六自由度噴涂機器人插補算法的研究-圖文(精).doc

郵局訂閱號：元/年技術創(chuàng)新機器人技術PLC 技術應用200例您的論文得到兩院院士關注1引言由于噴涂工序中霧狀漆料對人體有危害，噴涂環(huán)境中照明、通風等條件很差，而且不易從根本上改進，因此在這個領域中大量地使用了機器人。使用噴涂機器人不僅可以改善勞動條件，而且還可以提高產品的產量和質量、降低成本。噴涂機器人已廣泛用于汽車車體、家電產品和各種塑料制品的噴涂作業(yè)。因此，研發(fā)出性價比高，且擁有自主知識產權的噴涂機器人系列化產品具有非常良好的應用前景。在機器人的早期，軌跡規(guī)劃在從開始點到目標點的工業(yè)機器人控制中起著非常重要的作用。軌跡規(guī)劃也就是指根據(jù)作業(yè)任務的要求，確定機器人末端的運動軌跡。在過去的十多年中，對全驅動性機械手最優(yōu)時間軌跡規(guī)劃問題的刻畫和描述以及計算一直是一個活躍的研究領域?，F(xiàn)有的大部分工作可以被廣泛地分為兩類：沿著一條預設路徑的最優(yōu)時間動作的軌跡算法；針對最優(yōu)時間下點到點動作的優(yōu)化處理算法。而直線和圓弧軌跡規(guī)劃是最基本也是最常用的軌跡規(guī)劃，使用優(yōu)化的插補算法使運動軌跡連續(xù)平滑過渡和提高計算機運行速度是非常必要的。因此，本文主要研究六自由度垂直關節(jié)機器人直線和圓弧的軌跡規(guī)劃。2軌跡插補算法的研究一般而言，急速的運動會加劇機構的磨損，激起操作臂共振。因此，通常期望操作臂的運動軌跡是平滑的。為此，要定義一個連續(xù)的且具有連續(xù)一階導數(shù)的光滑軌跡函數(shù)，有時還希望二階導數(shù)也是連續(xù)的。同時，為了保證路徑平滑，必須在各中間點之間，對路徑的空間和時間特性給出一些限制條件。本文使用歸一化和拋物線擬合的算法，對直線和圓弧軌跡規(guī)劃進行研究。2.1噴涂機器人的運動控制系統(tǒng)設計在本文中，噴涂機器人是采用PC-Based 的控制系統(tǒng)架構。工控機負責系統(tǒng)人機交互、系統(tǒng)調度和協(xié)調、運動學正逆解及運動軌跡規(guī)劃等等。PMAC 是美國Delta Tau 公司遵循開放式系統(tǒng)體系結構標準開發(fā)的開放式可編程多軸運動控制器，這采用Motolora DSP56001數(shù)字信號處理器作為CPU ，利用DSP 的強大運算功能實現(xiàn)1-8軸的實時伺服控制8。PMAC 卡在伺服運動控制系統(tǒng)中主要執(zhí)行運動程序、執(zhí)行PLC 程序、伺服環(huán)的調節(jié)、與主機的通信等等。因為PMAC 卡未具有針對六自由度垂直關節(jié)機器人模型的運動軌跡規(guī)劃算法，因此我們采用如下的策略實現(xiàn)運動控制程序設計：工控機根據(jù)用戶的設定完成軌跡規(guī)劃、運動學正逆解等；PMAC 卡根據(jù)執(zhí)行機構的運動狀況，向工控機發(fā)出中斷請求，要求提供運動相關數(shù)據(jù)。如圖1噴涂機器人運動控制系統(tǒng)。圖1噴涂機器人運動控制系統(tǒng)2.2直線插補算法直線插補是在已知直線始末兩點的位置和姿態(tài)，求各軌跡中間點(插補點 的位置和姿態(tài)。其各個插補點的坐標及姿態(tài)由各個軸和姿態(tài)的增量求出：（1）式中，（, , ）、（，）分別為開始點的位置和姿態(tài)，（x ，y ，z ）、（，）分別為插補點的位置和姿態(tài)；位置和姿態(tài)的增量如下求出：；。其中（, , ）、（, , ）分別為結束點的位置和姿態(tài)；為歸一化算子，按如下方法求出：設已知兩點距離L 、總運動時間T 、插補的總步數(shù)N 、拋物六自由度噴涂機器人插補算法的研究The Study of 6-DOF Painting Robot s Interpolation Algorithm（華南理工大學）陳偉華張鐵CHEN Wei-hua ZHANG Tie摘要:在分析噴涂機器人運動控制系統(tǒng)架構的基礎上, 提出基于可編程多軸控制器PMAC(ProgrammableMulti-Axis Controller的開放式運動控制系統(tǒng)的噴涂機器人軌跡插補算法。主要研究在笛卡兒空間規(guī)劃中直線和圓弧的插補算法。同時, 介紹在 平臺上, 基于組件技術實現(xiàn)軌跡插補算法, 并進行仿真。仿真結果表明本文研究的插補算法滿足工業(yè)要求。