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高性能工業機器人控制系統

針對點焊（弧焊）機器人和重載搬運機器人的應用，開展機器人控制器核心技術相關研究，研究開發自主知識產權的高性能低成本的工業機器人控制器，實現工程應用。研究工業機器人控制器核心技術，完成控制器的研究與開發并實現工程化，實現示范應用及產業化目標。可達技術指標序號名稱規格1插補周期4ms2重復定位精度20um3直線度40um4聯動軸數六軸5伺服驅動接口脈沖6插補方式關節，直線，圓弧，曲線7上位機（示教器）LINUX+QT8下位機（控制器）UCOSII9加減速功能直線型和S型10語言標準安川 inform II指令系統11PLC功能內部軟PLC，標準支持32輸入/32輸出點，可擴展128輸入/128輸出。128個定時器，128個計數器12現場總線接口RS485，RS232，CAN 一、系統關鍵技術 1.工業機器人控制系統的軟硬件體系結構： (1) 基于領域建模的開發方法研究面向機器人控制器開發的領域建模方法, 通過對機器人控制系統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現機器人控制系統在模型層的仿真和驗證, 并研究可重用實時組件設計方法，使得開發的重點從底層代碼轉向機器人領域應用。 (2) 基于組件的開放式控制器的軟件結構根據機器人控制的特點和開放性的要求，研究機器人組件模型，組件劃分方法，組件間的通信機制，連接配置方法以及系統的調度模型，并研究開放式機器人控制器的一般開發流程，開放式平臺下多傳感器機器人的控制方法。 (3) 開放式控制器模塊化硬件結構根據開放性的要求，研究硬件模塊的劃分方法，便于系統添加或更換各種接口、傳感器等；采用基于標準總線的結構；研究多CPU系統的設計方法；研究基于FPGA的接口設計方法。 (4) 機器人操作系統根據機器人應用需求，在開源操作系統的基礎上增加機器人應用層接口、機器人算法，中間件，增強實時性能的任務調度算法。 2.高速、高精度工業機器人輪廓控制技術和柔性加減速技術： (1) 速度前瞻控制和拐角控制技術前瞻處理的主要任務是獲取路徑信息，并根據速度、加速度和加加速度等機器人運動約束條件和選定的加減速規律進行速度規劃。 (2) 柔性加減速技術加減速控制算法可以避免機器人的沖擊、振動，并在不增加系統運算量的情況下使得插補過程能夠平滑快速的執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的精度和速度。 (3) 最優軌跡規劃算法軌跡規劃的任務是根據給定的路徑點規劃處通過這些點并滿足邊界約束條件的光滑的最優運動軌跡，研究時間最小的軌跡規劃算法、能耗最小的軌跡規劃算法、加速度最小的優化算法，使機器人的作業效率、能耗達到最優，同時確保運動的平穩性。 3.工業機器人編程語言規范： (1)編程語言規范根據機器人不同應用領域的特點及具體要求，研究通用的機器人編程語言結構，定義詞法及語法規則；充分考慮機器人控制系統的運動控制、運算-決策、通訊、工具指令以及傳感器數據處理等基本功能，規劃完善的指令集和內部函數集；定義機器人物理環境模型，確定編程語言指令與目標指令內在的邏輯關系。 (2) 編程環境設計機器人編程環境具有以下特征：面向應用的數據結構、擴展的通用算法和數據結構。研究機器人語言程序的詞法、語法和語義的分析，以及語法錯誤檢查和系統邏輯錯誤檢查技術；設計機器人語言程序解釋器，實現機器人語言到系統內部指令的轉化，并根據應用需求優化系統內部指令序列。 4.故障診斷、測試與可靠性技術： (1) 智能故障診斷系統研究基于規則的專家系統，基于實例的專家系統，規則和實例混合的專家系統，基于規則控制的實例診斷系統。 (2) 可靠性技術 a.可靠性分析：對控制系統可靠性數據、故障模式、影響及危害度分析，以便發現設計、生產中的薄弱環節，為提高控制系統可靠性提供依據。 b.可靠性設計技術：采用簡化設計、降額設計、冗余設計、EMC 設計、熱設計、環境防護設計提高系統的可靠性。 c.可靠性試驗技術：在研制階段采用可靠性增長試驗提高系統可靠性，通過可靠性鑒定試驗確定系統定型，通過可靠性驗收試驗確定系統的可靠性是否達到要求，采用應力篩選試驗提高產品的使用可靠性。通過加速壽命試驗評估MTBF值是否達到。 d.軟件可靠性試驗技術：采用軟件可靠性設計、可靠性增長測試、軟件可靠性測試和軟件可靠性驗證測試提高軟件可靠性、通過建立控制系統軟件可靠性仿真測試平臺提高軟件可靠性測試水平。 5.面向重載機器人的先進控制算法： (1) 基于系統動力學模型的控制針對重載機器人慣量變化大，固有頻率低，高度非線性耦合的特點。研究基于機器人真實參數的動力學模型及實時求解。根據動力學模型，研究運動規劃、柔性加減速以及模態控制等方面的技術，減少由于軌跡規劃引起的機器人振動。 (2) 負載自動識別針對機器人不同應用及負載變化，研究機器人在線自動識別負載的方法。 (3) 機器人空腔計算及處理實現了機器人所能到達的所有位置范圍計算，能提前提示用戶示教的位置是否合法, 是否在機器人能到的位置。 (4) 立方干涉處理實現了最多六個干涉區的設置，在多機器人相互配合運行工作時，通過干涉區避免了碰撞的危險性。二、對國家產業結構影響我國汽車工業的工業機器人市場遠未飽和。僅我國汽車工業就存在一個龐大的工業機器人市場，如果考慮到我國整個制造業的需要，工業機器人市場則更加龐大。隨著我國經濟的快速發展和勞動力成本的不斷提高，發展高科技產業，提高制造業生產自動化水平，由勞動密集型向技術密集型轉變已經成為經濟發展模式和制造產業結構調整的必由之路。隨著計算機科學技術的不斷發展，工業機器人應用領域也隨之不斷擴展和深化。工業機器人技術的發展，可以看做工業自動化的一場革命，南通作為科技重鎮、制造重鎮，把握機遇，迎接挑戰，大力發展工業機器人制造業，應是一個戰略性的決策。應用范圍：伴隨我國經濟的高速增長，以汽車等行業需求為牽引，我國對工業機器人需求量急劇增加，國際工業機器人知名企業如ABB、FANUC 等紛紛在中國建廠，目前，我國工業機器人新裝機量近90% 仍依賴進口。因此，對于工業機器人制造業，擺脫依賴關系，拒絕跟隨式發展，成為目前國內基礎制造業的重中之重。工業機器人制造是一個嶄新而又創新的產業，由于工業機器人應用極為廣泛，其前景非常看好。本項目對工業機器人控制系統有其獨到之處加之雄厚的制造業基礎，兩者相結合將為國內制造業開創一個新的主流產業。該產業的逐步形成既符合國家新興高端制造業的產業發展規劃，又為國家的經濟騰飛打下堅實的基礎。

北京交通大學 2021-04-13

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