guī)劃中，我們的邊界條件只有四個，初始位移和速度，終點的位移和速度；而在五次多項式軌跡規(guī)劃中，我們的初始條件中包含了加速度，分別為初始位移、速度和加速度，終點位移、速度和加速度。因此在一般的三次多項式軌跡規(guī)劃中，我們應(yīng)該加入最大速度變化的限制條件，從而保證robot的運動更平穩(wěn)。

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第32頁

第四章 基于模型的視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

隨著robot研究的不斷深入，robot三維可視化技術(shù)作為robot設(shè)計和研究中安全可靠、靈活方便的工具，越來越受到重視。robot的三維圖形仿真，就是要建立一個精確、逼真的robot模型以及robot工作環(huán)境。

三維可視化是數(shù)學(xué)模擬和科學(xué)計算可視化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它一般包括兩方面內(nèi)容:一是將傳統(tǒng)數(shù)字仿真計算的結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形和圖像形式;二是仿真交互界面可視化，即具有可視化交互和動畫展示能力，要求能夠?qū)崟r跟蹤顯示仿真計算結(jié)果。可視化技術(shù)的出現(xiàn)，使得人們能夠在三維圖形世界中觀察robot，并通過計算機交互式對robot進行示教仿真。

一般來說，robot可視化仿真系統(tǒng)主要由三個模塊組成：工業(yè)robot的三維模型模塊(實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ))、示教和再現(xiàn)模塊(實現(xiàn)示教和再現(xiàn)的功能)、離線編程模塊，見圖4-1。但是由于時間和知識限制，本文只研究了后兩個模塊的實現(xiàn)，對離線編程并沒有采取通常的做法，根據(jù)老師的建議想將Matlab軟件和VC++結(jié)合起來，用在Matlab里建立的控制模型來控制OpenGL里機械手的運動，本章按照這個思路實現(xiàn)了利用Matlab里建立的控制模型導(dǎo)出的數(shù)據(jù)來控制機械手的運動。

圖4-1 通用robot可視化仿真系統(tǒng)模塊

本章將通過VC++6.0和OpenGL來完成機械手的三維可視化仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，它提供一個真實的實驗平臺，在不接觸實際robot及其工作環(huán)境的情況下，通過圖形技術(shù)，提供一個和機械手進行交互的虛擬環(huán)境。本章主要內(nèi)容為：

（1）建立程序框架；

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第33頁

（2）建立機械手三維模型；（3）建立仿真場景；

（4）實現(xiàn)基于模型的視景仿真。

4.1 OpenGL概述

OpenGL即開放性圖形庫（open graphic libary）是美國高級圖形和高性能計算機系統(tǒng)公司SGI所開發(fā)的三維圖形標準庫，具有繪制三維圖形的各項功能，它是處理專用圖形硬件的軟件接口，支持可視化的實現(xiàn)，它是三維計算機圖形和模型庫，獨立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)。

從開發(fā)人員角度看，OpenGL是一些繪圖指令或函數(shù)的集合。這些指令允許用戶 對二維幾何對象或三維幾何對象進行說明，允許用戶對對象實施操作以便把這些對象著色到幀存上。OpenGL可以方便地實現(xiàn)三維圖形的交互操作。

對于OpenGL的實現(xiàn)者而言，OpenGL是影響硬件操作的指令集合。如果硬件僅僅包括一個可以尋址的幀存，那么OpenGL就不得不在CPU上實現(xiàn)對象的描繪，OPenGL可以保存數(shù)量較大的狀態(tài)信息，這些狀態(tài)信息可以用來指示OpenGL如何往幀存中畫物體。有一些狀態(tài)，用戶可以直接使用，通過調(diào)用就可得到狀態(tài)值;而另一些狀態(tài)只有作用在所畫物體上，才能使其產(chǎn)生的影響可見。

4.1.1 OpenGL工作方式

OpenGL在Windows環(huán)境下的工作過程如圖4-2所示。OpenGL的庫函數(shù)被封裝在OPengl犯.dll動態(tài)鏈接庫中，從客戶應(yīng)用程序發(fā)布的對openGL函數(shù)的調(diào)用首先被Opengl32處理，在傳給服務(wù)器后，被 winsry.dll進一步進行處理，然后傳給

