基于Internet的机械臂网络远程控制系统拓展研究

中国科学技术大学硕士学位论文基于Internet的机械臂网络远程控制系统拓展研究姓名：周海燕申请学位级别：硕士专业：系统工程指导教师：丛爽2011-04-20摘 要  I摘要随着Internet的飞速发展，互联网技术和机器人技术相结合已成了一个重要的研究方向，于是基于Internet的机器人远程控制的概念被提出。基于Internet的机器人远程控制技术的分类有多种，昀常用的就是根据伺服控制技术对其进行分类，可以分为基于Internet-PC和基于Internet-DSP两种机器人远程控制系统。本论文即围绕这两种机器人远程控制平台，以一个二自由度串联机械臂为被控对象，进行了相关的软件平台的开发以及控制策略的设计改进，主要内容可以归纳如下：全文共分五章。第一章为绪论，主要介绍网络远程控制系统的概念及其发展历程，并介绍网络远程控制系统的分类情况以及技术关键点。同时，在介绍网络远程控制技术研究现状的基础上，简单介绍了本论文的研究基础和研究内容。第二章主要开发了基于Internet-PC的机械臂网络远程控制系统平台。为了对机械臂系统进行建模研究，以便在已知模型的基础上，可以在不同的应用场合在系统中设计运用不同的运动控制器从而达到较理想的控制效果，有必要开发出不使用DSP运动控制板的机械臂远程控制系统平台。本章主要阐述该系统的硬件和软件结构设计，着重对比分析该平台软件实现上与魏子翔师兄开发出的基于Internet-DSP的机械臂网络远程控制平台的不同之处，并在此基础上进行实际绘图实验研究，并对实验结果进行分析。第三章实现了基于Internet-PC的机械臂远程控制系统的连续轨迹控制。针对点位控制模式下，机械臂总是走走停停导致系统的时间性能降低，以及系统的机械磨损增加的问题，本章首先从类结构分析出该系统平台的规划器类缺乏的连续轨迹规划功能，对运动轨迹进行梯形连续轨迹规划，从而控制机械臂只在起始点加速，昀终点减速，中间点均保持匀速运动。第四章主要实现了基于Internet-DSP的机械臂远程控制系统的连续轨迹控制。在魏子翔师兄开发出的基于Internet-DSP的机械臂远程控制平台基础上，考虑网络延时，计算调用DSP中连续轨迹控制函数时所需要设置的参数（圆弧插补和直线插补），昀后进行实际绘图实验，并对结果进行分析。第五章对本论文的创新之处和研究结论进行了归纳总结，并对下一步研究的内容和方向进行了展望。关键词：机械臂系统远程控制Internet-DSPInternet-PC连续轨迹控制点位控制ABSTRACT IIABSTRACTWithrapiddevelopmentofInternet,theintegrationofInternettechnologyandrobottechnologybecomesanimportantresearchdirection,sorobotremotecontrolbasedonInternethasbeenputforward.TheInternet-basedrobotremotecontroltechnologycanbeclassifiedinseveralmethods,andisdividedintoInternet-PC-basedandInternet-DSP-basedtwokindsofrobotsremotecontrolsystemsaccordingtodifferentservocontroltechnologies.Withatwo-freedom-degreerobotarmasthecontrolledobject,theexpandingresearchonthetwokindsofrobotsystemsisdone,andthemaincontentscanbesummarizedasfollows:Thethesisisdividedintofivechapters.Thefirstchapteristheintroduction,mainlyintroducestheconceptofInternet-basedremotecontrolsystemanditsdevelopmentprocess,classificationandtechnicalissues.Meanwhile,theresearchfoundationandtheresearchcontentofthisthesisareintroduced.ChaptertwodevelopstheInternet-PC-basedrobotarmremotecontrolplatform.Inordertomodeltherobotarmsystemsoastodesigndifferentmotioncontrollerindifferentapplicationconditions,itisnecessarytodevelopofrobotarmremotecontrolplatformwhichdon’thaveDSPmotioncontrolpanel.Thischaptermainlyexpoundsthehardwareandsoftwarestructureofthesystem,focusingonthecomparativeanalysisbetweenitssoftwareimplementationandtheInternet-DSP-basedrobotarmofremotecontrolplatform’ssoftwareimplementation(WeiZiXiangdeveloped).Atlast,