關鍵詞:噴涂機器人; 軌跡插補算法; 直線插補; 圓弧插補; 組件技術中圖分類號:TP242文獻標識碼:AAbstract:Proposed in this paper is a trajectory interpolation algorithm for painting robot with an open architecture of robot motion control system based on PMAC. The method of linear interpolation and arc interpolation in Cartesian space is mostly studied. Simul -taneously, presented realization of trajectory interpolation algorithm based component technology on the VS.net and emulational result. Emulational result indicating the interpolation algorithm which studied in this paper satisfied industrial need.Key word:painting robot; trajectory interpolation algorithm; linear interpolation; arc interpolation; component technology文章編號:1008-0570(200903-2-0251-02陳偉華:在讀碩士基金項目:基金申請人:張鐵; 項目名稱:基于機器人化護理床的社區(qū)醫(yī)護遠程監(jiān)護系統(tǒng)研發(fā)及產業(yè)化; 基金頒發(fā)部門:廣東省科技廳(20054982304x y z ?x y z ?251-技術創(chuàng)新微計算機信息(嵌入式與SOC2009年第25卷第3-2期元/年現(xiàn)場總線技術應用200例機器人技術線段的加速度a 。首先求：拋物線段的運動時間：；拋物線段的位移：拋物線段的位移：拋物線段位移、時間、加速度分別歸一化處理：便可得出的計算公式：（2）式中，t =（i/N）,i=0,1,2,N 。01，=0時，對應于起點；=1時，對應于終點。是關于時間t 的離散函數(shù)，和t 均無量綱。0和1-0時，；當0時，。因為建立了非常合理的O-UVW 坐標系，使得求從到掃過的角度十分方便，減少了大量計算過程。接著根據(jù)文獻可得圓弧上各插補點的位置。3軌跡插補算法的實現(xiàn)在 平臺上，基于組件技術實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的設計。組件技術建立了一個軟件模塊同另一個軟件模塊之間連接的標準。當這種連接建立起來之后，兩個模塊之間可以通過接口的機制來進行通信。組件的表現(xiàn)形式是動態(tài)鏈接庫(DLL、可執(zhí)行文件(. exe 。組件技術具有以下特點:a. 組件通過接口輸出其功能；b. 組件支持對象意義上的封裝性和多態(tài)性；c. 組件具有特定的功能，支持互操作性，可以在跨地址空間、網(wǎng)絡、語言和操作系統(tǒng)的異構環(huán)境下被調用；d. 組件遵循二進制標準, 其實現(xiàn)不依賴于某種特定的高級語言。4軌跡插補算法的仿真圖4直線插補軌跡圖5圓弧插補軌跡已知示教點（1,30,20）、（20,50,60）、電機頻率f=50Hz、速度V=20m/s、拋物線段的加速度=50m/s2，仿真得到直線插補的軌跡如圖4中最上面在空間坐標系中的直線。已知示教點（5,4,8），（2,10,3），（7,30,11）、電機頻率f=50Hz、速度V=10m/s、拋物線段的加速度=20m/s2，仿真得到圓弧插補的軌跡如圖5中最上面在空間坐標系中的圓弧。兩幅圖下面三個小圖橫坐標是開始點到目標點之間的插補點序列數(shù)，縱坐標分別是插補點X 、Y 、Z 的坐標值。從六個小圖可知，兩段拋物線的擬合使機械臂的運動軌跡達到連續(xù)平滑的期望。（下轉第263頁） ?t T T t (, , p x y z U o V ? 0p p p p pp p p p p p v w u ?p p p T , , , p p p p U o V ? p , , u v w ? p p p p ? v 2tan 2(, a v u ? tan 2(, a v u ? v p p ?p p ? p p 2p ? 郵局訂閱號：元/年技術創(chuàng)新機器人技術PLC 技術應用200例您的論文得到兩院院士關注參考文獻1張曉超, 張立勛, 趙凌燕. 一種下肢康復訓練機器人足底力檢測方法J.哈爾濱工程大學學報.20072童長飛. C8051F 系列單片機開發(fā)與C 語言編程. 北京：北京航天航空大學出版社，20053潘琢金.C8051F02X 單片機數(shù)據(jù)手冊M.深圳：新華龍電子有限公司，2005.4李富生，呂戰(zhàn)爭，劉陸群，張洛平基于RS485的多個LED 屏實時顯示J 微計算機信息，2003，2：41-43。