六自由度噴涂機(jī)器人插補(bǔ)算法的研究-圖文(精).doc

郵局訂閱號(hào)：元/年技術(shù)創(chuàng)新機(jī)器人技術(shù)PLC 技術(shù)應(yīng)用200例您的論文得到兩院院士關(guān)注1引言由于噴涂工序中霧狀漆料對(duì)人體有危害，噴涂環(huán)境中照明、通風(fēng)等條件很差，而且不易從根本上改進(jìn)，因此在這個(gè)領(lǐng)域中大量地使用了機(jī)器人。使用噴涂機(jī)器人不僅可以改善勞動(dòng)條件，而且還可以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、降低成本。噴涂機(jī)器人已廣泛用于汽車車體、家電產(chǎn)品和各種塑料制品的噴涂作業(yè)。因此，研發(fā)出性價(jià)比高，且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的噴涂機(jī)器人系列化產(chǎn)品具有非常良好的應(yīng)用前景。在機(jī)器人的早期，軌跡規(guī)劃在從開始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的工業(yè)機(jī)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(wù)的要求，確定機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)軌跡。在過去的十多年中，對(duì)全驅(qū)動(dòng)性機(jī)械手最優(yōu)時(shí)間軌跡規(guī)劃問題的刻畫和描述以及計(jì)算一直是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)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(yù)設(shè)路徑的最優(yōu)時(shí)間動(dòng)作的軌跡算法；針對(duì)最優(yōu)時(shí)間下點(diǎn)到點(diǎn)動(dòng)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(bǔ)算法使運(yùn)動(dòng)軌跡連續(xù)平滑過渡和提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度是非常必要的。因此，本文主要研究六自由度垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人直線和圓弧的軌跡規(guī)劃。2軌跡插補(bǔ)算法的研究一般而言，急速的運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇機(jī)構(gòu)的磨損，激起操作臂共振。因此，通常期望操作臂的運(yùn)動(dòng)軌跡是平滑的。為此，要定義一個(gè)連續(xù)的且具有連續(xù)一階導(dǎo)數(shù)的光滑軌跡函數(shù)，有時(shí)還希望二階導(dǎo)數(shù)也是連續(xù)的。同時(shí)，為了保證路徑平滑，必須在各中間點(diǎn)之間，對(duì)路徑的空間和時(shí)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(duì)直線和圓弧軌跡規(guī)劃進(jìn)行研究。2.1噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在本文中，噴涂機(jī)器人是采用PC-Based 的控制系統(tǒng)架構(gòu)。工控機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)人機(jī)交互、系統(tǒng)調(diào)度和協(xié)調(diào)、運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解及運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃等等。PMAC 是美國(guó)Delta Tau 公司遵循開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的開放式可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器，這采用Motolora DSP56001數(shù)字信號(hào)處理器作為CPU ，利用DSP 的強(qiáng)大運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)1-8軸的實(shí)時(shí)伺服控制8。PMAC 卡在伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中主要執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序、執(zhí)行PLC 程序、伺服環(huán)的調(diào)節(jié)、與主機(jī)的通信等等。因?yàn)镻MAC 卡未具有針對(duì)六自由度垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法，因此我們采用如下的策略實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)：工控機(jī)根據(jù)用戶的設(shè)定完成軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解等；PMAC 卡根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，向工控機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，要求提供運(yùn)動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)。如圖1噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。圖1噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)2.2直線插補(bǔ)算法直線插補(bǔ)是在已知直線始末兩點(diǎn)的位置和姿態(tài)，求各軌跡中間點(diǎn)(插補(bǔ)點(diǎn) 的位置和姿態(tài)。