基于多轴运动控制卡的开放式工业机器人控制系统设计

摘要

工业机器人作为自动化程度很高的机电一体设备，是先进制造产业以及工业自动化的重要组成环节，在社会生产中有着很重要的地位。控制系统是工业机器人的核心，对工业机器人理论的发展与应用研究的推广具有深远意义。因此研究设计高效、高控制精度且开放性好的的控制系统十分必要，本文从控制算法以及系统开放性两方面出发，针对6R工业机器人，设计了一套开放性良好的控制系统，同时为工业机器人控制系统领域的进一步研究打下基础。本文主要研究内容如下:
　　1.采用D-H方法构建机器人运动学模型，对机器人正、逆运动学作了分析，在此基础上，通过MATLAB Robotics Toolbox工具箱动态仿真对运动学求解进行了验证，为控制系统的设计提供了理论依据与参考。
　　2.根据系统要求选取本文所采用的伺服电机以及驱动器，通过分析常规PID算法以及模糊控制算法的优缺点从而引入了自适应模糊PID控制算法，并验证了该算法具有很好的控制品质。
　　3.通过对控制系统的软、硬件需求的分析以及控制任务的分配，选择PC+运动控制卡的控制模式。设计了控制系统的硬件总体结构，在对工控机以及运动控制卡进行设计选型后，设计了系统的部分电气连接方式。
　　4.设计了软件的总体结构，对运动控制模块下面的示教模块、再现模块进行了设计说明，研究了运动控制算法在DSP运动控制卡中的实现。最后在一台开放式6R工业机器人平台上开展测试研究，验证了本文所设计控制系统具有良好的控制特性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 国内外工业机器人的发展现状

1．2．1 国外发展状况

1．2．2 国内发展状况

1．3 工业机器人智能控制的国内外概况

1．3．1 工业机器人的智能控制方法

1．3．2 国外控制算法研究现状

1．3．3 国内控制算法研究现状

1．4 开放式控制系统的概述

1．4．1 开放式控制系统的简介

1．4．2 国、内外开放式系统现状分析

1．5 本课题的主要研究内容

第二章 6R工业机器人的运动学分析

2．1 工业机器人的系统组成

2．2 机器人运动学的相关数学基础

2．2．1 运动学问题的提出

2．2．2 位置描述

2．2．3 姿态描述

2．2．4 坐标系的变换映射与矢量的变换算子

2．3 六自由度机器人运动学分析

2．3．1 运动学模型的建立

2．3．2 机器人的正运动学分析

2．3．3 机器人的逆运动学分析

2．3．4 机器人的运动学算法验证

2．4 本章小结

第三章 工业机器人伺服驱动系统研究

3．1 驱动电机选型

3．1．1 交流电机性能需求

3．1．2 驱动电机和驱动器

3．1．3 伺服系统的传递函数

3．2 基于模糊-PID算法的伺服系统研究

3．2．1 传统PID算法

3．2．2 模糊控制算法

3．2．3 模糊PID复合控制

3．3 基于Simulink的模糊PID控制器的实现

3．4 本章小结

第四章 开放式控制系统的硬件设计

4．1 工业机器人开放式控制系统的含义

4．1．1 开放式控制系统的定义

4．1．2 开放式控制系统的软硬件需求分析

4．2 开放式控制系统硬件方案的设计

4．2．1 控制系统方案的选择

4．2．2 控制系统的总体结构设计

4．2．3 运动控制卡的设计选型

4．3 控制系统的部分电气设计

4．4 本章小结

第五章 开放式控制系统的软件与试验研究

5．1 控制系统软件的总体方案设计

5．2 运动控制模块的设计

5．2．1 示教模块

5．2．2 再现模块

5．3 运动控制器控制算法的实现

5．4 系统的调试与试验

5．4．1 参数设定

5．4．2 零点设置

5．4．3 工具设置

5．4．4 系统的试验

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况