搬运机器人智能控制系统的设计

申请上海交通大学硕士学位论文搬运机器人智能控制系统的设计学校：上海交通大学院系：机械与动力工程学院班级：B110209B学号：1110209299硕士生：原焕林专业：机械工程导师：栾楠（副教授）上海交通大学机械与动力工程学院2013年12月26日ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterDoctorDESIGNFORINTELLIGENTCONTROLSYSTEMOFTRANSFERROBOTAuthor：YuanHuanlinSpecialty:MechanicalEngineeringAdvisor:Prof.LuanNanSchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaDecember26,2014上海交通大学硕士学位论文第I页搬运机器人智能控制系统的设计摘要搬运机器人作为一种典型工业机器人，广泛应用于化工、食品加工、包装物流行业等诸多领域，并向其他领域不断延伸、发展。且伴随着自动化水平的不断提高，对其柔性、作业能力及智能性等都提出了更高的要求。搬运机器人性能的优劣和智能化水平的高低，在很大程度上是由作为机器人神经中枢和大脑的控制系统决定的。随着计算机技术和现场总线技术的不断发展，可扩展、可移植、可互联、更易于集成的开放式控制系统已成为控制系统发展的趋势。本学位论文以高速重载搬运机器人智能控制系统作为研究对象，基于机器人技术在实际搬运作业中的应用，将当前流行的运动控制系统与具体的搬运作业控制相结合进行研究分析。控制系统整个硬件平台具有开放式的体系结构，设计基于模块化、标准化，根据功能的不同划分为六个不同模块，采用标准总线结构，利用工业以太网进行通信，从而使得搬运机器人控制系统具有开放程度高、更易于集成、通用性好、方便维护等优点。控制系统软件部分在WinCE平台上开发，设计基于模块化、标准化，在兼顾通用型的同时，针对特定作业设计友好界面，确保使用简单方便，上海交通大学硕士学位论文第II页能够实现任务规划、运动控制、示教编程、文件管理、状态监控、网络通信等多种功能，同时支持CAN总线、工业以太网等几种最常见的通信方式；结合相应的3D图形化仿真编程工具，能够实现机器人控制系统的一体化编程。最后，通过示范应用，表明设计的搬运机器人智能控制系统能够满足工业自动化的需求。关键词：机器人；智能；控制系统；模块化上海交通大学硕士学位论文第III页DESIGNFORINTELLIGENTCONTROLSYSTEMOFTRANSFERROBOTABSTRACTTransferrobotasakindoftypicalindustrialrobotarewidelyusedinfoodindustry,machineryprocessingindustryandpackagingindustry,etc,andrapidlyextendedtomanyotherareas.Andalongwiththecontinuousimprovementofautomationlevel,peopleputforwardhigherandhigherrequirementsabouttherobot’sflexibility,operationabilityandintelligence,etc.Thetransferrobot’sperformanceandintelligencelevelisdecidedbythecontrolsystemtoagreatextent,whichisthenervecenterandbrainoftherobot.Especiallyasthecomputertechnologyandthefield-bustechnologydevelopcontinuously,rapidlyanddeeply,opencontrolsystemwhichmeansmoreextensible,moreportableandeasiertointegratehasbecomethenewestdevelopingtrendoftherobot’scontrolsystem.Withhigh-speedheavy-loadhandlingrobotintelligentcontrolsystemastheresearchobject,thisdissertationcombinestherobottechnologywiththeactualtransferjobapplicationforfurtherstudyanddrill-downanalysis.Thewholehardwareplatformofthecontrolsystemwiththestructureof上海交通大学硕士学位论文第IV页openmode,basedonamodularandstandardizeddesign,isdividedintosixdifferentpartsaccordingtothedifferentfunctionofeachmodule.TheplatformwithastandardcommonbusstructuremakesuseofindustrialEthernetforcommunication.Allthosedesignmakethetransferrobotcontrolsystemhashighopenness,easeofintegration,highuniversality,andconvenientmaintenance,etc.ControlsystemsoftwarepartdevelopedonWinCEplatform,withthemodularandstandardizeddesign,cansatisfybothuniversalandspecificjob.Atthesametime,italsohasaveryfriendlyinterfacetoensurethattherobotissimpleandconvenienttouseforthedomesticconsumer.Itcouldachievethefilemanagement,missionplanning,teachingprogramming,conditionmonitoring,networkcommunicationandotherfunctions,etc.MeanwhileitsupportsseveralofthemostcommonwayofcommunicationssuchCANbus,industrialEthernetandPROFIBUS,etc.Combinedwiththecorresponding3Dgraphicalemulationalprogrammingtools,itcanrealizetheintegrationofthecontrolsystem’sprogramming.Finally,throughthedemonstrationapplication,itshowsthatthedesignedintelligentcontrolsystemforTPRtransferrobotcansatisfytheactualneedsofindustrialautomation.Keywords:Robot;Intelligent;Controlsystem;Modular上海交通大学硕士学位论文第V页目录搬运机器人智能控制系统的设计.............................................................................................................I摘要........................................................................................................................................................IABSTRACT...............................................................................................................................................III第一章绪论.........................................................................................................................................11.1引言.........................................................................................................................................................11.2研究背景及意义.....................................................................................................................................11.3国内外发展现状....................................................................................................................................21.3.1搬运机器人发展现状.....................................................................................................................21.3.2机器人控制系统发展现状.............................................................................................................51.4本文主要研究内容和章节安排............................................................................................................71.5小结........................................................................................................................................................8第二章搬运机器人运动学与动力学分析.............................................................................................92.1引言.................................................................................