scara機器人的研究與設計

1、<p>　　五邑大學碩士學位論文</p><p><b>　　摘</b></p><p><b>　　要</b></p><p>　　機器人在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛應用</p><p><b>　　目前</b></p><p>　　工業(yè)機器人控制系

2、統(tǒng)大多采用封閉</p><p><b>　　結構的專用控制器</b></p><p><b>　　其通用性差</b></p><p><b>　　生產(chǎn)成本高</b></p><p><b>　　不易擴展和維護</b></p><p>

3、;<b>　　已越來越不能適</b></p><p><b>　　應現(xiàn)代制造業(yè)柔性化</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡化生產(chǎn)的需求</b></p><p>　　開發(fā)利用現(xiàn)有資源的開放式機器人控制</p><p><b>　　器</b></p&

4、gt;<p><b>　　以降低機器人成本</b></p><p>　　使機器人像個人計算機一樣普及將成為機器人的一個重要</p><p>　　方向 本文基于工控機 單片機和 Ｗｉｎｄｏｗｓ?。玻埃埃?操作系統(tǒng)</p><p>　　以 ＳＣＡＲＡ 平面關節(jié)型</p><p><b>　　機器人為研

5、究對象</b></p><p><b>　　設計研制了高性能</b></p><p><b>　　低成本</b></p><p><b>　　開放式的控制器</b></p><p><b>　　并設計制作了</b></p><

6、;p>　?。樱茫粒遥?機器人樣機</p><p>　　采用二級計算機體系結構</p><p>　　設計了 ＳＣＡＲＡ 機器人控制器</p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　以工控機作為</b></p><p><b>　　上位機&

7、lt;/b></p><p><b>　　實現(xiàn)人機界面</b></p><p><b>　　軌跡規(guī)劃</b></p><p>　　運動控制和狀態(tài)監(jiān)控等功能</p><p><b>　　下位機采用</b></p><p>　　ＳＴＣ８９Ｃ５１ 單片機

8、控制系統(tǒng)</p><p>　　通過 ＰＣＬ－７３１ 數(shù)字 Ｉ／Ｏ 卡與上位機通訊</p><p><b>　　實現(xiàn)接收上位</b></p><p><b>　　機指令</b></p><p>　　驅動機器人關節(jié)運動等功能</p><p>　　建立了 ＳＣＡＲＡ 機器人的機械結

9、構模型</p><p>　?。樱茫粒遥?機器人由六部分組成</p><p><b>　　包括一個</b></p><p>　　移動關節(jié)和三個旋轉關節(jié)</p><p>　　各關節(jié)采用伺服電機驅動</p><p><b>　　基于模塊化設計思想</b></p>&l

10、t;p><b>　　采用</b></p><p>　?。校颍铮牛危牵桑危牛牛?和 ＡｕｔｏＣＡＤ 完成了機器人本體的三維模型設計和二維圖設計 根據(jù)設</p><p><b>　　計圖加工</b></p><p><b>　　制作了主要機械部件</b></p><p>　

11、　完成了機器人本體的裝配和調試</p><p>　　設計制作了 ＳＴＣ８９Ｃ５１ 單片機控制系統(tǒng)硬件電路 完成了伺服驅動器的主電路配</p><p>　　線和機器人控制器的硬件電路配線</p><p>　　采用 Ｃ＋＋　Ｂｕｉｌｄｅｒ 和匯編語言開發(fā)了控制器的</p><p>　　上位機控制系統(tǒng)和下位機控制系統(tǒng) 設計了上位機與下位機的通訊協(xié)議

12、和通訊模塊</p><p>　　并對控制器的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行了綜合調試</p><p>　　完成了 ＳＣＡＲＡ 機器人的工作穩(wěn)定性實驗</p><p>　　點位運動實驗和連續(xù)運動實驗</p><p><b>　　實驗</b></p><p>　　結果表明 基于工控機和 Ｗｉｎｄｏｗｓ?。玻埃?/p>

13、０ 操作系統(tǒng)設計的開放式 ＳＣＡＲＡ 機器人控制器</p><p><b>　　具有通用性強</b></p><p><b>　　開放性好</b></p><p><b>　　操作簡單</b></p><p><b>　　易于擴展</b></p>

14、;<p><b>　　維護方便等特點</b></p><p><b>　　基于該控制器</b></p><p>　　利用現(xiàn)有資源設計的 ＳＣＡＲＡ 機器人生產(chǎn)成本低</p><p><b>　　值和廣闊的市場前景</b></p><p><b>　　功能

15、擴展性強</b></p><p><b>　　具有良好的實用價</b></p><p><b>　　關鍵詞</b></p><p><b>　?。樱茫粒遥?機器人</b></p><p><b>　　開放式</b></p><

16、;p><b>　　控制器</b></p><p><b>　　工控機</b></p><p><b>　　單片機</b></p><p><b>　　Ｉ／Ｏ 卡</b></p><p><b>　　伺服電機　</b></p

17、><p><b>　　I</b></p><p>　　SCARA 機器人的研究與設計</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Robot has been widely used in industry production. At present, most of t

18、he industry</p><p>　　robot control systems use close and special controllers, which are low universal, high</p><p>　　cost, not easy to be extended and maintained, and can’t adapt to the requirem

19、ent of</p><p>　　flexible and network production of modern manufacturing. It will be an important way of</p><p>　　robot to develop open architecture robot controller by using existing resource to

20、 reduce</p><p>　　the cost of robot and make robot popularize just like computer. The paper studies</p><p>　　SCARA robot, designs and produces a kind of SCARA robot controller that is of high<

21、/p><p>　　performance, low cost and open-architecture based on industry PC, single chip and</p><p>　　Windows 2000. A SCARA robot prototype machine is designed and produced.</p><p>　　The

22、 robot controller is designed with the structure of two levels computer system.</p><p>　　On the one hand, Industry PC is used as master to offer human-computer interface, mark</p><p>　　out the t

