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                                                            Linux平台下四自由度码垛机器人控制系统设计

                                                            添加时间:2018/07/17 来源:自动化与仪表 作者:杨文祥 陈富林
                                                            机器人的控制系统作为机器人的大脑,是决定机器人性能的主要因素,主要包括硬件系统和软件系统[1] 。近几年,欧美国家都在开发开放式机器人控制器[2] 。这类控制系统是基于?榛,采用的是标准的总线结构,利用网络进行通讯。
                                                              以下为本篇论文正文:

                                                              摘要:为适应机器人控制系统体系结构向具有开放式结构演化的发展趋势,开发了一种基于?榛枷氲那度胧娇刂葡低。该控制系统由五大?樽槌,各个?槎怨δ芙型骋环庾。人机交互?榻刂葡低骋酝夹谓缑娣绞匠氏;文档管理?樘峁┗赟QL的文件操作和数据库管理;动画演示?椴捎肙pen GL技术将机器人工作模型以及状态信息输出到屏幕;轨迹规划?檎攵阅┒酥葱衅鞯目占涔旒=泄旒9婊宀;串口通讯?樘峁┑撞愦涔δ。系统实现了裁剪性和?槎釉氐男阅,能支持生产线之间的协调运作。针对四自由度码垛机器人进行应用实践,试验结果表明,该控制系统能大大缩短开发周期,保证了一定的稳定性、可靠性和精确性。

                                                              关键词:嵌入式系统; ?榛; 动画演示; OpenGL;

                                                              Abstract:In order to adapt to the development trend of open structure evolution of robot control system architecture,a kind of embedded control system based on modular thought is developed. The system is composed of five modules with functional encapsulation. A graphical method demonstrating the control system is provided by the human-computer interaction module. The functions of file operations and database management are supported by the document management module. The robot working model and state information are shown on the screen by the Open GL technology,which is sustained by the animated demo module. The work that space trajectory of end actuator used for trajectory planning and interpolation is done by the trajectory planning module. The feature with underlying transport is afforded by the serial port communication module. Such system realized the performance of the cutting and dynamic module loading and support harmonious operations between production lines. Results of experiment on palletizing robot with four degrees of freedom indicate that development cycle can be greatly shorten by the control system,and stability,reliability,and accuracy can be guaranteed to some extent.

                                                              Keyword:embedded system; modularization; animation demonstration; OpenGL;

                                                              机器人的控制系统作为机器人的大脑,是决定机器人性能的主要因素,主要包括硬件系统和软件系统[1] 。近几年,欧美国家都在开发开放式机器人控制器[2] 。这类控制系统是基于?榛,采用的是标准的总线结构,利用网络进行通讯。针对机器人控制器的研究已经由硬件过渡到软件、由具体控制器过渡到通用开放式体系结构、由单独控制过渡到多机协调控制。在开放式控制器体系结构研究方面,有2种基本结构:一种是基于硬件层次划分的结构;另一种是基于功能划分的结构。后者是控制器体系结构的研究和发展方向[3-4] 。

                                                              随着计算机技术的变革,嵌入式系统及其应用作为当前工业机器人运动控制研究的一个重要方向已越来越为人熟知。在工业机器的控制发展中,随着嵌入式控制器越来越多地被用于工业控制中,越来越多的厂家也开始采用嵌入式处理器作为工业机器人控制器的主控制器。国内机器人控制器的研究与国外相比,还存在较大的差距。国内的嵌入式系统控制起步较晚,目前还没有成熟应用。传统的工业机器人系统,控制器多采用工业控制计算机(IPC),由于体积庞大、运行中不宜受振动、功耗高等原因,已开始被最近几年急速发展的嵌入式系统(embedded system)所取代[5] 。本文则继承?榛枷肟⑶度胧娇刂葡低,为现场投用奠定基础。

                                                              1、机器人控制系统总体架构设计

                                                              控制系统总体架构决定了一个系统的实用性和可靠性,决定了系统的稳定性和拓展性。本文设计的机器人控制系统有人机交互?、文档数据库?、动画演示?、轨迹规划?楹痛谕ㄑ赌?榈,各?榉直鹗迪种疃喙δ,有效提高了控制系统的实用性,如图1所示。

                                                              人机交互?橐杂押玫耐夹位缑娉氏指僮饔没,是用户和控制系统交互的直接唯一手段,也是控制系统中的核心?,提供诸多机器人的基本操作功能。文档管理?樘峁┪募僮骱褪菘夤芾。动画演示?樵蚴墙魅四P鸵匀槟馐堤逡云聊晃浇檎瓜指僮饔没,具有直观性、便捷性等特点。轨迹规划?樵蚴悄诓考赡?,是用户无法看到的底层?橹。串口通信?橹С諶S485通信格式,是另一个底层?。

                                                            图1 控制系统功能?
                                                            图1 控制系统功能?

