【摘 要】
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工业机器人具有柔性好、通用性强等特点,适用当代小批量、多品种的产品要求,广泛应用于工业自动化生产领域。本文参考课题组前期的基于PC机+可编程I/O接口卡的面向机床控制的开放式控制系统体系结构,对适应工业生产线多机器人协同控制要求的开放式机器人控制系统软件子系统,以及可配置功能、位姿运动控制算法、机器人运动仿真功能等进行研究。根据开放式机器人控制系统的功能和开放性要求,采用层次化模块化思想,依托PC
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工业机器人具有柔性好、通用性强等特点,适用当代小批量、多品种的产品要求,广泛应用于工业自动化生产领域。本文参考课题组前期的基于PC机+可编程I/O接口卡的面向机床控制的开放式控制系统体系结构,对适应工业生产线多机器人协同控制要求的开放式机器人控制系统软件子系统,以及可配置功能、位姿运动控制算法、机器人运动仿真功能等进行研究。根据开放式机器人控制系统的功能和开放性要求,采用层次化模块化思想,依托PC机+可编程I/O接口卡的系统体系结构,设计机器人控制系统总体结构及其软件子系统架构。该软件架构主要分为三个功能层:应用层、控制内核层和ROS层。设计RCS/NML消息、ROS话题和共享内存通信机制以实现功能层间通信,以及设计一种基于互斥锁和条件变量的多线程通信机制以实现功能层内各功能模块间通信,为可配置功能的实现奠定基础。根据控制系统的可配置功能需求,研究可配置功能的实施框架,以及可配置功能（包括多机器人可配置功能）的实现原理,提出基于标准功能单元模型和动态链接库技术的可配置功能实现方案。结合组件技术设计功能单元的标准模型和规范接口。根据可配置功能的实施框架,研究可配置功能的具体实施方法。为了便于功能配置,设计了配置管理界面。最后验证了系统参数、运动参数和界面参数的可配置性,以及多机器人控制模式的可行性。为了实现机器人末端平滑的姿态运动,采用一种基于单位四元数的曲线拼接处二阶连续的姿态样条曲线进行轨迹规划。为了提高位姿运动柔性和保证位姿运动能同时完成,基于一种（角）加速度一阶连续的多项式加减速控制方法,设计位姿协同速度规划算法。结合复合Simpson求积公式以及三次Ferguson插值曲线,实现单位四元数姿态曲线的实时插补。对基于IKFast的逆运动学算法进行二次开发,实现插补位姿向各关节旋转角度的转换。按照标准功能单元模型对前述算法进行封装,并集成到控制系统。基于Rviz仿真库进行机器人运动仿真功能开发,实现仿真参数的可配置,并集成到控制系统。针对机器人运动的自动控制需求,开发一种面向机器人控制语言的基于互斥锁和条件变量的译码器。设计三种关节控制方式,以及示教点信息的记录和提取功能。最后进行多功能联合调试,验证了运动仿真、译码等功能的可行性,以及软件子系统通信的可靠性。
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