23、rack, control the movement, inspect and control the status. On the other hand,</p><p>　　STC89C51 single chip control system is used as slave to communicate with the master by</p><p>　　PCL-731 di

24、gital I/O card, receive the instructions from master computer and drive the</p><p>　　robot joint moving.</p><p>　　The model of mechanical structure of SCARA robot is built. SCARA robot is</p&

25、gt;<p>　　consisted of six parts, includes a moving joint and three rotary joints. All the joints are</p><p>　　drove by servo motors. The author designed 3-dimension models and 2-dimension draws</p&

26、gt;<p>　　of SCARA robot’s manipulator by Pro/ENGINEER and AutoCAD based on model</p><p>　　designing thinking. The main mechanical parts of robot arms are machined and processed</p><p>　　a

27、ccording to the draws, and the assembling and debugging of SCARA robot’s</p><p>　　manipulator has been finished.</p><p>　　The author designed and produced hardware circuit of STC89C51 single chi

28、p</p><p>　　control system. The wiring of servo motor drivers’ main circuit and hardware circuit of</p><p>　　the robot controller is finished. The author developed main computer control system an

29、d</p><p>　　slave computer control system of SCARA robot controller by C++ Builder and compiling</p><p>　　language. The communication protocol and models between main and slave computer are</p

30、><p>　　also designed. Meanwhile, hardware system and software system of the controller are</p><p><b>　　II</b></p><p>　　五邑大學碩士學位論文</p><p>　　synthetically debugg

31、ed.</p><p>　　The experiment of SCARA robots’ working stability, moving from point to point</p><p>　　and moving continuous is finished. The results of the experiment indicate that the robot</p

32、><p>　　controller with open architecture based on industry PC and Windows 2000 poses the</p><p>　　advantages of good versatility, good openness, operating simply, expanding easily and</p>&l

33、t;p>　　maintaining expediently. The SCARA robot designed based on this controller by existing</p><p>　　resource has low cost, powerful expansibility of function, good utility value and wide</p><

34、p>　　market prospect.</p><p>　　Key Words: SCARA Robot, Open Architecture, Controller, Industry Computer,</p><p>　　Single Chip, I/O Card, Servo motor</p><p><b>　　III</b>

35、;</p><p>　　五邑大學碩士學位論文</p><p><b>　　第一章 　緒 論</b></p><p><b>　　1.1</b></p><p>　　工業(yè)機器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀</p><p>　　機器人自誕生之日起 便顯示出其強大的生命力 機器人首先在工業(yè)生產(chǎn)

36、中得到了</p><p>　　廣泛應用 并給傳統(tǒng)工業(yè)帶來了質的飛躍 它不僅提高了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的自動化程度 提高</p><p>　　了勞動生產(chǎn)率 而且還推動了以資源消耗低 環(huán)境污染少為特征的新型工業(yè)的誕生 隨</p><p>　　著人類在機械工程 電氣工程 微電子技術 計算機技術 控制論 傳感技術 信息學</p><p>　　聲學 仿生學及人工智

37、能等學科領域的飛速發(fā)展 機器人技術的應用也正在向農(nóng)業(yè) 林</p><p>　　業(yè) 畜牧養(yǎng)殖 海洋開發(fā) 宇宙探索 國防建設 安全救濟 生物醫(yī)學 服務娛樂等新</p><p>　　領域拓展開來 并已取得顯著進展 機器人技術已成為高科技應用領域中的重要組成部</p><p><b>　　分［１］－［１５］</b></p><p&g

38、t;　　機器人主要有兩大類 用于制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和用于非制造環(huán)境下的服務機</p><p>　　器人 工業(yè)機器人是一種對生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件具有較強的適應性和靈活性的柔性自動</p><p>　　化裝備 它主要用于現(xiàn)代制造業(yè)中代替人們從事繁重 重復單調 環(huán)境惡劣危險 人做</p><p>　　不了或做不好的工作 從而減輕了人們的勞動強度 改善了勞動環(huán)境 并有效地

39、提高了</p><p><b>　　生產(chǎn)的自動化程度</b></p><p>　　提高了產(chǎn)品質量和勞動生產(chǎn)率</p><p>　　工業(yè)機器人是柔性化制造系統(tǒng)</p><p><b>　?。疲停?lt;/b></p><p>　　自動化工廠 ＦＡ 和計算機集成制造系統(tǒng) ＣＩＭＳ 必不

40、可少的自動化工具 它</p><p>　　的發(fā)展和應用情況已成為一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志［９］－［１５］</p><p><b>　　1.1.1</b></p><p>　　工業(yè)機器人的發(fā)展歷程</p><p>　?。保梗担?年美國的 Ｇｅｏｒｇｅ?。模澹觯铮?設計了第一臺可編程機器人</p>&l

41、t;p><b>　　取名為</b></p><p><b>　　萬能自動</b></p><p>　　Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ?。粒酰簦铮恚幔簦椋铮?lt;/p><p><b>　　該機器人自帶存儲器</b></p><p>　　可以實現(xiàn)點到點的再現(xiàn)運動</p>&l

42、t;p><b>　?。保梗担?lt;/b></p><p>　　年 Ｄｅｖｏｌ 和被譽為</p><p>　　工業(yè)機器人之父 的 Ｊｏｓｅｐｈ?。疲。牛睿纾澹臁。拢澹颍纾澹?成立了 Ｕｎｉｍａｔｉｏｎ</p><p>　　公司 開始設計 生產(chǎn)工業(yè)機器人 ＵＮＩＭＡＴＥ 并于 １９６０ 年研制出第一臺機器人樣機 同</p><

43、;p><b>　　時</b></p><p><b>　　美國 ＡＭＦ</b></p><p>　　Ａｍｅｒｉｃａｎ?。停幔悖瑁椋睿濉。幔睿洹。疲铮酰睿洌颍?lt;/p><p>　　公司也設計制造了另一種圓柱坐標形</p><p>　　式的機器人 Ｖｅｒｓａｔｒａｎ Ｕｎｉｍａｔｉｏｎ 和 Ｖｅｒ

