论文总字数：19510字

摘 要

伴随着工业自动化进程的不断发展，机器人的应用领域越来越广泛，控制系统的开发具有越来越重要的意义。目前，机器人产业还没有一个统一的体系结构，一些非实时操作模式的控制系统，在实现高频数据交换时，会带来许多问题。所以，研究一种高效、可靠的机器人运动控制系统，对提高生产、扩大应用都具有十分重要的现实意义。

本文提出利用运动控制卡构建开放式六自由度机械臂控制系统，以实现机械臂的高精度控制，以方便未来生产的需要。开放式控制系统上位机以 Visual C#为开发环境，研华工控机运行 windows系统，实现了人机交互、机械臂的运动学求解、轨迹规划及插值运算等功能。所有关节均采用松下伺服驱动器及配套电机，而下位机则利用固高运动控制卡来控制电机，并设计了开放式六自由度机器人系统。本文先对机器人发展以及国内外发展进行了简要介绍，阐述了开放式控制系统的发展以及未来趋势，介绍了所使用的运动控制卡的一些特性，提出机械臂控制系统总体的方案设计，对本课题所使用的机械臂进行运动学分析以及完成上位机软件的编写，文章最后还对本次控制系统搭建的经济性以及环保性进行了分析。

关键词：控制系统 运动控制卡 六自由度机械臂 上位机软件

Design of motion control system of open 6-DOF Manipulator Based on motion control card

ABSTRACT

With the continuous development of industrial automation process, the application field of robot is more and more extensive, and the development of control system has more and more important significance. At present, there is not a unified architecture in the robot industry. Some non real-time operation mode control systems will bring many problems in the realization of high-frequency data exchange. Therefore, the research on an efficient and reliable robot motion control system is of great practical significance to improve production and expand application.

In this paper, the motion control card is used to construct an open six degree of freedom manipulator control system to achieve high-precision control of the manipulator, so as to facilitate the future production needs. The upper computer of the open control system uses Visual C# as the development environment, and Advantech industrial computer runs windows system, which realizes the functions of human-computer interaction, kinematics solution of the manipulator, trajectory planning and interpolation operation. All joints adopt Panasonic servo driver and matching motor, while the lower machine uses Gugao motion control card to control the motor, and an open six DOF robot system is designed. In this paper, the development of robot and the development at home and abroad are briefly introduced, the development and future trend of open control system are described, some characteristics of motion control card used are introduced, the overall scheme design of manipulator control system is put forward, the kinematics analysis of the manipulator used in this project is carried out, and the upper computer software is completed.At the end of the paper, the economy and environmental protection of the control system are analyzed..

Key words: Control system;Motion control card;6-DOF Manipulator;Epistasis software

目录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT ∏

第一章 绪论 5

1.1课题研究的背景和意义 5

1.2 国内外研究现状与发展趋势 6

1.3 开放式机器人控制系统 8

1.3.1开放式控制系统的设计思想 8

1.3.2开放式微机控制系统结构平台 9

1.4 运动控制卡简述 9

第二章 机械臂控制系统总体方案设计 11

2.1 引言 11

2.2 运动控制卡的编程 11

2.3 本章小结 13

第三章 六自由度机械臂本体结构及运动学分析 14

3.1 引言 14

3.2 机器人的主要技术参数 14

3.3 机器人ZPR18-20L-N的D-H模型 16

3.4机器人运动学 17

3.4.1机器人运动学正解 17

3.4.2 机器人运动学逆解 20

3.4.3机器人逆解优化 23

3.5 本章小结 24

第四章 上位机软件总体设计与实现 25

4.1 引言 25

4.2 运动控制模块的实现 25

4.3 本章小结 27

第五章 经济性与环保性分析 28

5.1常见的运动控制卡价格 28

5.2 成本概算与环保性分析 28

5.3 总结 29

第六章 总结与展望 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

作为如今信息化时代的智能化技术，机器人自动化技术、通信网络技术 、基因技术、VR虚拟现实技术方式等都归属于全新一代高新科技。工业机器人做为一类可以被程序编写的工业设备，它可以借助自动控制系统来进行某一些实际操作或挪动工作内容。机械手臂做为工业机器人构造部件中最关键的执行机构，其科学研究的价值也愈来愈得到工业界的高度重视。大部分教材内容对机械手臂的界定是：由1个或很多个机械系统构件组合而成，在电气设备和液压系统的推动下，可以进行一连串实用的工作任务的机械设备。这一个实例表明了机械手臂的组成主要是机械系统和推动构件(一般而言为电气设备推动)。除此之外，要完成对工业机器人的操纵，还必需从软件和优化算法2个层面入手，因而，科学研究工业机器人操作系统的设计构思与开发设计，必需从上述几条层面入手。因为一些比较传统的机械手臂它们的控制策略相比较而言较为简单，一般情况下会选用PID控制方式和直流伺服电机做为驱动电机，机械手臂在工作任务时会因为直流伺服电机的转矩和脉动等难题从而造成机械手臂终端工作任务点的颤动。同时当外部干涉产生时，机械手臂的控制技术不可以迅速响应，因而不可以达到某一些精密度规定较高的工作任务要求。与传统的控制技术相比较，开放性机械手臂控制技术低成本，开放性好，更为平稳安全可靠。因而，此文拟借助运动控制卡，以此来搭建开放性六自由度机械手臂控制技术，以此来完成机械手臂的高精密操纵，方便将来生产制造的需用。

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