一种开放式机器人控制器结构和控制方法的研究

摘要

为了完成机器人不同的操作任务，要求机器人控制器具有配置灵活、功能扩展方便，同时相应的控制软件具有扩展功能和易于实现的特点，这就要求机器人控制器具有开放式结构。本文采用以工业控制机(IPC)为基础，与安插在工控机(IPC)中ISA总线上的DSP多轴控制器(ProgrammableMulti-AxisController,PMAC)构造了一种开放式的机器人控制系统。本文在该开放式控制系统平台上，针对机器人力控制问题进行了仿真和试验研究。 力控制在机器人装配、打磨、抛光等领域中有着广泛的应用，是智能机器人研究的一个主要方向之一。本文首先对机器人力控制中的力/位混合控制策略和阻抗控制策略进行详细的分析与比较，通过对不同的接触表面，不同控制模型，不同控制器参数条件下的仿真，比较了两种方法的优缺点，指出了机器人柔顺力控制中存在的关键问题以及解决这些问题的途径，为在开放式机器人试验系统中实现力控制做了理论准备。 其次，在一个开放式的平面机器人系统中进行了相关的力控制试验研究。重点分析了基于PC的开放式机器人控制器的硬件、软件结构和具体的工作模式，其中包括IPC、PMAC和各个伺服电机间的分级控制结构，PMAC附件在系统的应用，伺服驱动器的控制模式等问题。同时对开放式控制结构下的运动控制算法协调，软件的模块化等问题进行了探讨。围绕在开放式机器人系统中的力控制实现问题，建立了一种硬件和软件上的实现方式，在这种方式下可以保证力控制的实时性。最后应用力/位混合控制策略在开放式机器人试验系统中进行了相关的力跟踪试验，并给出了试验结果。 针对安置在机器人终端的力传感器由于低刚度、存在时滞等缺陷在较为恶劣的工业场合中受到了一些限制，本文提出了一种基于电流检测的神经网络补偿关节转矩的控制方案，尝试通过神经网络对系统的补偿来弥补关节转矩控制方法的某些不足，该方法为在没有力传感器情况下的力控制操作提供了一种可能的解决方案。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2机器人发展概况

1.3本论文研究的基本内容

1.3.1机器人运动学与动力学

1.3.2机器人控制系统

1.3.3机器人仿真技术

1.3.4机器人力控制问题

第二章 运动学和动力学分析

2.1试验机器人结构

2.2运动学分析

2.2.1运动学正问题

2.2.2运动学逆问题

2.3动力学分析

2.3.1动力学正问题

2.3.2动力学逆问题

第三章 开放式机器人控制器研究

3.1概述

3.2试验机器人控制系统硬件结构

3.2.1工业控制机(IPC)

3.2.2可编程多轴运动控制器(PMAC)

3.2.3双端口 RAM(DPRAM)

3.2.4交流伺服电机及驱动器

3.2.5接口板

3.2.6 ACC28B、ACC34AA

3.3软件系统

3.4控制系统结构

第四章 基于试验机器人的力控制研究

4.1机器人力控制概述

4.2机器人仿真技术

4.3机器人力/位混合控制策略

4.4力/位混合控制策略仿真

4.4.1受限表面为平面

4.4.2受限表面为曲面

4.5机器人阻抗控制策略

4.6阻抗控制策略仿真

4.7力/位混合控制算法试验研究

第五章 关节转矩力控制方法研究

5.1关节转矩控制方法概述

5.2关节转矩控制中的神经网络补偿

5.3一种关节转矩控制方法方案

结论

参考文献

致谢