44、ｓａｔｒａｎ 成為世界上最早的工業(yè)機器人</p><p><b>　?。保梗叮?lt;/b></p><p>　　年 美國 Ｇｅｎｅｒａｌ?。停铮簦铮?公司的裝配生產(chǎn)線安裝了世界上第一臺工業(yè)機器人 ＵＮＩＭＡＴＥ</p><p>　　從而拉開了工業(yè)機器人為人類服務的序幕［１１］［１６］ 　</p><p>　　２０ 世紀 ６０

45、 年代是工業(yè)機器人的萌芽發(fā)展階段</p><p>　　工業(yè)機器人首先被應用于汽車生產(chǎn)</p><p>　　線的搬運 焊接 噴漆等作業(yè) 它們在工業(yè)生產(chǎn)中表現(xiàn)出良好的靈活性和穩(wěn)定性 極大</p><p><b>　　1</b></p><p>　　SCARA 機器人的研究與設計</p><p><

46、;b>　　地提高了生產(chǎn)效率</b></p><p>　　因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到推廣 　</p><p>　?。玻?世紀 ７０ 年代</p><p><b>　　隨著計算機技術</b></p><p>　　自動控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)對自動化需求</p><p>　　的不斷增長 工業(yè)

47、機器人技術得到了迅速發(fā)展 １９７０ 年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機</p><p><b>　　器人學術會議</b></p><p>　?。保梗罚?年 Ｒｉｃｈａｒｄ?。龋铮瑁?為 Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ?。停椋欤幔悖颍铮?公司開發(fā)了第一臺由</p><p>　　微型計算機控制的工業(yè)機器人 Ｔ３ 該機器人由液壓驅動 能提升的有效負載達 ４５ 公斤

48、</p><p>　?。保梗罚?年 Ｓｃｈｅｉｎｍａｎ 教授設計了一臺通過觸覺和壓力傳感器反饋進行小零件裝配的機械</p><p>　　臂 ｔｈｅ?。樱椋欤觯澹颉。粒颍?并成立了 Ｖｉｃａｒｍ 公司</p><p>　　將這種新型機器人推向市場</p><p><b>　?。保梗罚?年</b></p>&l

49、t;p><b>　　歐</b></p><p>　　洲的 ＡＳＥＡ 機器人公司推出了兩款使用微型電子控制器進行編程操作的工業(yè)機器人 同</p><p>　　年 Ｕｎｉｍａｔｉｏｎ 公司收購了 Ｖｉｃａｒｍ 公司 并于 １９７８ 年采用 Ｖｉｃａｒｍ 的設計技術 開發(fā)了</p><p><b>　?。校眨停?lt;/b>&l

50、t;/p><p>　　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ?。眨睿椋觯澹颍螅幔臁。停幔悖瑁椋睿濉。妫铮颉。粒螅螅澹恚猓欤?lt;/p><p><b>　　通用工業(yè)機器人</b></p><p><b>　　這是一種</b></p><p>　　具有多關節(jié) 全電動 多 ＣＰＵ 分級控制的機器人 采用 ＶＡＬ 專用編程語言

51、 可配置視覺</p><p><b>　　觸覺和力覺傳感器</b></p><p>　　它的誕生標志著工業(yè)機器人進入了一個新的發(fā)展階段 直到現(xiàn)在</p><p>　　工業(yè)機器人的機械結構</p><p>　　控制結構和編程語言都是以 ＰＵＭＡ 機器人為基礎的［２］［１６］ 　</p><p>　　

52、２０ 世紀 ７０ 年代也是日本的機器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的時期</p><p>　?。保梗叮?年日本 Ｋａｗａｓａｋｉ 重</p><p>　　工公司從美國購買了機器人的生產(chǎn)許可證</p><p>　?。保梗叮?年開始生產(chǎn)機器人［２］</p><p>　　進入 ２０ 世紀 ７０</p><p>　　年代后 日本工業(yè)高速發(fā)展

53、勞動力嚴重短缺 因此工業(yè)機器人受到了日本政府和工業(yè)</p><p>　　界的廣泛重視 日本采取了一系列政策措施 鼓勵工業(yè)機器人的研究和生產(chǎn) 其機器人</p><p>　　擁有量很快超過了美國</p><p>　　一舉成為 機器人王國</p><p>　?。玻?世紀 ８０ 年代至 ９０ 年代 工業(yè)機器人進入了高速發(fā)展時期 汽車 摩托車 電機&l

54、t;/p><p>　　電子等行業(yè)開始大量使用工業(yè)機器人 推動了機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 １９８０ 年 工業(yè)機器人</p><p>　　的產(chǎn)值增長超過了 ８０％ 被稱為是 機器人時代的第一年</p><p>　　之后 工業(yè)機器人一直保持</p><p>　　著較高的年增長率 到 １９９０ 年 世界通用工業(yè)機器人的年銷售量達到了 ８０，０００ 臺 但<

55、/p><p>　　在 １９９１ １９９３ 年出現(xiàn)下滑</p><p>　?。梗?，３６８ 臺［１３］</p><p><b>　　之后</b></p><p>　　工業(yè)機器人市場又開始復蘇</p><p>　?。玻埃埃?年銷售量達到了</p><p>　　進入 ２０ 世紀 ９０

56、年代 具有感知 思維 行動能力的智能機器人開始出現(xiàn) 成為目</p><p>　　前工業(yè)機器人的主要研究發(fā)展方向</p><p><b>　　1.1.2</b></p><p>　　國外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p><b>　　在發(fā)達國家</b></p><p>　　工

57、業(yè)機器人技術已經(jīng)取得了非常廣泛的應用</p><p><b>　　據(jù)統(tǒng)計</b></p><p><b>　　截止到 ２００４</b></p><p>　　年底 世界范圍內的工業(yè)機器人實際裝備總量為 ８４７，７６４ 臺 其中日本為 ３５６，４８３ 臺</p><p>　　約占全世界裝備總量的 ４２％

