六自由度机器人平滑轨迹规划与控仿一体化系统研究

摘要

工业机器人的使用极大地降低了人工工作的强度和危险。由于现代生产的需要，工业机器人的未来市场越来越广阔，同时，工业生产也对工业机器人提出了越来越高的要求，现有的工业机器人技术已无法满足工业生产的需求。控制系统是工业机器人的核心部分，因此，开发功能全面、性能更强、精度更高的机器人控制系统尤为重要。
　　本文在分析国内外现有的工业机器人相关技术基础上，对六自由度工业机器人高效平滑的轨迹规划方法进行研究，并基于此，开发了具有实时三维动态仿真和控制一体化的机器人控制系统。
　　本文采用D-H方法，建立六自由度工业机器人的运动学模型。并在机械结构和控制空间等本体条件受限的前提下，提出了一种高效、平滑且对机器人硬件要求不高的轨迹规划方法。首先在一维空间中设计速度、加速度、加加速度都受限的轨迹规划，保证轨迹的最大速度、加速度、加加速度都限制在一个确定值以内，规划目标可以是路程、关节角度、圆弧角度等。然后将该方法推广到三维空间，获取三维空间中末端执行器的路径规划。该轨迹规划方法既可保证机器人末端执行器轨迹平滑运行，又能减少机械振动。
　　为实现控仿一体化系统，首先基于VC++6.0开发环境和OpenGL构建机器人虚拟仿真系统，该系统具有良好的可视化界面和人机交互接口，能够实现六自由度工业机器人在虚拟场景中的运动、规划、示教、编程和再现仿真。然后采用所提出的平滑轨迹规划方法，基于运动控制器构建机器人控制系统，以实现对机器人的直线、圆弧和点位等运动。所设计的控制系统通过共享内存与机器人虚拟仿真系统实现实时数据交互以及虚拟场景中机器人与实际控制机器人的同步运动，并结合其离线编程接口，实现控制仿真一体化。即根据软件设计的不同运动要求，完成相应的平滑轨迹规划等运动任务，并能将机器人本体的位姿实时反馈给上位机。
　　本文最后以RBT6s机器人为实验对象，进行六自由度机器人控仿一体化控制系统以及平滑轨迹规划实验。实验结果表明，所开发的控制系统能够实现六自由度工业机器人的运动仿真和控制，并保证机器人运动过程中每个关节的平滑运动。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 运动学分析及控仿一体化方案设计

2．1 引言

2．2 机器人D-H参数模型

2．3 正运动学分析

2．4 逆运动学分析

2．5 控仿一体化方案设计

2．6 本章小结

第3章 六自由度机器人平滑轨迹规划算法研究

3．1 引言

3．2 运动规划

3．2．1 加速度曲线

3．2．2 SAP算法

3．2．2 AP算法

3．2．3 运动规划算法实现

3．3 直线插补算法

3．4 圆弧插补算法

3．5 直线与直线的过渡曲线规划

3．5．1 过渡曲线函数(blends)

3．5．2 几何空间中的过渡曲线规划

3．5．3 多条直线的过渡曲线规划

3．6 直线与圆弧的过渡曲线规划

3．7 关节空间轨迹规划

3．8 本章小结

第4章 六自由度机器人虚拟仿真系统

4．1 引言

4．2 仿真系统的总体设计

4．3 基于OpenGL的机器人三维模型构建

4．3．1 OpenGL简介及其应用

4．3．2 机器人的三维模型构建

4．4 仿真机器人的示教系统设计·

4．4．1 示教系统的总体结构设计

4．4．2 正逆运动学仿真

4．4．3 插补算法仿真

4．4．4 仿真机器人的示教演示

4．5 仿真机器人的示教编程系统

4．5．1 机器人的指令转化

4．5．2 仿真机器人的模拟示教

4．6 本章小结

第5章 控仿一体化系统设计及实验研究

5．1 引言

5．2 控仿一体化系统的总体设计

5．3 控仿一体化系统的硬件设计

5．3 控仿一体化系统的软件设计

5．3．1 一体化系统的软件界面设计

5．3．2 一体化系统的程序设计

5．4 实验研究与调试

5．4．1 系统硬件调试

5．4．2 轨迹规划实验研究

5．5 本章总结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果