六轴串联机器人控制系统软件设计与实现

论文摘要

蒸汽发生器里面存在放射性物质,当出现故障时,人不能进去进行维修,需要机器人代替人完成维修工作。为填补国内在蒸汽发生器检修机器人领域的空白,我们自行研制了一个六轴串联机器人,该机器人有六个串联关节,同时手端携挂偏心工具,用于蒸汽发生器的堵管等检修工作。本文完成了该机器人控制系统软件的需求分析、总体设计与实现、详细设计与实现、软件的编码与测试。本文根据软件工程中需求分析的思想,从业务需求、用户需求、功能需求、非功能需求这四方面对控制系统软件的需求进行了详细的描述和分析,确定了软件系统的功能和实现目标。在需求分析的基础上,本文对控制系统软件的关键技术进行了分析,确定了软件的设计方法,以及软件的开发、运行平台。并对上位机监控软件和下位机关节伺服系统软件进行了模块划分,确定各个模块功能以及交互关系,进而对软件的总体流程进行设计。本文对监控软件各个模块进行了详细设计与实现。对事件管理模块的类属性和方法进行了介绍;建立了机器人运动学模型,给出了带工具的运动学正解和逆解算法,给出了空间任意质点对于某电机轴法向量的重力矩算法,分析了机器人检修工作过程的避碰检测实现方法;用OpenGL对蒸汽发生器、机器人本体、检修工具等进行三维建模,创建了机器人三维运动仿真平台;设计和实现了CAN通讯模块,制定了一套可行的CAN通讯策略;对监控界面布局及各显示区进行了介绍。本文对关节伺服系统软件各个模块进行了详细设计和实现。提出了下位机速度控制模式,解决了此类机器人特有的关节结构复杂,非线性死区严重等问题;给出了分段固定变速积分PID算法用于关节的位置控制,并加入带死区的PID算法,保证了位置控制的动态响应速度和稳态精度;采用双旋转变压器合成算法实现高精度测角,分析了旋转变压器的测量误差容限,并对测量误差进行了非线性补偿,保证了合成算法有效性;制定了查询式CAN通讯方式,满足了上位机一对多的主从通讯方式。本文给出了控制系统软件的测试运行结果,分析了单轴位置、速度跟踪误差,多轴联动直线跟踪误差和重复定位误差。软件与控制系统硬件一起控制机器人完成了对蒸汽发生器模型体的堵管检修工作。本文所提出的软件设计与实现方法,以及关节伺服系统的控制方法与算法,都已在控制系统平台上实现,用于实际机器人的控制,并且通过大量的实际控制实验,验证了文中提出的方法及算法的有效性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 国内外机器人发展历程和应用现状
• 1.2.2 蒸汽发生器（SG）检修机器人国内外研究现状
• 1.3 蒸汽发生器（SG）检修机器人软件国内外研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 六轴机器人控制系统软件需求分析
• 2.1 软件需求分析概述
• 2.1.1 需求的定义
• 2.1.2 需求的层次
• 2.2 软件需求分析的实现
• 2.2.1 业务需求
• 2.2.2 用户需求
• 2.2.3 功能需求
• 2.2.4 非功能需求
• 2.3 本章小结
• 第3章 六轴机器人控制系统软件总体设计与实现
• 3.1 六轴机器人控制系统概述
• 3.2 软件关键技术分析
• 3.2.1 上位机监控软件关键技术
• 3.2.2 关节伺服系统软件关键技术
• 3.3 开发平台
• 3.3.1 操作系统平台
• 3.3.2 软件开发工具
• 3.3.3 硬件平台
• 3.4 控制系统软件总体设计
• 3.4.1 监控软件总体设计
• 3.4.2 关节伺服系统软件总体设计
• 3.5 控制系统软件总体设计的实现
• 3.5.1 监控软件设计的实现
• 3.5.2 关节伺服系统软件设计的实现
• 3.6 本章小结
• 第4章 监控软件详细设计与实现
• 4.1 事件管理模块概述
• 4.1.1 事件管理类属性
• 4.1.2 事件管理类方法
• 4.2 算法模块实现
• 4.2.1 检修工作过程运动学与运动学解
• 4.2.2 六轴机器人关节重力矩解算
• 4.2.3 检修工作过程带工具避碰检测
• 4.3 三维仿真模块设计与实现
• 4.3.1 蒸汽发生器水室建模
• 4.3.2 六轴机器人本体及滑动装置建模
• 4.3.3 检修工具模型
• 4.4 CAN通讯模块设计与实现
• 4.4.1 CAN总线简介
• 4.4.2 CAN通讯模块实现
• 4.4.3 CAN通讯策略
• 4.5 人机交互界面设计
• 4.5.1 界面布局
• 4.5.2 界面分布设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 关节伺服系统软件详细设计与实现
• 5.1 关节控制模块设计与实现
• 5.1.1 六轴机器人关节位置控制
• 5.1.2 六轴机器人关节速度控制
• 5.2 关节角度采集模块设计与实现
• 5.2.1 高精度角度合成算法
• 5.2.2 传感器测量误差分析及补偿
• 5.2.3 角度合成算法实现
• 5.3 CAN通讯模块设计与实现
• 5.3.1 CAN通讯策略
• 5.4 系统维护及A/D采集模块实现
• 5.4.1 系统维护模块实现
• 5.4.2 A/D采集模块概述
• 5.5 本章小结
• 第6章 控制系统软件测试
• 6.1 监控软件测试
• 6.2 控制系统软件的联合测试
• 6.2.1 CAN通讯测试
• 6.2.2 单轴伺服系统软件测试
• 6.2.3 多轴联动测试
• 6.2.4 重复定位精度测试
• 6.3 模型体堵管检修实验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