摘 要
伴随着工业机械臂在中小型加工制造企业的投入和使用，机械臂可以出色的完成重复性任务，显着地提升了工厂传统加工作业自动化水平，缩短了产品加工周期，有效地提高了工厂生产率及降低生产成本。因而，随着工业机械臂应用场景多样化的发展，苛刻的生产工况对机器人的体积、灵活度等方面提出了更高的要求。工业机械臂控制系统正朝着开放性、模块化的方向发展，设计适应多种环境、性价比高，满足中小型加工工厂需求的机械臂运动控制系统势在必行。本文的主要目的为通过建立的分层结构的机械臂控制系统软硬件平台，实现对工业机械臂的控制。主要的工作内容如下：
（1）机械臂运动控制系统设计。系统采用“PC+STM32”二级控制体系结构，替代现有多核心架构，有效地降低研发成本，提高了系统结构稳定性，能对不同应用类型的机械臂控制方案进行快速实现。上位机运行基于 Visual C++设计的上位机控制软件，实现了机械臂控制系统的运动控制、交互等功能。下位机为机器人控制器，采用 STM32微处理器作为机器人控制器的主控芯片，主要负责机器人的运动控制，其中通过 I/O接口向机器人伺服系统发送脉冲数量和频率，完成对机械臂伺服系统的控制，最终实现机器人关节联动控制。采用 PID 控制算法，用来处理给定位置信息和实际位置信息偏差，降低位置控制误差，最终实现机械臂的正常运转并完成简单的动作的控制。
（2）机械臂运动规划算法与位置控制策略研究。本文提出了机械臂关节速度连续运动规划方案，通过引入神经动力学方法到所提出的运动规划方案中，有效消除机械臂末端任务切换时关节速度跳变产生的位置误差，最后通过仿真验证所提运动规划方案的准确性。针对单轴机械臂伺服系统，设计了基于自适应反步法的机械臂伺服系统的位置控制策略，所设计的跟踪控制算法具有抗扰动性、快速性等优点，仿真验证其有效性。
（3）完成对机械臂运动控制系统的联合调试和实验分析，所设计的控制系统能够实现机械臂本体的控制需求，控制性能良好。
关键词： 工业机械臂；自动化；控制系统；运动规划；位置控制。
Abstract
With the input and use of industrial robot manipulators in small and medium-sized manufacturing companies. The automation level of processing operations in traditional factories has been significantly improved. The production cycle of products has been short,and finally the purpose of improving factory productivity and reducing production costs hasbeen achieved. However, due to the diversified development of industrial robot manipulator application scenarios, the harsh production conditions put forward higher requirements on the robot size, flexibility and other aspects. At present, The industrial robot manipulator control system is developing in the direction of openness and modularization. It is imperative to design a robot manipulator control system with high adaptability and meeting the needs of small and medium-sized processing factories. The main purpose of this paper are to establish a layered structure of the robot manipulator control system software and hardware platform, and realize the control of the industrial robot manipulator. The specific work contents are as follows:
(1) Robot manipulator motion control system designed. This paper adopts the “PC+STM32” hierarchical structure control system to replace the existing multi-core structure control system, which caneffectively to reduce the research and development cost,improve the stability of the system structure, and it can realize the control of different typesof robot manipulator quickly. The PC adopts Visual C++ designed control software to realize the motion control, interaction and other functions of the robot manipulator controlsystem, and it realizes the motion control, interaction and other functions of the robot manipulator control system. The slave system uses the STM32 microprocessor as the mainMCU of the robot controller, which is mainly responsible for the motion of the robot. The number and frequency of pulses are sent to the robot servo system through the I/O interface to complete the control of the robot manipulator servo system, so as to realize the linkage control of the robot joints. The PID control algorithm is adopted to process the deviation from the given position information and the actual position information, so as to improve the position control accuracy, and finally realize the normal operation of the mechanical arm and complete the simple action control.
(2) Research on robot manipulator motion planning algorithm and position control strategy. In this paper, the robot manipulator joint velocity-continuity motion planningscheme is proposed. By introducing the neural-dynamic design method of the proposed robot motion planning scheme, the manipulator end-effector’s positioning error caused bythe joint-velocity jumped when the robot manipulator task-shifting is effectively eliminated.Finally, the simulation verification is carried out, and the proposed motion planning scheme is accurate. For the single-degree-of-freedom manipulator servo system, the position control strategy of the manipulator servo system based on the adaptive backstepping method is designed, and the designed tracking control algorithm has the advantages of anti-disturbance and rapidity, and its effectiveness is verified by simulation.
(3) In this part, the joint debugging and experimental analysis of the manipulator motion control system is Completed. It can be seen from the results of debugging andexperiment that the control system can realize the control of the robot manipulator and the control performance is good.