                                                              2、码垛机器人运动模型

                                                              四自由度码垛机器人具有腰部回转、水平横移、垂直升降和腕部旋转这4个自由度,各自由度之间两两独立。为了分析控制系统的可靠性和稳定性,需要对机器人建立运动学模型,也为之后的动画演示中的虚拟模型奠定演示基础。

                                                              通常用D-H模型[6] 建立坐标系对机器人进行运动学分析?悸堑阶芭湮蟛詈图庸の蟛,垂直中心和水平中心之间会有偏移。综合以上因素,机器人的D-H参数如表1所示。

                                                            表1 机器人连杆D-H参数
                                                            表1 机器人连杆D-H参数

                                                              机器人末端执行器在基坐标系中的位姿相对应的齐次变换矩阵为

                                                            位姿相对应的齐次变换矩阵

                                                              根据给定的θR、θS、Dv、DL、m和n等参数可以确定末端执行器具体位姿。

                                                              3、机器人控制系统图形界面开发

                                                              图形界面(GUI)为用户提供了良好的交互界面,直观而方便。目前,市场上使用较多的界面设计软件有Mini GUI、Open GUI、Micro Windows和Qt。而Qt凭借其跨平台、集成C++类、支持2D/3D渲染和高度的?榛晌究翁獾氖籽。

                                                              五大?槲潭?,其余?樘砑有枰柚ぞ呃钢械“功能?”和“IO功能”协调控制。“功能?”实际上就是打开用户编写与调试完成后的应用?,如果是界面应用则会将之插入人机交互?榈哪┒。“IO功能”则在系统内部提供8路输出和8路输入,每一路提供了输入、输出、控制等基本选项。1个功能?榭梢远杂Χ喔鯥O功能。

                                                              3.1、串口通信?

                                                              串口通信?槭强刂葡低车撞愦涞氖迪帜?,本文采用RS485通讯接口,能支持主从式线路控制,即1台主机对应多个机器人从机。RS485通讯作为通讯协议的一种,沿承了Modbus协议。Modbus通讯协议有ASCII和RTU 2种模式。RTU模式将发送数据的每一个字节视作2个十六进制进行发送,具有高效的传输速率和稳定性。

                                                              本文采用Linux系统的串口资源实现所需的串口功能。程序使用open函数以访问文件的方式打开串口。

                                                              串口打开之后,进行相应初始化,就可以调用按照通讯帧格式进行封装的串口通讯?榉⑺秃徒邮帐。

                                                              3.2、人机交互?

                                                              人机交互?槭钦隹刂葡低车暮诵淖槌刹糠,具有手动示教功能、自动轨迹功能、参数设置功能和I/O控制功能。每一个功能都对应一个图形界面,方便用户操作和控制机器人。

                                                              3.2.1、手动控制界面

                                                              手动控制界面分为示教核心部分、基本功能部分和拓展部分三大板块。示教核心部分主要实现了关节坐标和直角坐标的切换功能,“参考点”和“记录”用于动态设置参考点,“目标位置”用于输入坐标绝对增量值;基本功能部分实现了上电、复位、回零和停止等基本机器人控制功能;拓展功能部分真正意义上实现了逐点调试和记录示教的类似示教盒的功能。手动控制界面如图2所示。

                                                            图2 手动控制界面
                                                            图2 手动控制界面

                                                              用户可以通过示教核心部分对机器人的一个位姿进行调试,如果满意则可以通过“+示教点”按钮提交该位姿,待所有位姿提交结束,可以借由“示教再现”和“示教归位”观看机器人位姿的连续变化。示教再现实现了机器人位姿按提交顺序先后的运动变化,示教归位则相反。

                                                              3.2.2、自动轨迹界面

                                                              自动轨迹界面同手动控制界面一样也是控制系统的核心组成部分,该?楹褪侄刂颇?槔嗨,有所区别就是该?榍度肓巳?。自动控制界面如图3所示。

                                                            图3 自动轨迹界面
                                                            图3 自动轨迹界面

                                                              自动控制?樘砑恿说鼻白晗允,用于显示当前末端抓手相对于基坐标系的位置,其余功能和手动控制?槔嗨。该?楹褪侄刂颇?橹械奈蛔耸荻冀4嬖谑菘庵,并与之同步。

                                                              3.3、文档数据?

