diamond机器人机电一体化设计.docx

diamond机器人机电一体化设计.docx

《diamond机器人机电一体化设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《diamond机器人机电一体化设计.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

diamond机器人机电一体化设计

毕业设计报告（论文）

报告（论文）题目：

diamond机器人机电一体化设计

作者所在系部：

机械工程系

作者所在专业：

机械设计制造及其自动化

作者所在班级：

作者姓名：

作者学号：

2

指导教师姓名：

月

摘要

并联机器人是一类全新的机器人，它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小，动力性能好、控制容易等一系列优点，因而扩大了整个机器人的应用领域。

本论文建立了2-DOF并联机器人的物理模型，详尽探讨了机器人的工作空间，给出了可达工作空间的计算方法，并通过对工作空间的位置分析和运动分析，得出了最佳的连杆长度和机构的运动空间的关系。

并联机器人由于结构的限制不容易实现灵活工作空间，针对这一特性，文中提出了并联机器人的灵活度和灵活空间等性能指标的概念。

最后本文系统的论述了步进电动机的选用和硬件电路的设计，并给出了步进电动机的控制程序。

空间模型是实现机器人机构计算机辅助设计的有效途径，因此本论文的研究对设计者设计并联机器人机构和开发这些并联机器人机构的计算机辅助设计软件有着重要的科学意义和明显的应用价值。

关键词：

物理模型位置分析运动分析步进电动机硬件电路并联机器人

Abstract

Parallelrobotisakindofnewrobot，withstiffness,andload-bearingcapacity,anderrorandhighprecision,sincetheheavyloadthanthesmall,dynamicperformance,andcontrolaseriesofadvantagessuchaseasy.

Inthisthesis,thephysicalmodelsofthesolutionspaceforsomeparallelmanipulatorsareplanar2-DOFparallelmanipulators.Thethesisstudiestheworkspacesoftheparallelmanipulatorsindetail.Thenumericalmethodsforcalculatingtheworkspacesarepresented.Throughtheworkspaceandthelocationanalysisandmotionanalysis.

Theconceptsofagilityandtheagileworkspaceforparallelmanipulatorsareproposedanddefined.Thephysicalmodelsofthesolutionspaceproposeausefulapproachforthecomputer-aideddesignofroboticmechanisms,theresultsandthetechniquesobtainedbythisthesisareveryusefulforthedesignoftheparallelroboticmechanismsandthedevelopmentofCADsoftware.

Keywords:

PhysicalModelPositionAnalysisMotionAnalysisSteppermotorHardwarecircuitParallelmanipulator

第一章绪论

1.1概述

很早以来，人类就幻想能有一种拟人的机械，能实现如人的手、脚一样的灵活自由的运动，能代替人从事各种非固定变化的复杂的劳动。

随着人类认识的不断深入和科学技术的进步，这种梦想正逐步变成现实。

早在我过西周时期就流传有关巧匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人的故事。

我国东汉时期，张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。

随着生产力的发展这种梦想最终成为了现实。

目前广泛使用的工业机器人的主体大都是一个似人手臂的机电系统，这类机器人属于串联机器人的范畴。

如果要移动一个很重的箱子，人们习惯用两个手臂同时工作，这种几个运动链并行工作的概念应用到机器人f1,21上就产生了另一类机器人—并联机器人。

并联机器人的拓扑结构中包含了一个或几个闭环，它由有一个或几个闭环组成的关节点坐标相互关联的机器人。

与传统的串联机器人相比，并联机器人的主要特点为:

（1）驱动装置可以安放在或接近机架的位置;

（2）机器人的运动部分重量轻、速度高、动态性能好;

（3）没有累积误差，其精度较高;

（4）并联机器人往往采用对称结构，其各向同性好;

（5）并联机器人的工作空间较小;

（6）运动学反解简单，正解复杂;

1.2并联机器人的发展历程

20世纪60年代，世界上出现了第一台工业机器人以来，机器人得到了十分迅速的发展，被广泛地应用于汽车工业、电子工业、核工业、以及服务行业、医疗卫生等许多方面，在串联机器人方兴未艾时，又出现了新一类并联机器人，现已得到广泛地重视，成为新的研究热点。

