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五自由度機械臂網絡化遠程控制系統的設計與實驗

添加時間:2021/07/14 來源:未知 作者:樂楓
本文根據五自由度直角坐標折彎機器人,進行包括運動分析、軌跡規劃及遠程控制等關鍵技術在內的研究與實驗。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  鈑金件折彎是工業生產中一種重要的加工方法,折彎工藝在很大程度上決定了鈑金件的最終質量和折彎精度。目前,制造業正朝著信息化和自動化的方向發展,隨著機器人技術的日益成熟,它們不止是工業制造中的勞動力,更可以完成一些危險且具高難度的任務。同時,與機器人相關的課題一直是研究熱點,如路徑規劃、運動和協同控制等。隨著現代企業對采用機器人配合折彎機進行折彎作業的需求逐漸增高,本文對五自由度機械臂的折彎操作進行研究,并在此基礎上,以互聯網為媒介搭建了網絡化遠程控制系統,從而實現了遠程控制機器人進行折彎加工的目的,提高了機器人折彎工藝的智能化和自動化程度。

  本文根據五自由度直角坐標折彎機器人,進行包括運動分析、軌跡規劃及遠程控制等關鍵技術在內的研究與實驗。具體如下:

  首先,對五自由度機械臂的總體結構設計進行闡述,并搭建五自由度直角坐標折彎機器人硬件平臺。針對折彎機器人控制系統所用到的伺服驅動器和運動控制卡,進行軟件調試與系統控制程序的編寫。

  其次,對機器人折彎工藝路徑規劃進行研究,通過建立五自由度直角坐標折彎機器人連桿坐標系,得到 D-H 參數并進行相關的運動學分析,求得機器人運動學方程。在此基礎上再對機器人實際折彎工藝中的折彎路徑進行程序編寫。

  之后,對機器人運動軌跡在關節空間和笛卡爾空間中分別進行運動規劃。利用多項式插補規劃運動過程中的關節速度,利用分段函數組合正弦函數規劃在無障礙物環境中的折彎軌跡,利用基于隨機樹思想改進的人工勢場法規劃在有障礙物環境中的避障軌跡。通過數學模型并應用 Matlab 軟件來驗證上述算法對機器人進行折彎加工運動的可行性。

  最后,使用物聯網技術和 Python 開發技術通過網絡服務器將各類終端與五自由度機械臂進行結合,實現基于物聯網的機器人遠程控制,并通過實驗進行驗證。

  關鍵詞: 五自由度機器人,運動控制,軌跡規劃,網絡化遠程控制

機器

Abstract

  Sheet metal bending is an important processing method in industrial production, and thebending process largely determines the final quality and bending accuracy of sheet metal parts to agreat extent. At present, the manufacturing industry is developing towards the direction ofinformatization and automation. With the increasingly mature application of robot technology, theyare not only the labor force in industrial manufacturing, but also able to complete some dangerousand difficult tasks. Due to the continuous development of industrial robots towards automation, thetopics related to robots have been the focus of research, such as path planning, motion andcooperative control. With the increasing demand of modern enterprises for using robot to cooperatewith bending machine for bending operation, this paper studies the bending operation of thefive-degree-of-freedom manipulator, and on this basis, a networked remote control system is builtusing the internet as the medium, so as to realize the purpose remotely controlling the robot, andimprove the degree of intelligence and automation of the robotic bending process.

  Based on the five-degree-of-freedom rectangular coordinate bending robot, this paper conductsresearch and experiments including key technologies such as motion analysis, trajectory planning,and remote control. Specifically as follows:

  Firstly, the overall structure design of the five-degree-of-freedom manipulator is described, andthe hardware platform of the five-degree-of-freedom rectangular coordinate bending robot is built.

  According to the servo driver and motion control card used in the control system of bending robot,software debugging and system control program writing were carried out.

  Secondly, the robot bending process path planning is studied. By establishing thefive-degree-of-freedom rectangular coordinate bending robot connecting rod coordinate system, theD-H parameters are obtained and the relevant kinematics analysis is carried out to obtain the robotkinematics equation. On this basis, the bending path in the robot bending process is programmed.

  After that, the motion trajectory of the robot is planned in joint space and cartesian spacerespectively. Polynomial interpolation is used to plan the joint velocity in the process of motion, thebending trajectory in the environment without obstacles is planned by the combination of piecewisefunction and sine function, and the obstacle avoidance trajectory in the environment with obstaclesis planned by the rapidly-exploring random tree algorithm based on an improved artificial potential field method. Through the mathematical model and the application of Matlab software to verify theabove algorithm for robot bending processing motion feasibility.