【18】DDx(nivieeDriverInterface)，最后傳遞給視屏驅(qū)動程序。

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第34頁

圖4-2 OpenGL在Windows環(huán)境下的工作過程

4.1.2 OpenGL繪制過程

OpenGL具有較強的圖形繪制能力，包括繪制物體、啟動光照、管理位圖、紋理映射、動畫、圖形增強及交互技術(shù)等功能。綜合以上功能，作為圖形硬件的軟件接口，OpenGL主要是將三維的物體投影到一個二維平面上，之后處理得到像素，進行顯示。OpenGL首先將物體轉(zhuǎn)化為可以描述物體幾何性質(zhì)的頂點（Vertex）與描述圖像的像素（Pixel），在執(zhí)行一系列操作后，最終將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成像素數(shù)據(jù)。也就是說，OpenGL是基于點的。有一組頂點定義的圖元（Pirmitive）執(zhí)行完繪制操作后，后繼圖元才能作用。簡單的圖形生成過程如圖4-3所示。

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第35頁

圖4-3 OpenGL中簡單圖形的繪制過程

對圖元的定義：圖元由一組頂點定義，這一組頂點可以是一個或是多個頂點。每個頂點信息可以是二維的也可以是三維的。頂點信息可以由位置坐標、顏色值、法向量、紋理坐標組成。法線、紋理、顏色值會在處理每個頂點的過程中被使用。OpenGL將點、線段、多邊形等通過在函數(shù)glBegin()和glEnd()之間一系列頂點的數(shù)據(jù)繪制出圖形。

對圖元的操作：OpenGL用交換矩陣、光照、反走樣、像素操作等方法控制圖元的繪制。圖元的操作處理過程結(jié)束后，只留下圖元可見部分，準備進行光柵化（投影）處理。像素處理比較特殊：對像素、位圖、影像直接進行像素操作，然后進行光柵化，后者是有些數(shù)據(jù)被存儲在紋理中供頂點使用。

光柵化過程：將圖元轉(zhuǎn)化為二維圖像，完成每個圖像點的顏色與深度的計算，生成結(jié)果為基片，即各圖元的二維結(jié)果。

基片操作：處理過程包括基片是否遮擋、測試、融合等，最后得到像素，存入顯示幀緩沖中，完成整個繪制過程。

4.2 robot三維可視化框架建立

4.2.1 利用MFC建立單文檔應(yīng)用程序框架

VC++6.0能夠創(chuàng)建多種類型的MFC應(yīng)用程序，不同的應(yīng)用程序具有不同的應(yīng)用程序框架，VC++6.0系統(tǒng)的設(shè)計者創(chuàng)建了程序框架生成工具Appwizard，用它來建 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第36頁 立開發(fā)各種MFC應(yīng)用程序所需要的程序框架，通過APpwizard就可移動生成包含基本程序框架的應(yīng)用程序包，這樣就可以在此基礎(chǔ)上進行程序設(shè)計。在參考許多數(shù)字

【16】處理、圖像處理軟件的基礎(chǔ)上，決定采用單文檔的應(yīng)用程序框架。

? 創(chuàng)建工程：啟動VC++6.0進入VC++的集成開發(fā)環(huán)境，新建一個工程，選擇 MFC Appwizard選項，在應(yīng)用程序類型中選擇 singledocument(單文檔)類型。? 設(shè)置編譯環(huán)境：設(shè)置編譯環(huán)境主要包括設(shè)置包含文件和設(shè)置庫文件路徑。? 加入OpenGL庫：選擇菜單Project?Setting，將彈出 ProjectSettings對話框，在該對話框選擇Link標簽頁，如圖4-4所示。在該對話框中的Object/Library Module文本框中加入opengl32.lib、glu32.lib、glaux.lib三個函數(shù)庫文件。在頭文件中加入 gl/glu.h(OpenGL核心函數(shù)的頭文件)和 gl/glut.h(使用函數(shù)的頭文件)，這樣就可以調(diào)用openGL軟件包了。

圖4-4 加入OpenGL庫函數(shù)

這樣，我們就很容易的建立了一個在Windows環(huán)境下進行OpenGL編程開發(fā)的框架，按快捷鍵F7進行編譯，按快捷鍵F5執(zhí)行就會彈出一個窗口，包含一個主菜單、一個工具條和一個狀態(tài)條等部件。如下圖4-5所示：

