SCARA机器人的轨迹规划及其半实物仿真平台验证

作     者：胡滨 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庄圣贤

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：SCARA机器人 轨迹规划 半实物仿真平台 EtherCAT 多结点样条 

摘      要：随着传统制造业产业升级及智能制造技术的飞速发展,工业机器人在自动化生产中具有广阔的应用前景,轨迹规划作为工业机器人运动控制领域的基础也得到了广泛关注与研究。但构造实际机器人系统价格昂贵,且开发周期长,效率低,无法满足机器人的快速开发需求。半实物仿真平台相对于纯物理仿真能够缩短开发周期,降低成本和风险,同时又比纯数学仿真更真实、可信。因此,本文在研究国内外工业机器人关节空间轨迹规划算法的基础上,为解决常用插值算法轨迹规划过程中关节轴易产生残余振动的问题,提出一种三阶连续的改进多结点样条轨迹规划方法,并搭建了一套基于EtherCAT通信的半实物仿真平台验证算法。首先,本文以四自由度SCARA机器人作为研究对象,基于D-H法依据其机械结构搭建运动学模型,对其进行正、逆运动学分析并推导出奇异点位置。在Matlab环境下使用机器人工具库构建连杆模型,验证正逆运动学求解方程的正确性,详细分析比较多项式插值、样条插值等常用插值算法的优缺点,并在关节空间中进行轨迹规划仿真,得到各关节运动轨迹。其次,本文针对机器人快速开发和节约成本的需求,开展了基于EtherCAT通信的运动控制主站及驱动从站的研究,设计并搭建基于STM32F407主控芯片和DP83848接口芯片的主站硬件平台,分析了主要电路设计过程。选择汇川伺服驱动器作为从站,通过IOmap映射等过程实现数据通信,在主站中写入控制程序实现对从站的实时运动控制,从而搭建一套基于EtherCAT通信的一主二从伺服控制平台。在Solidworks中建立机器人3D模型,导入Matlab/Simulink中搭建SCARA仿真模型,连接EtherCAT主从系统与仿真模型,构建半实物仿真平台。之后,介绍并推导多结点样条插值算法,该算法相对于样条插值等具有局部支撑性,不会因个别点的变化而影响整条曲线,而相对于B样条可以在准确穿过型值点的同时而无需求解方程组。在多结点基础上增加延拓点使其轨迹速度、加速度为零以满足轨迹规划需求,同时通过引入附加函数对算法进行改进以解决传统3次多结点样条插值三阶跳变不连续导致关节易产生残余振动的问题,并通过仿真分析验证了理论推导的正确性。最后,连接EtherCAT通信系统与仿真模型,搭建半实物仿真平台,测试平台可行性,实现主站对机器人模型的控制。分别将改进前后多结点插值算法写入主站控制程序,对比实验结果,通过半实物仿真平台验证算法具有可行性,达到了预期目标。