1、上海大学学士学位论文1目录摘要 .2ABSTRACT .3第一章 绪论 .4引言 .41.1 国内外工业机器人技术研究现状及发展趋势 .51.2 论文的主要内容 .7第二章 SCARA 机器人总体设计 .92.1 SCARA 机器人本体设计 .92.2 SCARA 机器人控制单元设计 .11第三章 系统开发环境与相关技术 .133.1 嵌入式实时操作系统 .133.2 嵌入式实时系统操作系统的对比 .153.3 Reworks 系统简介 .173.3.1 ReDe 开发的基本流程 .18第四章 SCARA 机器人运动学动力学研究与轨迹规划 .204.1 SCARA 机器人运动学 .204.1.
2、1 SCARA 机器人的运动学正解 .204.1.2 SCARA 机器人的运动学逆解 .224.2 操作臂的雅可比 .244.3 SCARA 机器人动力学研究 .264.4 SCARA 机器人轨迹规划研究 .30第五章 控制软件的设计 .365.1 界面的编写 .365.1.1 GTK+图形编程语言简介 .365.1.2 SCARA 机器人的控制界面 .365.2 指令模型设计与实现 .415.2.1 机器人语言 .415.2.2 解释模块 .445.2.3 编译模块 .475.2.4 执行模块 .505.3 程序编译运行 .51第六章 总结与展望 .55致 谢 .56参考文献 .57上海大学
3、学士学位论文2基于嵌入式控制器的机器人控制软件设计摘要工业机器人技术已经成为衡量一个国家制造和科技水平的重要标志，是一门涉及多领域的交叉前沿学科。而工业机器人控制器在机器人控制系统中占核心地位，其设计优劣决定了机器人控制性能的好坏，同时也影响着机器人使用的方便程度。随着国民经济的发展，产业水平的升级，我国对工业机器人的需求从数量上较以前有了大幅提高。采用国产器件，针对具体的应用对象，研究和设计工业机器人，是提高工业机器人的自主知识产权的关键因素。基于以上种种原因，提出了本课题。本文设计了一种基于 Reworks 嵌入式实时操作系统的 SCARA 机器人控制软件。首先介绍了 SCARA 机器人的
4、总体设计，包括机器人的本体设计及控制单元设计。通过比较分析几款嵌入式实时操作系统，阐述了选用国产的 Reworks 系统的优势。本文针对 SCARA 机器人进行了运动学正逆解分析、动力学的研究并完成了 SCARA 机器人的轨迹规划。介绍了 SCARA 机器人控制系统的结构和控制任务，在 ReDe 开发环境中进行 SCARA 机器人控制软件的设计，完成了控制软件界面的编写，分析了机器人语言，完成了指令解释器的设计，指令解释器包括了解释模块、编译模块、执行模块。并通过 ReDe 开发环境中的仿真器来验证程序编写的正确性。关键词：SCARA 机器人 嵌入式 Reworks 编译器上海大学学士学位论文
5、3ABSTRACTIndustrial robot technology， is a frontier science involving many subjects， has become a measure of a countrys technological level of manufacturing standards and an important symbol. Industrial robot controller represents the central position in robot control system. The quality of its desi
6、gn determines the overall behavior of the robot system and the overall pros and cons. It also affects the use of robots. With the development of the national economy, Chinas demand is higher for industrial robots in terms of quantity or quality. Using domestic devices, researching and designing spec
7、ial industrial robots are the ky factor to improve intellectual property rights of industrial robots. For these kinds of reasons, the subject has been brought up.This paper presents a domestically embedded real-time operating system Reworks for developing software of controlling SCARA robot. This pa
8、per describes the overall design of SCARA robots, including the body design and the design of the robot control unit. This SCARA robot hardware platform uses TIs OMAP-3530 as a core processors. Through a comparative analysis of several embedded real-time operating systems, this paper choose the dome
9、stical system: Reworks. The article also carried outinverse kinematics analysis, dynamics studies and trajectory planning for the SCARA robot kinematics. And it also introduced doing SCARA robot control software design in ReDe environment and completing the software interface. This article also intr
10、oduced the structure of SCARA robot control system, and analyzed the robot language,its interpretation, compilation and execution module. And using the simulator of ReDe environment to verify the correctness of the program written.Keywords: SCARA Robot Embedded Reworks compiler上海大学学士学位论文4第一章 绪论引言工业机
