SCARA机器人及其远程控制系统的研究

工学硕士学位论文SCARA机器人及其远程控制系统的研究孟凡轮哈尔滨工业大学2008年12月-国内图书分类号：TP242.6国际图书分类号：621.3工学硕士学位论文SCARA机器人及其远程控制系统的研究硕士研究生：孟凡轮导师：曹勇副教授副导师：夏毓鹏副教授申请学位：工学硕士学科、专业：机械电子工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2008年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.6U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringRESEARCHOFSCARAROBOTANDITSREMOTECONTROLSYSTEMCandidate:MengFanlunSupervisor:AssociateProf.CaoYongAssociateSupervisor:AssociateProf.XiaYupengAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechatronicsEngineeringAffiliation:ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence:December,2008Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文I摘要机器人在工业生产中得到了广泛的应用，其中SCARA机器人应用非常广泛。本文首先以SCARA机器人为对象，采用机器人杆件参数表示法--D-H方法建立了SCARA机器人的D-H连杆坐标系和杆件参数，通过齐次坐标变换建立其运动学模型包括正运动学方程，求解逆运动学方程时采用了简单直观的几何法求解，避免了通常采用的逆乘矩阵法，并建立了雅可比矩阵；研究了机器人直线和圆弧插补算法，并在VC++环境下实现了机器人的直线、圆弧插补运动控制功能。在动力学方程的基础上，对SCARA机器人的时间昀优轨迹规划进行了研究，给出了SCARA机器人的时间昀优轨迹规划算法，具有较高的应用价值。现有的机器人远程控制系统大多以PC作为平台，PC是没有针对性的通用平台，冗余度多，成本高，也容易遭受病毒攻击。本文对以嵌入式系统为载体对机器人远程控制系统进行初步研究，并以SCARA机器人为远程控制系统的具体对象，把机器人控制机作为服务器端，在VC++环境下使用socket技术实现了服务器端程序；把嵌入式系统作为远程客户操作端，裁减了Linux内核，在嵌入式系统上移植了QT软件环境，使用socket技术实现了远程客户端程序，初步开发出基于嵌入式系统的机器人远程控制系统。以开源操作系统为软件基础，通过简单、便携、低成本的嵌入式控制终端实现机器人的远程控制。本课题的研究对形成自主知识产权和核心竞争力的远程控制系统，具有重要意义。关键词SCARA机器人；时间昀优轨迹规划；远程控制哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractRobotsarewidelyusedinmodernmanufactory，andSCARArobotisacommonone.Firstly,weapplythetraditionalD-HnotiondenotedrobotpoleparametertobuildtheSCARArobotD-Hcoordinatesystemandparameter,andthenbuildkinematicsmodelincludingpositivekinematicsequation,inversekinematicsanalysisusinggeometricmethodwhichiseasiertounderstandandsimplertocanlucatethanmatrixmethod.Atlast,wegetJacobimatrix.LineandarcinterplationalgorithmisstudiedandachievedinVC++environment.Time-minimumtrajectoryplanningmethodisalsoresearched.Andatime-minimumtrajectoryplanningmethodforSCARArobotbasedondynamicequationinphaseplaneisgiven.Thismethodcanbeappliedinmodernmanufactory.MostoftheexistingrobotremotecontrolsystemsaredevelopedonPCplatform.PCisauniversalplatform,anditisredundant,high-cost,andeasytobeattackedbyvirus.InthisthesisRobotremotecontrollerispreliminarystudied.Embeddedsystemisusedasthecarrieroftherobotremotecontrolsystem.Intheromotecontrolsystem,robotmachineworksasaserverandembeddedsystemworksasaclient.Inserver,commucationprogramisdesignedandachievedinVC++environment.Inclient,Linuxisusedastheoperationsystem,andtheLinuxkernelisreducted.QTsoftwareistransplantedandremotecontrolprogramisachievedusingsockettechnology.Remotecontrolsystembasedonembeddedsystemisinitiallydeveloped.SinceLinuxisanopensourcesoftware,wecanuseasimple,portableandlow-costembeddedcontrolterminalstorealizetheremotecontrolleroftherobot.Andopen-sourceoperatingsystemsoftwareisofgreatsignificancetoourownpropertyrightsandcorecompetitiveness.KeywordsSCARArobot,time-optimaltrajectoryplanning,remotecontrolII哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要...................................................................................................................IAbstract...........................................................................................................II第1章绪论..................................................................................................11.1课题研究背景........................................................................................11.2国内外的发展与应用.............................................................................21.2.1机器人的现状和应用......................................................................21.2.2远程机器人的现状..........................................................................31.3本课题的来源、研究目的及意义..........................................................71.4机器人控制系统整体方案......................................................................71.5研究内容.................................................................................................8第2章机器人运动学分析...........................................................................92.1概述........................................................................................................92.2D-H坐标系的确定和A矩阵....................................................................92.3SCARA机器人运动学分析...................................................................112.3.1SCARA机器人正运动学分析........................................................112.3.2SCARA机器人逆运动学分析........................................................142.4SCARA机器人末端速度与关节速度的关系........................................162.5本章小结..............................................................................................18第3章机器人轨迹规划.............................................................................193.1引言......................................................................................................193.2关节空间轨迹规划...............................................................................193.3直角坐标空间轨迹规划.......................................................................203.3.1直线插补算法...............................................................................213.3.2平面圆弧插补算法...............................