直角坐標(biāo)機(jī)器人軟件和硬件的控制及實(shí)現(xiàn)

1、題目：直角坐標(biāo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制硬件和軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)目錄機(jī)器人概論12鍵入章標(biāo)題(第 3 級(jí))3鍵入章標(biāo)題(第 1 級(jí))4鍵入章標(biāo)題(第 2 級(jí))5鍵入章標(biāo)題(第 3 級(jí))61. 緒論1.1機(jī)器人及其發(fā)展歷程機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能的、可以替代人完成特定任務(wù)的自動(dòng)化控制裝置。機(jī)器人學(xué)是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、機(jī)械、電子、力學(xué)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和人工智能等多學(xué)科的知識(shí)而發(fā)展起來的，對(duì)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)、控制、傳感、編程語言以及機(jī)器人的應(yīng)用進(jìn)行綜合研究是現(xiàn)在的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。到目前為止，機(jī)器人發(fā)展共分為三個(gè)階段。第一階段是可編程機(jī)器人，這類機(jī)器人一般可以根據(jù)操作者所編的程序，完成一些相對(duì)簡單的重

2、復(fù)性操作，不具有反饋外界信息的能力。這一代機(jī)器人從20世紀(jì)60年代后半期開始投入使用，目前已經(jīng)工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。第二代是感知機(jī)器人，它是在第一代機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有不同程度的感知能力。它有若干的傳感器，能對(duì)自身的實(shí)際位置、方向、速度、力等進(jìn)行測量，能通過視覺、聽覺和觸覺等傳感能力對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行實(shí)際檢測，這些反饋信息著之前編寫好的程序下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這類機(jī)器人在工業(yè)界已有應(yīng)用。第三代機(jī)器人將具有識(shí)別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)等智能機(jī)制，它可以把感知和行動(dòng)智能化結(jié)合起來。具有多種感覺，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色等仿生動(dòng)作，具有專家知識(shí)、語音功能和自學(xué)習(xí)能力等人工智能。此能在非特定的環(huán)境下作業(yè)，故稱之

3、為智能機(jī)器人，如圖1-1。目前，這類機(jī)器人主要處于實(shí)驗(yàn)室階段，但是已經(jīng)有一部分開始實(shí)用化發(fā)展。圖1-1 智能機(jī)器人作為一種跨學(xué)科技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)的突破需要其他技術(shù)支撐，特別是以能源、材料、計(jì)算機(jī)、生命科學(xué)及先進(jìn)制造技術(shù)為主。這些技術(shù)被眾多學(xué)者視為新一輪產(chǎn)業(yè)革命的支撐技術(shù)，它們的突破必然會(huì)促發(fā)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展邁向一個(gè)新的高度，從而推動(dòng)新一輪產(chǎn)業(yè)革命。新型能源將有助于解決機(jī)器人的動(dòng)力問題；新材料的使用對(duì)提升機(jī)器人的硬件性能至關(guān)重要；計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用有助于機(jī)器人的控制系統(tǒng)開發(fā)；生命科學(xué)的發(fā)展將會(huì)使仿生學(xué)更多地運(yùn)用到機(jī)器人上，從而推動(dòng)機(jī)器人“從機(jī)器到人”的轉(zhuǎn)變；先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展則可解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜機(jī)器

4、人的制造問題，有助于促進(jìn)機(jī)器人的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用?，F(xiàn)在，機(jī)器人的使用范圍已開始向軍事工業(yè)、特殊環(huán)境服役、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域拓展。而一旦步入智能化階段，由機(jī)器人產(chǎn)業(yè)所構(gòu)建的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)，將遍及社會(huì)生產(chǎn)、生活各領(lǐng)域，進(jìn)而變革社會(huì)形態(tài)，進(jìn)入新一輪的智能社會(huì)之中。1.2 機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢機(jī)器人技術(shù)研究和應(yīng)用取得了革命性的發(fā)展，毫無疑問，機(jī)器人技術(shù)是未來的戰(zhàn)略性技術(shù)，充滿機(jī)遇，但是也有挑戰(zhàn)。全球機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展主要有以下趨勢：1) 機(jī)器人性能提升，價(jià)格下降。操作精度提高，操作大型化和小型化皆有發(fā)展，驅(qū)動(dòng)方式更多的采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2) 整體結(jié)構(gòu)模塊化，可重構(gòu)化。關(guān)節(jié)中的伺服電機(jī)、減速器、傳

