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高性能工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

針對(duì)點(diǎn)焊（弧焊）機(jī)器人和重載搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用，開展機(jī)器人控制器核心技術(shù)相關(guān)研究，研究開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能低成本的工業(yè)機(jī)器人控制器，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。研究工業(yè)機(jī)器人控制器核心技術(shù)，完成控制器的研究與開發(fā)并實(shí)現(xiàn)工程化，實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。可達(dá)技術(shù)指標(biāo)序號(hào)名稱規(guī)格1插補(bǔ)周期4ms2重復(fù)定位精度20um3直線度40um4聯(lián)動(dòng)軸數(shù)六軸5伺服驅(qū)動(dòng)接口脈沖6插補(bǔ)方式關(guān)節(jié)，直線，圓弧，曲線7上位機(jī)（示教器）LINUX+QT8下位機(jī)（控制器）UCOSII9加減速功能直線型和S型10語言標(biāo)準(zhǔn)安川 inform II指令系統(tǒng)11PLC功能內(nèi)部軟PLC，標(biāo)準(zhǔn)支持32輸入/32輸出點(diǎn)，可擴(kuò)展128輸入/128輸出。128個(gè)定時(shí)器，128個(gè)計(jì)數(shù)器12現(xiàn)場總線接口RS485，RS232，CAN 一、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 1.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟硬件體系結(jié)構(gòu)： (1) 基于領(lǐng)域建模的開發(fā)方法研究面向機(jī)器人控制器開發(fā)的領(lǐng)域建模方法, 通過對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)共性的提取和功能及非功能屬性的抽象, 借助形式化描述及工具集成實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)在模型層的仿真和驗(yàn)證, 并研究可重用實(shí)時(shí)組件設(shè)計(jì)方法，使得開發(fā)的重點(diǎn)從底層代碼轉(zhuǎn)向機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用。 (2) 基于組件的開放式控制器的軟件結(jié)構(gòu) 根據(jù)機(jī)器人控制的特點(diǎn)和開放性的要求，研究機(jī)器人組件模型，組件劃分方法，組件間的通信機(jī)制，連接配置方法以及系統(tǒng)的調(diào)度模型，并研究開放式機(jī)器人控制器的一般開發(fā)流程，開放式平臺(tái)下多傳感器機(jī)器人的控制方法。 (3) 開放式控制器模塊化硬件結(jié)構(gòu) 根據(jù)開放性的要求，研究硬件模塊的劃分方法，便于系統(tǒng)添加或更換各種接口、傳感器等；采用基于標(biāo)準(zhǔn)總線的結(jié)構(gòu)；研究多CPU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；研究基于FPGA的接口設(shè)計(jì)方法。 (4) 機(jī)器人操作系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)器人應(yīng)用需求，在開源操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加機(jī)器人應(yīng)用層接口、機(jī)器人算法，中間件，增強(qiáng)實(shí)時(shí)性能的任務(wù)調(diào)度算法。 2.高速、高精度工業(yè)機(jī)器人輪廓控制技術(shù)和柔性加減速技術(shù)： (1) 速度前瞻控制和拐角控制技術(shù) 前瞻處理的主要任務(wù)是獲取路徑信息，并根據(jù)速度、加速度和加加速度等機(jī)器人運(yùn)動(dòng)約束條件和選定的加減速規(guī)律進(jìn)行速度規(guī)劃。 (2) 柔性加減速技術(shù) 加減速控制算法可以避免機(jī)器人的沖擊、振動(dòng)，并在不增加系統(tǒng)運(yùn)算量的情況下使得插補(bǔ)過程能夠平滑快速的執(zhí)行研究直線型加減速、S 型加減速、平滑 S 型加減速、力矩加減速提高系統(tǒng)的精度和速度。 (3) 最優(yōu)軌跡規(guī)劃算法軌跡規(guī)劃的任務(wù)是根據(jù)給定的路徑點(diǎn)規(guī)劃處通過這些點(diǎn)并滿足邊界約束條件的光滑的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡，研究時(shí)間最小的軌跡規(guī)劃算法、能耗最小的軌跡規(guī)劃算法、加速度最小的優(yōu)化算法，使機(jī)器人的作業(yè)效率、能耗達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)確保運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。 3.工業(yè)機(jī)器人編程語言規(guī)范： (1)編程語言規(guī)范根據(jù)機(jī)器人不同應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)及具體要求，研究通用的機(jī)器人編程語言結(jié)構(gòu)，定義詞法及語法規(guī)則；充分考慮機(jī)器人控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)算-決策、通訊、工具指令以及傳感器數(shù)據(jù)處理等基本功能，規(guī)劃完善的指令集和內(nèi)部函數(shù)集；定義機(jī)器人物理環(huán)境模型，確定編程語言指令與目標(biāo)指令內(nèi)在的邏輯關(guān)系。 (2) 編程環(huán)境設(shè)計(jì) 機(jī)器人編程環(huán)境具有以下特征：面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展的通用算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。研究機(jī)器人語言程序的詞法、語法和語義的分析，以及語法錯(cuò)誤檢查和系統(tǒng)邏輯錯(cuò)誤檢查技術(shù)；設(shè)計(jì)機(jī)器人語言程序解釋器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人語言到系統(tǒng)內(nèi)部指令的轉(zhuǎn)化，并根據(jù)應(yīng)用需求優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部指令序列。 