基于ROS的工业机器人示教编程器研制

摘要

随着工业技术的不断进步，在简单重复动作或高强度高精度作业的岗位上，机器人逐渐取代了人力劳动，成为工业生产的重要装备。示教编程器作为人与机器人交互的核心设备，其先进的技术一直被国外大型机器人厂商所垄断。所以，研制具有一定通用性和开放性、功能强、交互友好的示教编程器意义重大。
　　本文首先阐述了一种利用ROS（Robot Operating System,机器人操作系统）提供的消息服务机制建立基于以太网的机器人示教控制系统架构。分析了ROS在构建工业机器人示教控制系统上的优势，如，易于建立网络化、分布式控制系统、易于实现和维护复杂控制系统的模块化设计、以及具有丰富的机器人软件系统开发工具等。从安全性、稳定性、通用性、开放性、功能性和交互友好性几个方面对示教盒的功能需求进行分析，并提出示教盒系统的总体设计方案。
　　在电气系统方面，设计了以ARM cortex-A8内核作为硬件核心的电气系统结构，为美观的交互界面及丰富的功能的处理提供了良好的硬件支持，提高了对用户输入的响应速度；采用三维摇杆、高分辨率液晶触摸屏作为用户输入，提高用户的交互体验。在机械结构方面，结合人机工程学标准，设计了适宜单手手持的示教盒壳体，提高了用户在操作时的灵活性；结合用户交互习惯和电气系统接线方式，合理布置了示教盒内部各电气组件，使壳体机械结构为电气系统提供了良好的支撑和保护。
　　在软件方面，采用模型-视图-控制器（MVC）软件设计模式：利用Qt-quick开发触摸屏交互界面视图，并遵照简易性、安全性、人性化等设计原则，提高界面的友好性；在控制器中利用 Arduino库简化硬件监测等来实现对用户输入的响应定义；在模型功能上基于 ROS库和X11库实现了手动控制-示教-再现、高级编程、校准、用户坐标系建立、机器人状态实时显示、工作空间限制、系统状态指示、用户管理、系统控制等功能，并实现与服务器的数据互通。
　　最后，结合示教盒搭建了基于ROS的半实物仿真训练平台，为用户的示教盒操作训练提供了模拟环境。完成了基于不同构型的机器人本体的示教盒软硬件功能测试，结果证明示教盒软硬件功能实现效果良好，具有一定的通用性，满足示教盒功能需求。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2机器人作业示教的分类及特点

1.3国内外在示教盒研制方面的发展概况

1.4本文的主要研究内容

第2章 基于ROS的示教盒系统总体设计

2.1引言

2.2机器人操作系统（ROS）概述

2.3基于ROS的示教盒控制系统概述

2.4示教盒系统功能需求分析

2.5示教盒系统总体设计

2.6本章小结

第3章 示教盒电气系统与机械结构设计

3.1引言

3.2示教盒电气系统架构与器件选型

3.3示教盒硬件设计

3.4示教盒机械结构设计

3.5系统软件平台的搭建

3.6本章小结

第4章 示教盒软件功能设计与实现

4.1引言

4.2示教盒软件设计方案

4.3控制器设计

4.4模型功能模块

4.5网络通讯解决方案

4.6软件的功能性与友好性

4.7本章小结

第5章 示教盒半实物仿真训练平台的搭建

5.1引言

5.2示教盒半实物仿真训练平台的搭建

5.3示教盒硬件功能及性能测试

5.4示教盒软件功能测试

5.5示教盒通用性测试

5.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