5、感器等模塊分工制造，便于全球范圍內(nèi)企業(yè)的分工合作。3) 控制器向開放式發(fā)展，且控制應(yīng)用更加現(xiàn)代?；赑C的控制器便于網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化，器件的集成度提高，能大大提高系統(tǒng)可靠性和操作性；現(xiàn)代控制理論，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等應(yīng)用更加廣泛，且向自適應(yīng)控制方向發(fā)展。4) 傳感器與驅(qū)動(dòng)器一體化技術(shù)、信息采集和信息融合處理、感覺功能繼承模塊。通過視覺、聽覺、觸覺等傳感器信息，對(duì)速度、加速度、力進(jìn)行環(huán)境建模和行動(dòng)控制。5) 虛擬現(xiàn)實(shí)和遠(yuǎn)程控制。加強(qiáng)操作者與機(jī)器人之間的人機(jī)交互控制，即通過遙控監(jiān)控系統(tǒng)和局部操作系統(tǒng)，使機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程的協(xié)作事物，如深海探測，太空探索等。我國機(jī)器人研究較晚，在20世紀(jì)80年代開始

6、起步，在國家政策的支持下，通過一系列的科技創(chuàng)新推進(jìn)計(jì)劃和重大科研專項(xiàng)攻關(guān)，我國已經(jīng)基本掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究、路徑規(guī)劃和軌跡插補(bǔ)研究等等，并且成功的應(yīng)用到工業(yè)上，開發(fā)出碼垛、搬運(yùn)、噴漆、焊接等機(jī)器人，有效地改善了工人的工作環(huán)境，提高工作效率。但是總體上看，我國機(jī)器人工業(yè)技術(shù)水平還和國外有著一定的差距。機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化較低。體現(xiàn)在通用化程度低、供貨周期長、成本高、質(zhì)量和可靠性差等。為了適應(yīng)全球化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)四個(gè)現(xiàn)代化，必須對(duì)機(jī)器人工業(yè)進(jìn)行全面科學(xué)的規(guī)劃，推進(jìn)我國機(jī)器人工業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。1.3機(jī)器人的基本組成機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

7、等組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：即機(jī)器人本體，由連桿、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器組成，其中的運(yùn)動(dòng)副常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)一般為機(jī)器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型?？紤]人性化因素，常將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。末端執(zhí)行器根據(jù)操作需要可以換裝焊槍、吸盤、扳手等工具。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：它是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線位移和角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，此外也有采用液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)

8、裝置。檢測系統(tǒng)：實(shí)時(shí)檢測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。作為檢測系統(tǒng)的傳感器大致可以分為兩類：一類是內(nèi)部信息傳感器，用于檢測機(jī)器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號(hào)送至控制器，形成閉環(huán)控制。一類是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機(jī)器人的動(dòng)作能適應(yīng)外界情況的變化，使之達(dá)到更高層次的自動(dòng)化，甚至使機(jī)器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對(duì)象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個(gè)大的反饋回路，從而將大大提高機(jī)器人

9、的工作精度。控制系統(tǒng)是機(jī)器人的中樞系統(tǒng)，負(fù)責(zé)信息處理和人機(jī)交互。它接收來自傳感器的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存信息、機(jī)器人的狀態(tài)及其環(huán)境情況等，產(chǎn)生出控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)。為此，控制系統(tǒng)必須保證機(jī)器人具有實(shí)現(xiàn)功能所具有的程序。1.4本課題研究的內(nèi)容1.4.1課題研究意義隨著機(jī)器人的技術(shù)不斷向著更先進(jìn)的方向發(fā)展，給傳統(tǒng)工業(yè)帶來前所未有的變化，它不僅大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，而且提高了企業(yè)的工作效率，最重要的是提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。中國作為世界制造業(yè)的工廠，自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展更是勢在必行，各種自動(dòng)化生產(chǎn)線急需上馬。同時(shí)，新興的技術(shù)發(fā)展刺激高新領(lǐng)域的發(fā)展，如航空航天、深海探測、特種機(jī)

