基于STM32的机械臂运动控制与结构设计开题报告.docx

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基于STM32的机械臂运动控制与结构设计开题报告

基于STM32的机械臂运动控制与结构设计

开题报告

班级（学号）：

机械1104（2011010093）姓名：

文伟松

指导教师：

王科社

选题背景

机器人技术是一种新兴技术,它涉及多种学科,综合了计算机、机械学、信号处理和传感技术、控制论、仿生学和人工智能等多学科。

机器人按照用途可分为工业机器人、服务机器人和特种机器人,其中工业机器人是目前应用最多、技术上发展最成熟的一种机器人。

随着我国经济的快速发展和科学技术的突飞猛进,使得机器人在货物搬运与物流、喷涂、焊接、测量等行业有着相当广泛的应用。

码垛机器人是实现物流和包装自动化的关键装备,可以实现高速、自动、连续、准确的码垛操任务。

人工码垛是强度大、重复性高的劳动,特别是高粉尘、有毒、有害等物料,基本不适合人工码垛，因此有必要研发一种码垛机器人,减低生产过程中对工人身心伤害。

进入20世纪80年代，随着计算机技术、控制技术以及自动化技术的发展和成熟，工业发达国家如日本、美国、瑞典、意大利、德国等都在相应的研制出了自己的码垛机器人。

如德国的KUKA系列，日本的FANUC系列，瑞典的ABB系列等。

国外发达国家研制的码垛机器人多为四轴空间的关节机器人，一般由机械本体、拉制器和末端执行机构组成，其中机械本都是有底座，腰部连杆，大小臂连杆和末端执行器（腕部）构成。

如图1.1。

德国KUKA瑞典ABB机器人

日本不二（FUJI）日本OKURA

图1.1发达国家研制的主要工业机器人

基于串联式码垛机器人，本文设计一种类似结构的机械臂。

针对毕业论文题目“基于STM32的机械臂运动控制与结构设计”，首先对国内外高校，研究院，企业等对码垛机器人研究及其发展状况进行调研；其次对设计的机械臂作运动学分析以及控制系统设计等。

1.1.1主要研究内容

本文针对串联关节型码垛机器人，设计了一种新型4DOF机械臂；此机械臂主要连杆机构与串联关节型码垛机器人类似；在不大幅度增加系统转动惯量前提下，增加一个自由度实现末端执行器翻转，改进末端视觉传感器测量角度和带宽。

首先充分调研国内外各种码垛机器人发展状况并分析；通过Solidworks建立三维模型并对末端轨迹和各运动参数进行虚拟仿真，获取机械臂工作空间大小。

通过MATLAB精确计算机械臂末端工作空间。

第二通过D-H法对机械臂建立码垛机器人连杆坐标系，基坐标和末端坐标之间的变换矩阵，获取机械臂运动学正解和运动学反解。

对机械臂关键零件做力学校核。

第三设计加工基于PVC材料的小型机械臂，并装配。

第四设计基于ARMContex3内核的STM32处理器的机械臂控制系统，实现输入机械臂末端执行器空间坐标和速度，机械臂定位到预期点。

最后通过MDK5编写程序并通过JLINK调试机械臂；提出机械臂末端误差消除方法，并考虑分析小型机械臂在教具和科技展览利用前景。

1.1.2课题研究意义

本文中设计的新型机械臂可用于教学教具用，训练学生对基本机械结构的认识；新型机械臂相对于普通码垛机器人来说具有惯量小，视觉传感器传感范围大等特点；此新型机械臂可用于小型机器人作执行机构，具有较好运用前景；同时本文对此新型机械臂运动学分析和动力学分析做了研究，对此新型机械臂进一步研究具有重要意义。

1.2码垛机器人分类

现今码垛机器人按驱动结构不同分有串联式，并联式和混联式。

1.2.1并联式码垛机器人

并联码採机器人生产厂商有瑞典ABB公司和FANUC公司。

并联机器人具有以下特点:

无累计误差,精度较高;运动部分重量轻,速度高,动态响应好,驱动装置可置于固定平台上;结构紧凑,承载能力大;并联机构的各向同性优异。

同时,由于并联机器人工作空间较小,承载能力弱,在现实的自动化生产线重载环境下,适用性和灵活性不高,因此在食品行业和快速分拣、蹄选行业等轻载环境下,并联机器人突显出它的优势,在高速重载行业,主要是混联码设机器人和串联关节式码躲机器人。

