基于LinuxCNC的六轴机器人软件控制系统及运动算法研究

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1、硕士学位论文基于LinuxCNC的六轴机器人软件控制系统及运动算法研究作者姓名王永志学科专业控制理论与控制工程指导教师史步海教授所在学院自动化科学与工程学院论文提交日期2018年4月ResearchonMotionAlgorithmandSoftwareControlSystemforSix-AxisRobotBasedonLinuxCNC.ADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangYongZhiSupervisor：Prof.ShiBuHaiSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzho

2、u,China分类号：TP242学校代号：10561学号：201520112536华南理工大学硕士学位论文基于LinuxCNC的六轴机器人软件控制系统及运动算法研究作者姓名：王永志指导教师姓名、职称：史步海教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：控制理论与控制工程研究方向：智能控制理论与应用论文提交日期：2018年4月23日论文答辩日期：2018年6月5日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：黄道平委员：史步海李向阳孙宗海哀薇摘要随着全球制造业竞争态势的变化，制造业的竞争力已经从成本优势转向为生产力优势，因此，先进制造技术将成为各国提高制造业竞争力的关键因素。工

3、业机器人作为高端制造业实现数字化、自动化、集成化、网络化的基础设备，有着广泛的市场应用前景与重要的战略地位。工业机器人本身集成了机械结构、驱动系统、感知系统与控制系统，本文以六轴机器人的软件控制系统为研究对象，设计功能完备的软件控制系统。本文的主要研究工作与成果包括以下几个部分：（1）分析六轴机器人软件控制系统的功能需求，同时依据linuxCNC数控软件平台，设计六轴机器人软件控制系统的整体方案。（2）以D-H建模理论为基础分析六轴机器人正逆运动学，并推导出STR6-06机器人逆运动学的解析解。根据带有权重的最短行程法选取逆运动学多重解中的一组，并在Matlab平台上仿真STR6-06机器人

4、的正逆运动学与工作空间。（3）为了使六轴机器人具备加工NURBS曲线的能力，本文先分析了NURBS曲线的递推表达式与插补点计算方法，并提出了一种新的可消除残余速度与残余路程的离散S型速度规划算法。此外为达到NURBS的轮廓加工精度，同时克服弓高误差自适应插补算法在加速度限制下进给速度的振荡与滞后缺点，提出基于离散S型速度规划的NURBS分段插补算法。该算法对NURBS曲线在曲率极大值点分段，并对分段曲线分别采用离散S型速度规划算法，从而实现了在加速度连续下弓高误差的较好控制。最后，以NURBS三叉戟曲线为例，在Matlab中对不同插补算法进行仿真与对比。（4）研究EtherCAT通信协议的工

5、作方式与数据帧在主从站之间的传输过程，并利用应用层协议CoE设计实时通信功能。在工业PC机上，采用开源软件EtherLab与LinuxCNC的HAL设计方法，实现EtherCAT主站的应用程序开发。最后，搭建机器人控制的实验平台。通过分析与修改LinxCNC数控软件源码，完成软件控制系统的设计方案。并在实验平台中对实时通信、正逆运动学与NURBS曲线插补进行实验，结果证明本文设计的六轴机器人软件控制系统实现了预期目标。关键词：六轴机器人；软件控制系统；正逆运动学；NURBS曲线插补；EtherCAT实时通信IAbstractWiththechangesinglobalmanufacturin

6、gcompetition,thecompetitivenessofmanufacturinghasshiftedfromacostadvantagetoaproductivityadvantage.Therefore,advancedmanufacturingtechnologywillbecomeakeyfactorinimprovingthecompetitivenessofmanufacturingindustriesineachcountry.Industrialrobots,asthebasicequipmenttoachievedigitalization,automation,

7、integration,andnetworkinginhigh-endmanufacturing,havewidespreadmarketapplicationforegroundandimportantstrategicpositions.Theindustrialrobotintegratesthemechanicalstructure,thedrivesystem,theperceptionsystem