  Finally, the Internet of Things technology and Python development technology are used tocombine various terminals with a five-degree-of-freedom manipulator through a web server torealize the remote control of robots based on the Internet of Things and verification throughexperiments.

  Key words: Five-DOF robot, Motion control, Trajectory planning, Networked remotecontrol

目錄

  第一章 緒論

  1.1 背景及意義

  1.1.1 工業折彎機器人研究背景

  20 世紀 70 年代初,工業機器人在我國開始使用和發展,"七五"期間,進行了針對工業機器人的基礎技術和部件的研究[1],完成了關于再生產工業機器人的基礎技術,其中包括了機器人的結構設計、驅動單元、控制系統、測試系統、小批量生產技術等。到 20 世紀 80 年代,為了跟蹤國外工業機器人的先進技術,智能機器人的研究和開發被安排在國家"高技術研究發展計劃"中[2],并對智能控制算法、機器視覺和高性能傳感器等多方面開展了研究,且取得了一定的成就[3].90 年代初,我國開發了用于噴涂、焊接、搬運、裝配等方面的機器人。同時,視覺、力感應和其他傳感器技術還得到了相關高科技項目的支持,并開始研發應用工程。至 90 年代中期,焊接機器人被選做為研發的重點,以便快速掌握焊接機器人關鍵技術。90 年代后半期,工業機器人生產技術不斷提升,逐步實現了國產機器人的商業化。近幾年,中國的工業機器人出貨量一直處在高速增長階段,這里不僅有"智能制造 2025"的政策影響,亦有我國工業制造大國的需求驅動。數據顯示,近 5 年我國機器人市場平均增長率接近 30%[4],自 2013 年開始,我國成為全球最大的機器人市場,連續六年居全球首位,我國機器人市場未來前景可期。

  在機械加工技術中,折彎技術占據著不可或缺的重要性。隨著制造業智能化和自動化程度的不斷提高,人們對折彎加工的效率及質量要求也越來越高。在目前工業生產中,鈑金件的折彎加工主要還依賴人工配合折彎機進行折彎操作[5].而在鈑金件的折彎過程中,人工配合折彎機進行折彎操作,不僅耗費時力、效率較低,而且工件質量受工人的操作熟練程度影響;惡劣的工作環境和高強度的勞動同時也在危害著工人的健康。隨著折彎技術的不斷改進以及人工勞動成本的增加,為了提高企業的競爭力,一些企業開始將工業機器人引入到折彎加工過程中,機器人輔助自動化折彎成為行業發展的熱門趨勢,如圖 1.1 所示。

  折彎機器人是工業高速發展下的產物,同碼垛機器人、搬運機器人一樣,很大程度上幫助提高工廠的生產效率。機器人作為自動化生產流水線上不可或缺的生產設備,其發展水平已成為衡量一個國家科技水平的重要評估標準[6].工業機器人發展的方向正朝著具有人機交互、安全和智能化的方向發展。工業機器人在中國的發展起步雖說較晚,但是同時也擁有著巨大發展潛力,比如新松機器人自動化股份有限公司、安徽埃夫特智能裝備有限公司、哈爾濱博實自動化股份有限公司。國外一批頗具影響力和知名度的機器人公司,如美國的 AmericanRobot,ST 機器人公司,跨國集團 ABB,日本的 FANUC,英國的 Auto Tech Robot,德國的KUKA Roboter,Trumpf,加拿大的 Jcd International Robotics,以色列的 Robogp Tek 公司等,它們都已成為各自國家機器人產業的引領者,不斷推進機器人的深化研究,更新機器人的應用技術,促進機器人產業的發展,讓工業機器人越來越智能化、實用化。

  1.1.2 工業折彎機器人研究意義

  機器人技術是一個國家技術和工業自動化的重要標志和體現[7].隨著自動化產業的廣泛應用和智能時代的到來,機器人技術可以應用在工業生產、居民生活的方方面面。它不只提高了產品的質量、生產效率,降低了成本,同時也幫助人們避免了很多危險的情況,如救援、排爆、空間站艙外狀態檢測等。目前,從應用領域來看,工業機器人覆蓋面非常之廣,除了汽車及汽車零部件制造、鈑金加工和機械加工等領域,隨著 3C 電子、物流等行業的發展和需求的增長,工業機器人也逐步滲透到這些新興領域。