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第37頁

圖4-5 程序框架

4.2.2 設(shè)置OpenGL繪圖環(huán)境

1）創(chuàng)建RC 在windows環(huán)境下建立OpenGL繪制窗口是通過建立設(shè)備描述表(DC)和繪制描述表(RC)來實現(xiàn)的，而RC和DC是連接在一塊的。因此，為了建立RC，先要建立DC。用ChoosePixelFormat()選擇系統(tǒng)中與pfd描述的像素格式最為匹配的返回；本文現(xiàn)在消息響應(yīng)函數(shù)OnCreate里調(diào)用InitializeOpenGL(m_pDC)函數(shù)，然后又通過后者調(diào)用SetupPixelFormat()函數(shù)來設(shè)置DC像素格式完成繪圖環(huán)境的設(shè)置工作；

int CMyView::OnCreate(LPCREATESTRUCT lpCreateStruct){ if(CView::OnCreate(lpCreateStruct)==-1)

...return 0;} return-1;m_pDC = new CClientDC(this);InitializeOpenGL(m_pDC);//調(diào)用函數(shù)

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第38頁

BOOL CMyView::InitializeOpenGL(CDC* pDC){ m_pDC = pDC;SetupPixelFormat();//設(shè)置像素格式

m_hRC = ::wglCreateContext(m_pDC->GetSafeHdc());::wglMakeCurrent(m_pDC->GetSafeHdc(), m_hRC);//選擇像素格式

return TRUE;} 2）設(shè)置坐標變化方式

每次窗口創(chuàng)建或改變大小的時候，都要重新設(shè)置視口大小，因此我們在OnsizeO中進行視口設(shè)置。而投影變換和視點一模型變換的初始設(shè)置也可以放在里面進行。

void CMyView::OnSize(UINT nType, int cx, int cy){ CView::OnSize(nType, cx, cy);if(cy==0)

{cy=1;}

// 防止被零除

glViewport(0,0,cx,cy);// 重置當(dāng)前視口

glLoadIdentity();視投影矩陣 glMatrixMode(GL_PROJECTION);// 選擇投影矩陣

// 重置投影矩陣

gluPerspective(45.0f,(float)cx/(float)cy,0.1f,2000.0f);//設(shè)置透 glMatrixMode(GL_MODELVIEW);// 選擇模型觀察矩陣

glLoadIdentity();// 重置觀察模型矩陣 } 3）繪圖顯示

完成上面的設(shè)置以后我們就可以利用OpenGL進行繪圖了。本文為了程序的簡約，先在OnDraw（）里調(diào)用RenderScene()函數(shù)，然后在RenderScene()里調(diào)用所有繪圖顯示函數(shù)。代碼如下：

void CMyView::OnDraw(CDC* pDC){ CMyDoc* pDoc = GetDocument();ASSERT_VALID(pDoc);RenderScene();//調(diào)用繪圖函數(shù) }

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第39頁 4）程序結(jié)束，釋放資源。

調(diào)用消息響應(yīng)函數(shù)OnDestroy()，在函數(shù)里完成相關(guān)資源的釋放。void CMyView::OnDestroy(){ CView::OnDestroy();::wglMakeCurrent(0,0);::wglDeleteContext(m_hRC);if(m_hPalette)DeleteObject(m_hPalette);if(m_pDC){

}...} 最后按照參考書上的方法設(shè)置了全屏顯示按鈕，可以實現(xiàn)全屏顯示，同時可以

【16】進行屏幕工具欄的顯示縮放。delete m_pDC;編譯運行結(jié)果如圖4-6所示：

圖4-6 設(shè)置完成的robot三維場景框架

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第40頁

4.3 機械手三維模型的建立

OpenGL中模型的建立一般有兩種思路，一種通過一個是用3dsMax繪制出模型并將其轉(zhuǎn)換成特定格式的文件，然后導(dǎo)入到程序中；另一個是直接用OpenGL的函數(shù)繪制出所需要的模型。導(dǎo)入的模型比較美觀漂亮，但是實現(xiàn)起來技術(shù)難度比較大，而OpenGL的函數(shù)繪制出的模型則比較粗糙，但是靈活性好，實現(xiàn)起來也比較容易。

