SCARA型机械臂运动控制系统设计（Linux+C语言开发）

摘要

　　机器人（机械臂）是能够在三维空间中实现许多类似人的行为与功能的多自由度机器。随着中国经济的快速发展，中国对工业机器人的数量和质量都有很高的需求。现有的 SCARA 机械手大多数采用 PC 与运动控制卡相配合的方式进行系统控制，该方式的响应存在一定延迟，并且控制设备的成本较高。Linux 系统是一个成熟而稳定的操作系统，它以其开源、稳定、免费的优势在嵌入式系统中的应用越来越广。利用基于 Linux 系统的嵌入式平台作为 SCARA 机械臂的控制端不仅能提高系统的实时性，并且能降低控制平台的成本。

　　本文首先分析了研究的背景，并总结了近年来国内外针对机械手控制系统的研究。然后介绍了 SCARA 机械手的硬件参数及其机械结构，并在此基础上建立笛卡尔坐标系，进行了 SCARA 型机械手的运动学分析，绘制了机械手的工作区间，并介绍了轨迹疵点的剔除流程。

　　随后，本文结合软件系统、硬件系统的设计，概述了机械手控制系统的总体方案，设计了软件系统的框架，介绍了 Linux 系统开发平台与交叉编译环境的搭建过程。而为了实现生产线多台机器人的组网运行，并能够实时监控每台机器人的运行状况，直接对接到生产管理部门。本文设计通过基于 Qt 的机械臂应用软件对 SCARA 型机械手进行运动控制，系统介绍了机械臂 UI 中登录界面、设备列表、编程界面、IO 状态等主要界面的功能及实现方法，并详细讲解了基于多线程操作技术与 TCP/IP 协议的网络通讯系统设计方案与实现方法。

　　作为应用最为广泛的绘图软件，AutoCAD 绘制的图形还无法直接被机械臂系统所用，因此本文分析了 DXF 格式文件的数据结构，研究了其中数据的提取方法，设计并概述了机械臂控制系统软件的图纸导入与程序文件传输的应用性功能，然后进行了机械臂嵌入式系统与机械臂 UI 的网络通讯、文件传输测试。

　　最后，为了测试本文设计的机械臂运动控制系统的实用性与可靠性，也为了检验 SCARA 型机械臂应用的广泛性，利用机械臂 UI 的图纸导入功能，结合数控系统中的刀具补偿算法，对机械臂进行了应用性的测试。

　　关键字：SCARA、工业机器人、Linux、Qt、DXF 文件、刀具半径补偿

Abstract

　　Robot (robot arm) is a multi-degree-of-freedom machine capable of realizing many human-like behaviors and functions in three-dimensional space. With the rapid development of China's economy, China's demand for industrial robots, both in quantity and quality have a very high demand. Most of the existing SCARA manipulator control "PC + control card", response delay, control equipment, high cost. Linux system is a mature and stable operating system, it is its open source, stable, free of charge in the embedded system in the application of more and more widely. The use of Linux-based embedded platform as a SCARA manipulator can not only improve the real-time control system, and can reduce the cost of the control platform. In this paper, the background of the research is analyzed, and the research on the control system of manipulator at home and abroad in recent years is summarized. Then, the hardware parameters of SCARA manipulator and its mechanical structure are introduced. Based on this, the Cartesian coordinate system is set up, the kinematics analysis of SCARA manipulator is made, the working range ofmanipulator is drawn, and the defect removal process of trajectory is introduced.

　　Subsequently, this paper combines software system and hardware system design, summarizes the overall plan of the robot control system, designs the software system framework, introduces the Linux system development platform and the crosscompilation environment construction process. In order to achieve the production line of multiple robots of the network operation, and real-time monitoring of the operation of each robot, directly to the production management department. In this paper, we design and implement the motion control of SCARA manipulator by using Qt-based manipulator. The function and implementation method of the interface of HMI, such as login interface, device list, programming interface and IO state are introduced systematically. Multi - thread Operation Technology and TCP / IP Protocol Network Communication System Design Scheme and Implementation Method.

　　As the most widely used drawing software, AutoCAD graphics can not be directly used by the robot arm system. Therefore, this paper analyzes the data structure of the DXF format file, studies the method of data extraction, and designs and summarizes the software of the arm control system software. The paper introduces the application function of the program file transfer, and then carries on the network communication and file transfer test of the embedded system of the robot arm and the UI of the robot.

　　Finally, in order to test the practicability and reliability of the manipulator arm motion control system designed in this paper, and to test the extensiveness of SCARA manipulator, using the drawing import function of the manipulator UI and the tool compensation algorithm in NC system, The manipulator was tested for applicability.

