SCARA机器人及其远程控制系统的研究
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清华大学空间机器人课题小组承担了国家863科研项目通过遥控机器人来完成太空中的各项实验1115清华大学远程机器人fig15remoterobottsinghuauniversity哈尔滨工业大学工学硕士学位论文13本课题的来源研究目的及意义本课题来源于深圳职业技术学院目的是研究scara机器人并在一台已经装配好的机器人的基础上开发机器人的控制系统研制一台可以远程控制操作的机器人该机器人主要用于教学演示使用
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
Classified Index: TP242.6 U.D.C: 621.3
Dissertation for the Master Degree of Engineering
关键词 SCARA 机器人；时间最优轨迹规划；远程控制
I
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Robots are widely used in modern manufactory，and SCARA robot is a common one.
Firstly, we apply the traditional D-H notion denoted robot pole parameter to build the SCARA robot D-H coordinate system and parameter, and then build kinematics model including positive kinematics equation, inverse kinematics analysis using geometric method which is easier to understand and simpler to canlucate than matrix method. At last, we get Jacobi matrix. Line and arc interplation algorithm is studied and achieved in VC++ environment. Time-minimum trajectory planning method is also researched. And a time-minimum trajectory planning method for SCARA robot based on dynamic equation in phase plane is given. This method can be applied in modern manufactory.
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。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
பைடு நூலகம்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 最优轨迹规划进行了研究，给出了 SCARA 机器人的时间最优轨迹规划算法， 具有较高的应用价值。
RESEARCH OF SCARA ROBOT AND ITS REMOTE CONTROL SYSTEM
Candidate: Supervisor: Associate Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty: Affiliation: Date of Defence: Degree-Conferring-Institution:
第 3 章 机器人轨迹规划 ............................................................................. 19 3.1 引言...................................................................................................... 19 3.2 关节空间轨迹规划............................................................................... 19 3.3 直角坐标空间轨迹规划 ....................................................................... 20 3.3.1 直线插补算法 ............................................................................... 21 3.3.2 平面圆弧插补算法........................................................................ 21 3.3.3 空间圆弧插补算法........................................................................ 23 3.4 时间最优轨迹规划............................................................................... 28 3.5 本章小结............................................................................................... 34
第 1 章 绪论 .................................................................................................. 1 1.1 课题研究背景 ........................................................................................ 1 1.2 国内外的发展与应用 ............................................................................. 2 1.2.1 机器人的现状和应用 ...................................................................... 2 1.2.2 远程机器人的现状.......................................................................... 3 1.3 本课题的来源、研究目的及意义 .......................................................... 7 1.4 机器人控制系统整体方案 ...................................................................... 7 1.5 研究内容................................................................................................. 8
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
Most of the existing robot remote control systems are developed on PC platform. PC is a universal platform,and it is redundant, high-cost, and easy to be attacked by virus . In this thesis Robot remote controller is preliminary studied. Embedded system is used as the carrier of the robot remote control system. In the romote control system, robot machine works as a server and embedded system works as a client. In server, commucation program is designed and achieved in VC++ environment. In client, Linux is used as the operation system, and the Linux kernel is reducted. QT software is transplanted and remote control program is achieved using socket technology. Remote control system based on embedded system is initially developed. Since Linux is an open source software, we can use a simple, portable and low-cost embedded control terminals to realize the remote controller of the robot. And open-source operating system software is of great significance to our own property rights and core competitiveness.
Meng Fanlun Associate Prof. Cao Yong Associate Prof. Xia Yupeng Master of Engineering Mechatronics Engineering Shenzhen Graduate School December, 2008 Harbin Institute of Technology
第 2 章 机器人运动学分析 ........................................................................... 9 2.1 概述........................................................................................................ 9 2.2 D-H坐标系的确定和A矩阵 .................................................................... 9 2.3 SCARA机器人运动学分析 ................................................................... 11 2.3.1 SCARA机器人正运动学分析 ........................................................ 11 2.3.2 SCARA机器人逆运动学分析 ........................................................ 14 2.4 SCARA机器人末端速度与关节速度的关系 ........................................ 16 2.5 本章小结 .............................................................................................. 18
Keywords SCARA robot, time-optimal trajectory planning, remote control
II
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘要 ...................................................................................................................I Abstract ........................................................................................................... II
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
Classified Index: TP242.6 U.D.C: 621.3
Dissertation for the Master Degree of Engineering
关键词 SCARA 机器人；时间最优轨迹规划；远程控制
I
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Robots are widely used in modern manufactory，and SCARA robot is a common one.