作者簡介：張博（1981.12-），男，漢族，哈爾濱工程大學自動化學院，碩士研究生，主要研究方向：人體信息檢測；劉天孚（1962-）, 男，漢族，碩士，生物醫(yī)學工程，哈爾濱工程大學校醫(yī)院院長Biography ：ZHANG bo(Dec,1981y,male,Chinese,College ofAutomation,Harbin Engineering University ，master, Research area ：Human Information Detection（150001黑龍江哈爾濱哈爾濱工程大學自動化學院）張博劉天孚(Collegeof Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China ZHANG Bo LIU Tian-fu通訊地址：（150001黑龍江哈爾濱市哈爾濱工程大學學生15公寓1035寢室 張博(收稿日期:2009.02.03(修稿日期:2009.03.05（上接第252頁）5結束語本文創(chuàng)新點：（1）在分析噴涂機器人運動控制系統(tǒng)架構的基礎上，提出了基于可編程多軸控制器PMAC 的開放式運動控制系統(tǒng)的噴涂機器人軌跡插補算法。主要研究在笛卡兒空間規(guī)劃中直線和圓弧的插補算法。插補中采用歸一化和拋物線擬合的方法，這符合實際操作中電機加速-穩(wěn)定-減速的情況，使機械臂的運動軌跡連續(xù)平滑。（2）空間圓弧插補部分建立O R -UVW 坐標系的方法合理簡單，其坐標系方向隨著給定三個點的順序變化，從而避免了判斷是順時針還是逆時針的情況，這大大簡化計算量和提高計算機的運行速度。參考文獻1謝存禧，張鐵. 機器人技術及其應用M.北京：機械工業(yè)出版社.2005.2R.Castainand Paul R.P. An online dynamic trajectorygenerator. International Journal of robotics Research,3. 3J.Craig.Introduction to Robotics-Mechanics And Control (Thirdedition. Pearson Prentice Hall,2005. 4C.-S.Lin and P. -R.Chang,and J.Y.S.Luh. Formulation and optimization of cubic polynomial joint trajectories on Systems,Man,And Cybernetics,(6:10941102,1983.5馬強. 六自由度機械臂軌跡規(guī)劃研究. 哈爾濱工程大學碩士學位論文.2007.6KahtibO. Real -time obstacle avoidance for manipulator and mobile robots. The International Journal of Robotics Research. 1986.7JohnJ.Craig. 機器人學導論M.3rd.北京：機械工業(yè)出版社. 2006.8胡鵬, 方康玲, 劉曉玉. 基于PMAC 的開放式機器人控制系統(tǒng)J.微計算機信息,2006,4-2：171173.9鄭劍飛. 六自由度機械臂分布式控制系統(tǒng)的設計與研究. 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文.2006.10徐誠平.IRB1400型機器人軌跡規(guī)劃與控制. 上海海事大學碩士學位論文.2005.11潘愛民. COM 原理與應用M. 北京:清華大學出版社.1999. 12LEINECHERR C.COM+技術大全M.高智勇，等譯. 北京：機械工業(yè)出版社.2001.作者簡介：陳偉華（1985），女，漢族，華南理工大學機械工程學院在讀碩士，主要研究方向：機器人技術及其應用；張鐵（1968-），男，漢族，教授，研究方向：機器人技術及其在制造自動化領域的應用，生產系統(tǒng)自動化設計。Biography:CHEN Wei -hua (1985-,female (theHannationality, master, The research work is the Robot DesignTheory And Industrial Application;(510640廣東廣州華南理工大學機械與汽車工程學院陳偉華張鐵(Collegeof Mechanical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China CHEN Wei -hua ZHANG Tie通訊地址：（510640廣東省廣州市華南理工大學機械與汽車工程學院機器人研究室）陳偉華(收稿日期:2009.02.03(修稿日期:2009.03.05現(xiàn)場總線技術應用200例現(xiàn)場總線技術是現(xiàn)代工廠、商業(yè)設施、樓宇、公共設施運行、生產過程中的現(xiàn)場設備、儀表、執(zhí)行機構與控制室的監(jiān)測、控制裝置及管理與控制系統(tǒng)之間的數(shù)字式、多點通信互連的，數(shù)據(jù)總線式智能底層控制網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線技術保證了現(xiàn)代工廠、商業(yè)設施、智能樓