　　Key words: SCARA, robot, Linux, Qt, DXF format files, tool radius compensation

　　本文中主要研究对象是 SCARA 型工业机械手。随着中国经济的快速发展，考虑到青壮年劳动力的不断减少，我国对工业机器人的数量和质量都有很高的需求，机器人代替传统劳动力进行工业生产是未来工业发展的必然趋势。通过使用国内设备与零件，研究和设计特殊工业机器人，是打破外国机器人的市场垄断，提高中国工业机器人自主知识产权的关键因素。

　　工业机器人的基础是其机械本体，对机器人机械结构的优化是改善工业机器人操作性能，提升其高效、可靠等方面表现的重要因素。SCARA 型机械手的控制系统要求工作稳定、响应速度快，现有的 SCARA 机械手大多数采用 PC 与运动控制卡相配合的方式进行系统控制，该方式的响应存在一定延迟，并且控制设备的成本较高。Linux 系统是一个成熟而稳定的操作系统，它以其开源、稳定、免费的优势在嵌入式系统中的应用越来越广。使用基于 Linux 的嵌入式平台作为SCARA 机械臂的控制端有很多优点，它不仅可以改善实时系统，而且可以降低相应的制造成本。另外，Linux 系统提供了强大的网络功能，其强大的语言编译器 GCC，C ++等也很容易得到，不仅系统成熟，而且易于使用。

　　在本研究中，将通过基于 Qt 的 PC 端机械臂应用软件的网络通讯系统对SCARA 型机械手进行运动的控制，以实现更快捷方便的运动控制。机械臂嵌入式系统与 PC 端应用软件之间的通讯机制采用 TCP/IP 通讯协议，这样的设计具有很好的应用价值，它能够实现生产线多台机器人的组网运行，并能够实时监控每台机器人的运行状况，直接对接到生产管理部门。

　　PC 端的机械臂 UI 采用跨平台设计，选用 Qt 做为开发环境。Qt 是基于 C ++的跨平台图形用户界面应用框架，相比 MFC 是一个时尚的图形界面设计和开发工具，相对于 MFC 有很多优点。首先是跨平台的特性，Qt 支持大多数主流操作系统，但 MFC 只用于 Windows 界面开发；Qt 的开源性很好，提供了源代码，方便学习及开发；并且它拥有丰富的 API 函数，支持 QML 脚本开发，提高了用户的实际开发效率。

　　作为当今社会中最广泛使用的绘图软件，AutoCAD 的绘图不能被机器人臂系统直接使用，本设计将分析由 AutoCAD 绘图生成的 DXF（Drawing ExchangeFormat）文件的数据结构，并编写程序将可用的有效图形数据直接提取到机器人臂运动控制系统中。

　　本研究还将通过读取工业生产中的一些零件图的 DXF 文件，生成对应的实际刀具加工轨迹图，通过对轨迹数据点的下发，操作机械手沿着该轨迹进行运动。

　　此研究，不仅能对此 SCARA 型机械臂的运动控制系统进行一个实际应用检测，还是 SCARA 型机械臂对传统数控系统中刀补算法的应用实践。

　　因此，本文结合 SCARA 型机械臂的发展趋势，研究基于 Linux 系统的机械臂运动控制系统无疑具有重要的现实意义和实用价值。

　　本研究主要设计了基于 Linux 系统下的 SCARA 型机械手运动控制系统软件。此控制系统软件主要利用 Linux C 语言开发，而 PC 终端的机器人 UI 软件主要利用 QML 与 JavaScript 语言开发。

　　本论文各章节主要研究内容如下：

　　第一章主要介绍了工业机器人的研究背景及世界范围的机器人发展趋势，概述了国内机器人技术的发展历程与一些国外发达国家的机器人发展史，并介绍了国内外工业机器人的研究现状，最后阐述了本文的研究意义。

　　第二章首先说明了 SCARA 机械手的硬件参数，然后分析了其机械结构并在此基础上建立了笛卡尔坐标系，通过机械手硬件参数进行了 SCARA 型机械手的运动学分析，最后绘制了机械手的工作区间，并介绍了轨迹疵点的剔除流程。

　　第三章结合软件系统、硬件系统的设计，概述了机械手控制系统的总体方案，设计了软件系统的框架，介绍了 Linux 系统开发平台与交叉编译环境的搭建过程。接着详细讲解了基于多线程操作技术与 TCP/IP 协议的网络通讯系统设计方案与实现方法。最后，根据软件系统的结构流程设计了基于 Qt 的机器人 UI 界面，并系统介绍了登录界面、设备列表、设备初始化、编程界面、IO 状态等主要界面的功能及实现方法。