  隨著工業技術的不斷革新,鈑金件折彎已成為工業機器人發展金屬加工的重要領域。折彎機器人的工作原理是,當數控折彎機在進行工作之時,用折彎機器人(或機械臂)配合折彎機進行折彎。與以往的人工配合折彎機工作相比,采用折彎機器人配合折彎機進行折彎工藝操作具有以下幾種優點:

 。1)加工效率高,折彎機器人可以連續地進行工作,進而減少工人的工作量。尤其是對于大型板材的折彎,想要完成折彎工藝流程常常還需要很多工人的配合,因而折彎機器人可提高工作效率,一定程度上縮短加工時間。

 。2)產品加工合格率高,折彎機器相比人工具有定位精確、重復定位精度更高等優點。

  傳統人工配合折彎機進行折彎作業是需要工人使用雙手托舉鈑金件做折彎跟隨運動,產品質量受工人影響因素較大,產品質量不均一。

 。3)加工安全性強,折彎機器人與折彎機相互配合的工作機制,可以替代傳統的工人與折彎機相互配合的工作機制,可以一定程度上避免工人在加工過程中受傷,從而提高了工作中的安全性。

 。4)減少生產成本,降低工廠負荷。在鈑金件折彎加工過程中,通常需要大量的人力物力財力去完成這項工作,但是一臺折彎機器人就可以替代多名勞動工人,這樣不僅降低了企業成本,同時也提高了工作效率,解決操作人員工作量大等系列問題,且機器人更新換代周期緩慢,可通過修改程序以適應不同工件的生產,降低相應的設備投資,實現勞力轉換,邁入"無人化"生產加工時代。

  目前的鈑金加工單元主要由折彎機械臂進行上料下料、數控折彎機進行折彎以及一些輔助設備進行輔助,這種分離式的加工方式存在可靠性不高、控制協調復雜等問題,不能滿足現代工業智能化一體化的需要。所以未來折彎機器人和數控折彎機以及相關輔助設備的一體化是一大發展趨勢,而控制系統的一體化、遠程化又是另一大趨勢,如圖 1.2 所示。

  在能夠完成各種復雜鈑金工藝,不斷提高效率,增加功能的同時,簡化控制復雜度是折彎機器人未來的發展目標。且如今正值物聯網技術革命的興起,為滿足高速、自動化、個性化生產的需要,人們設想通過互聯網將機器人與上位機連接起來,實現遠程控制,為進一步挖掘機器人產業的潛在價值提供了重要途徑。同時,設備的狀態監測也是工業 4.0 的重要內容之一[8].該技術旨在通過機器人電機控制器及其外圍設備和上位機之間建立通信網絡,以實現上位機對機器人的遠程通信,滿足機器人在復雜環境中的需求,從而形成遠程控制系統,如圖 1.3 所示。網絡化遠程控制具有如下優點:

 。1)提高生產力。網絡遠程控制能夠對工廠所有的生產機械進行有效的統籌調度,提高設備之間的聯合制造的生產力。

 。2)提高安全性。網絡遠程控制能夠對所有的終端進行有效的監控,在出現問題時及時報告,提高安全性。

 。3)延伸工作空間。工程師和研究人員不用親臨現場就能遠程查看工廠的生產情況,方便對機械進行改進,對生產情況進行研究等。

  1.2 工業機器人路徑規劃算法的國內外研究現狀

  對機器人路徑規劃的研究始于 20 世紀 70 年代,機器人路徑規劃目的是在使用規劃算法的條件下,能夠在有障礙物的工作空間內,設計出一條從起點到終點的無碰撞路徑[9].在此基礎上,通過單個或多個條件相結合(如行程最短,運行時間最少,耗能最優等)為機器人提供一條最佳的規劃路徑[10].機器人路徑規劃始終作為機器人領域和自動化領域的熱點問題,其不僅要保證無碰撞路徑和最小的移動距離,而且還要在充滿障礙物的環境中提供從初始位置到目標位置的平滑可行路徑。為此國內外學者對機器人路徑規劃問題做了大量研究,且提出了多種方法。