图1.2混联式码垛机器人和串联关节式码垛机器人

1.2.2串联关节式和混联式码垛机器人

欧洲和美国主要以关节式串联码操机器人为主。

并联式码垛机器人具有控制简单系统惯量小等特点。

图1.2为混联码探机器人与关节式串联码操机器人,两者的区别在于混联码设机器人四个关节中,两个关节为移动关节,其余为旋转关节,后者的四个关节皆为旋转关节。

两者都经过两个四连杆机构传动,使末端的腕部关节旋转轴线始终与地面垂直。

串联关节式码操机器人的结构如图1.3；混联式机器人如下图1.4。

图1.3关节式码操机器人的结构

图1.4混联式机器人结构

串联关节式码垛机器人和混联机器人主要区别在于混联码操机器人和关节式串联机器人的第一关节与第四关节同为旋转关节。

而混联码操机器人的第二关节和第三关节为移动关节,第二关节为水平移动,第三关节为垂直移动,两关节部分各有驱动系统,每个电机控制同步带轮的旋转驱动滚珠丝杠,从而带动其滑块的运动,可以实现大臂上下运动,小臂前后运动。

这样结构的优点是可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求。

目前国际四大机器人生产商ABB、FUNUC、KUKA和YASKAWA在4轴搬运机器人研发方面,均采用四轴旋转的关节式结构,与两个旋转和两个移动关节的混联码操机器人比较,具有如下优势:

1）结构紧凑,外形美观,为目前四轴搬运码操机器人的主流发展方向;

2）维护方便,故障率低,与滚珠丝杠、精密行星减速机的传动方式相比,RV减速机传动简单,易于维护,使用寿命长,前者在润滑与密封方面较后者复杂。

3）成本基本持平,两者使用相同数量的伺服电机和减速机,混联码操机器还另外需要滚珠丝杠和导轨。

4）关节式码操机器人的旋转关节方式定位精度高于混联码圾机器人的直线关节方式的定位精度。

5）在机械结构设计方面,混联码操机器人的结构较关节式码操机器人更为复杂,需要解决伺服电机、同步带传动、滚珠丝杠和导轨的布置问题。

6）混联码操机器人虽然也有行程放大的机构,但由于外观尺寸的限制,滚珠丝杠和导轨的长度受限,运动空间小于关节式码探机器人。

1.3国内外码垛机器人研究现状

1.3.1国外码垛机器人发展现状

工业机器人技术在国外起步较早,第一次将机器人技术应用于码操作业的是在20世纪70年代,由日本提出的。

目前,世界各发达国家的机器人公司针对各种载荷、运行空间和运行环境,不断推出高性能、高可靠性、高速、高精度的码探机器人。

码圾机器人市场主要分为欧系和日系。

欧系码操机器人以ABB和KUKA为代表,日系码操机器人以FANUC和YASKAWA为代表。

ABB公司是全球领先的工业机器人供应商,在码操作业方面,有着全套先进的机器人解决方案。

1974年,ABB设计研发了全世界第一台全电控式、微处理器控制的工业机器人IRB6。

随着技术积累,最近ABB公司研制了全球速度最快的紧凑型四轴码操机器人ABB-IRB460。

在工作节拍方面,每小时最快可以达到2190次,工作空间的直径达到2400mm,在运行速度方面,较相同类型的机器人提升了15%左右,在占地面积方面,只是同类机器人的4/5,在工厂狭小空间内的高速作业,ABB-IRB460将更加适用。

针对不同行业的需求,ABB开发了特殊规格的机器人,IRB360是实现高精度拾放料作业的并联机器人,范围可达1600mm。

该机器人高速柔性化,按照卫生标准设计,并集成视觉软件。

作为全球最大机器人生产商之一的德国KUKA机器人公司,涵盖了所有应用场合和负荷等级的机器人类型,其中Titan是目前市场上最强悍的工业机器人,主要应用于包装及蹄选,承载能力可以达到1300kg,最大作用范围3202mm,重复定位精度也能达到±0.2mm。

凭借矫健的身姿,获得了全球公认的红点设计奖。

日本安川公司于1977年研制出第一台全电动工业机器人,至今在全球已生产13万多台机器人。

安川机器人的MP系列是专门应用于码垛作业的,MPL160码垛机器人的负载能力达到了160kg,重复定位精度达到±0.5mrn。

而MOTOMAN-UP350D机器人最大负载可达500kg,机器人最大臂展为2500mm,重复定位精度也能达到±0.5mm。

安川机器人不间断监视高密度安装的机械臂之间的距离,在机械臂快要发生碰撞时,将会自动停止,并且可用低速测试运行,确认再生动作的轨迹,这样就可以同时确认工件与工具的干涉,在短时间内做出最合适和最短距离的示教。

日本FANUC的LTD成立于1972年,主要产品为工厂自动化设备及工业机器人,年产机器人25000台,全球共有八十多家分公司和子公司。

FANUC机器人拥有200种以上机器人系列,负重能力由3kg-1200kg,运动范围从接近人手臂的BabyRobot（R=600mm）,一直到类似大吊车的M-2000iA系列。