4.3.1 導(dǎo)入機械手模型

利用openGL建立復(fù)雜物體的三維模型是一件比較麻煩和枯燥的事情，因為OPenGL并沒有提供三維模型的高級命令，它也是通過基本的幾何圖元一點、線及多邊形來建立三維立體模型的。而利用3dsMax建立復(fù)雜物體的模型則顯得輕松的多。可是，用3dsMax制作的動畫沒有交互性，無法實時控制，而這正是OpenGL的優(yōu)勢所在。把這些模型轉(zhuǎn)換成OpenGL程序，再對其進行控制是一種比較理想的方法。所以，如果可以把OpenGL與3dsMax結(jié)合起來實現(xiàn)三維仿真則可以事半功倍。但是由于時間和知識的限制，無法完成對3D模型的讀取工作，所以查找了一些讀取3D模型文件的代碼，利用這些代碼將機械手模型轉(zhuǎn)換成了OpenGL程序，將模型導(dǎo)入進了OpenGL里。為了節(jié)約時間作者沒有在3dsMax里建立機械手的模型，而是在比較熟悉的Auto CAD里建立了機械手的模型，然后通過3dsMax軟件模型文件導(dǎo)出成接口程序可識別的*.ASE格式的文件，再通過接口程序?qū)脒MOpenGL里。導(dǎo)入前的在3dsMax里的模型如圖4-7所示：

圖4-7 3dsMax里的機械手模型

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第41頁

導(dǎo)入后的機械手模型經(jīng)過坐標變換、縮放、改變顏色并加入光照照亮后如下圖4-8所示：

圖4-8 導(dǎo)入的機械手模型

4.3.2 在OpenGL中建立機械手的模型

雖然實現(xiàn)了模型的導(dǎo)入，但是只實現(xiàn)了整體導(dǎo)入，未能實現(xiàn)分塊導(dǎo)入機械手的模型，所以在OpenGL只實現(xiàn)了整體模型的控制，很顯然滿足不了機械手運動的要求，所以導(dǎo)入的模型只能作為仿真場景的一部分做靜態(tài)顯示。為了繼續(xù)進行后續(xù)工作，作者直接在OpenGL中通過基本的幾何圖元一點、線及多邊形建立了機械手的三維立體模型。機械手模型主要由底座、腰部、關(guān)節(jié)、手臂這幾個部分組成，由于底座、腰部和關(guān)節(jié)都是圓柱型的，所以作者先利用glu庫函數(shù)（gluCylinder和gluDisk）【17】畫出一個共用的圓柱，然后通過不同的縮放（glScalef）、轉(zhuǎn)移（glTranslatef）、旋轉(zhuǎn)（glRotatef）變換繪制出了底座，腰部和關(guān)節(jié)的模型。這里取繪制關(guān)節(jié)的函數(shù)作為例子介紹繪制過程，代碼如下：

void CMyView::joint(){ glPushMatrix();//模型入棧

GLUquadricObj *obj1;obj1=gluNewQuadric();//創(chuàng)建一個描述當(dāng)前繪圖模式、定位、光照模式、西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第42頁 紋理模式和回調(diào)函數(shù)的不透明的狀態(tài)變量

glTranslatef(0.0,0.0,-5.0);//向Z軸負方向即屏幕里移動5個像素的距離

glPushMatrix();gluCylinder(obj1,10.0,10.0,10.0,360.0,2);//繪制一個頂面半徑、底面半徑和高度都為10的圓柱面

glPopMatrix();glPushMatrix();gluDisk(obj1,0.0,10.0,360,1);// 繪制一個半徑為10的圓片堵住上述圓柱面的底面

glPopMatrix();glPushMatrix();glTranslatef(0.0,0.0,10);//向Z軸正方向即屏幕外移動10個距離 gluDisk(obj1,0.0,10.0,360,1);//繪制一個半徑為10的圓片堵住上述圓柱面的頂面

glPopMatrix();glPopMatrix();//模型出棧 } 繪制手臂也很簡單，手臂其實在這里同樣是通過對一個立方體進行不同的然后通過不同的縮放（glScalef）、轉(zhuǎn)移（glTranslatef）、旋轉(zhuǎn)（glRotatef）變換來完成繪制。OpenGL里也有對應(yīng)畫立方體的庫函數(shù)，但是由于不太清楚怎么對用庫函數(shù)繪制的模型進行紋理貼圖，所以選用了一種比較熟悉和簡單的方式來繪制，就是通過6個面來組合成一個立方體。對每個面都可以進行不同的紋理貼圖。在后面的仿真場景建立過程中同樣利用這個四方體也完成了實驗室房間、木質(zhì)方桌、大理石長桌、凳子和儲物箱的繪制。繪制立方體的代碼如下：

void CMyView::shoubi(){ glPushMatrix();glColor4f(1.0f,1.0f,1.0f,1.0f);//定義面的顏色為白色

glBegin(GL_QUADS);//開始繪制

// 前面

glTexCoord2f(0.0f, 0.0f);glVertex3f(-100.0f, 0.0f,-100.0f);// 紋理和四邊形的左下

glTexCoord2f(1.0f, 0.0f);glVertex3f(100.0f, 0.0f,-100.0f);西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第43頁 // 紋理和四邊形的右下