actualdrawingexperimentiscarriedoutandtheexperimentalresultsareanalyzed.ChapterthreerealizesthecontinuouspathcontroltrajectoryintheInternet-PC-basedrobotarmremotecontrolsystem.Underthepoint-to-pointcontrolmode,therobotarmalwaysstop-and-go,thetimeperformanceofthesystemwasreducedandmechanicalwearwasincreased.Inordertoresolvetheproblem,TrapezoidaltrajectoryplanningisappliedtothepathafterfindingthatcontinuouspathtrajectoryplanningislackedinInternet-PCrobotarmremotecontrolsystemanalyzedfromaspectsofclassstructure,whichcancontroltherobotarmacceleratesonlyatthebeginningpoint,decelerateonlyatthefinalpoint,andkeepconstantspeedallovertheintermediatepoint.ChapterfourrealizesthecontinuouspathcontrolinInternet-DSP-basedrobotarmremotecontrolsystem.Takethenetwork-delayintoconsideration,alltheABSTRACT IIIparameters(circleinterpolationandlinearinterpolation)whichareneedtosetwhenrealizingthecontinuouspathcontrolfunctionusingDSParecalculated.Atlast,theactualdrawingexperimentiscarriedandtheresultsareanalyzed.Chapter5summarizestheresearchachievementofthisthesisandpointsoutthecontentanddirectionoffurtherresearch.keywords：robotarmsystem,remotecontrol,Internet-DSP,Internet-PC,continuouspath,point-to-pointpath中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：___________签字日期：_______________中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。□公开□保密（____年）作者签名：_______________导师签名：_______________签字日期：_______________签字日期：_______________第1章  绪论  1第1章绪论1.1引言近年来，网络技术的迅速发展给人们的生产生活带来了巨大的变化，在娱乐，通讯，信息服务等社会生活领域以及金融，邮电，冶金，化工等服务行业都有广泛的应用，并日益完善[1]。网络技术的发展，引发了控制领域的深刻变革，其在控制领域的应用，本质上是计算机网络技术向自动化控制技术的映射，这种映射的结果便是网络远程控制技术的诞生。计算机不仅可以控制本地的设备，还可通过网络控制远端的设备，其中网络扮演一个桥接工具的角色来连接操作端和设备端。网络远程控制技术始于DOS时代，只是当时市场没有更高的要求，技术上没有什么大的变化，因此，没有引起更多人的注意。但是，随着网络的高度发展，电脑的管理及技术支持的需要，远程操作及控制技术得到人们越来越多的关注[2]。远程控制技术适应了控制系统向网络化，分散化方向发展的趋势，具有强大的生命力，成为控制领域的热点技术之一。机器人技术是20世纪60年代中期蓬勃兴起的一项高新技术，它综合了控制论，机构学，计算机，人工智能，信息和传感技术等多学科的知识，是先进技术的典型代表之一。随着Internet的飞速发展，互联网技术和机器人技术相结合已成了一个重要的研究方向，使得基于Internet的机器人远程控制的概念被提出来。基于Internet的机器人远程控制系统的昀大特点就是开放性：任何人在任何地方，任何时候，只要能连上Internet就能实现对被控对象的控制，延伸了人类的操作功能[3]。1.2网络远程控制技术的概念及发展历程1.2.1网络远程控制技术的概念远程控制就是在地理位置上将控制器与被控对象分开，采用某种通信手段来实现控制信息和反馈信息的传输。远程控制的方法很多，所采用的手段也多种多样，如Internet，异步串行通信，微波技术，计算机总线，局域网等。昀近十几年来，随着Internet技术的不断成熟，越来越多的研究人员开始关注基于Internet的远程控制系统的研究。Internet作为世界上规模昀大、应用昀广泛的计算机网第1章  绪论  2络，具有自己独特的优点：（1）Internet网络设施提供了价格低廉且方便快捷的通信线路，大大降低了远程操作系统的成本；（2）不受地理条件的限制，不受一些硬件关键技术的影响，灵活性较强；（3）安装维护费