基于柔顺控制的工业机器人直接示教系统开发与实验研究

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机器人是“中国制造2025”的重点发展领域之一,随着国家战略性新兴产业的提出,工业机器人作为智能制造领域的代表,在产业转型升级的过程中正发挥着越来越重要的作用。为了使工业机器人执行搬运等工作任务,需要对其进行示教或者离线编程。针对传统的通过操作示教盒移动六轴工业机器人到达指定位置,效率低,过程复杂的问题。本文以Ethernet作为通信总线,将嵌入式系统引入六轴工业机器人的顺应性跟踪控制中,开发了一套基于柔顺控制的六轴工业机器人直接示教系统。  首先,针对传统的示教方式对操作人员的相关知识储备要求比较高、示教效率低、过程复杂的问题,以经典的柔顺控制算法作为研究的理论分析基础,设计了针对直接示教过程的柔顺控制器。同时为了减小跟踪误差,提出了一种轨迹预测算法,能够较准确的计算出外界施加的力的方向,使工业机器人末端沿着该方向做出相应的调整,从而可以获得平滑的牵引运动轨迹,实现了人与工业机器人的柔性互动。  其次,为了解决现有的直接示教系统基于PC机做反馈数据的分析与处理,整个系统看起来庞大而复杂而且不易移植使用,响应时间过长的问题。首次将基于嵌入式系统的树莓派引入六轴工业机器人的直接示教系统中,对6个方向的力信号进行处理,建立了一套满足所设计的的柔顺控制器性能要求的硬件系统。将硬件系统分成了直接示教控制系统执行机构、直接示教系统感知模块、信号及数据处理三个子系统。在软件设计方面,对系统内硬件的通信进行设计,通讯基于工业以太网Ethernet进行数据交换,有效地控制了响应时间。在树莓派与机器人控制器内分别编写程序,实现了所设计的柔顺控制器的执行过程与力方向感知算法。同时,设计了重力补偿算法,用以补偿力传感器自重以及机器人抓手等工具的重力影响,减小了力传感器的感知误差。  最后,为了保证系统的可靠性与准确性,对直接示教系统进行仿真与实验研究。在robcad软件中建立了直接示教系统模型,并对该模型进行了仿真分析。按照预先设计的实验操作方法与步骤进行顺应性跟踪实验,通过对不同方向的牵引实验结果数据以及与传统顺应性跟踪实验数据进行对比分析,证明了本文基于柔顺控制模型所建立的直接示教系统跟踪轨迹更加平滑,系统响应时间更短。同时,设计了一种集环境感知,动态决策等功能于一体的工业机器人智能识别系统来验证通过直接示教方式所得到的轨迹,为机器人的智能应用提供了新的方法。
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