glTexCoord2f(1.0f, 1.0f);glVertex3f(100.0f, 100.0f,-100.0f);// 紋理和四邊形的右上

glTexCoord2f(0.0f, 1.0f);glVertex3f(-100.0f, 100.0f,-100.0f);// 紋理和四邊形的左上

glEnd();glBegin(GL_QUADS);// 后面

glTexCoord2f(1.0f, 0.0f);glVertex3f(-100.0f, 0.0f, 100.0f);// 紋理和四邊形的右下

glTexCoord2f(1.0f, 1.0f);glVertex3f(-100.0f, 100.0f, 100.0f);// 紋理和四邊形的右上

glTexCoord2f(0.0f, 1.0f);glVertex3f(100.0f, 100.0f, 100.0f);// 紋理和四邊形的左上

glTexCoord2f(0.0f, 0.0f);glVertex3f(100.0f, 0.0f,100.0f);// 紋理和四邊形的左下

} 繪制完機械手的各個部件以后就可以通過縮放（glScalef）、轉(zhuǎn)移（glTranslatef）、旋轉(zhuǎn)（glRotatef）變換來完成整個機械手模型的繪制。代碼如下：

void CMyView::manipulator(){ glPushMatrix();glTranslatef(0.0,-80.0,-20.0);//分別沿Y和X軸負方向移動80和20 //glRotatef(0.0,1.0,0.0,0.0);glRotatef(-hand[i].rot1,0.0,1.0,0.0);//繞Y軸旋轉(zhuǎn)-hand[i].rot1（第一個關(guān)節(jié)角?1第i時刻的值）

glPushMatrix();glTranslatef(0.0,-15.0,0.0);glRotatef(-90,1.0,0.0,0.0);//沿X軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°

glPushMatrix();glEnd();glPopMatrix();...

第五篇：基于現(xiàn)場總線的工業(yè)機器人監(jiān)控系統(tǒng)研究

深圳稻草人自動化培訓(xùn) 004km.cn

基于現(xiàn)場總線的工業(yè)機器人監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘 要：機器人技術(shù)和企業(yè)信息化技術(shù)是提高制造業(yè)生產(chǎn)效率和工藝水平的兩大關(guān)鍵技術(shù)。本文在分析現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了一種利用Lonworks總線將工業(yè)現(xiàn)場中各機器人聯(lián)網(wǎng)的方案，在實現(xiàn)多機器人的協(xié)作及遙操作控制的同時，為企業(yè)信息化的實現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線;Lonworks;遙操作;企業(yè)信息化 引言

機器人技術(shù)和企業(yè)信息化技術(shù)是當(dāng)前國內(nèi)制造業(yè)企業(yè)提高生產(chǎn)效率和工藝水平的兩大關(guān)鍵技術(shù)，前者針對技術(shù)問題，后者則針對管理問題，是制造業(yè)進行技術(shù)革新和增效創(chuàng)利的重要途徑，具有可觀的經(jīng)濟效益和應(yīng)用價值。

在現(xiàn)代制造業(yè)中的智能機器人技術(shù)集傳感、控制、信息處理、人工智能和網(wǎng)絡(luò)通信于一體，其功能日益強大，結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜和完善，其所裝備的各種傳感器和執(zhí)行器數(shù)量不斷增加。而現(xiàn)場總線作為工業(yè)控制現(xiàn)場的底層網(wǎng)絡(luò)，一方面面向生產(chǎn)現(xiàn)場的各種設(shè)備，可以使單個分散的現(xiàn)場機器人設(shè)備連接成能夠相互通信和協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)式控制系統(tǒng)，另一方面又可通過企業(yè)的內(nèi)部局域網(wǎng)實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全廠傳輸和共享。目前，基于現(xiàn)場總線技術(shù)而建立的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)正成為我國大中型企業(yè)實現(xiàn)以信息化帶動工業(yè)化的主要解決方案。Lonworks現(xiàn)場總線技術(shù)

2.1現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是建立在網(wǎng)絡(luò)化控制基礎(chǔ)之上，應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測控設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多字節(jié)數(shù)字通信的系統(tǒng)，是一種開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它面向于生產(chǎn)控制設(shè)備，多采用短幀方式傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)速率通常可達幾k～10Mbps，具有良好的實時性?，F(xiàn)場總線技術(shù)為構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)提供了有效途徑。

