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高性能工业机器人控制系统

针对点焊（弧焊）机器人和重载搬运机器人的应用，开展机器人控制器核心技术相关研究，研究开发自主知识产权的高性能低成本的工业机器人控制器，实现工程应用。研究工业机器人控制器核心技术，完成控制器的研究与开发并实现工程化，实现示范应用及产业化目标。可达技术指标序号名称规格1插补周期4ms2重复定位精度20um3直线度40um4联动轴数六轴5伺服驱动接口脉冲6插补方式关节，直线，圆弧，曲线7上位机（示教器）LINUX+QT8下位机（控制器）UCOSII9加减速功能直线型和S型10语言标准安川 inform II指令系统11PLC功能内部软PLC，标准支持32输入/32输出点，可扩展128输入/128输出。128个定时器，128个计数器12现场总线接口RS485，RS232，CAN 一、系统关键技术 1.工业机器人控制系统的软硬件体系结构： (1) 基于领域建模的开发方法研究面向机器人控制器开发的领域建模方法, 通过对机器人控制系统共性的提取和功能及非功能属性的抽象, 借助形式化描述及工具集成实现机器人控制系统在模型层的仿真和验证, 并研究可重用实时组件设计方法，使得开发的重点从底层代码转向机器人领域应用。 (2) 基于组件的开放式控制器的软件结构根据机器人控制的特点和开放性的要求，研究机器人组件模型，组件划分方法，组件间的通信机制，连接配置方法以及系统的调度模型，并研究开放式机器人控制器的一般开发流程，开放式平台下多传感器机器人的控制方法。 (3) 开放式控制器模块化硬件结构根据开放性的要求，研究硬件模块的划分方法，便于系统添加或更换各种接口、传感器等；采用基于标准总线的结构；研究多CPU系统的设计方法；研究基于FPGA的接口设计方法。 (4) 机器人操作系统根据机器人应用需求，在开源操作系统的基础上增加机器人应用层接口、机器人算法，中间件，增强实时性能的任务调度算法。 2.高速、高精度工业机器人轮廓控制技术和柔性加减速技术： (1) 速度前瞻控制和拐角控制技术前瞻处理的主要任务是获取路径信息，并根据速度、加速度和加加速度等机器人运动约束条件和选定的加减速规律进行速度规划。 (2) 柔性加减速技术加减速控制算法可以避免机器人的冲击、振动，并在不增加系统运算量的情况下使得插补过程能够平滑快速的执行研究直线型加减速、S 型加减速、平滑 S 型加减速、力矩加减速提高系统的精度和速度。 (3) 最优轨迹规划算法轨迹规划的任务是根据给定的路径点规划处通过这些点并满足边界约束条件的光滑的最优运动轨迹，研究时间最小的轨迹规划算法、能耗最小的轨迹规划算法、加速度最小的优化算法，使机器人的作业效率、能耗达到最优，同时确保运动的平稳性。 3.工业机器人编程语言规范： (1)编程语言规范根据机器人不同应用领域的特点及具体要求，研究通用的机器人编程语言结构，定义词法及语法规则；充分考虑机器人控制系统的运动控制、运算-决策、通讯、工具指令以及传感器数据处理等基本功能，规划完善的指令集和内部函数集；定义机器人物理环境模型，确定编程语言指令与目标指令内在的逻辑关系。 (2) 编程环境设计机器人编程环境具有以下特征：面向应用的数据结构、扩展的通用算法和数据结构。研究机器人语言程序的词法、语法和语义的分析，以及语法错误检查和系统逻辑错误检查技术；设计机器人语言程序解释器，实现机器人语言到系统内部指令的转化，并根据应用需求优化系统内部指令序列。 4.故障诊断、测试与可靠性技术： (1) 智能故障诊断系统研究基于规则的专家系统，基于实例的专家系统，规则和实例混合的专家系统，基于规则控制的实例诊断系统。 (2) 可靠性技术 a.可靠性分析：对控制系统可靠性数据、故障模式、影响及危害度分析，以便发现设计、生产中的薄弱环节，为提高控制系统可靠性提供依据。 b.可靠性设计技术：采用简化设计、降额设计、冗余设计、EMC 设计、热设计、环境防护设计提高系统的可靠性。 c.可靠性试验技术：在研制阶段采用可靠性增长试验提高系统可靠性，通过可靠性鉴定试验确定系统定型，通过可靠性验收试验确定系统的可靠性是否达到要求，采用应力筛选试验提高产品的使用可靠性。通过加速寿命试验评估MTBF值是否达到。 d.软件可靠性试验技术：采用软件可靠性设计、可靠性增长测试、软件可靠性测试和软件可靠性验证测试提高软件可靠性、通过建立控制系统软件可靠性仿真测试平台提高软件可靠性测试水平。 5.面向重载机器人的先进控制算法： (1) 基于系统动力学模型的控制针对重载机器人惯量变化大，固有频率低，高度非线性耦合的特点。研究基于机器人真实参数的动力学模型及实时求解。根据动力学模型，研究运动规划、柔性加减速以及模态控制等方面的技术，减少由于轨迹规划引起的机器人振动。 (2) 负载自动识别针对机器人不同应用及负载变化，研究机器人在线自动识别负载的方法。 (3) 机器人空腔计算及处理实现了机器人所能到达的所有位置范围计算，能提前提示用户示教的位置是否合法, 是否在机器人能到的位置。 (4) 立方干涉处理实现了最多六个干涉区的设置，在多机器人相互配合运行工作时，通过干涉区避免了碰撞的危险性。二、对国家产业结构影响我国汽车工业的工业机器人市场远未饱和。仅我国汽车工业就存在一个庞大的工业机器人市场，如果考虑到我国整个制造业的需要，工业机器人市场则更加庞大。随着我国经济的快速发展和劳动力成本的不断提高，发展高科技产业，提高制造业生产自动化水平，由劳动密集型向技术密集型转变已经成为经济发展模式和制造产业结构调整的必由之路。随着计算机科学技术的不断发展，工业机器人应用领域也随之不断扩展和深化。工业机器人技术的发展，可以看做工业自动化的一场革命，南通作为科技重镇、制造重镇，把握机遇，迎接挑战，大力发展工业机器人制造业，应是一个战略性的决策。应用范围：伴随我国经济的高速增长，以汽车等行业需求为牵引，我国对工业机器人需求量急剧增加，国际工业机器人知名企业如ABB、FANUC 等纷纷在中国建厂，目前，我国工业机器人新装机量近90% 仍依赖进口。因此，对于工业机器人制造业，摆脱依赖关系，拒绝跟随式发展，成为目前国内基础制造业的重中之重。工业机器人制造是一个崭新而又创新的产业，由于工业机器人应用极为广泛，其前景非常看好。本项目对工业机器人控制系统有其独到之处加之雄厚的制造业基础，两者相结合将为国内制造业开创一个新的主流产业。该产业的逐步形成既符合国家新兴高端制造业的产业发展规划，又为国家的经济腾飞打下坚实的基础。

北京交通大学 2021-04-13