探究开放式机器人控制器及相关技术研究

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1、华中科技大学博士学位论文开放式机器人控制器及相关技术研究姓名：潘炼东申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：黄心汉20070228摘要大多数现有的工业机器人都使用专用的控制器。非标准的硬件接口、自定义的通信协议以及编程语言使得对硬件和软件的改变都非常困难。这种封闭式的结构限制了机器人适用范围，同时也不利于机器人的研究和产业化。因此，研究具有开放式结构的机器人控制器已成为机器人技术中的一个重要方向。本文以通用5自由度连杆机器人为研究对象，对机器人开放式控制器的实现中所涉及的硬件构成、软件平台以及控制技术等相关问题进行了研究。通过对开放式机器人控制的概念和发展趋势的讨论，指出了实现开

2、放式控制器的一条有效途径是：充分利用标准的软硬件技术，按照基于接口的，模块化的原则为机器人控制器提供可组装的模块。针对机器人系统的特点，提出了基于组件技术的机器人功能组件模型，并对机器人控制器的功能结构和功能组件的实现方式进行了分析。讨论了开放式机器人控制的实时性问题，采用在通用操作系统上加入实时扩展的方式为控制器提供实时支持，在此平台上，对开放式机器人控制器中的组件通信机制、连接配置和运行调度进行了详细的分析。为了获得开放式控制器的实验平台，对Movemaster-EXRMV1型机器人原有控制器及其运动学特性进行了详细分析，提出了基于PC+DSP的硬件改造方案，并对改造中所涉及到的接口和驱

3、动实现进行了说明。讨论了基于DSP的多轴运动控制器在开放式机器人控制器实现中的作用，并提出了具有开放特性的多轴运动控制器的设计方案。分析了直流电机驱动的机器人关节的控制模型，提出了一种适于数字实现的在线关节重力补偿算法，可有效提高关节控制的性能。在机器人的开放式平台上，实现了一个离线编程系统的基本雏形，重点讨论了三维造型和碰撞检测问题。应用面向对象的方法对机器人结构进行分解，通过交互式的输入和选择，可以快速建立起机器人及其环境的三维模型。在碰撞检测中，运用基于Voronoi空间的距离计算方法，实现了快速的干涉判断。另外还对传感器的仿真和机器人的编程问题进行了研究，给出了视觉仿真的初步实现。为

4、了满足开放式机器人控制器对传感器集成的需要，提出了基于三层组件结构的多传感器集成方法。对基于规划和基于行为的控制方式的特点进行了分析，提出了多传感器机器人的集成控制结构，该结构充分考虑了感知和控制两方面的需要，I并将规划和反应式行为控制有机的组合在一起。采用这种控制结构实现了一个实验系统，用于完成简单的装配任务，机器人在完成规划目标的同时，能实时地响应外部环境的变化。关键词：开放式控制器组件技术运动控制机器人仿真多传感器集成IIAbstractMostoftheconventionalrobotcontrollersaredesignedwithclosednatures,suchasnon

5、-standardhardwareinterface,customizedcommunicationprotocolandspecialprogramlanguage.Itisdifficultandexpensivetomodifyaclosedcontrollertointegrateexternalhardwareandsoftware.Theclosedcontrollerarchitectureislackinginflexibilityandimposesdisadvantageouseffectonroboticindustryandresearch.Thishasledtot

6、hedemandforcontrollersbasedonopenarchitecture.Thisdissertationmainlyaimstoimplementanopenarchitecturerobotcontroller.Somerelativefieldsareresearched,includinghardwarestructure,softwareplatformandcontroltechnology.Anapproachhasbeenprovedtobeeffectiveindesigningtheopenarchitecturecontroller.Thisistha

7、tanopenarchitecturecontrollershouldbeconstructedbyinterface-basedmodularmodelsdesignedindefactostandardhardwareandsoftwaretechniques.Accordingtothisprinciple,weproposethefunctionalcomponentmodelofrobot.Byus