58、</p><p>　　美國為 １１４，５３１ 臺</p><p>　　歐洲為 ２７８，９０６ 臺</p><p><b>　　在歐洲國家中</b></p><p><b>　　2</b></p><p>　　五邑大學碩士學位論文</p><p>　　德

59、國工業(yè)機器人裝備量居首位 為 １２０，５４４ 臺 意大利和法國分別為 ５３，２４４ 臺和 ２８，１３３</p><p>　　臺 在亞洲 韓國的機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速 ２００４ 年底其工業(yè)機器人裝備總量約為 ５１，３０２</p><p>　　臺 就機器人密度 即制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機器人數(shù)量 而言 日本 德國</p><p>　　和韓國的機器人密度居世界前三位［１

60、３］－［１５］</p><p><b>　　近年來</b></p><p>　　國外工業(yè)機器人技術的研究發(fā)展和應用主要有如下幾個趨勢［１２］－［２３］ 　</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　工業(yè)機器人在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊</p><p>&l

61、t;b>　　并向食品</b></p><p><b>　　核能</b></p><p><b>　　礦業(yè)和建筑</b></p><p>　　等工業(yè)新領域擴展 汽車制造業(yè)一直以來都是機器人技術最主要的應用領域 但在 ２００４</p><p>　　年 這一趨勢發(fā)生了重大改變 據(jù)統(tǒng)計 ２

62、００４ 年世界范圍內非汽車行業(yè)的工業(yè)機器人訂</p><p>　　單量增長了近 ４２％</p><p>　　而汽車整車制造業(yè)增長不到 １％</p><p>　　汽車配件行業(yè)增長了 １９％ 在北美</p><p><b>　　和亞洲</b></p><p>　　非汽車行業(yè)的訂單量分別增長了 ７２％和

63、 ４２％ 在機床</p><p><b>　　橡膠</b></p><p><b>　　食品</b></p><p><b>　　包裝和塑</b></p><p><b>　　料等行業(yè)領域</b></p><p>　　機器人的需求量

64、將進一步增長 　</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　工業(yè)機器人的價格不斷下降</p><p><b>　　而性能則不斷提高</b></p><p><b>　　趨向于高速度</b></p><p><b>　　高精度&

65、lt;/b></p><p>　　高可靠性 便于操作和維護等方面 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示 ２００３ 年一臺工業(yè)機器人的平均價格</p><p>　　只相當于 １９９０ 年同等性能機器人平均價格的四分之一 在美國</p><p><b>　　機器人與勞動力相比</b></p><p>　　的相對價格已經(jīng)從 １９９０ 年的 １０

66、０ 降到了 ２００３ 年的 ２８ 如果考慮機器人質量的改進 則</p><p>　　可下降到 １２ 不斷下降的機器人相對價格和日益減少的勞動力成本成為機器人投資增長</p><p><b>　　的主要驅動力之一</b></p><p>　?。?　 機器人控制系統(tǒng)向基于 ＰＣ 的開放式機器人控制器方向發(fā)展 開放化 模塊化</p>&

67、lt;p>　　和標準化設計成為主要發(fā)展方向 人機界面更加友好 采用系統(tǒng)的觀點來發(fā)展新型機器</p><p><b>　　人控制系統(tǒng)</b></p><p>　　研究機器人協(xié)作控制 多智能體調控技術成為新興研究領域</p><p><b>　　４</b></p><p>　　機器人編程語言趨于通

68、用化 ＡＢＢ 公司開發(fā)的 ＲＡＰＩＤ 通用模塊化編程語言提供</p><p>　　了強大的編程功能和友好的用戶界面 該公司生產(chǎn)的大部分機器人產(chǎn)品都采用了該種編</p><p><b>　　程語言</b></p><p><b>　　最近</b></p><p>　　美國機器人空間開發(fā)公司開發(fā)了 Ｒｏ

69、ｂｏｔ?。樱悖颍椋穑?通用機器人編程語言</p><p><b>　　該語言簡單易學</b></p><p><b>　　通用性強</b></p><p>　　可運行于該公司生產(chǎn)的通用機器人控制器 ＵＲＣ 中 　</p><p><b>　?。?lt;/b></p>&

70、lt;p>　　機械結構趨向于模塊化 可重構化</p><p>　　應用類型以關節(jié)型為主</p><p><b>　　２００４ 年世界范</b></p><p>　　圍內新裝備的機器人中 關節(jié)型機器人占 ６２．５％ ＳＣＡＲＡ 平面關節(jié)型 機器人占 １１．６％</p><p>　　而美國 ２００４ 年新裝備機器人中&

71、lt;/p><p>　　關節(jié)型機器人所占比例高達 ９０％ 歐洲為 ７４％</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　機器人朝著智能化方向發(fā)展</p><p><b>　　傳感器作用日益重要</b></p><p><b>　　除采用傳統(tǒng)的位置</

72、b></p><p><b>　　速</b></p><p>　　度 加速度等傳感器外 裝配 焊接 遙控機器人還應用了視覺 力覺 觸覺等傳感器</p><p>　　多傳感器的融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用</p><p><b>　　3</b></p><p>

73、　　行之有效的多傳感器融合算</p><p>　　SCARA 機器人的研究與設計</p><p>　　法 特別是非線性及非平穩(wěn) 非正態(tài)分布情形下的多傳感器融合算法是傳感器技術的研</p><p><b>　　究重點 　</b></p><p><b>　　７</b></p><p

74、>　　機器人機構技術方面重點研究新的機器人結構和功能</p><p><b>　　以及新的設計方法</b></p><p>　　探索新的高強度輕質材料</p><p>　　進一步提高機器人的動態(tài)性能 　</p><p><b>　　８</b></p><p>　　虛擬現(xiàn)

75、實技術在機器人中的作用已從仿真 預演發(fā)展到用于過程控制</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　機器人遙控</b></p><p>　　監(jiān)控技術朝著人機交互控制方向發(fā)展</p><p>　　遙控加局部自治系統(tǒng)遙</p><p>　　控機器人的發(fā)展使