現(xiàn)場總線技術(shù)與集散控制相比，具有開放性、網(wǎng)絡(luò)化信息共享、智能化、高度分散性、功能自治性和高可靠性等優(yōu)點，可以大幅度節(jié)省硬件數(shù)量和投資，便于安裝、擴展、維護。目前的現(xiàn)場總線技術(shù)主要有基金會總線Foundation Field-bus、PROFIBUS（DP、PA、FMS）、CAN、Lonworks、工業(yè)以太網(wǎng)等，每種總線都在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、傳輸速率和距離、應(yīng)用場合和站點個數(shù)限制等方面具有不同的特點。

2.2 Lonworks技術(shù)

Lonworks（Local Operating Networks）現(xiàn)場總線技術(shù)是由Echelon公司推出的一種先進的深圳稻草人自動化培訓(xùn) 004km.cn

開放式網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)，其結(jié)構(gòu)簡單，布線容易，易于擴容和增加新功能。對于用戶各種不同的功能要求，只需選用不同的控制節(jié)點，利用其開發(fā)平臺，編寫相應(yīng)的程序，連接到控制網(wǎng)上即可完成，在物理上不必對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作任何修改。Lonworks是目前生產(chǎn)現(xiàn)場和智能樓宇等集散式監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線技術(shù)。

Lonworks支持多種傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓普結(jié)構(gòu)，在使用變壓器耦合接口FTT-10收發(fā)器，并采用雙絞線的總線式結(jié)構(gòu)時，可達到78kbps/2700m，并可通過中繼路由器擴展傳輸距離。Lonworks網(wǎng)的節(jié)點數(shù)可達64個，并可通過橋接路由器擴展。各智能節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞在神經(jīng)元芯片等硬件和網(wǎng)絡(luò)的支持下，以網(wǎng)絡(luò)變量的形式連接，每個節(jié)點最多可設(shè)置62個網(wǎng)絡(luò)變量。按照Lonworks的標準網(wǎng)絡(luò)變量來定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以解決和不同廠家產(chǎn)品的互操作性問題。目前已有上千家公司推出Lonworks產(chǎn)品。

智能結(jié)點及其神經(jīng)元芯片是Lonworks總線的基礎(chǔ)部分，它們直接安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場，采集工業(yè)現(xiàn)場信號并輸出控制量，同時通過網(wǎng)絡(luò)上傳和接收各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

一個智能控制器及其傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成一個結(jié)點（Node），它可連接各種I/O設(shè)備，如工業(yè)機器人系統(tǒng)的行程開關(guān)、力傳感器、關(guān)節(jié)電機等。LonWorks的無主站點對點網(wǎng)深圳稻草人自動化培訓(xùn) 004km.cn

絡(luò)方式，使其中任一節(jié)點的故障或關(guān)閉都不影響其它住戶節(jié)點的正常運行，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定度。且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間使用邏輯連接，使得系統(tǒng)中節(jié)點的增加、修改都很容易，便于系統(tǒng)調(diào)整和擴充升級。節(jié)點的核心是神經(jīng)元芯片（neuron chip），它是通信處理、數(shù)據(jù)采集和控制的通用處理器，它通過運行芯片上的Neuron C應(yīng)用程序來完成數(shù)據(jù)的采集、控制和網(wǎng)絡(luò)操作的。基于Lonworks技術(shù)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)

3.1控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在制造業(yè)的生產(chǎn)過程中，工業(yè)機器人加工流程之間需要緊密的配合與協(xié)作，因此各機器人之間的通信與傳感器數(shù)據(jù)的共享必不可少，這一性能對生產(chǎn)中出現(xiàn)的異常情況，例如缺料、故障、卡死等的智能化處理尤為重要。傳統(tǒng)的集中通信方式存在硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、現(xiàn)場布線困難、不易于擴展能力和實時性差等缺點，難以滿足工業(yè)機器人高速、精密的協(xié)調(diào)化加工需要。為此，采用現(xiàn)場總線技術(shù)將眾多分散的底層傳感器和執(zhí)行器連接起來，各底層控制器和監(jiān)控級計算機都作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點接入總線，構(gòu)成具有高速數(shù)據(jù)通信和信息共享特點的控制網(wǎng)絡(luò)。在控制網(wǎng)絡(luò)中，各個控制級的智能結(jié)點都將相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)變量的形式發(fā)送到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)控主機和其它控制級的智能結(jié)點都可以根據(jù)程序設(shè)定對這些數(shù)據(jù)進行訪問并分析處理，從而實現(xiàn)理想的全局監(jiān)控效果以及各底層工業(yè)機器人在加工過程中的良好配合，尤其在生產(chǎn)線中的異常情況處理中，將會發(fā)揮重要的作用。對于有高級智能化信息處理功能的機器人和計算機，所有這些實時性數(shù)據(jù)都為進一步的傳感器融合和信息融合創(chuàng)造了條件。

