基于以太网和WinCE的工业机器人示教器系统研究与设计

摘要

示教再现型机器人是目前使用成熟的工业机器人类型，在工业生产制造和自动化领域有着广泛的应用。作为示教再现型工业机器人的核心，示教控制系统对机器人的性能和应用有着极大地影响。示教器是工业机器人示教控制系统的重要组成部分，示教器接收用户下达的任务指令并发送给控制器，控制器将指令转化成机器人的运动，来共同实现机器人示教再现功能。本文在对机器人示教器的国内外研究现状和发展趋势分析的基础上，研究并设计了机器人示教器，并与控制器连接共同构成了机器人示教控制系统。
　　首先，对工业机器人示教控制系统的整体架构进行了研究，分析了示教控制系统的工作原理、硬件平台和软件结构，在此基础上设计了示教器和控制器跨平台的分布式软件框架结构。分析了基于EtherMAC实时以太网技术和KRTS实时拓展的Windows系统平台的机器人控制器的软件结构，为示教器的操作系统选择，软件结构设计和通信功能设计提供了基础。
　　其次，对工业机器人示教器系统进行了总体设计和功能实现。示教器的需求主要包括向上与操作者交互、向下与控制器通信和操作者信息与控制器信息之间的相互转化三个方面，为此设计了示教器通信和人机交互两个主要功能。在此基础上设计了基于嵌入式WinCE和标准以太网通信的机器人示教器软件结构，采用基于TCP/IP的Socket通信技术实现控制器与示教器的通信。在通信实现上，基于Protocol Buffers定义了Socket传输数据协议，并对数据接口和数据传输流程进行了设计。针对视觉引导的机器人运动的应用，设计了一种基于OpenCV和Protocol Buffers的视觉图像传输方法，实现了视觉图像在示教器上的显示。在界面设计上运用WinCE系统的优势，实现了开发简单、反应速度快、可扩展性好的人机界面。在软件设计方面基于动态链接库的映射机制实现了模块化的软件结构。
　　最后，以六自由度机器人为对象，搭建了其示教控制系统，并对示教器的逻辑功能和性能进行了测试和验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 示教再现型工业机器人简介

1．3 示教器研究现状及发展趋势

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．3．3 示教器发展趋势

1．4 主要研究内容及章节安排

第2章 工业机器人示教控制系统架构分析

2．1 机器人示教控制系统架构

2．1．1 控制系统工作原理

2．1．2 控制系统硬件构成

2．1．3 控制系统软件结构

2．2 机器人控制器软件平台

2．2．1 控制器操作系统

2．2．2 控制器编程语言

2．3 控制器与伺服通信方式

2．4 机器人控制器软件结构

2．5 本章小结

第3章 工业机器人示教器系统总体设计

3．1 需求分析与功能设计

3．2 示教器软件平台选择

3．2．1 示教器操作系统

3．2．2 示教器编程语言

3．3 示教器硬件平台选择

3．4 示教器与控制器通信

3．4．1 通信方式选择

3．4．2 Socket通信实现

3．5 示教器软件总体结构

3．5．1 模块划分

3．5．2 多线程管理

3．6 本章小结

第4章 示教器与控制器通信功能设计

4．1 基于Protobuf的数据传输方法

4．1．1 Protocol Buffers简介

4．1．2 Protocol Buffers应用

4．2 数据传输协议设计

4．2．1 传输数据分析

4．2．2 传输协议设计

4．3 图像传输方法设计

4．3．1 OpenCV的图像格式

4．3．2 EmguCV的图像格式

4．3．3 Protobuf的图像格式

4．4 数据交互接口设计

4．5 数据传输流程设计

4．6 本章小结

第5章 示教器人机交互功能设计

5．1 显示界面设计

5．2 文档管理设计

5．3 用户扩展库接口

5．3．1 按键、LED灯和蜂鸣器功能实现

5．3．2 开关功能实现

5．4 本章小结

第6章 样机搭建与系统功能测试

6．1 样机搭建

6．2 系统功能测试

6．2．1 逻辑功能测试

6．2．2 性能测试

6．3 本章小结

总结与展望

总结

创新点

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