六自由度开放式机器人控制系统的研究

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六自由度开放式机器人控制系统的研究

摘    要
在机器人学的研究中，机器人控制系统的体系结构研究一直是人们关注的热点。然而多数商用机器人的控制系统采取了封闭式的结构：采用专用计算机作为上层主控机；使用专用机器人语言作为离线编程工具；采用专用微处理器，并将控制算法固定在EPROM中。这样的系统缺乏开放性，不便于系统的维护和改进，扩展性能较低。因此，研究具有开放式体系结构的机器人控制系统具有重要意义。它也是目前国际上控制系统发展的趋势，国际上发达国家已在该领域展开了激烈的竞争。本文的主要目标是探讨建立具有开放式体系结构的机器人控制系统硬件、软件平台的方法，以及在此基础上对机器人三维建模和可视化仿真研究的成果进行介绍，最后对基于图像的开放式机器人视觉伺服系统进行初步探讨。
本论文的研究对象是六自由度工业机器人。文章首先介绍了机器人的本体结构，采用标准D-H法则建立机器人空间运动学坐标和运动学模型，并在此基础上分析了机器人运动学正问题和运动学逆问题。
然后，着重阐述了具有开放式结构的机器人控制器的实现模式和开放特性，分析了控制器的硬件结构和设计原理，针对所建立的六自由度机器人本体，实现了具有开放式结构的控制系统的设计。
控制系统的硬件、软件平台有如下特点：系统硬件以工业PC+开放式控制器为核心，充分协调利用PC机的丰富资源和控制器强大的实时处理能力，易于实现机器人实时、多任务控制的要求；系统软件运行在Windows XP平台上，利用控制器提供的开放式接口，能够很容易地进行二次开发，软件实现采用模块化的设计思想。
本文详细论述了利用图形软件接口OpenGL在LabWindows/CVI环境下构建了机器人可视化运动场景，建立了机器人可视化三维仿真模型的方法。利用串口通讯保证了三维图形的实时显示和机器人的实际运动同步，实现了在上位机实时监控机器人的工作状况。
文章最后对基于图像的开放式机器人视觉伺服系统进行了初步的探讨，研究了机器人视觉的图像初级处理问题。
本系统提供了一个全开放、可扩展的机器人控制系统平台，可方便地向系统添加各种传感器来扩展机器人的功能，并将扩展功能与机器人控制系统进行无缝集成，可应用于不同的研究和开发项目。

关键词：开放式体系结构；机器人系统；OpenGL；LabWindows/CVI；可视化仿真；图像处理



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