基于模型的双臂教学机器人伺服系统的设计

摘要

基于单处理器的开放式系统已经成为机器人控制系统的发展趋势，系统由专用机器人语言和专用微处理器的封闭式结构走向通用、实时、多任务、模块化、具有人机接口和网络功能的开放式结构。 随着微处理器技术的发展，PC机以其标准的接口、合理的硬件结构及优异的性能价格比，成为机器人控制系统开发的首选硬件平台。对于基于PC的机器人控制系统，系统的软件构架尤其重要，不仅要有友好的人机界面，而且必须是实时多任务的和体系开放的。本文提出基于WindowsNT+RTX平台的机器人伺服系统的开发方法。 本文首先进行了机器人运动分析及仿真，以确定机器人手臂的有效工作区域和验证各种运动的可行性，并采用VisualC++6.0进行开发，可以实现仿真和机器人控制的有效结合。 接着论述了双臂教学SCARA机器人伺服系统的设计方法，并进行了机器人的伺服控制研究。系统硬件主要由PC机、硬件控制箱和机器人本体组成，采用“PC+控制卡”的控制平台，控制卡有I/O卡、D/A卡和数据采集卡。系统软件采用WindowsNT+RTX实时平台，系统的所有功能都在这个平台下实现。其中，软件系统由人机界面、Win32通信层、RTSS通信层、运动控制层组成。人机界面和Win32通信层在Win32非实时子系统内实现，RTSS通信层和运动控制层在RTSS实时子系统内实现，依靠共享内存等进程间通信机制来保证非实时系统和实时系统的通信。伺服控制部分在运动控制层完成，主要论述了伺服系统的建模及控制算法，给出了相应的运行结果，并分析了系统的实时性能。系统开发结果表明：WindowsNT+RTX平台完全能够满足控制系统对实时性的要求，开发基于此平台的机器人伺服系统是完全可行的。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状

1.2.1教学机器人

1.2.2机器人控制系统的开放性

1.2.3单处理器体系结构的机器人控制器

1.3论文研究目的和主要内容

1.4课题的研究意义

第二章双臂SCARA机器人运动分析及仿真

2.1机器人机械本体介绍

2.1.1传动机构

2.1.2末端执行机构

2.2机器人运动分析

2.3机器人运动仿真

2.3.1机器人机构的简化

2.3.2手臂姿态规划

2.3.3存在的运动干涉约束

2.3.4 工作区域仿真的实现

2.3.5 工作区域内各种运动仿真的实现

2.4本章小结

第三章控制系统的总体结构

3.1机器人控制系统硬件结构

3.2基于单处理器控制结构的实时系统选择

3.2.1实时系统要素

3.2.2开放式控制器的思想

3.2.3实时系统的选择

3.3本开放式控制系统的总体结构

3.4本章小结

第四章Windows NT及RTX实时子系统

4.1 Windows NT操作系统

4.1.1 Windows NT体系结构

4.1.2 Windows NT操作系统的主要功能和特点

4.1.3 Windows NT与其他操作系统的主要区别

4.1.4 Windows NT在实时性方面的局限性

4.2 RTX实时子系统

4.2.1 RTX的特点

4.2.2 RTX的实现机理

4.2.3 RTX的应用程序编程接口(API)

4.2.4 RTX和WINDOWS NT间的通信机制

4.2.5本控制系统涉及的编程接口(API)简介

4.2.6RTX的实时性分析

4.3本章小结

第五章控制系统的软件设计

5.1系统的控制流程

5.2系统的软件设计

5.2.1实时环境的架设

5.2.2软件结构的描述

5.2.3软件用户界面及具备的功能

5.2.4通信层及其实现

5.2.5运动控制层及其实现

5.3实时系统的编译

5.4本章小结

第六章机器人的伺服控制研究

6.1伺服控制建模

6.1.1系统组成原理

6.1.2频率响应实验

6.2目标轨迹规划算法

6.2.1单关节实验

6.2.2双关节应用

6.3系统实现中的几个关键问题

6.3.1 RTX环境下的数据采集

6.3.2 RTX环境下的程序调试

6.4系统的性能分析

6.5本章小结

第七章结论与展望

7.1全文总结

7.2前景与展望

参考文献

致谢