基于CPS的工业机器人运动监测与控制系统研究

作     者：吴奇学 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫纪红

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：信息物理系统 工业机器人 运动控制 运动监测 

摘      要：CPS（Cyber-Physical Systems,信息物理系统）作为信息空间和物理世界融合的新一代系统,一经提出便吸引了各国政府及学者的研究,CPS在工业发展中的重要作用使其在世界范围内产生重大影响。由于未来工业具有高度自动化和智能化融合的趋势,结合这一趋势进行面向工业机器人的CPS研究,能够实现机器人与人之间更紧密协同的工作,而这一研究也成为实现智能制造的热门内容之一。基于CPS的工业机器人研究就是面向工业机器人实现互联环境下的人-机-物相互感知、理解与融合,而目前的大多数研究尚未提出面向工业机器人的CPS系统的内容。鉴于此,为了在CPS理论下提高工业机器人自身性能以及机器人与人之间的交流与协作,本文主要对基于CPS的工业机器人运动监测与控制系统进行了研究。首先,在研究CPS理论及CPS的技术框架和体系结构的基础上,分析了面向工业机器人的CPS框架。界定了基于CPS的工业机器人运动监测与控制问题内容边界,并在此基础上分析了基于CPS的工业机器人控制体系要素和基于CPS的工业机器人运动监测系统呈现形式。其次,对工业机器人Cyber系统进行构建方法研究。分析了工业机器人Cyber系统方法,并对工业机器人Physical系统进行分析。运用Solid Works对机器人本体及必要环境进行Cyber模型的建立,为建立工业机器人Cyber系统提供Cyber模型基础。同时,运用3ds Max软件对Cyber模型进行外观渲染,对具备逼真视觉效果的模型进行格式转换,最终以Unity3D引擎作为开发平台进行场景搭建和运动学分析等实现工业机器人Cyber系统实例建立。再次,在完成对工业机器人Cyber系统方法研究的基础上,为了提升整体系统的相互感知、理解与融合水平,提出了对基于CPS的工业机器人交互方法研究。对工业机器人Cyber系统到Physical系统的关联、机器人层面的数字化呈现和交互功能进行分析,并以实现人机交互和初步探索数字化呈现为目的,进行了智能化操作交互分析和实例建立,完成用户图形化界面交互分析和相应实例,为提供沉浸式交互体验搭建了工业机器人虚拟现实信息显示及操作框架。最后,在建立工业机器人Cyber系统及其与Physical系统交互的基础上,通过对视频数据的采集功能、编码功能和传输功能的研究,建立起机器人运动监测体系;基于Java Web设计并开发了基于WEB的工业机器人运动监测系统,实现了对工业机器人Physical层到Cyber层的安全性和可靠性补充。最终完成了基于CPS的工业机器人运动监测与控制系统研究。