圖2是一個制造業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)機器人聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的方案。系統(tǒng)中主干網(wǎng)采用總線式結(jié)構(gòu)，將廠區(qū)內(nèi)各車間與辦公樓中的核心監(jiān)控主機相連;各子網(wǎng)分布于車間內(nèi)部，均采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，從而有效地克服網(wǎng)絡(luò)斷線故障帶來的影響。每個子網(wǎng)都通過一個相應(yīng)路由器連接到主干網(wǎng)上，實現(xiàn)與控制網(wǎng)絡(luò)主機之間的通信。不同監(jiān)控對象所用的傳感 器和執(zhí)行器類型不同，且分散分布于全廠各處，如采用一般的集散控制方式，很難將之連接在同一系統(tǒng)中，而Lonworks技術(shù)的開放性則能很容易地解決這一問題。生產(chǎn)加工中的各種監(jiān)測信號分為兩路，所獲得的兩組信號，一組連接在現(xiàn)場的機器人控制器內(nèi)，實現(xiàn)相對獨立的局部控制。另一組監(jiān)測信號以及生產(chǎn)線上各機器人的控制信號則連接到分布于各車間的智能模塊的I/O口上，通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，以實現(xiàn)對機器人的現(xiàn)場控制深圳稻草人自動化培訓(xùn) 004km.cn

與網(wǎng)絡(luò)遙操作相結(jié)合的監(jiān)控體系。這樣，當(dāng)生產(chǎn)線中出現(xiàn)異常情況時，通過控制網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)對多個機器人之間的工作協(xié)調(diào)，并進行異常情況的緊急處理;而當(dāng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，相對獨立的機器人系統(tǒng)仍然可以正常地工作。

3.2系統(tǒng)監(jiān)控與管理

經(jīng)過智能模塊的計算和轉(zhuǎn)換，各種現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過Lonworks網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)控中心的計算機，通過FIX或其它組態(tài)軟件，以DDE動態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange）或ODBC開放式數(shù)據(jù)庫互聯(lián)（Open Database Connectivity）接收網(wǎng)上數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)文件并實時顯示，實現(xiàn)對全廠生產(chǎn)現(xiàn)場各機器人的在線監(jiān)控，并對異常信號還可以進行多媒體的聲光報警。FIX組態(tài)軟件編寫的程序還可以對各智能模塊的拆卸、斷電和故障做出判斷并報警。

為滿足企業(yè)信息化管理的需要，可在插有Lonworks網(wǎng)卡的控制網(wǎng)監(jiān)控主機的內(nèi)部另外再插一塊TCP/IP的企業(yè)內(nèi)部Intranet網(wǎng)卡，利用FIX或其它組態(tài)軟件實現(xiàn)企業(yè)管理中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享。各相關(guān)的被授權(quán)部門則可通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，根據(jù)各自的訪問權(quán)限對生產(chǎn)過程進行遠程監(jiān)視。此外，組態(tài)軟件還具備有自動生成報表的功能，可生成全廠和各車間的各類報表，各類信息數(shù)據(jù)都能直接提供給企業(yè)的管理人員，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建CIMS或ERP等形式的企業(yè)信息化管理系統(tǒng)，用以支持全廠和各車間管理與決策，其數(shù)據(jù)流向方式如圖3所示。

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此外，制造業(yè)生產(chǎn)的管理具有雙重性，根據(jù)產(chǎn)品加工過程流程進行的縱向管理，或者根據(jù)生產(chǎn)工藝類型和人員配備進行的橫向管理。以機器人加工技術(shù)為代表的現(xiàn)代化生產(chǎn)線系統(tǒng)具有高度的連續(xù)性，從最初的元件或毛坯，經(jīng)過多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的逐步的加工和裝配，最后形成產(chǎn)品，整個過程前后連貫，其管理模式是縱向的。而另一方面，在同一工廠的不同車間中，各條生產(chǎn)線上都具有處于相同生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機器人設(shè)備和操作維護人員，例如每條生產(chǎn)線上都有進料、裝配和包裝等環(huán)節(jié)，如果是生產(chǎn)同一種產(chǎn)品，則各生產(chǎn)線中各環(huán)節(jié)都是平行且相同的。為了以最高效率發(fā)揮人力資源，以便于設(shè)備的維護和生產(chǎn)的進行，同類生產(chǎn)和技術(shù)人員應(yīng)能夠分工管理分布于不同車間中的同一類生產(chǎn)工藝和設(shè)備，同時也可以減少生產(chǎn)線維修的備件數(shù)量。這樣就可以最大限度的減少備用勞動力人員，由每車間一組備用人員精簡到全廠多個車間共用較少組的備用人員，也就是橫向化管理模式。