  國外學者 Sourya Dipta Das[11]等人針對機器人能量最優路徑規劃問題,提出一種基于差分進化算法的節能路徑規劃方法,設計一個合適的代價函數來跟蹤機器人手臂關節初始和最終配置之間的最優路徑,可應用于多障礙物工作空間中的工業機器人手臂;Tse-Ching Lai[12]等人考慮到機器人末端執行器與障礙物之間的安全距離以避免碰撞,進而提出一種基于非均勻有理 B 樣條曲線的機械臂避障新方法。采用 B 樣條曲線擬合的方法尋找具有 B 樣條曲線特性的軌跡控制點,通過檢測障礙物距離來修正路徑,從而生成一條更安全的路徑;KwangjinYang[13]等人對雜亂的環境中進行不同限制條件下的規劃進行研究,將障礙物和機器人的微分約束都考慮在內,針對差分約束的移動機器人提出一種基于樣條的快速搜索隨機樹的機器人路徑規劃方法,同時處理外部約束和內部約束,該方法保證了曲線的連續性并滿足上限曲率約束;Tatsushi Nishi 和 Yuki Mori[14]將無約束運動規劃問題表述為一個能量消耗最小非線性優化問題,提出一種基于勢場的運動規劃方法,其目標是在給定機器人手臂動力學的情況下,使能量消耗和總完成時間的加權和最小。該方法在節約能源消耗的同時,優化了工件的拾取點,使總完成時間最小化;MarcoA.Contreras-Cruz[15]等人將人工蜂群算法與進化規劃算法相結合,通過一組局部過程來細化可行路徑,提出一種新的基于元啟發式方法的魯棒算法來生成由前進和旋轉組成的路徑。與經典的概率路線圖方法經過定量和定性分析,能有效的規劃路徑長度、平穩性、計算時間和成功率;P.K. Das[16]等人討論了關于多機器人的軌跡路徑規劃問題,基于四種基本原理,提出一種基于粒子群算法和差分攝動速度算法混合改進的經典 Q學習算法,來確定雜亂環境下多機器人的路徑優化軌跡算法以提高收斂性。通過修改參數和微分擾動速度,提高收斂速度和整體性能指標;Hyun Woo Kim[17]等人考慮到機械臂末端執行器的靈活性或機械臂本身的最大移動方向,提出一種基于逆向運動學和末端執行器最大運動方向的路徑規劃算法。加入奇異值分解法來優化可操作度測量,使用單位方向向量來修正末端執行器的正方向,使其能移動到目標位置。通過仿真和實驗驗證了該算法的可行性,但此方法可能不適用于閉環運動學。

  國內學者季夢玉、王蜀泉[18]等人使用近似區域而不是精確的測量來定義機械臂的狀態空間和關節動作,提出了一種基于 Q 學習的機器人手臂路徑規劃方法,并加入獎勵函數用于考慮機器人末端執行器當前位置到目標位置的距離。實驗結果表明,Q 學習方法能夠有效地規劃機器人手臂的無碰撞路徑;莊麗、馬宏斌[19]等人提出了一種用于雙臂機器人路徑規劃的變步長樹干快速搜索隨機樹(VT-RRT)算法。通過對 RRT 算法中隨機節點搜索空間的變換,根據目標位置自適應調整步長,仿真結果表明,新的改進算法與基本的快速搜索隨機樹算法相比,可以有效地提高搜索效率,減少迭代步長,縮短路徑規劃時間,同時提高魯棒性;于建均[20]等人為了簡化復雜的機械臂運動規劃,提高機械臂的智能化,提出了一種基于遞歸神經網絡的機械臂任務仿真系統,利用遞歸神經網絡對原始數據進行訓練,得到任務軌跡與機器人手臂關節角度之間的映射仿真策略。實驗結果表明,該仿真系統不僅可以簡化復雜的運動規劃,再現原任務的演示,而且可以在任務變化時通過策略泛化實現新任務的仿真;韓興國、殷鳴[21]等人利用動態模糊神經網絡求解機器人的逆運動學,在一定程度上提高了求解效率,并運用模型對 KR16-2 機器人進行復雜運動軌跡仿真,證明了該方法的求解精度和效率問題;鄭晶怡[22]等人考慮到手臂在狹窄空間中進行操作這一問題,尤其是對于有多個連桿的機械臂。為了避免碰撞,提出一種面向目標的隨機搜索的路徑規劃算法,規劃出一條平滑且相對穩定的路徑,該算法既考慮了環境中的障礙物,又考慮了運動學及動力學的內部約束,保證了曲率的連續性,但對末端執行器設置了一定的方向約束;李俊、舒志兵[23]等人提出了一種改進的樣條插值方法,結合了樣條函數和遺傳算法,解決了路徑規劃問題中復雜工作量和不能柔性運作等問題。它可以簡化方便地減少計劃量和計算量,同時也可以應用于各種類型的機器人;由于機器人軌跡規劃中關節之間復雜的非線性約束,王凱凱和萬衡[24]等人在關節空間中采用改進的五次多項式插值方法使關節在約束條件下平滑移動,運用三次 B 樣條插值對多項式插值進行排序,并通過結合高周期解決了一些實際的工程規劃問題;陶重犇[25]等人通過采用柵格法建立搬運機器人的工作環境模型,并將改進的貪心算法與遺傳算法相結合,改變了柵格系數和模擬退火系數的傳統定義,并針對貪心算法中一直難以解決的局部收斂問題,而提出了改進的模擬退火算法;孫煒[26]等人提出了一種針對全局路徑規劃問題改進的 A*算法,針對 A*算法規劃路徑產生的冗余點、路徑長度和轉折角度較大等問題,提出將 A*算法規劃出的路徑按較小的分割步長進行劃分,以此獲得一系列的路徑節點,結果表明,該算法能有效地減小路徑長度和轉折角度;程志[27]等人提出了一種改進的人工勢場法,將機器人前進的方向向量、對斥力的生成和計算機制進行了調整以解決其處于局部最小點情況下無法繼續規劃路徑的問題;繆新[28]研究了機器人磨削自動化控制技術,對力/位混合控制技術及最優軌跡規劃方法進行了著重研究。