其各個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)及姿態(tài)由各個(gè)軸和姿態(tài)的增量求出：（1）式中，（, , ）、（，）分別為開始點(diǎn)的位置和姿態(tài)，（x ，y ，z ）、（，）分別為插補(bǔ)點(diǎn)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(jié)束點(diǎn)的位置和姿態(tài)；為歸一化算子，按如下方法求出：設(shè)已知兩點(diǎn)距離L 、總運(yùn)動(dòng)時(shí)間T 、插補(bǔ)的總步數(shù)N 、拋物六自由度噴涂機(jī)器人插補(bǔ)算法的研究The Study of 6-DOF Painting Robot s Interpolation Algorithm（華南理工大學(xué)）陳偉華張鐵CHEN Wei-hua ZHANG Tie摘要:在分析噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上, 提出基于可編程多軸控制器PMAC(ProgrammableMulti-Axis Controller的開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的噴涂機(jī)器人軌跡插補(bǔ)算法。主要研究在笛卡兒空間規(guī)劃中直線和圓弧的插補(bǔ)算法。同時(shí), 介紹在 平臺(tái)上, 基于組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌跡插補(bǔ)算法, 并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明本文研究的插補(bǔ)算法滿足工業(yè)要求。關(guān)鍵詞:噴涂機(jī)器人; 軌跡插補(bǔ)算法; 直線插補(bǔ); 圓弧插補(bǔ); 組件技術(shù)中圖分類號(hào):TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(hào):1008-0570(200903-2-0251-02陳偉華:在讀碩士基金項(xiàng)目:基金申請(qǐng)人:張鐵; 項(xiàng)目名稱:基于機(jī)器人化護(hù)理床的社區(qū)醫(yī)護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研發(fā)及產(chǎn)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(shù)創(chuàng)新微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與SOC2009年第25卷第3-2期元/年現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用200例機(jī)器人技術(shù)線段的加速度a 。首先求：拋物線段的運(yùn)動(dòng)時(shí)間：；拋物線段的位移：拋物線段的位移：拋物線段位移、時(shí)間、加速度分別歸一化處理：便可得出的計(jì)算公式：（2）式中，t =（i/N）,i=0,1,2,N 。01，=0時(shí)，對(duì)應(yīng)于起點(diǎn)；=1時(shí)，對(duì)應(yīng)于終點(diǎn)。是關(guān)于時(shí)間t 的離散函數(shù)，和t 均無量綱。0和1-0時(shí)，；當(dāng)0時(shí)，。因?yàn)榻⒘朔浅：侠淼腛-UVW 坐標(biāo)系，使得求從到掃過的角度十分方便，減少了大量計(jì)算過程。接著根據(jù)文獻(xiàn)可得圓弧上各插補(bǔ)點(diǎn)的位置。3軌跡插補(bǔ)算法的實(shí)現(xiàn)在 平臺(tái)上，基于組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。組件技術(shù)建立了一個(gè)軟件模塊同另一個(gè)軟件模塊之間連接的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)這種連接建立起來之后，兩個(gè)模塊之間可以通過接口的機(jī)制來進(jìn)行通信。組件的表現(xiàn)形式是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL、可執(zhí)行文件(. exe 。組件技術(shù)具有以下特點(diǎn):a. 組件通過接口輸出其功能；b. 組件支持對(duì)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(luò)、語言和操作系統(tǒng)的異構(gòu)環(huán)境下被調(diào)用；d. 組件遵循二進(jìn)制標(biāo)準(zhǔn), 其實(shí)現(xiàn)不依賴于某種特定的高級(jí)語言。4軌跡插補(bǔ)算法的仿真圖4直線插補(bǔ)軌跡圖5圓弧插補(bǔ)軌跡已知示教點(diǎn)（1,30,20）、（20,50,60）、電機(jī)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(bǔ)的軌跡如圖4中最上面在空間坐標(biāo)系中的直線。已知示教點(diǎn)（5,4,8），（2,10,3），（7,30,11）、電機(jī)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(bǔ)的軌跡如圖5中最上面在空間坐標(biāo)系中的圓弧。兩幅圖下面三個(gè)小圖橫坐標(biāo)是開始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)之間的插補(bǔ)點(diǎn)序列數(shù)，縱坐標(biāo)分別是插補(bǔ)點(diǎn)X 、Y 、Z 的坐標(biāo)值。從六個(gè)小圖可知，兩段拋物線的擬合使機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡達(dá)到連續(xù)平滑的期望。（下轉(zhuǎn)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(hào)：元/年技術(shù)創(chuàng)新機(jī)器人技術(shù)PLC 技術(shù)應(yīng)用200例您的論文得到兩院院士關(guān)注參考文獻(xiàn)1張曉超, 張立勛, 趙凌燕. 一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人足底力檢測(cè)方法J.