76、智能機器人走出實驗室進入實用化階段 　</p><p><b>　?。保?lt;/b></p><p>　　機器人化機械開始興起 自 １９９４ 年美國開發(fā)出 虛擬軸機床 以來 機器人</p><p>　　化機械便成為新興研究方向</p><p>　　機器人化機械研究主要包括并聯(lián)機構機床（ＶＭＴ）</p><

77、p><b>　　機器人</b></p><p>　　化加工中心（ＲＭＣ）</p><p>　　機器人化無人值守和具有自適應能力的多機遙控操作的大型散料輸</p><p><b>　　送設備的研究開發(fā)等</b></p><p><b>　　1.1.3</b></p&g

78、t;<p>　　我國的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　我國政府非常重視機器人技術的研究和發(fā)展</p><p><b>　　七五</b></p><p><b>　　期間</b></p><p><b>　　國家投入相當資金</b></p>&

79、lt;p>　　進行工業(yè)機器人基礎技術 基礎元器件 工業(yè)機器人整機及應用工程的開發(fā)研究 經(jīng)過</p><p>　　五年攻關 完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術的開發(fā) 研制出了噴漆 點焊 弧焊</p><p>　　和搬運等作業(yè)機器人整機 幾類專用和通用控制系統(tǒng)及幾類關鍵元部件的主要性能指標</p><p>　　達到 ８０ 年代初國外同類產(chǎn)品水平</p>

80、<p>　　并且形成小批量生產(chǎn)能力</p><p>　　從 ２０ 世紀 ９０ 年代初期</p><p><b>　　起</b></p><p>　　我國的工業(yè)機器人又邁出了一大步</p><p><b>　　通過</b></p><p><b>　　八

81、五</b></p><p><b>　　九五</b></p><p><b>　　和國家</b></p><p><b>　?。福叮?lt;/b></p><p><b>　　計劃支</b></p><p>　　持的應用工程開

82、發(fā) 第一代工業(yè)機器人設計 制造和應用技術已趨于成熟 目前已基本</p><p>　　掌握了機器人操作機的設計制造技術 控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術及運動學和軌跡規(guī)</p><p>　　劃技術 生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件 研制出噴漆 點焊 弧焊 裝配 切割 包裝</p><p>　　碼垛 搬運等各種用途的作業(yè)機器人 并實施了一批機器人應用工程 建立了一批機器</p

83、><p><b>　　人產(chǎn)業(yè)化基地</b></p><p>　　鍛煉和形成了一大批機器人研究開發(fā)應用隊伍</p><p><b>　　我國的智能機器人在</b></p><p><b>　?。福叮?lt;/b></p><p><b>　　計劃的支持下&

84、lt;/b></p><p>　　也取得了一大批科研成果</p><p><b>　　在機器人視覺</b></p><p><b>　　力覺</b></p><p><b>　　觸覺</b></p><p><b>　　聲覺</b&

85、gt;</p><p>　　等基礎技術的開發(fā)應用上有了一定的發(fā)展?。郏保玻荩郏玻埃荩郏玻保?目前 我國工業(yè)機器人已應用于汽車</p><p><b>　　摩托車</b></p><p><b>　　機械制造</b></p><p><b>　　電子電器</b></p>

86、;<p>　　工程機械 石油化工等行業(yè)［２４］</p><p>　　但是 我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平與國外還有一定的差距 我國尚</p><p>　　未形成真正的機器人產(chǎn)業(yè) 機器人產(chǎn)品品種少 應用范圍窄 機器人標準化程度低 可</p><p>　　靠性低于國外產(chǎn)品 與機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展密切相關的關鍵部件交流伺服電機 精密減速器</p>

87、;<p>　　還沒有相應產(chǎn)業(yè)的支持 新產(chǎn)品開發(fā)主要依賴于國家科研計劃及基金的支持 不能形成</p><p><b>　　4</b></p><p>　　五邑大學碩士學位論文</p><p><b>　　研發(fā)面向市場</b></p><p>　　市場支持研發(fā)的良性發(fā)展 在應用規(guī)模上<

88、;/p><p>　　我國到 ２００４ 年底已安裝的</p><p>　　工業(yè)機器人臺數(shù)為 ７０９６ 臺 只占全世界裝備總數(shù)的 ０．８４％ 與國外發(fā)展水平有較大差距</p><p>　　而在多傳感器信息融合控制技術</p><p>　　遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人 智能裝配機器人</p><p>　　機器人化機械等方面的開發(fā)

89、應用則剛剛起步 目前我國機器人總體技術僅相當于國外 ２０</p><p>　　世紀 ８０ 年代初的水平［２４］［２５］</p><p>　　根據(jù)國內外機器人發(fā)展的經(jīng)驗和現(xiàn)狀 結合當前國內經(jīng)濟發(fā)展的具體情況 我國的</p><p>　　機器人技術將重點開展開放式機器人控制器</p><p>　　智能機器人和機器人化機械的開發(fā)研究</p&g

90、t;<p>　　開展以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng)及其相關技術的開發(fā)研究［２５］ 加強工業(yè)機器人應用</p><p>　　工程的開發(fā) 并圍繞應用工程進行工業(yè)機器人新產(chǎn)品的開發(fā) 使之具有一定的規(guī)模化生</p><p>　　產(chǎn)能力 加強多傳感器融合及決策 通用型機器人編程語言的研究 重點解決我國已研</p><p>　　制應用多年的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)

91、化前期關鍵技術 大力推進其產(chǎn)業(yè)化進程 　</p><p><b>　　1.2</b></p><p>　　SCARA 機器人概述</p><p>　　機器人按照機械結構不同可以分為六類 直角坐標機器人 Ｃａｒｔｅｓｉａｎ　ｒｏｂｏｔ／Ｇａｎｔｒｙ　</p><p><b>　?。颍铮猓铮?lt;/b>&l

92、t;/p><p><b>　　圓柱坐標機器人</b></p><p>　?。茫欤椋睿洌颍椋悖幔臁。颍铮猓铮?lt;/p><p><b>　　球坐標機器人</b></p><p>　　Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ?。颍铮猓铮?lt;/p><p><b>　　關節(jié)型機器人</b>

