斜导面直线驱动码垛机器人控制系统设计与实现

摘要

码垛机器人正部分替代人工成为码垛作业中的核心设备，它的智能化程度和码垛能力决定整个码垛系统的性能。本文针对一款新型串并混联结构码垛机器人的控制系统进行设计研究并实现。这款机器人在空间布局上采用斜导面支撑结构，能较好的优化力学承载性能。在驱动方面采用直线伺服元件，替代旋转关节，目的之一是避免采用价格昂贵的RV减速机。这种新型结构的机器人特别适用于大负载的工作任务，如炼钢，炼铝厂生产的钢锭和铝锭的搬运和码垛。本文研究工作中设计制造了一款小型样机，对样机完成控制系统设计，开展了非线性运动系统算法研究，进行了控制实现，验证了控制系统设计合理性。控制系统设计具有通用性，因此本论文项目能为将来类似机构码垛机器人的进一步深入研究，甚至实际应用打下好的基础。针对该新型结构码垛机器人的驱动控制技术，本文完成了以下具体工作:
　　（一）码垛机器人设计的技术要求和结构设计。根据码垛需求提出具体的技术指标，并完成斜导面直线驱动码垛机器人的SOLIDWORKS模型，对每个关节的具体实现进行分析和比较。最后确定码垛机器人的机构图和结构参数，通过这些机构参数为研究码垛机器人控制系统的正逆运动学和轨迹规划打下基础;
　　（二）码垛机器人的运动学分析。根据码垛机器人结构，分析了机器人的正逆运动学。在正运动学部分开创性的提出了构造相似三角形的方法计算该机构的正运动学。在逆运动学部分采用了Newton迭代法求解。最后利用MATLAB对工作空间进行仿真分析，得到了码垛机器人的工作空间，优化了机构参数;
　　（三）码垛机器人的轨迹规划。从轨迹规划的目的出发将轨迹规划归为四类任务。本文设计的控制系统实现了第一类任务中的两种规划方式，空间直线和空间圆弧轨迹规划。本文推导了这两种轨迹规划的实现算法，并通过MATLAB对控制系统的输出数据进行仿真，验证算法的正确性;
　　（四）机器人的控制系统方案选择及其实现。根据码垛机器人的技术指标和实际需求，本控制系统采用了固高的GTS四轴运动控制卡和松下伺服电机搭建控制系统硬件平台。控制系统软件采用基于固高控制卡的API函数库、MFC和OPENGL库的C++语言实现。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 码垛机器人技术现状与发展概况

1．2．1 国外码垛机器人技术现状

1．2．2 国内码垛机器人技术现状

1．3 课题的工作概要和内容安排

1．3．1 论文工作概要

1．3．2 论文内容安排

第二章 码垛机器人技术需求和结构设计

2．1 引言

2．2 码垛机器人的技术需求

2．2．1 码垛机器人的自由度需求

2．2．2 码垛机器人的负载能力和速度需求

2．2．3 码垛机器人的精度需求

2．3 码垛机器人结构分析

2．3．1 theta关节结构设计

2．3．2 R关节结构设计

2．3．3 Z关节结构设计

2．3．4 alpha关节结构设计

2．3．5 各关节传动比

2．3．6 码垛机器人的机构简图和结构参数

2．4 本章小结

第三章 码垛机器人运动学及其运动空间分析

3．1 引言

3．2 码垛机器人运动学分析

3．2．1 正运动学分析

3．2．2 逆运动学分析

3．3 码垛机器人运动空间仿真及优化

3．3．1 电机2单独驱动时的运动轨迹

3．3．2 电机3单独驱动时的运动轨迹

3．3．3 不同倾斜角下的运动空间

3．3．4 不同臂长下的运动空间

3．4 本章小结

第四章 码垛机器人工作轨迹规划

4．1 引言

4．2 轨迹规划的任务种类

4．2．1 点位运动

4．2．2 轨迹跟踪

4．2．3 离线非实时轨迹生成和轨迹跟踪(无碰撞路径规划)

4．2．4 在线实时轨迹生成和轨迹跟踪(实时避免碰撞的路径规划)

4．3 轨迹规划

4．3．1 空间直线轨迹规划

4．3．2 空间圆弧轨迹规划

4．4 本章小结

第五章 码垛机器人控制系统规划设计与实现

5．1 引言

5．2 控制系统方案确定

5．2．1 基于PLC的运动控制方案

5．2．2 基于PC的运动控制方案

5．3 码垛机器人控制系统硬件结构设计

5．3．1 伺服电机选型与确定

5．3．2 运动控制卡选型与确定

5．3．3 上位机的选型

5．4 本章小结

第六章 码垛机器人控制软件系统设计

6．1 引言

6．2 控制软件系统整体需求

6．2．1 功能需求

6．2．2 软件实现需求

6．3 控制软件系统完整构架

6．3．1 轴类设计与说明

6．4 控制软件系统流程图

6．5 控制软件系统工作界面

6．6 实物展示

6．7 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