FANUC公司是世界上唯一提供集成视觉系统的厂商,视觉软件集成在机器人控制器中,实现可靠性高的视觉功能。

该公司的码垛专用机器人M-410iB,最大可搬运重量700kg,作业半径为3143mm,工作循环周期达到1500回/小时。

内部封入了食品生产对应的润滑脂,并且强化了防诱性的包装食品排放搬运专用型,以及将第四轴的速度提高到12.57rad/s的高速机械手腕型,同时可以选配视觉系统。

1.3.2国内码垛机器人发展现状

我国工业机器人技术研究与应用开始于上世纪70年代,自主研发的码操机器人主要结构形式有直角坐标式和关节式。

近几年,在码圾机器人方面,出现了一批具有较强研发实力的科研院所和专家企业。

上海交通大学与上海沃迪科技有限公司研发了TPR系列码操机器人,如图1.5。

TPR系列机器人与日本FUJI码操机器人结构相似,具有独特的线性四连杆机构利用工控机、运动控制卡、PLC和HMI实现机器人的控制,并且可以通过HMI人机交互,核心算法由工控机完成,控制软件在VisualStudio平台上编写,实现码操机器人生产能力达到1600包/小时。

图1.5TPR系列码垛机器人

安川首钢机器人公司是专业从事于工业机器人以及自动化生产线设计与制造的合资公司,主要引进円本安川机器人公司的技术。

生产的"SG-MOTOMAN“系列工业机器人,在控制器中采用了ARM功能,首次实现了实时动力学控制技术。

2005年在引进MOTOMAN-HP机器人的基础上,将该机器人本体轻型化,减弱了机器人启动和停止时瞬间的颤动,缩短了运行周期。

运用高精度轨迹控制算法缩短了对指令响应的滞后时间,使得轨迹重复精度提高50%,MOTOMAN-HP系列机器人的负载能力可达165kg,重复定位精度能达到t=0.2mm。

沈阳新松机器人自动化公司是我国工业机器人的产业化基地,我国第一台工业机器人样机,就是在该公司研发与制造成功的。

在机器人技术方面,新松机器人优化了机器人控制、操作机设计、工程应用和机器人作业等关键技术难题,解决了高精度插补、机器人语言、多轴协调和传感器控制等技术,研发了具有我国自主版权的机器人控制器,其应用涵盖搬运、焊接、冲压、喷涂以及机加工等领域。

清华大学陈恳、杨向东和北京邮电大学李金泉以及北京理工大学付铁共同开发了TH50型码躲机器人,负载50kg,可搬运1000袋/小时。

TH50型码操机器人的结构与ABB、KUKA等机器人不同,第二关节和第三关节采用滚珠丝杠驱动,TH50码设机器人是各关节直接驱动方式,这种驱动方式的好处是可以减小驱动电机和减速机的功率,不需要平衡气杆、弹賛等元器件。

相对于国外工业机器人技术,我国工业机器人技术在产品研发和生产制造方面与国外还存在一定的差距,大部分技术还是被国外公司掌握,自主产权的核心技术较少因此,发展自主产权和核心竞争力的工业机器人产品,已成为我国机器人产业的当务之急。

通过本次调研更广泛的了解了国内外工业机器人发展现状。

1.4本章小结

本章主要介绍了本文研究背景；以及主要研究对象与研究内容；介绍码垛机器人工作特点与前景；综述国内外码垛机器人研究现状；对码垛机器人分类做详细介绍。

2.自由度与结构分析

2.1机械臂总体自由度与组成分析

普通码垛机器人具有四个自由度；分别是图3中底座和主构架之间旋转

，大臂和主构架之间旋转

小臂和主构架之间旋转

，腕部自身的旋转

。

本设计中机械臂具有四个自由度；其中

，

，和普通码垛机器人一致，在本设计中末端执行器通过气泵吸盘吸取目标物体，故去掉了腕

部自身旋转，但在基座和主构架之间增加一个四杆机构实现机械臂末端执行器周向转动；此自由度提高了“EyeInHand”型码垛机器人视觉系统的视觉传感器测量范围，改善码垛机器人动态控制性能。