93、;</p><p>　?。粒颍簦椋悖酰欤幔簦澹洹。颍铮猓铮?lt;/p><p><b>　　平面關節(jié)型機器人</b></p><p>　?。樱茫粒遥痢。颍铮猓铮?lt;/p><p><b>　　和并聯(lián)機器</b></p><p>　　人 Ｐａｒａｌｌｅｌ?。颍铮猓铮?lt;/p>

94、;<p><b>　?。郏保常?lt;/b></p><p>　　關節(jié)型機器人與人的手臂相似 可以實現(xiàn)比較靈活的運動</p><p>　　且所占空間體積小 相對工作空間大 因此非常適合噴漆 點焊 搬運 裝配 碼垛等</p><p>　　自動化作業(yè) 在工業(yè)領域中有著廣泛應用 　</p><p><b>　

95、　１９７８ 年</b></p><p>　　日本山梨大學的牧野洋</p><p><b>　?。停幔耄椋睿?lt;/b></p><p>　　教授及其學生研制出一種 ＳＣＡＲＡ　</p><p>　?。樱澹欤澹悖簦椋觯濉。茫铮恚穑欤椋幔睿悖濉。粒螅螅澹恚猓欤。遥铮猓铮簟。粒颍?機器人［２］</p>

96、<p>　　與一般的關節(jié)型機器人不同</p><p><b>　　的是</b></p><p>　　ＳＣＡＲＡ 機器人只在平面上具有很好的靈活性</p><p>　　而在與平面垂直的方向具有很高的</p><p>　　剛性 因此非常適合垂直方向的裝配作業(yè) 它在裝配 搬運等作業(yè)中可以實現(xiàn)很快的速</p>

97、;<p><b>　　度和較高的效率</b></p><p>　　ＳＣＡＲＡ 機器人除具有普通的關節(jié)型機器人結構緊湊</p><p><b>　　工作空間大</b></p><p><b>　　操</b></p><p>　　作靈活等優(yōu)點外 同時 還具有較高的重復

98、定位精度和較好的性價比 因此 目前很多</p><p>　　工業(yè)機器人都采用 ＳＣＡＲＡ 設計方案</p><p>　?。樱茫粒遥?機器人已經(jīng)在國內外眾多企業(yè)取得了廣泛應</p><p>　　用 大大提高了生產(chǎn)效率</p><p>　　并取得了較好的經(jīng)濟效益 　</p><p><b>　　1.3</b

99、></p><p><b>　　開放式機器人控制器</b></p><p>　　機器人控制器作為機器人的核心部分 對機器人的功能和性能起著決定性作用 目</p><p>　　前商品化的機器人控制系統(tǒng)大多采用封閉結構的專用控制器 采用專用的計算機作為主</p><p><b>　　5</b>&l

100、t;/p><p>　　SCARA 機器人的研究與設計</p><p>　　控計算機 使用專用的編程語言設計軟件系統(tǒng) 并將控制算法固化在 ＲＯＭ 中 這種專用</p><p><b>　　系統(tǒng)結構封閉</b></p><p><b>　　通用性差</b></p><p>　　已越來

101、越不能適應現(xiàn)代制造業(yè)柔性化 網(wǎng)絡化生產(chǎn)的需求</p><p>　　而且還帶來了生產(chǎn)成本高 擴展性差 不易維護等問題 在一定程度上阻礙了機器人產(chǎn)</p><p>　　業(yè)的發(fā)展［１７］－［１９］ 因此 開發(fā)利用現(xiàn)有資源的開放式機器人控制器 降低機器人成本成為</p><p>　　機器人發(fā)展的一個重要方向</p><p><b>　　1.

102、3.1</b></p><p>　　開放式機器人控制器的定義和特點</p><p>　　目前 國際上對于機器人控制器的開放性還沒有明確的定義 ＩＥＥＥ 將開放式系統(tǒng)定</p><p><b>　　義為</b></p><p>　　一個開放式系統(tǒng)提供了使合理實現(xiàn)的應用程序運行于來自多個控制供應商的不</p

103、><p>　　同平臺上及其他系統(tǒng)應用互操作的能力 并且具有一個用來與用戶交互的持續(xù)的風格</p><p>　　開放式機器人控制器是開放式系統(tǒng)的一種 因此符合以上定義</p><p>　　了開放式機器人控制器的主要思想［２６］ 　</p><p>　?。祝椋欤欤椋幔睢。牛。疲铮颍?總結</p><p><b>　

104、?。?lt;/b></p><p>　　使用基于非專用計算機平臺 如 ＰＣ</p><p><b>　　ＳＧＩ</b></p><p><b>　?。樱眨?等</b></p><p><b>　　的開放系統(tǒng)</b></p><p><b>

105、;　　２</b></p><p>　　使用標準的操作系統(tǒng) 如 Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｕｎｉｘ 和標準的控制語言 如 Ｃ 或 Ｃ＋＋</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　硬件基于標準總線結構 如 ＰＣＩ ＳＴＤ</p><p>　　能夠與各種外圍設備和傳感器接口 　</p>&l

106、t;p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　使用網(wǎng)絡策略 實現(xiàn)遠程通訊 允許工作單元控制器共享數(shù)據(jù)庫 并允許對</p><p><b>　　機器人遠程操作</b></p><p>　　開放式機器人控制器具有可移植性 可擴充性 可交互性和可伸縮性等特征 它與</p><p><b&

107、gt;　　傳統(tǒng)的專用系統(tǒng)相比</b></p><p>　　具有一系列優(yōu)點［１６］［１７］ 　</p><p><b>　　１</b></p><p>　　機器人控制器的標準化和開放式設計 使得眾多軟件和硬件開發(fā)商可以為其</p><p>　　開發(fā)符合接口標準的組件 從而實現(xiàn)市場資源的有效整合 縮短系統(tǒng)的開發(fā)周