Keywords: Industrial robotic manipulator; Automation; Control system; Motion planning; Position control。
第一章 绪论
1.1 引言。
近年来，随着“工业 4.0”概念的不断深化，为了实现中国制造 2025 智能制造强国的战略目标，真正的实现祖国由制造大国向着制造强国的转变，机器人技术、智慧工厂为其提供了重要的依托和支撑[1～3]。伴随着机器人技术的蓬勃发展，不同类型、不同功能的工业机器人相继诞生，诸如码垛机器人、喷涂机器人、焊接机器人、清洁机器人等，机器人也越来越深入到现代化生产和生活的方方面面，例如在机械制造、汽车制造、家电制造等方面担任着重要的角色，因此，机器人的普及，实现了工厂生产作业自动化，并带动了社会生产效益[4～9]。
工业机械臂运动控制系统一般由机器人控制器、传感元件、执行机构和机械臂本体等部分构成，如图 1-1所示[10]。机器人控制器为工业机器人的大脑，它将机器人完成的动作变成相应的指令信息，通过控制电机等动力驱动装置，使得机器人正确的运行，完成机器人系统预定的动作或作业任务。伴随着我国国民经济的发展，传统产业的转型升级，越来越多的工业机械臂被投入到工业生产中，提高了技术装备的水平[1],[3]。市面上商用机械臂大都采取封闭式控制结构，即采用专用的计算机作为系统的主控制器，其结构固定，且功能单一，不利于系统的维护和改进[11]。随着工业 4.0 时代的到来，机器人已经成为智能制造的关键，机器人控制技术也逐渐由封闭式向着开放式控制模式转变，从而建立高度灵活的，功能可定制的机器人，适应时代的发展和需求[3]。
本文通过采用 STM32 嵌入式微处理器，设计了“PC+STM32”二级控制体系结构的机械臂运动控制系统，最大限度的实现机械臂控制系统的开放化、模块化的程度。引入所设计的嵌入式机器人控制器，相对于采用运动控制卡和 PLC 等控制器而言，可极大提高机械臂作业现场的加工效率，此外还具有成本低、稳定性和可靠性高等优势[12],[13]。
1.2 课题研究背景及意义。
从第一台工业机器人出现到现在为止，机器人已经历经了 70年的发展旅程。根据工业机器人的研究和发展历程，通常将其发展分为如下三个阶段[10],[14],[15]：
（1）探索试验阶段（1940-1960）：工业机器人的发展初期，随着工业革命的不断兴起和深入，市场的竞争日益激烈。传统的手工作业远远不能满足生产需求，单机的自动化设备投入生产，标志着机器人时代的到来。
（2）开发应用阶段（1960-1970）：工业机器人的发展中期，这一时期，伴随着市场竞争进一步加剧，对产品的更新速度、生产效率、质量的要求进一步提高。
（3）实用商品阶段（1970-至今）：工业机器人的发展完善期，工业机器人研究和发展阶段，能够进行复杂的逻辑控制和决策的智能化机器人[10]。在实现生产自动化过程中，更加追求数据流的获取、分配和共享以及计算机软硬件的合作交流。
如图 1-2 所示为全球机器人产业发展调查数据[16]。由此可见，工业机器人机械手的投入和使用，具有广泛的应用领域，其允许终端用户在以前未开发的场景中采用这种技术，并投入使用，相应地，机器人在运动的指定方式也会变得越来越复杂，对于机器人的反应性、适应性等新的能力也提出了更高的要求。我们可以有效地利用相应的执行策略，用以进一步提高机器人运动的灵活性，特别是在与人类合作的过程中，机器人可以出色完成重复性任务，生产自动化的应用，大大提高工厂的劳动生产率以及节约大量成本。为了进一步加强和广泛使用工业操作器，包括新引入的协作机器人，有必要简化机器人编程，从而使这项活动能够由非专家用户处理。
工业机器人的应用场景愈加广泛，苛刻的生产环境对机器人体积、灵活度等提出更高要求，因而，工业机器人正朝着小型化、智能化、柔性化的方向发展[16]。工业机械臂得益于独特的设计结构，能够在多个领域得到广泛的推广使用，其通过搭载不同类型的末端执行器，完成相应的作业任务，诸如码垛、喷涂、切割等[5],[17]。
现代化的机械系统，如码垛机器人、点焊机器人以及自动化机械设备等，往往需要高速度、高精度的控制。传统的手工作业，不仅工作效率低下，而且作业任务完成率低，作为替代，采用工业机械臂代替人力完成所要的任务，提升了工厂生产、加工的自动化水平，因而有着广泛的应用背景。其次，工业机械手臂具有得天独厚的优势：一是无生命损伤性，能够作为一种无生命载体，在面临高温、有毒、缺氧等极端危险的环境下，代替人力进行作业，有效地保护了手工作业人员生命安全；二是可重复使用性，工业机器人作为一种特殊的装备，在细心地维护和保养的同时，可以反复多次使用，从而发挥其效能；三是人工智能属性，工业机器人可以根据现场的实际情况，能够自主的进行数据收集、处理、传输反馈，用以判断和识别工作环境，完成作业任务[18],[19]。