  1.3 工業機器人網絡化遠程控制國內外研究現狀

  隨著當下計算機技術和網絡技術的高速發展,有效地促進了機器人遠程控制技術的創新。

  目前,在已知環境下,通過某些技術(如視覺技術、磁道導航等),能夠讓機器人在一定程度上實現自主控制。而在一些復雜的環境與艱巨的任務作業中,為減少一些潛在危害的發生,就必須對機器人采用遠程控制。因此,對工業機器人在安全可靠和即時的控制這兩方面提出了非常高的要求[29].

  國外學者 Viktor N. Sheludko[30]等人提出了一種基于技術視覺的群協作機器人分散控制系統,該系統通過遠程工作站接收信號進而控制機器人移動,可以通過互聯網實時跟蹤機器人的軌跡。且服務器可為多個用戶提供遠程訪問權限,并可接收多臺計算機的控制動作;PutovA.V. [31]等人將基于客戶機-服務器模型和數據傳輸協議加入機器人定位和控制系統中,允許通過本地網絡或因特網實現對機器人的控制操作;Teodorescu R M[32]等人利用 XBEE 無線通信技術實現移動平臺與遠程控制設備之間的雙向通信,XBee 無線模塊一般應用于工業、科學和醫學頻段(2.4GHz 或 868MHz),通過 Labview 軟件實現控制功能的開發和運行;AdityaSundaram[33]等人采用標準協議和人機接口,使用 web 瀏覽器,使遠程用戶可以通過 Internet提供的視覺反饋中控制移動機器人在封閉空間中運動,并討論了一種基于云計算的網絡化機器人系統的實現和性能分析;Jan Nádvorník 和 Pavel Smutn?[34]在 Eclipse 集成開發環境中開發了 Android 操作系統的移動應用程序,并使用 Lego Mindstorms 構建工具包,基于無線藍牙技術實現移動機器人的手動控制。

  國內學者陳偉、李向東[35]等人搭建了一種移動機器人遠程控制系統,該系統通過使用指令檢驗方式以及反饋控制機制,實現對機器人的可靠控制;范家璐[36]等人為了克服無線通信對運行性能的負面影響,創造性的研究了一類工業過程中基于無線網絡的運行優化與反饋控制。提出一種集丟包和噪聲于一體的無線通信模型,將無線傳感器網絡引入到雙層工業運行控制結構中,對運行層現有的以太網進行補充;賀人文和劉霞[37]通過將機器人控制器與TCP/IP 協議進行通信,其控制系統采用面向對象設計的 C#編寫的 IRC5 控制器,實現了直接通過以太網的 ABB 型機器人的遠程控制;王魁生[38]等人針對移動終端之間無法進行遠程控制的問題,提出了一種基于 Android 平臺的遠程控制系統。通過客戶端-服務器模型,遵循Android 應用規范,采用 Java 語言開發的遠程控制平臺;周?、丑武勝[39]等人針對當下物聯網結合機器人技術這一熱門趨勢,設計了基于云平臺的移動機器人遠程控制系統。用戶可以通過運行 Android 手機應用程序實現移動機器人的遠程運動控制,且該系統響應速度快,性能穩定,達到了遙控要求;王賽和劉子龍[40]二人通過 4G 無線通信技術實現了移動機器人的遠程監控系統,并提出后續可與 5G 模塊和 5G 手機終端相連以降低傳輸數據延遲。