108、期 加快</p><p><b>　　系統(tǒng)的功能升級</b></p><p>　　并大大降低采購成本 　</p><p><b>　　２</b></p><p>　　用戶和第三方開發(fā)人員可以對開放式機器人控制器進行模塊配置和設計修</p><p>　　改 并根據(jù)需要進行系統(tǒng)軟

109、硬件擴充 因而提高了系統(tǒng)的柔性和靈活性</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　開放式機器人控制器基于非專用計算機平臺 使用標準的操作系統(tǒng)和控制語</p><p>　　言 因此通用性好 可移植性強 只需通過系統(tǒng)配置和參數(shù)設置 就可用于控制符合接</p><p>　　口標準的不同廠家或型號的機器人<

110、;/p><p><b>　　從而擴展了應用范圍</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　開放式機器人控制器采用模塊化設計 新產(chǎn)品的開發(fā)可以使用已經(jīng)過測試</p><p>　　性能良好的子系統(tǒng)模塊 這樣可以減少開發(fā)的重復性 提高系統(tǒng)的安全性 降低開發(fā)成</p>&

111、lt;p><b>　　本 　</b></p><p><b>　　５</b></p><p>　　采用開放式機器人控制器 可以使系統(tǒng)的使用變得簡單 并能通過遠程網(wǎng)絡</p><p><b>　　6</b></p><p>　　五邑大學碩士學位論文</p>&

112、lt;p>　　對系統(tǒng)進行維護 從而大大加快系統(tǒng)維護的速度 減少客戶因系統(tǒng)停用檢修而帶來的損</p><p><b>　　失</b></p><p>　　并能有效地減少系統(tǒng)的培訓和維護成本 　</p><p><b>　　1.3.2</b></p><p>　　開放式機器人控制器的研究發(fā)展現(xiàn)狀&

113、lt;/p><p>　　針對開放式機器人控制器</p><p>　　國外的研究工作主要集中于以下三個方面［２７］－［３４］ 　</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　開放式機器人控制</b></p><p><b>　?。希遥?結構的定義&

114、lt;/b></p><p>　　主要工作集中在定義一個與實現(xiàn)平</p><p>　　臺無關的控制結構抽象模型</p><p>　　從而將復雜的機器人系統(tǒng)分解成若干個可處理的部分</p><p>　　Ｓａｒｉｄｉｓ 教授提出了一種基于分層遞階控制結構的智能機器結構［２７］</p><p><b>　　它

115、由組織層</b></p><p><b>　　協(xié)調</b></p><p>　　層和執(zhí)行層三個層次組成</p><p>　　控制系統(tǒng)基于一種提高精度降低智能</p><p><b>　　ＩＰＤＩ</b></p><p><b>　　的原則</b&g

116、t;</p><p><b>　?。拢幔颍猓澹颍?lt;/b></p><p><b>　?。粒欤猓酰?lt;/b></p><p>　?。疲椋簦纾澹颍幔欤?lt;/p><p>　　和 Ｈｕａｎｇ 等在 ＲＣＳ Ｒｅａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ?。樱螅簦澹?lt;/p><p><b>　　

117、實時控制系</b></p><p>　　統(tǒng) 結構研究方面做了較多的工作［２８］－［３１］ ２０ 世紀 ７０ 年代中期 Ｂａｒｂｅｒａ 首先將 ＲＣＳ 用于</p><p>　　實驗機器人控制 隨后?。粒欤猓酰?Ｂａｒｂｅｒａ Ｈｕａｎｇ 等人開始研究發(fā)展 ＲＣＳ 結構 取得了很</p><p>　　多研究和應用成果 ?。遥茫?結構可以用一棵包含多個可運算

118、結點的樹來描述 每個結點都</p><p><b>　　包含任務分解</b></p><p><b>　　環(huán)境建模</b></p><p>　　傳感器處理 數(shù)值判斷和知識庫等五個基本元素</p><p><b>　?。遥茫?結構</b></p><p>

119、　　自上而下實現(xiàn)任務分解下達</p><p>　　自下而上實現(xiàn)傳感器信息反饋［２８］－［３０］ 美國 ＮＡＳＡ／ＮＢＳ 的標</p><p><b>　　準參考模型</b></p><p><b>　?。危粒樱遥牛?lt;/b></p><p><b>　?。郏常玻?lt;/b></

120、p><p>　　就采用了 ＲＣＳ－３ 結構 從概念結構上將控制層分成三個等級</p><p><b>　　任務分解</b></p><p>　　環(huán)境建模和傳感器處理 它們由通訊系統(tǒng)和全局內存支持</p><p>　?。龋酰幔睿?在綜合各</p><p>　　種層次模型概念的基礎上</p>

121、<p>　　提出了一種多維參考模型結構來描述 ＲＣＳ［３１］ 并用一個集成</p><p>　　坐標系統(tǒng)來表示 坐標系的三個軸分別是 權限層 功能分解層和繼承層 其中權限層</p><p>　　被分為六級 功能分解層的結點又包括任務分解 環(huán)境建模 傳感器處理和數(shù)值判斷功</p><p>　　能 這四種功能遵循一定的交互規(guī)則 Ｋ．Ｎｉｌｓｏｎ 認為開放式機

122、器人控制應該基于分層結</p><p>　　構 并從用戶的角度把系統(tǒng)劃分為任務級編程 離線編程 在線編程 執(zhí)行 應用控制</p><p>　　運動控制 手臂控制和電機控制九個層次［３３］ 并在此基礎上提出了開放式機器人控制器</p><p><b>　　的結構</b></p><p>　　該結構把上述九個層次分為用戶級

123、系統(tǒng)級和伺服級</p><p><b>　　為兩類</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　開放式機器人控制器的硬件平臺 開放式機器人控制器的硬件平臺可大致分</p><p>　　基于 ＶＭＥ 總線的系統(tǒng)和基于 ＰＣ 總線的系統(tǒng) 采用通用 ＰＣ 作為機器人控制器</