11、器人技术是一门高度交叉的前沿学科，代表了机电一体化技术的最高研究成果，涉及计算机技术、微电子技术、电气工程、机械工程、传感技术、自动控制理论及人工智能等多门学科，现如今，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。工业机器人在工业生产中一般用于代替人做一些单调、频繁、长时间作业的工作，或是危险、恶劣环境下的作业，主要职能一般是搬取和装配零件，在微电子制造业、塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域得到广泛的应用，它有利于提高生产自动化水平、劳动生产率和经济效益、保证产品质量、保障人身安全、改善劳动环境，减轻劳动强度、节约原材料消耗以及降低生产成本。工业机器人是
12、对人的特长以及机械的特长进行综合，最后得出的一种拟人的电子机械装置。它能对当前环境状态进行快速响应，同时它具备分析问题的能力，而且工业机器人具有可长期工作、准确度高、耐恶劣环境的优点。基于这些优点，工业机器人在工业生产和工业服务中发挥着越来越大的作用，同时也推动着社会的不断进步 1。1978 年，日本山梨大学牧野洋发明 SCARA，该机器人具有四个轴和四个运动自由度。SCARA 即 Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文译名：选择顺应性装配机器手臂）是一种圆柱坐标型的特殊类型工业机器人。SCARA系统在 x，y 方向上具有顺从性，而在 Z 轴方向具
13、有良好的刚度，此特性特别适合于装配工作；SCARA 的另一个特点是其串接的两杆结构，类似人的手臂，可以伸向有限空间中作业然后收回，适合于搬动和取放物件，如集成电路板等。它的主要职能是搬取零件和装配工作。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展，机器人的应用领域越来越广泛。SCARA 工业机器人具有高度的灵活性和通用性，已在电子、半导体、医药制药、汽车、生活消费品等行业获得了广泛的应用。目前生产中应用比较普及的工业机器人有美国 Adept 公司的工业机械臂，例如平面关节（SCARA 型） AdeptOne 机械臂有 4 个运动轴，前两个运动轴确定 X-Y
14、平面内坐标，第 3 个运动轴沿 Z 轴方向作直线运动，第 4 个运动轴调整工具的角度。Adept 的 SCARA 型机械臂机构设计简洁，具有速度快、精度高、柔性好等优点，世界上已经有超过 5000 个应用实例。日本安川公司的 Motoman 系上海大学学士学位论文5列工业机械臂在实际生产中应用也较为广泛，其中的 SV3 系列垂直多关节机器人具有 6 个自由度，前 3 个关节用来确定机器人末端的位置，后 3 个关节确定末端的姿态，与 4 自由度的 SCARA 型机械臂相比具有更为广阔的工作空间和更大的灵活性。此外，还有瑞士 ABB 公司的系列工业机械臂等。随着国民经济的发展，我国对工业机器人的需
15、求无论从数量上还是从质量上都有较高的要求，采用国产器件，针对具体的应用对象，研究和设计专用工业机器人，是提高工业机器人的自主知识产权及国产率关键因素 2。1.1 国内外工业机器人技术研究现状及发展趋势从机器人诞生到本世纪 80 年代初，机器人技术经历了一个缓慢、长期的发展过程。到 90 年代初，随着计算机技术，网络技术、微电子学技术，制造业的发展，机器人技术也得到了提升，各种的工业机器如雨后春笋般涌现。随着工业机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个
16、人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术(RT)概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术(RT)的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统”。国外的工业机器人已经作为通用的标准设备广泛应用于各行各业。比较著名的工业机器人公司有瑞典的 ABB，日本的发那科，川崎，美国的 Adept。德国库卡等等。机器人产业将成为继汽车、计算机之后的一种新的高新技术产业。据联合国欧洲经济委员会和国际机器人联合会统计，世界机器人市场具有良好发展趋势。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备前景很
17、被看好，从 20 世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的势头，已成为自动化装备的主流。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。像国际上著名公司 ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。目前，日本、意大利、德国、欧盟、美国等国家产业工人人均拥有工业机器人数量位于世界前列，全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手
18、段。上海大学学士学位论文6图 1.1 FANUC 机器人 图 1.2 ABB 机器人我国工业机器人起步于上世纪 1970 年初期，经过 20 多年的发展，大致经历了 3 个阶段：70 年代的萌芽期，80 年代的开发期和 90 年代的适用化期。1970 年我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于 1972年开始研制自己的工业机器人。进入 80 年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了
19、示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986 年国家高技术研究发展计划（863 计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从 90 年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装和码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和
