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四自由度机械臂网络化远程控制系统的设计与实现

作　者: 潘健
导　师: 江明
学　校: 安徽工程大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 四自由度机械臂网络化控制系统 udp winsock client-server
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

网络技术和计算机控制技术正在理论研究与实际应用中飞速地发展。在工业控制、科学研究(外太空、深海、地质等学科)、航空航天、军事、远程医疗、机器人遥操作等领域,越来越多的控制系统开始改变其结构,通过网络构建网络化远程控制系统来实现传感器、控制器和执行器之间的数据远程传输。目前最引人注目的则是远程控制机器人在Internet网络上的应用,因为它使人类在空间上的活动能力得到了进一步的延伸。它可以完成深海探测、防爆、有毒废弃物处理等危险、恶劣环境下的复杂作业,不仅将人类脱离出危险和恶劣的作业环境,而且也让人类进入到以前无法触及的空间、科学领域进行研究,使人类的文明迈进了一大步。与此同时,机器人学的创立以及其自身学科的发展,及人类对机器人要求完成的功能日趋复杂,使远程控制机器人系统向着多自由度扩展。因此将最新的网络控制理论和控制技术应用于实际机器人的网络化远程控制系统中,是研究网络控制技术与理论的最终目标,也是其价值的真正体现。本文以四自由度机械臂为被控对象,以本地控制系统中计算机为服务器端,通过局域网与远程计算机构建一个网络化远程控制系统。系统采用Winsock API和多线程技术,设计了基于UDP协议、Client-Server模式的四自由度机械臂网络化远程控制程序,实现在局域网内远程控制机械臂完成移动与取物的任务,同时也为四自由度机械臂网络化远程控制系统的理论研究提供一个有效的实验平台。文章在第三章分析了四自由度机械臂控制系统的结构,对四自由度机械臂进行了几何运动学的分析,分析了系统工作流程并给出了四自由度机械臂运动功能函数。第四章中依次介绍了四自由度机械臂网络化控制系统的构建、服务器端和客户端软件流程和主要实现的控制函数。在本章的最后,对所设计的程序进行了两个实验：一、对单轴运动的远程控制；二、机械臂远程执行序列指令实验。这两个实验验证了本文设计程序能够远程控制四自由度机械臂移动、抓取物件的功能。第五章中对课题的研究与设计结果进行了总结,并针对本系统提出了下一步可以进行研究的内容。网络控制系统的理论研究正如火如荼地进行着,但网络控制系统设计工程化却因为实际环境与理论研究的背景条件有着巨大差异,而遭遇诸多难点,使得许多先进的网络控制理论并不能及时有效地应用于实际的系统中。将网络控制系统理论与实际工程相结合,将研究理论成果工程化,这一问题已成为目前的一个重要的研究内容,同时也是这个课题的根本目的所在。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-12
第1章绪论  12-18
  1.1 引言  12-13
  1.2 国内外发展动态  13-16
    1.2.1 理论研究发展现状  13-14
    1.2.2 应用领域发展现状  14-16
  1.3 本文研究意义及研究的主要内容  16-18
第2章机械臂网络化远程控制系统的基本原理和关键性技术  18-26
  2.1 机械臂网络化远程控制系统的基本原理  18-22
    2.1.1 机械臂网络化远程控制方式  18-19
    2.1.2 网络化远程控制中节点驱动方式  19-20
    2.1.3 远程网络控制的体系结构  20-22
  2.2 网络化远程控制系统实现的关键性技术  22-25
    2.2.1 远程控制网络实现技术  22-24
    2.2.2 多线程技术  24-25
  2.3 小结  25-26
第3章四自由度机械臂控制系统  26-39
  3.1 四自由度机械臂控制系统硬件结构  26-30
    3.1.1 四自由度机械臂控制系统的组成  26-27
    3.1.2 被控对象——四自由度机械臂  27-30
  3.2 四自由度机械臂控制系统软件实现  30-38
  3.3 小结  38-39
第4章机械臂网络化远程控制系统的设计与实现  39-67
  4.1 四自由度机械臂网络化远程控制系统的构建  39-42
    4.1.1 四自由度机械臂网络化远程控制系统各节点驱动方式  40
    4.1.2 四自由度机械臂网络远程控制系统结构  40
    4.1.3 网络传输协议  40-42
  4.2 winSock网络通信的实现方法  42-45
    4.2.1 WinSock API  42-43
    4.2.2 MFC中的CSocket类  43-44
    4.2.3 winsock控件  44-45
  4.3 服务器端软件设计与实现  45-52
    4.3.1 服务器端程序流程  46-47
    4.3.2 服务器程序中主要的数据结构  47-48
    4.3.3 服务器部分功能函数  48-52
  4.4 远程客户端软件设计与实现  52-58
    4.4.1 客户端程序流程  52-53
    4.4.2 客户端程序中主要的数据结构  53-55
    4.4.3 客户端部分功能函数  55-58
  4.5 四自由度机械臂网络化远程控制系统的时延分析  58-62
    4.5.1 网络时延测量与分析  59-62
  4.6 实验与结论  62-66
    4.6.1 远程控制机械臂单轴实验  62-64
    4.6.2 远程控制机械臂序列运动实验  64-66
  4.7 小结  66-67
第5章总结与展望  67-71
  5.1 总结  67
  5.2 进一步研究的内容  67-71
参考文献  71-75
附录：部分程序代码  75-89
攻读学位期间发表的学术论文目录  89-90
致谢  90

四自由度机械臂网络化远程控制系统的设计与实现

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