Firstly, we apply the traditional D-H notion denoted robot pole parameter to build the SCARA robot D-H coordinate system and parameter, and then build kinematics model including positive kinematics equation, inverse kinematics analysis using geometric method which is easier to understand and simpler to canlucate than matrix method. At last, we get Jacobi matrix. Line and arc interplation algorithm is studied and achieved in VC++ environment. Time-minimum trajectory planning method is also researched. And a time-minimum trajectory planning method for SCARA robot based on dynamic equation in phase plane is given. This method can be applied in modern manufactory.
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。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
பைடு நூலகம்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 最优轨迹规划进行了研究，给出了 SCARA 机器人的时间最优轨迹规划算法， 具有较高的应用价值。
RESEARCH OF SCARA ROBOT AND ITS REMOTE CONTROL SYSTEM
Candidate: Supervisor: Associate Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty: Affiliation: Date of Defence: Degree-Conferring-Institution:
第 3 章 机器人轨迹规划 ............................................................................. 19 3.1 引言...................................................................................................... 19 3.2 关节空间轨迹规划............................................................................... 19 3.3 直角坐标空间轨迹规划 ....................................................................... 20 3.3.1 直线插补算法 ............................................................................... 21 3.3.2 平面圆弧插补算法........................................................................ 21 3.3.3 空间圆弧插补算法........................................................................ 23 3.4 时间最优轨迹规划............................................................................... 28 3.5 本章小结............................................................................................... 34
第 1 章 绪论 .................................................................................................. 1 1.1 课题研究背景 ........................................................................................ 1 1.2 国内外的发展与应用 ............................................................................. 2 1.2.1 机器人的现状和应用 ...................................................................... 2 1.2.2 远程机器人的现状.......................................................................... 3 1.3 本课题的来源、研究目的及意义 .......................................................... 7 1.4 机器人控制系统整体方案 ...................................................................... 7 1.5 研究内容................................................................................................. 8
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
Most of the existing robot remote control systems are developed on PC platform. PC is a universal platform,and it is redundant, high-cost, and easy to be attacked by virus . In this thesis Robot remote controller is preliminary studied. Embedded system is used as the carrier of the robot remote control system. In the romote control system, robot machine works as a server and embedded system works as a client. In server, commucation program is designed and achieved in VC++ environment. In client, Linux is used as the operation system, and the Linux kernel is reducted. QT software is transplanted and remote control program is achieved using socket technology. Remote control system based on embedded system is initially developed. Since Linux is an open source software, we can use a simple, portable and low-cost embedded control terminals to realize the remote controller of the robot. And open-source operating system software is of great significance to our own property rights and core competitiveness.
Meng Fanlun Associate Prof. Cao Yong Associate Prof. Xia Yupeng Master of Engineering Mechatronics Engineering Shenzhen Graduate School December, 2008 Harbin Institute of Technology
第 2 章 机器人运动学分析 ........................................................................... 9 2.1 概述........................................................................................................ 9 2.2 D-H坐标系的确定和A矩阵 .................................................................... 9 2.3 SCARA机器人运动学分析 ................................................................... 11 2.3.1 SCARA机器人正运动学分析 ........................................................ 11 2.3.2 SCARA机器人逆运动学分析 ........................................................ 14 2.4 SCARA机器人末端速度与关节速度的关系 ........................................ 16 2.5 本章小结 .............................................................................................. 18
Keywords SCARA robot, time-optimal trajectory planning, remote control
II
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘要 ...................................................................................................................I Abstract ........................................................................................................... II