  1.4 論文研究內容及創新點

  本文首先就目前國內外存在的工業機器人與折彎機相配合的方式方法,進行了大量的調研和分析,針對一些機器人工作中所存在的配合效率低、自由度不高、實用性不強等問題,設計出五自由度直角坐標機器人。其次,對所設計出的五自由度直角坐標機器人搭建軟硬件平臺。并對機器人的折彎運動過程的路徑進行算法規劃分析和仿真。最后,通過物聯網技術搭建網絡化遠程控制平臺,為以后的實驗驗證提供基礎。本文具體研究內容如下:

 。1)根據自主設計的五自由度直角坐標折彎機器人,選擇相應的伺服電機、伺服電機驅動器、運動控制卡和工業主機,闡述控制系統的設計結構,并完成硬件平臺和電氣控制柜的搭建。根據所選的伺服電機和運動控制卡,通過對應的軟件,分別完成對伺服電機和運動控制卡的調試,實現通過運動控制卡完成對伺服電機的運動控制。

 。2)分析國內外機器人路徑規劃和折彎隨動的相關技術,針對實驗室自主設計的五自由度直角坐標折彎機器人建立坐標系,根據 D-H 參數法對其進行運動學分析,之后對機器人折彎操作建立數學模型,并編寫折彎隨動程序。

 。3)對機器人運動軌跡在關節空間和笛卡爾空間中分別進行運動規劃。應用多項式插補規劃運動過程中的關節速度,應用分段函數組合正弦函數規劃機械臂跟隨鈑金件進行折彎工藝的折彎軌跡,應用基于隨機樹思想改進的人工勢場法規劃在有障礙物環境中的避障軌跡。

  通過數學模型并應用 Matlab 軟件來驗證上述算法對機器人進行折彎加工運動的可行性。

 。4)為實現對機器人位置坐標、機器人運行速度的實時顯示,實現對機器人的點動運動、定長運動、點位示教運動的實時控制,以及對機器人運行過程中的報警信息、設備開機率、設備運行時長等進行統計分析,采用 B/S 架構,基于 python 語言和 Mysql 數據庫進行開發,采用 TCP/IP 通訊協議實現和機器人的數據交互,進而實現五自由度機器人遠程控制系統的搭建。

  本文的主要創新工作有以下幾部分:

 。1)針對鈑金件折彎工藝的技術現狀,對實驗室已有的五自由度直角坐標折彎機器人的路徑規劃進行研究。針對折彎機器人的折彎隨動工藝流程,利用分段函數組合正弦函數規劃機械臂跟隨鈑金件進行折彎工藝的折彎軌跡,運用基于隨機樹思想改進的人工勢場算法對障礙物環境中的避障軌跡進行運動規劃和仿真,且應用于鈑金件的實際折彎操作。

 。2)設計機械臂網絡化遠程控制系統,實現遠程客戶端與服務器的數據交互和控制操作。

  1.5 論文總體結構

  第一章,首先闡述工業機器人在工業生產領域的價值和意義,針對工業機器人目前的技術現狀,如軌跡規劃和遠程控制等展開綜述,對其在鈑金件折彎領域的國內外現狀進行詳細的探討。

  第二章,詳細闡述了自主設計的五自由度直角坐標折彎機器人的機械結構及各項參數,選擇相應的伺服電機、伺服電機驅動器、運動控制卡,闡述控制系統的設計結構,并完成硬件平臺和電氣控制柜的搭建。根據所選的伺服電機和運動控制卡,通過對應的軟件,分別完成對伺服電機和運動控制卡的調試。并在運動控制卡軟件中編寫模塊化程序,實現通過運動控制卡完成對伺服電機的運動控制。

  第三章,針對鈑金件折彎工藝的技術現狀,并結合工業機器人的運動特性,對實驗室已有的五自由度直角坐標折彎機器人的路徑規劃進行研究,根據 D-H 參數法建立機器人坐標系,求解機器人運動學方程,再根據運動方程編寫程序實現其自動折彎操作。