　　第四章主要内容为 SCARA 机械臂控制系统应用性技术的实现，包括了工业图纸的导入与程序文件的传输。首先设计并概述了机械臂控制系统软件的图纸导入功能。随后分析了 DXF 格式文件的数据结构，并研究了其中数据的提取方法，然后介绍了图纸文件在编程界面中的绘制方法。之后介绍了文件传输的整体流程，及该过程中涉及的 MD5 码及 Base64 编码算法，最后进行了 SCARA 型机械臂的嵌入式控制系统与机械臂 UI 的网络通讯测试与文件传输系统的测试。

　　第五章主要内容为 SCARA 型机械臂对刀补算法的实现试验。首先对数控系统中刀具半径补偿算法进行了研究，随后在经过机器人 UI 读取图纸数据、刀具半径补偿计算、实际轨迹数据下发、机械臂实际运行测试等步骤后，通过对机械臂实际运动轨迹与机械臂关节运动曲线的观察，得出结论。

　　SCARA型机械臂运动控制系统演示：

SCARA 机械手实体模型

SCARA 型机械臂对刀补算法的实现

机械臂 UI 软件登录界面

设备列表界面

设备初始化界面

IO 状态模拟模式界面

编程界面

目录

　　摘要
　　Abstract
　　目录
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 工业机器人的分类
　　　　1.3 工业机器人的国内外研究现状
　　　　　　1.3.1 国内研究现状
　　　　　　1.3.2 国外研究现状
　　　　1.4 本文研究意义及主要研究内容
　　　　　　1.4.1 研究意义
　　　　　　1.4.2 主要研究内容
　　　　1.5 本章小节
　　第 2 章 建立 SCARA 型机械手运动学模型
　　　　2.1 SCARA 型机械手的结构
　　　　2.2 SCARA 型机械手的硬件参数
　　　　2.3 推导 SCARA 型机械手的正、逆运动学解
　　　　　　2.3.1 建立 SCARA 型机械手的运动坐标系
　　　　　　2.3.2 正运动学解
　　　　　　2.3.3 逆运动学解
　　　　2.4 SCARA 机械手工作区间分析
　　　　　　2.4.1 SCARA 型机械手工作区间绘制
　　　　　　2.4.2 轨迹点的疵点判断
　　　　2.5 本章小结
　　第 3 章 SCARA 型机械手控制系统设计
　　　　3.1 控制系统总体方案设计
　　　　3.2 控制系统软件平台设计
　　　　　　3.2.1 软件系统概述
　　　　　　3.2.2 交叉编译环境的构建
　　　　　　3.2.3 嵌入式 Linux 基本开发环境搭建
　　　　3.3 嵌入式平台的通讯系统设计
　　　　　　3.3.1 通讯系统主程序流程设计
　　　　　　3.3.2 基于 TCP/IP 协议的网络通讯
　　　　　　3.3.3 通讯系统的多线程操作
　　　　3.4 控制系统软件的 UI 设计
　　　　　　3.4.1 基于 Qt 的应用软件框架设计
　　　　　　3.4.2 登录界面与账户信息储存
　　　　　　3.4.3 设备列表的界面设计及实现方法
　　　　　　3.4.4 设备初始化界面设计
　　　　　　3.4.5 I/O 状态界面设计
　　　　　　3.4.6 编程界面设计
　　　　3.5 本章小结
　　第 4 章 机械臂控制系统的应用实现
　　　　4.1 控制系统软件应用型功能介绍
　　　　4.2 工业图形文件的导入与绘制
　　　　　　4.2.1 DXF 格式文件简介
　　　　　　4.2.2 DXF 文件的数据结构分析
　　　　　　4.2.3 DXF 文件的数据提取
　　　　　　4.2.4 图纸文件的绘制
　　　　4.3 程序文件的传输及测试
　　　　　　4.3.1 文件传输流程概述
　　　　　　4.3.2 Base64 编码算法及 MD5 码介绍
　　　　　　4.3.3 文件传输及网络通讯测试
　　　　4.4 本章小结
　　第 5 章 刀具半径补偿算法的机械手实现
　　　　5.1 刀补算法的机械手实现概述
　　　　5.2 刀具半径补偿原理
　　　　5.3 直线过渡的刀补算法研究
　　　　　　5.3.1 直线接直线情形
　　　　　　5.3.2 直线接圆弧或圆弧接直线情形
　　　　　　5.3.3 圆弧接圆弧情形
　　　　5.4 SCARA 型机械臂对刀补算法的实现
　　　　5.5 本章小结
　　第 6 章 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　攻读硕士期间的科研成果
　　致谢

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