10、器人等應(yīng)用領(lǐng)域的研究，因此，研究機(jī)器人具有非常重要的意義。直角坐標(biāo)機(jī)器人非常適合自動(dòng)化生產(chǎn)線，在各行各業(yè)中將得到更廣泛的應(yīng)用。直角坐標(biāo)機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有控制方便，執(zhí)行動(dòng)作靈活，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡控制的特點(diǎn)。在工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度成空間直角關(guān)系、多用途的操作機(jī)。它能夠搬運(yùn)物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。通過改變末端操作工具，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動(dòng)化裝備，完成如焊接、搬運(yùn)、包裝、碼垛、檢測、探傷噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作。特別適合多品種、小批量的柔性化作業(yè)，對(duì)于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條

11、件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。1.4.2課題研究內(nèi)容1) 研究直角坐標(biāo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件體系，理解其各部分的功能、結(jié)構(gòu)及電機(jī)控制的原理；2) 對(duì)控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)PCI控制卡脈沖輸出功能；3) 通過對(duì)控制系統(tǒng)軟硬件體系的研究，構(gòu)建機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并通過自己的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種運(yùn)動(dòng)。1.4.3 課題研究目的本課題目的就是為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)直角坐標(biāo)機(jī)器人按規(guī)定路徑運(yùn)動(dòng)。具體研究內(nèi)容如下:1) 編寫控制軟件，以實(shí)現(xiàn)PCI控制卡脈沖輸出功能；2) 搭建直角坐標(biāo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并通過控制軟件控制其按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。1.5本論文的結(jié)構(gòu)安排全文內(nèi)容組織如下：第一章， 主要介紹機(jī)

12、器人的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，引出本文的研究內(nèi)容2.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件2.1機(jī)器人的分類機(jī)器人的分類方法主要有以下四種，按照機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)、控制方式、智能化程度以及移動(dòng)方式。2.1.1按照機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)常見的幾何結(jié)構(gòu)是以坐標(biāo)來描述的，這些坐標(biāo)結(jié)構(gòu)包括笛卡爾坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、柱面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)以及極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)等。下面主要以笛卡爾坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、柱面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)為例。1) 笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人它主要以直線運(yùn)動(dòng)軸為主，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通常對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸、Y軸、Z軸，一般X軸和Y軸是水平方向運(yùn)動(dòng)的軸，Z軸是豎直方向的運(yùn)動(dòng)軸。如圖1-2，在本文的研究中，Z軸帶有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，加

13、裝焊槍等工具。在絕大多數(shù)情況下各個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸之間的夾角是直角。圖2-1 笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人2) 柱面坐標(biāo)機(jī)器人柱面坐標(biāo)機(jī)器人主要有垂直柱子、水平移關(guān)節(jié)和底座構(gòu)成。水平移動(dòng)關(guān)節(jié)裝在垂直柱子上，能自由伸縮，并可以沿垂直柱子上下運(yùn)動(dòng)。垂直柱子安裝在底座上，并與水平移動(dòng)關(guān)節(jié)一起繞底座轉(zhuǎn)動(dòng)。這種機(jī)器人在工作空間內(nèi)部是一個(gè)圓柱面啊，如圖1-3所示，因此將它稱作柱面坐標(biāo)機(jī)器人。工作范圍較大，卻不能到達(dá)近立柱和地面的工作空間；直線部分可以采用液壓驅(qū)動(dòng)，可以輸出較大的動(dòng)力；能夠伸入型腔內(nèi)側(cè)。但是，直線部分難以密封、防塵。圖2-2 柱面坐標(biāo)機(jī)器人3) 球面坐標(biāo)機(jī)器人它與裝甲車的炮塔一樣，機(jī)器手能夠在外伸縮移動(dòng)、在垂

14、直平面內(nèi)擺動(dòng)以及繞水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，這種機(jī)器人的工作空間形成球面的一部分，成為球面坐標(biāo)機(jī)器人。如圖1-4所示。2-3 球面坐標(biāo)機(jī)器人4) 關(guān)節(jié)式機(jī)器人它是由底座、大臂和小臂構(gòu)成。大臂和小臂可在通過底座的垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，如圖1-5所示，大臂和小臂之間的關(guān)節(jié)稱為肘關(guān)節(jié)，大臂和底座之間的關(guān)節(jié)稱為肩關(guān)節(jié)。在水平面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，既可以由肩關(guān)節(jié)完成，也可以繞底座旋轉(zhuǎn)完成。這種機(jī)器人類似人的手臂，稱為關(guān)節(jié)機(jī)器人。圖2-4 關(guān)節(jié)式機(jī)器人2.1.2 按機(jī)器人的控制方式按照機(jī)器人的控制方式可以把機(jī)器人分為非伺服機(jī)器人和伺服控制機(jī)器人兩種。1) 非伺服機(jī)器人。非伺服機(jī)器人按照預(yù)先編好的程序進(jìn)行工作，使用終端限位開