我国工业机器人的发展起步晚，自 20 世纪 90 年代以来，我国工业机器人的产量一直保持在年增长 20%以上，我国正式将工业机器人列入科技攻关计划，大力发展工业机器人[20],[21]。目前，我国的工业机器人产业发展明显落后于欧美等发达国家，中国制造 2025 明确将机器人作为制造业重点突破领域[2],[3]。一方面，外资品牌的机器人从售价和售后服务，无法满足中国市场对机器人的需求，随着自动化技术快速发展，我国已经成为世界自动化设备消费大国；另一方面，中国机器人产业必须拥有自己的核心技术，从而在机器人技术发展的浪潮下屹立不倒。综上所述，对工业机械臂运动控制系统的研究具有重要的意义。
本课题为面向中小型加工企业设计的机械臂运动控制系统，通过建立开放式结构的工业机械臂运动控制系统软硬件平台，使得系统具有结构简洁、低成本、性能和可靠性好等优点，有效的降低了机器人控制系统引进工厂的成本，进一步将传统的制造业向着智能化、自动化生产转型，因而，具有非常重要的应用价值。
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1.3 工业机械臂运动控制系统研究现状
1.3.1 机械臂控制系统体系结构概述
1.3.2 机器人控制器研究现状
1.3.3 机械臂运动规划与控制算法研究现状
1.4 本文研究的主要内容及章节安排
第二章 控制系统总体设计方案
2.1 引言
2.2 控制系统方案分析
2.2.1 处理器选型
2.2.2 系统架构分析
2.2.3 整体驱动控制系统方案分析
2.4 机械臂的整体控制流程
2.5 本章小结
第三章 机械臂运动控制系统设计
3.1 引言
3.2 系统硬件模块设计
3.2.1 机器人控制器硬件设计
3.2.2 机器人控制器各个模块设计
3.2.3 机器人运动伺服系统
3.3 机器人控制器软件设计
3.3.1 控制器软件设计
3.3.2 重要子程序设计
3.4 上位机系统设计
3.5 本章小结
第四章 机械臂运动规划与控制算法研究
4.1 引言
4.2 机械臂运动规划算法研究
4.2.1 机械臂运动学模型建立
4.2.2 公式推导
4.2.3 仿真研究
4.3 六轴机械臂任务规划
4.3.1 六轴机械臂运动学模型
4.3.2 六轴机械臂轨迹跟踪
4.4 基于自适应反步法的机械臂控制策略研究
4.4.1 系统模型
4.4.2 自适应反步法控制器设计
4.4.3 系统参数整定
4.4.4 仿真研究与分析
4.5 本章小结
第五章 控制系统联合调试与分析
5.1 引言
5.2 机械臂控制系统
5.2.1 机械臂本体及控制系统
5.2.2 机械臂伺服系统配置
5.3 机械臂手动运行试验
5.4 机械臂自动运行试验
5.5 本章小结
第六章 总结
本文以面对中小型加工制造企业所试用的工业机械臂运动控制系统进行设计，系统结构采用主从控制方式，结构简洁且易于实现，相比较传统的集中式系统结构，系统的实时性、可靠性大大提升了。深入研究了机械臂运动规划算法和控制算法，对提升机械臂作业的稳定性、可靠性，以及降低机械臂的位置控制误差等，具有重要的意义。
本文的主要工作内容如下：
（1）深入了解机器人发展的背景、发展方向，熟悉机械臂控制系统的组成结构及功能模块，确立系统设计的方案、设计思路及内容。结合本次课题机械臂运动控制系统设计的实际情况与要求，系统采用“PC+STM32”二级控制体系结构进行设计，一方面有效地将系统的功能分离，使得系统整体结构具有模块化设计思路，增强了系统的可靠性；另一方面引入设计的基于 STM32嵌入式控制器，相对于传统采用运动控制卡、PLC等控制器而言，具有成本低、稳定性好等优势。
（2）机器人控制器的设计，采用 STM32 微处理器作为机器人控制器的主控芯片，控制器主要包含串口通信模块、伺服驱动单元、编码器接收模块等。机器人采用 PC作为上位机控制器，PC机提供了强大的数据运算性能，且易于开发。利用 KeiluVision5软件编写系统的驱动函数，通过 Visual C++设计系统的上位机控制软件，其中，采用 PID控制算法进行机器人的位置控制，降低机器人作业的误差。
（3）最后，本文以采摘机械臂作为对象，提出关节速度连续的机械臂运动规划算法，解决了机械臂任务切换过程中速度跳变产生的误差累积的问题。在传统的反步法的基础上加以拓展，引入自适应反步法在机械臂位置跟踪控制中，仿真验证了其具有较好的跟踪性能。
参考文献