机械臂整体图与注释如图2.1。

机械臂主要包括底座、大臂、小臂、保持连杆、三角形保持架、腕部水平保持杆、末端执行器和视觉等传感器。

其中度底座和主构架之间旋转自由度

提供机械臂整体旋转，大臂自由度

提供机械臂末端前倾与后仰运动，小臂自由度

提供机械臂末端的升降运动。

通过改变各个自由度周向位置来改变机械臂末端位置。

在Solidworks模型中修改各个曲柄位置得到如图2.2位置。

图2.2中分别改变

，

，

，

位置，从图中可得到各个连杆的位置以及连杆之间的相对角度。

机械臂主要结构是基于串联关节型码垛机器人，在

不改变末端曲柄位置的条件下可保证机械臂末端在平面内做平动运动，当机械臂末端吸取到目标物体时不至于导致物体翻转；同时此结构设计大大降低了机械臂控制系统的设计难度。

图2.1机械臂整体图与注释

图2.2在Solidworks模型中修改各个曲柄位置后末端位姿

2.1.2机械臂末端平动工作原理

机械臂运动在结构上是由4个平行四边形四杆机构组成，即四杆机构中包括机架在内的四个杆件长度相等；在平行四边形四杆机构条件下，四杆机构连杆在四边形所在平面内做平动，即连杆自身没有旋转运动，机械臂四个平行四边形如图2.3；图2.3为机械臂二维图，图中四

图2.3机械臂平动用平行四边形结构

种颜色标注了四个平行四边形位置与形状。

图2.3中平行四边形1当末端曲柄旋转而大臂、小臂不主动旋转时，可改变机械臂末端相对于水平面之间角度，如图2.2和图2.3比较；通过调节末端曲柄角度可改变机械臂末端相对于水平面水平，通过这个曲柄运动可改善机械臂控制系统的视觉传感器检测范围。

在机械臂正常工作时，保持机械臂末端水平，这样可保证末端执行器（吸盘）水平吸取物体。

2.1.3机械臂大臂小臂工作

机械臂大臂、小臂都是作为平行四边形曲柄工作，改变机械臂大臂可改变末端前倾和后仰运动。

通过改变小臂和地面之间夹角即可改变机械臂末端高度，图2.4表示改变小臂角度A，实现末端高度改变。

当机械臂只有小臂作为原动件时（即图2.3中杆DE），连杆DG作为机架杆，其中连杆FGK作为从动曲柄，而连杆FGK端点K连接到机械臂末端执行器；从而实现机械臂末端升降。

大臂工作原理与小臂类似，当机械臂只有大臂作为原动件时，改变大臂和地面间夹角即可改变机械臂末端前后方向运动；即改变DG和地面间夹角，平行四边形中GD作为曲柄，DE作为机架，FGK作为连杆；同理连杆FGK连接到机械臂末端，从而实现机械臂末端前进后退的基本运动。

当底部旋转自由度工作时可改变机械臂末端周向位姿，从而实现机械臂在工作空间内360度旋转。

机械臂所有原动件均均安装在底座，同时使三个原动件工作时可使得机械臂灵活运动，原动件安装在底座和并联机器人相比，大大减少了系统转动惯量，提高了系统动态特性，在机械臂控制系统做误差消除方面降低了难度。

另外，机械臂没有复杂的减速传动装置减小了系统控制误差与机械臂运动的累积误差。

图2.4小臂工作原理示意图

3.主要工作量与最终研究成果

3.1本毕业设计主要工作量包括：

1.机械臂三维建模，运动学仿真。

2.机械臂基于D-H法的运动学分析，作机械臂运动学正解，反解；求出变换矩阵和变换逆矩阵。

3.机械臂动力学分析，主要零件力学校核分析。

4.机械臂零件加工装配。

5.基于STM32的机械臂控制系统设计。

6.设计程序，将机械臂运动学矩阵加入到程序中，实现机械臂定点定位。

3.2最终研究成果

1.机械臂二维零件图和三维装配图各一张。

2.机械臂末端轨迹，部分连杆运动参数等的仿真动画。

3.MATLAB中机械臂工作空间轨迹图一张。

4.500*500*500mm机械臂实物模型、控制系统。

5.附机械臂控制系统代码程序。

4.对进度的具体安排

第1周：

开始调研，查阅国内外相关文献

第2～3周：

文献阅读，方案设计，外文翻译，完成开题报告。

第4周：

完成前期工作，确定最终方案，制定设计路线，开始理论计算。

第5周：

理论计算，草图绘制，结构设计，简单模型绘制。

第6周：

结构设计，详细设计，三维模型设计绘制。

第7～8周：

结构设计，工程图绘制、虚拟样机生成。

第9～11周：

加工制作，优化设计，仿真分析，控制设计。

第12周：

装配制作、初步调试。

第13周：

调试、实验验证。

第14周：

完成论文。

第15周：

整理资料，准备答辩。

第16周：

答辩。

5.参考文献

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[2]陈辛.机械臂的动力学研究[D].哈尔滨工程大学.2007.

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沈阳工业大学，2011.

[15]基于双目视觉的机械臂伺服系统的研究[D].内蒙古：

内蒙古科技大学，2010.

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郑州大学，2013.

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南京林业大学，2013.

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河北工业大学，2006.

指导教师：

（签署意见并签字）年月日

督导教师：

（签署意见并签字）年月日

领导小组审查意见：

审查人签字：

年月日