15、關(guān)、制動(dòng)器、插銷板和定序器來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，工作原理如圖 所示。插銷板用來預(yù)先規(guī)定機(jī)器人的工作順序，而且往往是可以調(diào)整的；定序器是一種定序開關(guān)或者步進(jìn)裝置，它能按照預(yù)定的正確順序接通驅(qū)動(dòng)裝置的能源；驅(qū)動(dòng)裝置接通能源后，就帶動(dòng)機(jī)器人的手臂、腕部和手抓進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它們移動(dòng)到由終端限位開關(guān)鎖規(guī)定的位置時(shí)，限位開關(guān)切換工作狀態(tài)，給定序器一個(gè)“運(yùn)動(dòng)已完成”的信號(hào)，并使終端制動(dòng)器動(dòng)作，切斷驅(qū)動(dòng)能源。機(jī)器人完成一個(gè)工作循環(huán)。2) 伺服控制機(jī)器人。伺服控制機(jī)器人有著更高的工作能力，但在某些情況下不如非伺服機(jī)器人可靠。如圖所示伺服系統(tǒng)的輸出可為機(jī)器人末端執(zhí)行裝置的位置、速度或力等。通過反饋傳感器取得的反饋信號(hào)

16、與來自給定裝置的綜合信號(hào)，用比較器加以比較后，得到誤差信號(hào)，經(jīng)過放大后用以控制機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)而帶動(dòng)末端執(zhí)行器以一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)到達(dá)規(guī)定的物理參數(shù)。2.1.3 按照機(jī)器人移動(dòng)方式分類1) 固定機(jī)器人，固定某個(gè)基座上，智能通過移動(dòng)某個(gè)關(guān)節(jié)完成任務(wù)。2) 移動(dòng)機(jī)器人，可沿某個(gè)方向或者任意方向移動(dòng)。這種機(jī)器人分為有軌式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人和步行機(jī)器人。2.2 機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)2.2.1 機(jī)器人的自由度自由度是機(jī)器人由機(jī)器人的結(jié)構(gòu)決定，并直接影響到機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。機(jī)器人的自由度：機(jī)器人的自由度是指其末端相對(duì)于參考系能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。一般情況下啊，機(jī)器人的手臂可以看做連續(xù)連接的剛體組成。若要求機(jī)器人

17、能夠達(dá)到空間任意位姿，則它應(yīng)具有六個(gè)自由度，當(dāng)然如果工具本身具有某種特別結(jié)構(gòu)，可能就不需要六個(gè)自由度。2.2.2 額定速度和額定負(fù)載機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)過程一般包括啟動(dòng)加速階段、勻速運(yùn)動(dòng)階段、減速制動(dòng)階段，為了縮短機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)周期，提高生產(chǎn)效率，希望啟動(dòng)階段和制動(dòng)階段盡可能縮短，所以兩階段的加速度較大，將會(huì)產(chǎn)生很大的慣性力。機(jī)器人保持運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)精度的前提下能達(dá)到的最大速度稱為額定速度。在某一關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度是單軸速度，由各軸速度的合成稱為合成速度。機(jī)器人在額定速度和形成范圍內(nèi)，末端執(zhí)行器所能承受的負(fù)載允許值稱為額定負(fù)載。極限負(fù)載是在限制作業(yè)的條件下，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)不損壞啊，末端執(zhí)行器所能承受

18、的最大值。2.2.3 工作空間機(jī)器人的工作空間指機(jī)器人手臂末端和手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合。因?yàn)槟┒藞?zhí)行器的尺寸和形狀是多種多樣的，為了真實(shí)的反映機(jī)器人的特征參數(shù)，一般指不安裝末端執(zhí)行器的工作區(qū)域。2.2.4分辨率、位姿準(zhǔn)確度、位姿重復(fù)性分辨率是機(jī)器人各關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)精度，它有控制分辨率和空間分辨率之分。控制分辨率是機(jī)器人控制器根據(jù)指令控制的最小位移增量。若機(jī)器人末端執(zhí)行器借助于二進(jìn)制n位指令移動(dòng)距離為d，則控制分辨率為d/2n；對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，則為角度的運(yùn)動(dòng)范圍（/2n）*l。l為臂長?？臻g分辨率是機(jī)器人末端執(zhí)行器執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的最小增量?？臻g分辨率是一種包括控制分辨率、機(jī)

