五自由度切割机器人轨迹规划与控制研究

论文摘要

随着我国制造业市场快速多变、产品升级需要,开发具有高生产适用性和能快速试制出样品的自动化装备成为自动化加工行业的焦点。作为自动化行业的典型产品,工业机器人以动作灵活、结构紧凑、通用性强等优点被广泛渗透到自动化生产中的每一个角落,如切割,焊接,装配,喷涂,包装等。本文以船舶制造、海洋工程的快速发展,钢结构切割量急剧增加为背景,研制一台五自由度切割机器人,包括机器人机械本体设计、控制系统搭建、运动学和轨迹规划算法研究,以求机器人能根据工艺要求实现各种板型材、管材、非圆曲面、带坡口相贯曲面等工件的切割。首先介绍了五自由度切割机器人结构,运用修改的D-H方法建立机器人运动学模型,采用反变换法求解运动学逆解。针对逆解中的多解问题,采用柔性准则进行选解,举例计算表明,通过柔顺准则得到的优化关节角曲线平缓,没有角度突变且总的运动角度要小。为了观察机器人的运动,建立了基于Matlab与RecurDyn的联合仿真系统;然后分析了参数曲线切割姿态和切割速度的工艺要求,利用Frenet坐标系描述各种切割姿态,Frenet坐标系随曲线位置点的变化而变化,是“活动”的坐标系,对于描述各点的局部曲线特性十分方便。对于恒速率与可变速率的切割要求,提出了基于泰勒展开的速度控制轨迹规划与插补算法。最后通过跟踪相贯曲线进行了仿真验证,结果表明:机器人在跟踪曲线时能准确保持预期的位姿,跟踪精度与机器人末端速度都能满足预期要求;最后搭建了基于PC与PMAC运动控制卡为核心的机器人硬件控制平台,采用位置和速度双闭环控制结构,实现对机器人各关节的伺服控制;以Visual C++6.0和Windows操作系统作为软件平台,开发了具有示教再现控制和自动编程功能的上位机控制软件。通过五自由度机器人联机调试表明,运动学算法、轨迹规划算法正确;上位机能准确地控制机器人按要求跟踪各种参数曲线,速度波动与轨迹误差满足要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 切割机器人研究状况
• 1.2.2 机器人运动学研究动态
• 1.2.3 机器人运动轨迹规划
• 1.2.4 多轴运动控制器
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 机器人运动学与仿真系统
• 2.1 引言
• 2.2 五自由度机器人介绍
• 2.3 机器人运动学
• 2.3.1 机器人运动学方程
• 2.3.2 关节角表示与漏解问题
• 2.3.3 机器人逆运动学求解
• 2.4 运动学逆解选解
• 2.4.1 逆解选解方法
• 2.4.2 举例验证选解方法
• 2.5 基于Matlab与RecurDyn的机器人联合仿真系统
• 2.6 本章小结
• 第3章 轨迹规划与速度控制插补算法
• 3.1 引言
• 3.2 切割工艺要求
• 3.2.1 位姿要求
• 3.2.2 速度要求
• 3.3 切割曲线的参数描述
• 3.3.1 参数曲线的优势
• 3.3.2 常见曲线的参数表示
• 3.4 切割姿态描述
• 3.4.1 Frenet坐标系
• 3.4.2 基于Frenet坐标系机器人末端姿态的描述
• 3.5 速度控制插补算法
• 3.5.1 速度控制插补算法
• 3.5.2 插补精度计算
• 3.6 举例仿真
• 3.7 本章小结
• 第4章 机器人控制系统设计与试验
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统总体设计
• 4.2.1 轨迹给定方式与控制策略
• 4.2.2 机器人单关节PID伺服控制原理
• 4.2.3 基于PC与PMAC运动控制卡的机器人控制系统
• 4.3 控制系统硬件平台
• 4.3.1 硬件系统总体设计
• 4.3.2 电机驱动器与PMAC的连线
• 4.3.3 电机驱动器与电机的连线
• 4.4 控制系统软件平台
• 4.4.1 PMAC与上位机软件的通讯
• 4.4.2 上位机控制软件总体设计
• 4.4.3 上位机自动编程模块设计
• 4.4.4 上位机示教再现控制界面
• 4.5 切割机器人联调与模拟切割试验
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