124、p><p>　　具有成本低 開放性好 軟件資源豐富 開發(fā)環(huán)境完備 通訊功能強 用戶基礎廣泛等</p><p>　　優(yōu)點［１７］［１８］</p><p><b>　　因此</b></p><p>　　很多公司都把基于 ＰＣ 的機器人作為主要發(fā)展方向 目前</p><p><b>　　美國機器&

125、lt;/b></p><p><b>　　人工作空間技術</b></p><p><b>　　ＲＷＴ</b></p><p><b>　?。牛校樱希?公司</b></p><p><b>　　安川公司</b></p><p>

126、　?。遥铮猓铮簦椋恪。祝铮颍耄螅穑幔悖?公司和 ＤＥＮＳＯ 公</p><p>　　司等都設計出了基于 ＰＣ 的開放式機器人控制器</p><p><b>　　7</b></p><p>　　SCARA 機器人的研究與設計</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p&g

127、t;　　開放式機器人控制器的軟件系統(tǒng)</p><p><b>　　基于標準操作系統(tǒng)</b></p><p>　　如 Ｗｉｎｄｏｗｓ 操作系</p><p><b>　　統(tǒng)</b></p><p>　　采用面向對象的標準開發(fā)工具開發(fā)的軟件系統(tǒng)具有較好的可交互性</p><p>

128、<b>　　可移植性</b></p><p>　　可擴展性和可升級性［３４］ 因此成為目前開放式控制器軟件系統(tǒng)的主要發(fā)展方向 Ｔｒｅｌｌｉｓ　</p><p>　?。樱铮妫簦鳎幔颍濉。Α。茫铮睿簦颍铮?公司基于實時操作系統(tǒng) ＬｙｎｘＯＳＴＭ 開發(fā)了一系列運動控制軟件模塊</p><p>　　ＮＯＭＡＤ 它可以與通用計算機硬件和軟件組合 構造開放

129、結構的機器人控制器 卡－梅大</p><p>　　學 Ｃａｒｎｅｇｉｅ　Ｍｅｌｌｏｎ?。眨睿椋觯澹颍螅椋簦。茫停?lt;/p><p>　　開發(fā)了基于傳感的機器人動態(tài)可重構軟件</p><p><b>　　其</b></p><p>　　設計思想是將面向對象的設計技術與數(shù)控系統(tǒng)的端口設計技術結合起來 ＣＩＭＥＴＲＩＸ 公司&

130、lt;/p><p>　　研究的開放式控制器 ＲＯＢＯＬＩＮＥ 建立在標準工業(yè)平臺上</p><p>　　使用 Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ 模型連接</p><p>　　應用編程環(huán)境和底層控制功能［１９］</p><p>　?。牛校樱希?公司基于 Ｗｉｎｄｏｗｓ?。玻埃埃?操作系統(tǒng)和工業(yè) ＰＣ 開</p><p>　　發(fā)生產(chǎn)

131、了 ＲＣ４２０</p><p><b>　?。遥茫担玻?控制器</b></p><p>　　它允許用戶將自己創(chuàng)建的動態(tài)鏈接庫添加到控制器的</p><p><b>　　ＳＰＥＬ＋語言中</b></p><p>　　也允許用戶使用第三方軟件和硬件 　</p><p>　　我國在

132、開放式機器人控制器方面也開展了一些研究工作 中國科學院自動化研究所</p><p>　　開發(fā)的基于工業(yè) ＰＣ 和 Ｗｉｎｄｏｗｓ 操作系統(tǒng)的開放式機器人控制器 具有運動控制</p><p><b>　　多坐</b></p><p>　　標變換 示教再現(xiàn)等功能［１９］</p><p>　　中國科學院沈陽自動化研究所開發(fā)出了

133、基于 ＰＣ 平臺的弧</p><p>　　焊機器人控制器 成功實現(xiàn)了對平面多關節(jié)裝配機器人 點焊 弧焊機器人及移動機器</p><p><b>　　人的控制</b></p><p>　　沈陽新松機器人自動化股份有限公司開發(fā)的基于工業(yè) ＰＣ 的機器人控制器</p><p>　　目前已作為 ＲＨ６－Ａ 弧焊機器人的配套控制器

134、批量生產(chǎn) 　</p><p><b>　　1.4</b></p><p><b>　　本課題研究意義</b></p><p>　　工業(yè)機器人的應用對于改變傳統(tǒng)生產(chǎn)模式 全面提升企業(yè)的綜合競爭力具有重大作</p><p>　　用［９］［１２］［３６］</p><p>　　隨著我

135、國加入 ＷＴＯ 和經(jīng)濟全球化的發(fā)展 市場競爭變得更加劇烈</p><p><b>　　迫切需要</b></p><p>　　我國制造業(yè)進行大規(guī)模的技術改造和設備更新 因而對工業(yè)機器人技術和自動化生產(chǎn)設</p><p>　　備的需求也將不斷增加</p><p>　　但我國機器人產(chǎn)業(yè)步伐較慢 工業(yè)機器人長期大量依賴進口<

136、;/p><p>　　從國外引進的機器人自動化生產(chǎn)設備不僅價格昂貴 而且使用效果很不理想 由此嚴重</p><p>　　制約了我國制造業(yè)的健康發(fā)展 據(jù)統(tǒng)計 ２００４ 年以前已經(jīng)引進的自動化生產(chǎn)設備中 有</p><p>　　近一半處于不能正常運行的狀態(tài)</p><p>　　其中問題較大的占 ３３％ 根本不能使用的高達 １６％</p>

137、<p>　　造成這種問題的主要原因包括 國外自動化系統(tǒng)不適合國內企業(yè)的工藝現(xiàn)狀 系統(tǒng)選型</p><p>　　不合理 缺乏足夠的售前和售中技術支持 售后服務跟不上等［３７］ 而機器人控制系統(tǒng)結</p><p>　　構封閉是導致機器人價格昂貴 售后服務不完善 機器人技術研究應用發(fā)展緩慢的根本</p><p>　　原因 因此 研究和設計自主知識產(chǎn)權的基于開放式