4.故障診斷、測(cè)試與可靠性技術(shù)： (1) 智能故障診斷系統(tǒng) 研究基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，基于實(shí)例的專家系統(tǒng)，規(guī)則和實(shí)例混合的專家系統(tǒng)，基于規(guī)則控制的實(shí)例診斷系統(tǒng)。 (2) 可靠性技術(shù) a.可靠性分析：對(duì)控制系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)、故障模式、影響及危害度分析，以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)，為提高控制系統(tǒng)可靠性提供依據(jù)。 b.可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)：采用簡化設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、EMC 設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的可靠性。 c.可靠性試驗(yàn)技術(shù)：在研制階段采用可靠性增長試驗(yàn)提高系統(tǒng)可靠性，通過可靠性鑒定試驗(yàn)確定系統(tǒng)定型，通過可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)確定系統(tǒng)的可靠性是否達(dá)到要求，采用應(yīng)力篩選試驗(yàn)提高產(chǎn)品的使用可靠性。通過加速壽命試驗(yàn)評(píng)估MTBF值是否達(dá)到。 d.軟件可靠性試驗(yàn)技術(shù)：采用軟件可靠性設(shè)計(jì)、可靠性增長測(cè)試、軟件可靠性測(cè)試和軟件可靠性驗(yàn)證測(cè)試提高軟件可靠性、通過建立控制系統(tǒng)軟件可靠性仿真測(cè)試平臺(tái)提高軟件可靠性測(cè)試水平。 5.面向重載機(jī)器人的先進(jìn)控制算法： (1) 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的控制針對(duì)重載機(jī)器人慣量變化大，固有頻率低，高度非線性耦合的特點(diǎn)。研究基于機(jī)器人真實(shí)參數(shù)的動(dòng)力學(xué)模型及實(shí)時(shí)求解。根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型，研究運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、柔性加減速以及模態(tài)控制等方面的技術(shù)，減少由于軌跡規(guī)劃引起的機(jī)器人振動(dòng)。 (2) 負(fù)載自動(dòng)識(shí)別針對(duì)機(jī)器人不同應(yīng)用及負(fù)載變化，研究機(jī)器人在線自動(dòng)識(shí)別負(fù)載的方法。 (3) 機(jī)器人空腔計(jì)算及處理實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人所能到達(dá)的所有位置范圍計(jì)算，能提前提示用戶示教的位置是否合法, 是否在機(jī)器人能到的位置。 (4) 立方干涉處理實(shí)現(xiàn)了最多六個(gè)干涉區(qū)的設(shè)置，在多機(jī)器人相互配合運(yùn)行工作時(shí)，通過干涉區(qū)避免了碰撞的危險(xiǎn)性。二、對(duì)國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影響我國汽車工業(yè)的工業(yè)機(jī)器人市場遠(yuǎn)未飽和。僅我國汽車工業(yè)就存在一個(gè)龐大的工業(yè)機(jī)器人市場，如果考慮到我國整個(gè)制造業(yè)的需要，工業(yè)機(jī)器人市場則更加龐大。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和勞動(dòng)力成本的不斷提高，發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)，提高制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平，由勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和制造產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的必由之路。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷擴(kuò)展和深化。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，可以看做工業(yè)自動(dòng)化的一場革命，南通作為科技重鎮(zhèn)、制造重鎮(zhèn)，把握機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人制造業(yè)，應(yīng)是一個(gè)戰(zhàn)略性的決策。應(yīng)用范圍：伴隨我國經(jīng)濟(jì)的高速增長，以汽車等行業(yè)需求為牽引，我國對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求量急劇增加，國際工業(yè)機(jī)器人知名企業(yè)如ABB、FANUC 等紛紛在中國建廠，目前，我國工業(yè)機(jī)器人新裝機(jī)量近90% 仍依賴進(jìn)口。因此，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人制造業(yè)，擺脫依賴關(guān)系，拒絕跟隨式發(fā)展，成為目前國內(nèi)基礎(chǔ)制造業(yè)的重中之重。工業(yè)機(jī)器人制造是一個(gè)嶄新而又創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)，由于工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用極為廣泛，其前景非常看好。本項(xiàng)目對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)有其獨(dú)到之處加之雄厚的制造業(yè)基礎(chǔ)，兩者相結(jié)合將為國內(nèi)制造業(yè)開創(chuàng)一個(gè)新的主流產(chǎn)業(yè)。該產(chǎn)業(yè)的逐步形成既符合國家新興高端制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，又為國家的經(jīng)濟(jì)騰飛打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

北京交通大學(xué) 2021-04-13

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