                                                              控制系统应当提供文件操作以支持系统外的编程数据和数据库操作以支持系统在线编程,方便示教点和轨迹点的保存和管理。Qt为数据库访问提供的Qt Sql?槭迪至耸菘夂蚎t应用程序的无缝集成,同时为开发人员提供了一套与平台具体所用数据库均无关的调用接口。使用SQL语言对自动轨迹界面进行数据库补充开发,如图4所示。

                                                            图4 自动轨迹数据库
                                                            图4 自动轨迹数据库

                                                              自动控制数据库界面抬头部分分别对应机器人的各个关节,左侧数字则代表录入的关节位姿顺序,中间的数值则代表各关节运动的绝对增量值。下面部分则提供了数据库的添加、删除和提交功能,这些功能等同于之前介绍的相应功能。至于手动控制数据库则雷同,在此不作赘述。

                                                              3.4、动画演示?

                                                              动画演示?槭钦隹刂葡低车暮诵淖槌赡?,主要实现同步播放机器人运动轨迹的功能。通过位置交互接口?,读取伺服驱动器中描述编码器数值的寄存器以获得机器人每时刻的位置。然后,控制系统会将机器人位姿以图像动画的形式播放出来。本文借助Open GL实现动画这一功能。Open GL[7] 应用程序编程接口(API),很接近底层硬件,使得使用者无需考虑硬件细节便可直接编写属于用户个人的图形程序。

                                                              图3中柱图表示被控对象的工作范围,当运动超出此工作范围时,会警示操作者。本文将实现好的动画演示?楹妥远旒D?榧稍谝黄,为了更加方便用户观察,还设置了只要机器人位姿发生变化控制系统就将交互界面切换到动画演示界面的机制。

                                                              3.5、轨迹规划?

                                                              轨迹规划?楦涸鸲愿ǖ氖窘痰愫凸旒5闼纬傻目占涔旒=泄旒9婊筒宀,以使得机器人能够更为快速准确地达到期望位姿,提高控制系统的可靠性和精确性。轨迹规划分为笛卡尔空间轨迹规划和关节空间轨迹规划。对一般机器人而言,更加关注的是末端执行器在空间的运动轨迹,即采用笛卡尔空间轨迹描述的末端执行器的路径。为了保证机械末端抓手运动平滑,本文采用速度对时间的三次多项式轨迹规划。图5给出了末端执行器期望位移s(t)-速度v(t)-加速度a(t)曲线。

                                                            图5 末端期望路径曲线
                                                            图5 末端期望路径曲线

                                                              由图5可以看出,机器人末端空间直线段运动有加速、匀速、和减速3个阶段,给出如下速度表达式:

                                                            速度表达式

                                                              经过计算,可以获得末端执行器的坐标表达式:

                                                            坐标表达式

                                                              4、机器人控制系统测试

                                                              针对四自由度的码垛机器人对控制系统进行测试(测试平台为ARM),这里只对自由轨迹?榻胁馐,根据码垛机器人的参数可获得末端执行器初始坐标为(0,-700,500),单位为mm。

                                                              根据图4给出运动轨迹中4个点的运动坐标如表2所示。通过测试可以知道该控制系统基本上能将坐标误差控制在1.5 mm以内,大致符合码垛机器人的特性所需要的精度要求。

                                                            表2 坐标对比
                                                            表2 坐标对比

                                                              5、结语

                                                              针对当今机器人控制系统结构体系的演化,本文所实现的控制系统符合嵌入式和?榛某绷髑魇,在四自由度码垛机器人上取得了一定成效,保证了稳定性和可靠性,精确性具有良好体现。其?榛纳杓扑枷肽艽蟠笏醵炭⒅芷,为之后的?樽榻ㄌ峁┝肆己玫目⒒肪。本文的创新点就是实现了机器人工作状态的动画展示,将反馈的位姿状态信息直接呈现给用户,能实现非现场监控等实际需求。其次,还提供了机器人工作轨迹的数据库管理,方便用户调试和管理。而IO功能的拓展则实现了生产线之间的同步运作。最为关键的则是提供了硬件无关和软件无关的?槎釉胤桨,真正意义上实现了控制系统的拓展性和裁剪性。

                                                              虽然作者针对控制系统的开发做了大量研究工作,并取得了些许成效,但是仍有不足,需在今后的研究中完善动画演示?橐灾С滞獠康既肽P、支持硬件拓展等功能,进一步提高控制系统的兼容性和实用性。

                                                              参考文献
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                                                              [2]潘炼东.开放式机器人控制器及相关技术研究[D].武汉:华中科技大学,2007.
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                                                              [4]Murata S,Yoshida E,Kamimura A,et al.M-TRAN:self-reconfigurable modular robotic sys tem[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2002,7(4):431-441.
                                                              [5]MATSUO Takayuki,ISHII Kazuo.Neural Oscillator Based Motion Control System for Snake-like Robot[C]//Symposium on Underwater Technology and Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies,Tokyo,2007:397-402.
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                                                              [7]王晟.基于OPENGL的码垛机器人离线编程仿真系统[D].武汉:武汉科技大学,2013.

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