20、国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论 3。我国在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家 20世纪 80 年代初的水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。其次，中国的工业机器人仍未形成自己的品牌。在中国，虽然已经拥有一批企业单位从事工业机器人的研究开发，但都未形成规模，在国际市场上仍缺乏品牌认知度。于此同时，工业机器人很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。上海大学学士学位论文7目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统
21、的方向发展，国内外机器人技术领域的发展趋势主要为以下几个方面:1.结构的模块化和可重构化。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市;2.控制技术的开放化、PC 化和网络化。器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性;3.伺服驱动技术的数字化和分散化。微处理器(特别是数字信号处理器一 DSP)技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展加速了伺服驱动技术的进步。4.多传感器融合技术的实用化。工业机器人除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还应用了视觉、
22、力觉等传感器，同时往往还采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;5.工作环境设计的优化和作业的柔性化。随着先进制造技术的发展，工业机器人正在成为高度柔性、高效率和可重组装配、制造和加工系统中的生产设备。而面向先进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系统中，不仅有多机器人的集成，还有机器人与生产线、周边设备、生产管理系统以及人的集成;6.系统的网络化和智能化。如当代遥控机器人系统致力于完整的远程监控遥控操作系统的建设，而“专家系统”等智能系统的使用结合多传感器融合技术可实现工业机器人对外部环境和对象的自适应;7.机器人化机械开始兴起。从 1994 年美国开发出
23、“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域 4。1.2 论文的主要内容本课题来源于上海市科委的科技成果转化和产业化领域的“高速可靠精密多轴伺服机械手及关键部件的技术开发与应用研究”项目。论文的主要内容是:首先介绍了本课题中 SCARA 机器人总体设计，然后给出了 SCARA 机器人模型，通过对 SCARA 机器人机械本体的描述，推导出 SCARA 机器人的运动学正反解算法公式，为了提高控制精度，对 SCARA 机器人进行动力学分析，并进行了连续轨迹控制规划。其次介绍比较了几种嵌入式实时操作系统，最终选用了国产的 Reworks 实时操作系统，并针对
24、SCARA 机器人控制系统的结构和控制任务，对 Reworks 操作系统进行裁剪，探讨 Reworks 操作系统的核心特征，在 Reworks 和 C 语言编程工具 REDE 的支持下，编写机器人语言编译器及运动控制函数库，将复杂的控制任务分解为若干个完成单一功能的模块，降低程序之间的藕合度，使设计的软件具有结构化、模块化的特征，为软件的开放性奠定基础。编写 SCARA 机器人的嵌入式控制系统软件，设计友好的人机用户界面，测试控制系统的软件，检验其软件的开放性。上海大学学士学位论文8论文第一章阐述了研究背景、以及国内外发展情况，第二章介绍了 SCARA机器人的总体设计，第三章介绍了系统的开发环
25、境，第四章介绍了 SCARA 机器人的运动学动力学算法及其轨迹规划，第五章介绍了控制软件的交互界面以及指令模型设计与实现，软件设计部分的框架如图 1.1 所示。软 件 交 互 界 面指 令 解 释 器解释模块编译模块执行模块轨 迹 规 划 器 运 动 学 、 动 力 学算 法图 1.1 软件框架上海大学学士学位论文9第二章 SCARA 机器人总体设计SCARA 机器人从构成上可分为机器人本体和机器人控制单元两大部分，其内部框图如图 2-1 所示。在机器人本体中，X 轴和 Y 轴为水平轴，共同完成机器人手臂前端的水平方向移动；安装在 Y 轴前端的是垂直轴 Z 轴，通过伺服电机驱动滚珠丝杠实现旋转
26、直线运动的变换，进而实现机器人手臂前端的垂直方向运动。为了实现更多的功能，还需要在滚珠丝杠先端增加旋转轴 R 轴，将吸盘等工具安装在 R 轴上；机器人控制部分内包含了驱动板卡和控制器，驱动板卡用以驱动各轴电机，控制器实现机器人轨道规划等功能。控制器通过通讯或逻辑接口形式与驱动板卡连接，完成规定的位置伺服运动控制。控制器驱动板卡电 机X电 机Y电 机Z电 机R减 速 器减 速 器减 速 器减 速 器滚 珠 丝 杆手 爪控 制 单 元 机 器 人 本 体图 2.1 SCARA 机器人内部框图2.1 SCARA 机器人本体设计工业机器人根据机械结构和坐标系特点可分为直角坐标型(3P)、圆柱坐标型(R
27、2P)、球坐标型(2RP)和关节坐标型(3R)的机器人，关节坐标型机器人的结构类似于人手臂，其位置和姿态完全由旋转运动实现，而平面关节型机器人，即 SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)机器人可看作关节坐标型机器人的特例。SCARA 机器人具有四个关节，三个旋转关节轴线相互平行，实现平面内定位和定向，此外，附加一个滑动关节，实现末端件垂直运动。它最显著的特点是在水平方向上的运动具有较大的柔性，而垂直方向具有很强的刚性，这种选择性的柔性，被广泛用于高效率的装配、焊接、密封和搬运等领域。同时，它还具有动作快、重复精度高、部件少、多种安装方式、基
28、本免维修等优点。目前，SCARA 机器人已有较多成熟的产品，由于它具有高刚性、高精度、高速度、安装空间小、设计自由度大等优点，可以根据应用要求组装成桌面焊上海大学学士学位论文10接机器人、点胶机器人、光学检测机器人、拿放机器人、插件机器人，完成高效率的装配、焊接、密封、搬运和拿放等动作。本课题拟开展研究工作的 SCARA 机器人如图 2.2、图 2.3 所示。它具有 4自由度、适用于多品种小批量方式的工业装配生产中。图 2.2 SCARA 机器人建模图 2.3 SCARA 机器人人实体该 SCARA 机器人有以下几种运动结构形式：(1)底座转动机构：布置在基座上的伺服电机 M1 带动大臂的转动。大臂的转动范围大致为 120度。电机 M1 上装有一级 RV 齿轮减速器，当电机 M1 转动时带动大臂实现回转运动 。(2)小臂旋转机构：
