码垛机器人控制器系统软件的设计和研究

论文摘要

近年来,国内一些高校和企业对码垛机器人进行研究和开发,但在机器人控制器的整体开发和应用水平上与国外的仍有较大的差距。因此,码垛机器人控制器的自主研发具有重大的意义。本课题针对德马物流公司设计的四轴码垛机器人SJDM-P本体的特点和技术要求,研究和设计了码垛机器人的控制系统。首先,对四轴关节型码垛机器人SJDM-P的机构进行运动学分析和求解。巧妙创新性地通过联合MATLAB和ADAMS建立机器人动力学仿真模型和闭环控制模型,并设计和验证了一种基于CMAC和PID的复合控制算法。其次,在关节空间和笛卡尔空间上对机器人进行轨迹规划,提出并实现了一种改进新型的S型曲线加减速的速度控制方法,设计了一种实用有效的两直线段平滑过渡的插补方法,提高了机器人运行时的平稳性和快速性。第三,设计了基于嵌入式实时操作系统VxWorks和开放式硬件结构的机器人系统软件构架,采用面向对象的开发技术和模块化的结构形式实现了机器人控制器系统软件各模块及驱动程序。针对码垛机器人控制器的功能对Vxworks的各个任务进行分析,建立多个任务的协调机制,提高了控制器的实时性和安全性。最后,利用OpenGL搭建了机器人本体仿真模型,使控制器在缺少机器人物理实体的情况下可以进行机器人系统软件的实时联调,提高了调试工作效率,也避免了调试过程中对机器人本体可能的损伤。联调实验表明,系统软件各模块能够出色完成所要求的功能,具有较高的实时性和可靠度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 码垛机器人
• 1.1.1 码垛机器人的介绍
• 1.1.2 国外的码垛机器人的概况
• 1.1.3 国内的码垛机器人的概况
• 1.2 机器人控制器
• 1.2.1 机器人控制器的概况
• 1.2.2 基于开放式结构的机器人控制器
• 1.3 本论文的课题背景及研究内容
• 1.3.1 本论文的课题背景
• 1.3.2 本论文的研究内容
• 第二章 SJDM-P 码垛机器人的机构和运动学分析
• 2.1 SJDM-P 码垛机器人本体的机构分析
• 2.2 SJDM-P 码垛机器人坐标系的转换
• 2.3 SJDM-P 码垛机器人的正运动学分析
• 2.4 SJDM-P 码垛机器人的逆运动学分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 码垛机器人的运动控制
• 3.1 SJDM-P 机器人动力学仿真模型
• 3.2 码垛机器人的运动控制算法
• 3.2.1 机器人控制算法概况
• 3.2.2 CMAC 与PID 的复合控制算法
• 3.3 SJDM-P 码垛机器人的控制仿真
• 3.4 仿真结果和结论
• 3.5 本章小结
• 第四章 码垛机器人的轨迹规划
• 4.1 速度控制
• 4.1.1 速度控制方法
• 4.1.2 码垛机器人的速度控制
• 4.2 关节空间的轨迹规划
• 4.3 笛卡尔空间的轨迹规划
• 4.3.1 直线轨迹插补
• 4.3.2 圆弧轨迹插补
• 4.3.3 两线段间平滑过渡的插补
• 4.4 本章小结
• 第五章 机器人控制器系统平台的实现
• 5.1 控制器硬件平台的实现
• 5.1.1 基于开放式结构的控制器硬件平台
• 5.1.2 码垛机器人控制系统的硬件构成
• 5.2 控制器软件平台的选择
• 5.3 VxWorks 的移植
• 5.3.1 集成开发环境Tornado 及BSP
• 5.3.2 本课题的开发环境
• 5.3.3 安装网卡驱动
• 5.3.4 BSP 配置文件的修改
• 5.3.5 VxWorks 相关组件
• 5.3.6 I/O 卡驱动（PCI 插槽）
• 5.3.7 运动控制卡驱动（ISA 插槽）
• 5.4 本章小结
• 第六章 控制器系统软件的实现
• 6.1 系统软件模块化实现
• 6.1.1 示教通讯模块
• 6.1.2 程序解释模块
• 6.1.3 轨迹插补模块
• 6.1.4 调试界面显示模块
• 6.1.5 文件管理模块
• 6.2 系统软件任务实现
• 6.2.1 任务的优先级分配
• 6.2.2 任务的状态分析
• 6.2.3 任务间的通讯
• 6.3 系统软件调试实验
• 6.3.1 机器人本体仿真模型
• 6.3.2 联调实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文