但這種縱橫交叉的模式，在一定程度上增加了管理上的難度。應(yīng)用現(xiàn)場總線這種網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)，可以很好地解決這一問題。通過FIX組態(tài)軟件所制作的監(jiān)控界面，既能按各車間生產(chǎn)線的實際加工過程進行監(jiān)控，也能夠?qū)⒎植加趶S區(qū)不同車間內(nèi)的同類機器人加工過程放置在計算機的同一監(jiān)控窗口之內(nèi)，形成一個一體的“虛擬車間”，使處于不同車間的同類機器人的現(xiàn)場數(shù)據(jù)可同時顯示于這個“車間”的內(nèi)部，這樣就可以靈活的配備生產(chǎn)、技術(shù)和維修過程中所需要的人員，并進行高效的生產(chǎn)物流控制，從而提高整體的管理效率。系統(tǒng)軟件

4.1現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件

Lonworks總線具有功能完善的軟件平臺，包括網(wǎng)絡(luò)通信管理系統(tǒng)LNS和現(xiàn)場調(diào)試工具Lonbuilder等，其通信協(xié)議Lontalk采用ISO/OSI模型的全部七層結(jié)構(gòu)，是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件的支持下，用戶只需要將網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)模型和各智能模塊及其網(wǎng)絡(luò)變量參數(shù)輸入到監(jiān)控主機的配置文件中，整個控制網(wǎng)絡(luò)即可自行配置并運行。

4.2智能模塊編程軟件

各智能模塊內(nèi)部神經(jīng)元芯片中的應(yīng)用CPU、片內(nèi)存儲器和I/O接口構(gòu)成現(xiàn)場總線的底層控制體系。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)開發(fā)語言Neuron C可以在網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控主機上編寫各智能模塊的內(nèi)部程序，并可通過總線網(wǎng)絡(luò)對程序進行下載或修改。

4.3監(jiān)控組態(tài)軟件

在現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上，利用DDE動態(tài)數(shù)據(jù)交換或ODBC開放式數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技術(shù)，可通過FIX、組態(tài)王等組態(tài)軟件，開發(fā)出面向某特定應(yīng)用生產(chǎn)現(xiàn)場的系統(tǒng)監(jiān)控軟件，實現(xiàn)對全廠生產(chǎn)現(xiàn)場各機器人的在線監(jiān)控。同時，組態(tài)軟件還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠傳與共享、歷史數(shù)據(jù)顯示、報表自動生成、異常情況報警等功能。

4.4企業(yè)信息化管理軟件

現(xiàn)代制造業(yè)企業(yè)，一方面應(yīng)是以機器人應(yīng)用為特點的高精度、高效率、高質(zhì)量自動化生產(chǎn)，另一方面應(yīng)是以計算機集成制造系統(tǒng)CIMS和企業(yè)資源計劃ERP等先進管理模式的深圳稻草人自動化培訓(xùn) 004km.cn

信息化生產(chǎn)。現(xiàn)場總線技術(shù)為生產(chǎn)層數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸、存儲和共享提供了條件，通過先進數(shù)據(jù)庫軟件、CAD/CAM軟件、CIMS或ERP系統(tǒng)軟件等，就可使信息化管理深入到從企業(yè)最高的管理決策層到最低的生產(chǎn)層中每一個環(huán)節(jié)。結(jié)束語

現(xiàn)場總線技術(shù)作為一種先進的、智能的網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)，基于控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的分布式智能機器人感知系統(tǒng)，對于提高智能機器人系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)合作性能與人機交互能力，具有重要的科研價值和現(xiàn)實意義。Lonworks現(xiàn)場總線的高度實時性、可靠性、可擴展能力和容錯能力等方面的優(yōu)點，為智能機器人構(gòu)造先進的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)提供了有效途徑，是實現(xiàn)CIMS和ERP等先進企業(yè)管理系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，正成為我國大中型企業(yè)實現(xiàn)以信息化帶動工業(yè)化的主要解決方案。