19、械誤差和計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)的圓整、近似計(jì)算等誤差計(jì)算在內(nèi)的誤差。機(jī)器人多次執(zhí)行同一位姿指令，其末端執(zhí)行器在指定坐標(biāo)系中實(shí)際位姿和指令位姿之間的偏差稱作位姿準(zhǔn)確度。它分為位置準(zhǔn)確度和姿態(tài)準(zhǔn)確度。在相同條件下啊，用同一方法操作機(jī)器人時(shí)，重復(fù)多次所測得的同一位姿散布的不一致程度稱為位姿重復(fù)性。2.3 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)本文主要研究直角坐標(biāo)機(jī)器人，所以特別對(duì)其進(jìn)行介紹。2.3.1 直線運(yùn)動(dòng)軸即直線運(yùn)動(dòng)單元，它就是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)軸，主要由支撐載體的鋁型材或鋼型材和被安裝在型材內(nèi)部的直線導(dǎo)軌、運(yùn)動(dòng)滑塊以及作為帶動(dòng)滑塊做高速運(yùn)動(dòng)的同步帶組成。2.3.2 運(yùn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直角坐標(biāo)機(jī)器人的傳動(dòng)主要是通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)

20、的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)，同步帶帶動(dòng)直線導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速低于時(shí)通常選用步進(jìn)電機(jī)，否則選用交流伺服電機(jī)。2.3.3 控制系統(tǒng)機(jī)器人要在一定時(shí)間內(nèi)完成特定的任務(wù), 比如每完成一次搬運(yùn)工作，在完成抓取、加速運(yùn)動(dòng)、高速運(yùn)動(dòng)、減速運(yùn)動(dòng)、釋放工件等同時(shí)，還要與相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行通訊，以實(shí)現(xiàn)一些時(shí)序上的協(xié)調(diào)同步。另外在涂膠應(yīng)用上，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸要完成直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應(yīng)用要求來選定其控制軸數(shù)量。通常選用工控機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡，和帶軸卡功能及的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來做控制系統(tǒng)。2.3.4 末端執(zhí)行器根據(jù)其具體應(yīng)用情況，其手爪系統(tǒng)可能是氣動(dòng)吸盤、氣動(dòng)夾取手爪、電動(dòng)夾取手爪、電磁吸取手爪、焊槍、膠

21、槍、專用工具和檢測儀器等。在很多場合可以一次抓取多個(gè)工件。2.3.5 直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)針對(duì)不同的應(yīng)用，實(shí)際上可以方便快速組合成不同的維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或者倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人。通過各種各樣的直角坐標(biāo)機(jī)器人和其他機(jī)械裝置的配合，可以應(yīng)用到汽車、電機(jī)等自動(dòng)化的生產(chǎn)線上。2-5 直角坐標(biāo)機(jī)器人直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作原理是將各軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為各軸的直線移動(dòng)。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的機(jī)構(gòu)主要是滾珠絲杠機(jī)構(gòu)（Z軸）和同步齒形帶機(jī)構(gòu)（X、Y軸）。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 任意組合成各種樣式，擴(kuò)展能力強(qiáng)；2) 超大行程：采用導(dǎo)軌和齒條傳動(dòng)方式，可以方便的連

22、成超大行程；3) 負(fù)載能力強(qiáng)：單根直線運(yùn)動(dòng)單元的負(fù)載通常小于200kg。但當(dāng)采用雙滑塊或者多滑塊剛性連接時(shí)，負(fù)載能力可以增加到5倍甚至10倍。當(dāng)把兩根或者四根運(yùn)動(dòng)單元連接時(shí)，負(fù)載可以增加到數(shù)噸；4) 高動(dòng)態(tài)特性：輕載情況下速度可以達(dá)到8m/s，加速度可以達(dá)到4.5m/s2，工作效率相當(dāng)高；5) 高精度：按照傳動(dòng)方式配置整個(gè)行程內(nèi)的重復(fù)定位精度，可以達(dá)到0.05mm，甚至0.01mm；6) 經(jīng)濟(jì)實(shí)用：對(duì)比關(guān)節(jié)機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，容易讓工作人員學(xué)習(xí)；7) 壽命長：直角坐標(biāo)機(jī)器人的維護(hù)簡單，壽命可以達(dá)到10年以上；8) 應(yīng)用廣泛：通過配置末端執(zhí)行器，可以進(jìn)行焊接、搬運(yùn)、堆垛、檢測、探傷、