  第四章,運用插補法和基于隨機樹思想改進的人工勢場算法分別對所建立的數學模型進行軌跡規劃和仿真,并將其應用于鈑金件的實際折彎操作。

  第五章,為實現對機器人位置坐標、機器人運行速度的實時顯示,實現對機器人的點動運動、定長運動、點位示教運動的實時控制,以及對機器人運行過程中的報警信息、設備開機率、設備運行時長等進行統計分析,采用 B/S 架構,基于 python 語言和 Mysql 數據庫進行開發,采用 TCP/IP 通訊協議實現和機器人的數據交互,進而實現五自由度機器人遠程控制系統的搭建。

  第六章,對全文所完成的研究工作進行歸納與總結,并對未來五自由度直角坐標機器人的后續研究工作做了進一步的展望。

  第二章 五自由度機械臂控制系統總體設計 

  2.1 引言

  2.2 五自由度機械臂總體結構介紹 

  2.3 五自由度機械臂控制系統硬件選型 

  2.4 控制系統方案設計

  2.5 控制系統軟件調試

  2.5.1 電機與伺服驅動器調試

  2.5.2 運動控制卡的軟件程序編寫

  2.6 本章小結

  第三章 五自由度機械臂運動學分析及程序設計

  3.1 引言

  3.2 五自由度機械臂運動學分析 

  3.2.1 五自由度機械臂坐標系的建立 

  3.2.2 五自由度機械臂運動學求解

  3.3 五自由度機械臂折彎運動學方程 

  3.4 五自由度機械臂折彎隨動程序設計 

  3.4.1 折彎隨動設計框架

  3.4.2 程序編寫

  3.5 本章小結

  第四章 五自由度機械臂運動軌跡規劃算法及仿真

  4.1 引言

  4.2 基于插補法的運動規劃 

  4.2.1 關節空間插補運動規劃

  4.2.2 笛卡爾空間插補運動規劃

  4.3 基于分段函數組合正弦函數法運動規劃 

  4.4 基于隨機樹思想改進的人工勢場法軌跡規劃 

  4.4.1 人工勢場法

  4.4.2 隨機樹算法

  4.4.3 基于隨機樹思想改進的人工勢場法 

  4.5 本章小結

  第五章 五自由度機械臂遠程控制系統設計 

  5.1 引言

  5.2 網絡化遠程監控系統

  5.3 瀏覽端/服務器模式

  5.4 遠程控制系統軟件的實現 

  5.4.1 軟件功能說明

  5.4.2 系統安全保護措施

  5.5 五自由度機械臂遠程控制系統實驗 

  5.6 本章小結

  第六章 總結與展望

  6.1 本文總結

  機器人以其高效、高精度的性能在工業制造中得到了廣泛應用。在生產線的制造階段,最有趣的問題之一是如何將這些機器人所消耗的能量降到最低。以及機器人的工業化或智能化改造,不會因工人疲勞等因素而影響到流水線的質量,可以顯著的提高企業產品的質量、產品良率,還有整體工作效率。本文首先對機器人折彎路徑規劃進行研究,通過建立五自由度直角坐標折彎機器人連桿坐標系,得到 D-H 參數并進行運動學分析,進而對機器人折彎路徑進行規劃和仿真,驗證機器人進行折彎加工的可行性。并根據機器人運動指令進行自動編程研究。其次,搭建五自由度直角坐標折彎機器人硬件平臺,包括伺服電機、伺服驅動器、運動控制卡、電氣控制柜的選型、組裝與搭建。再次,針對五自由度直角坐標折彎機器人所用到的伺服驅動器和運動控制卡,進行軟件調試與系統控制程序的編寫。最后,使用物聯網技術和 Python 開發技術通過網絡服務器將各類終端與五自由度機械臂進行結合,將機械臂控制端擴展到工業主機,甚至是我們基本上人手一部的手機上,實現基于物聯網的機器人遠程控制系統。

  本文主要完成了以下研究工作:

 。1)分析國內外機器人路徑規劃和折彎隨動的相關技術,針對實驗室自主設計的五自由度直角坐標折彎機器人,實現其自動規劃路徑。

 。2)根據自主設計的五自由度直角坐標折彎機器人的各項參數,選擇相應的伺服電機、伺服電機驅動器、運動控制卡和工業主機,并完成硬件平臺和電氣控制柜的搭建。

 。3)根據所選的伺服電機和運動控制卡,通過對應的軟件,分別完成對伺服電機和運動控制卡的調試,實現通過運動控制卡完成對伺服電機的運動控制(4)為實現對機器人位置坐標、機器人運行速度的實時顯示,實現對機器人的點動運動、定長運動、點位示教運動的實時控制,以及對機器人運行過程中的報警信息、設備開機率、設備運行時長等進行統計分析,采用 B/S 架構,基于 python 語言和 Mysql 數據庫進行開發,采用 TCP/IP 通訊協議實現和機器人的數據交互,進而實現五自由度機器人遠程控制系統的搭建。

  6.2 展望

  一般情況下,工業發展先經歷自動化然后再到智能化,目前我國大部分制造公司還處在自動化過程中,智能化偏少,整個智能化市場其實仍然處在探索嘗試的階段。且目前隨著大數據、機器視覺等技術的發展,工廠中包括機械臂在內的常見工業機器人在作業時展現出的"柔韌度"和"靈活性"都有了顯著的提高。本文雖然對五自由度直角坐標折彎機器人配合折彎機進行折彎工作中的運動規劃和遠程控制進行了研究與實驗,但仍然存在著不足,還可以在以下幾個方面進一步改善:

 。1)對五自由度直角坐標折彎機器人的自動編程技術進行的研究還不夠完善。目前,各行業針對非標準件和小批量工件的加工需求日益增長,折彎工藝的更加智能化、集成化,要求控制平臺具備圖形化編程的能力。后續工作會在原有手動示教的基礎上,通過圖形化軟件實現自動編程,可以更加方便、快捷的進行折彎操作。

 。2)加入五自由度直角坐標折彎機器人的視覺定位技術。利用視覺定位技術提高五自由度直角坐標折彎機器人機器人自動避障,可以提高五自由度直角坐標折彎機器人工作效率以及重復定位精度,以及可以通過機器人視覺,在遠程控制中及時發現生產加工中所遇到的突發狀況。

 。3)五自由度直角坐標折彎機器人尚未與折彎機進行協同加工實驗,后續工作可驗證其協同加工方案的可行性。

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致謝

  歲月長河,奔流不息,短暫的三年研究生學習生活即將結束,正式步入社會。來到南郵,對我而言是進入一個全新的學術殿堂,偌大的校園,濃厚的學術氛圍以及擁有浩瀚書海的圖書館。我非常感謝那些在研究生課程學習中,出現過的每一位授課老師,是他們讓我更加近距離的理解南郵"厚德弘毅、求是篤行"的校訓;我也要感謝那些為我課題研究而幫助過我的人,正因有了他們,才讓我更加清晰的明白自己的學習任務和研究內容,以及鉆研方向,也很感謝他們不厭其煩的為我解答各種在研究過程中遇到的大小問題;學習的道路中雖然會遇到磕絆,但更多的還是那些與你同行的伙伴。我很高興在三年學習生活中遇到的室友、認識的同學和交到的朋友,是他們與我朝夕相處,共同分享學習過程中的收獲,但更多的是給我帶來了打發那些枯燥時光的無限歡樂,讓我的青蔥歲月可回首,可追憶。

  最真摯的感謝,要獻給我的研究生導師徐豐羽教授。他不像高中老師那樣,每天在課堂上給你講授知識;他也不像本科老師那樣,對課后的學習不聞不問。他更像是一位家長,時不時的關心你的學習進展,當你困惑時,給你一定的指引;當你迷茫時,又給你點亮一盞明燈。同時,徐老師在工作之余,也非常關心我們的生活,為了豐富我們的課余生活,徐老師也讓師兄弟們經常一起聚會,參加活動,讓師門感情更加凝聚。值此論文完稿之際,再次向徐老師表達我由衷的敬意和誠摯的感謝。

  在這里,我也要感謝申景金老師在我攻讀研究生期間提供的無私幫助和指導。感謝課題組的楊中師兄、余洪亮師兄、楊裕棟師兄,同門孟凡昌、郭義全,以及師弟呂凡、曹旭東、蘆雨軒、江豐友、鮑書行、鄭鑫的一路陪伴和幫助,給枯燥的實驗室學習增添了許多樂趣。

  最后,我還要感謝我的父母和家人,感謝他們對我學業的理解和支持,讓我在學習和生活中無憂無慮,盡情享受青春時光。

  在即將畢業之際,再次衷心地感謝一直以來關心與幫助我的親友、老師與同學們!

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