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào).20072童長(zhǎng)飛. C8051F 系列單片機(jī)開發(fā)與C 語言編程. 北京：北京航天航空大學(xué)出版社，20053潘琢金.C8051F02X 單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè)M.深圳：新華龍電子有限公司，2005.4李富生，呂戰(zhàn)爭(zhēng)，劉陸群，張洛平基于RS485的多個(gè)LED 屏實(shí)時(shí)顯示J 微計(jì)算機(jī)信息，2003，2：41-43。作者簡(jiǎn)介：張博（1981.12-），男，漢族，哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向：人體信息檢測(cè)；劉天孚（1962-）, 男，漢族，碩士，生物醫(yī)學(xué)工程，哈爾濱工程大學(xué)校醫(yī)院院長(zhǎng)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(xué)自動(dòng)化學(xué)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(xué)學(xué)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(jié)束語本文創(chuàng)新點(diǎn)：（1）在分析噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了基于可編程多軸控制器PMAC 的開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的噴涂機(jī)器人軌跡插補(bǔ)算法。主要研究在笛卡兒空間規(guī)劃中直線和圓弧的插補(bǔ)算法。插補(bǔ)中采用歸一化和拋物線擬合的方法，這符合實(shí)際操作中電機(jī)加速-穩(wěn)定-減速的情況，使機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡連續(xù)平滑。（2）空間圓弧插補(bǔ)部分建立O R -UVW 坐標(biāo)系的方法合理簡(jiǎn)單，其坐標(biāo)系方向隨著給定三個(gè)點(diǎn)的順序變化，從而避免了判斷是順時(shí)針還是逆時(shí)針的情況，這大大簡(jiǎn)化計(jì)算量和提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。參考文獻(xiàn)1謝存禧，張鐵. 機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用M.北京：機(jī)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(qiáng). 六自由度機(jī)械臂軌跡規(guī)劃研究. 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文.2007.6KahtibO. Real -time obstacle avoidance for manipulator and mobile robots. The International Journal of Robotics Research. 1986.7JohnJ.Craig. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論M.3rd.北京：機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)J.微計(jì)算機(jī)信息,2006,4-2：171173.9鄭劍飛. 六自由度機(jī)械臂分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文.2006.10徐誠(chéng)平.IRB1400型機(jī)器人軌跡規(guī)劃與控制. 上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005.11潘愛民. COM 原理與應(yīng)用M. 北京:清華大學(xué)出版社.1999. 12LEINECHERR C.COM+技術(shù)大全M.高智勇，等譯. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2001.作者簡(jiǎn)介：陳偉華（1985），女，漢族，華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在讀碩士，主要研究方向：機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用；張鐵（1968-），男，漢族，教授，研究方向：機(jī)器人技術(shù)及其在制造自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用，生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)。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(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)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(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)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(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用200例現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是現(xiàn)代工廠、商業(yè)設(shè)施、樓宇、公共設(shè)施運(yùn)行、生產(chǎn)過程中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制室的監(jiān)測(cè)、控制裝置及管理與控制系統(tǒng)之間的數(shù)字式、多點(diǎn)通信互連的，數(shù)據(jù)總線式智能底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)保證了現(xiàn)代工廠、商業(yè)設(shè)施、智能樓