23、貼標(biāo)、打碼、噴涂和裝配等任務(wù)。2.4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件是由上位機(jī)和下位機(jī)兩層構(gòu)成的。上位機(jī)，指工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它是整個(gè)硬件的主控部分，負(fù)責(zé)界面管理和任務(wù)調(diào)度，協(xié)調(diào)系統(tǒng)其它部分有效地工作；而下位機(jī)是指LMW401P控制卡，主要負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、各軸的插補(bǔ)運(yùn)算、發(fā)送脈沖等功能。本課題研究主要以武漢力兆數(shù)控有限公司自主開發(fā)的開環(huán)激光控制系統(tǒng)LC 5激光焊接控制系統(tǒng)為例。LC5控制系統(tǒng)主要包括以下配件：PCI運(yùn)動(dòng)控制卡、接口卡、62芯公對(duì)公屏蔽電纜線、加密狗、焊接軟件。圖2-6 硬件組織結(jié)構(gòu)圖2-7 系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)圖LMW401P控制卡面向步進(jìn)電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，單塊卡支持四軸聯(lián)動(dòng)，8路輸出及

24、20路輸入，配合LC5激光焊接軟件能完成復(fù)雜的激光焊接加工。2.4.1 LMW401P控制卡2.4.1.1控制卡組成LMW401P控制卡采用標(biāo)準(zhǔn)PCI接口，外形尺寸為147mm*105mm。控制卡插座為DB62母頭插座，配用DB62公對(duì)公連線，與接口卡上的DB62母頭插座連接；接口卡再與控制X、Y、Z、R（4個(gè)軸）的驅(qū)動(dòng)器及外部輸入輸出線路連接。其接線如圖2-7所示。如圖2-6所示，PCI控制卡通過PCI總線將計(jì)算機(jī)主板的PCI卡槽與計(jì)算機(jī)連接起來，控制卡通過雙絞屏蔽排線與接口卡連接。圖2-8 PCI運(yùn)動(dòng)卡布局示意圖2.4.1.2PCI總線PCI總線是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)之間的

25、通信以及上位機(jī)與I/O卡的通信。根據(jù)傳輸信息的不同，可以分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別傳遞數(shù)據(jù)信息、地址信息和控制信息。PCI總線總線主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 高帶寬，最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到33MHZ2) 支持32位和64位兩種數(shù)據(jù)傳輸通道3) 兼容ISA、EISA多種總線4) 具有自動(dòng)配置功能，能夠?yàn)橥庠O(shè)分配地址和中斷，有力的避免可能的沖突。實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器的中斷，以實(shí)現(xiàn)中斷共享。2.4.1.3控制卡功能原理PCI控制卡內(nèi)部硬件電路的核心處理器是。它帶有2Meg RAM和2 Meg flash EEPROM，以及控制卡固件。其中RAM用來為變量、數(shù)組元素和應(yīng)用程序提供存儲(chǔ)空間；而flash EE

26、PROM 用來提高變量、數(shù)組元素和應(yīng)用程序的非易失性存儲(chǔ)。通信模塊是PCI控制卡和計(jì)算機(jī)交互的模塊，包括一個(gè)雙向的FIFO通道和PC機(jī)中斷電路。通用I/O接口模塊包含8位可編程的TTL輸入、8位TTL輸出和觸發(fā)高速位置鎖存的輸入信號(hào)。2.4.2 接口卡接口卡的尺寸為110mm*220mm，接口卡的各個(gè)端口分別掛載相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件（電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器）及I/O設(shè)備。接口卡的外部接口包括：連接計(jì)算機(jī)的62芯接口，24VDC電源供電接口，4路脈沖運(yùn)動(dòng)軸接口，20路輸入接口，8路繼電器輸出接口，PWM（DA）輸出接口。接口布局如圖2-9所示：2-9LCC接口板示意圖接口采用六角螺柱支撐，螺母緊固在電器柜的座板上，使用DB62電纜即可將控制卡與接口卡連接