自1987年Hunt提出并联机器人结构模型以来，并联机器人的研究受到许多学者的关注。

美国、日本先后有Roney、Ficher、Duffy、Sugimoto等一批学者从事研究，英国、德国、俄罗斯等一些欧洲国家也在研究。

国内燕山大学的黄真教授自1982年以来在美国参加了此项内容的研究，并于1983年取得了突破性进展。

迄今为止，并联机构的样机各种各样，包括平面的、空间不同自由度的、不同布置方式的、以及超多自由度并串联机构。

飞行模拟器:

把并联机器人机构应用为飞行模拟器，是并联机器人较早的应用。

在并联机器人领域，"Stewart-Gough平台机构”几乎就是“飞行模拟器”的代名词。

国际上有很多公司研制并联机构的飞行模拟器，如Frasca国际公司研制的MBBB0105型综合飞行训练装置，就是采用并联机构作为运动实现主体。

德国跨国公司Daimler-Benz公司制造的Daimler-Benz超大型6-6六自由度Stewart型多媒体全真动态驾驶模拟器，在多媒体全真驾驶模拟器方面主导了世界领先水平的潮流。

虚拟轴数控并联机床:

虚拟轴六自由度数控机床是并联机器人在制造业中的一个重要应用。

与传统的数控机床相比，并联式加工中心结构简单，传动链短，刚度大，质量轻，切削效率高，成本低，特别是很容易实现六轴联动，因而能加工复杂的三维曲面。

Giddlings&Lewis公司在1994年美国芝加哥IMTS'94博览会上推出的VARIAX虚拟轴机床，引起广泛的关注，被称为“21世纪的机床”，它在国内外已经成为研究热点。

德国Mikromat公司的6X型并联机床是德国Fraunhofer机床和成形技术研究所为模具高速加工而开发的，该机床工作台尺寸为630x630mm,X,Y,Z行程均为630mm，两个转动自由度范围为300，主轴最高速度为lOm/s2。

瑞士技术院机床与制造技术院和机器人院联手研制出了名为工WF的Hexaglide虚拟轴机床。

国内外还有很多公司和院校在研究虚拟轴数控机床，如日本的本田公司基于铣削加工线的六条腿机床，Hexel公司、英国的Geodetic公司、意大利的COMAU机床公司和瑞典的NEOS机器人公司以及国内的清华大学、天津大学、哈尔宾工业大学和沈阳自动化所、东北大学等等。

虚拟轴数控机床的可能应用前景还有:

以蚂蚁啃骨头方式对大型构件进行加土或最后精整，灵活布置进行测量或装配和对实体模型进行数据采集或精修等等。

微动机器人:

在精密机械领域，如精密加工、医学和微电子机械等等，对多自由度精微运动的要求越来越多，这促使了机器人另一个新的应用领域—微动机器人的发展。

微型组织、微型机械、微电子和微型光学领域促进了微系统、集成光学元件的发展，这些微小的高科技产品要求机器人能够以很高的精度（如典型的0.1fore）来操作并且装配微小元件。

同时这些微动机器人机构必须是高精度机构，不仅要无摩擦和无滞后作用，而且需要结构紧凑、重量轻、刚度好。

1962年，Ellis就建议采用并联而不是串联的压电陶瓷驱动微动机器人，之后，为了适应不同的应用领域，如生物工程学和微外科等，许多并联结构的微动机器人样机相继诞生。

Stoughton介绍了由两个并联结构组成的微型机器人，每个并联机构由6个压电式元件组成;Hudgens和Tesar提出了一种并联的Stewart平台微型机器人;Lee采用一个移动和两个转动的并联机构来作为微动机器人的机构;哈尔滨工业大学用六自由度的并联机构研制成了压电陶瓷驱动六自由度并联微动机器人;燕山大学研制了并联式六自由度误差补偿器;北航提出了一种由一个平面3-RRR和一个空间并联3-RPS机构串联而成的微动操作的机器人和Delta型微动机器人。

瑞士EPFL研制了并联六自由度微动机器人，该微动机器人由2自由度或多自由度的球面微电机通过压电式微传送器驱动，用于在集成光纤底片上定位一单模光纤。

图1-4燕山大学高峰教授研制的卧式并联机床

（在机构构型上具有我国自主的知识产权，清华、天大及哈工大的机床都是采用国外已有的构型）

六维力和力矩传感器:

由于智能化机器人的“触觉”和“力觉”可以借助于力传感器来实现，因此自七十年代以来，机器人关节（主要是腕关节）用的六维力与力矩传感器成为国内外学者研究的热点。

在六维力传感器研究中，力敏感元件的结构设计是力传感器的关键核心问题，因为力敏感元件的结构决定力传感器的性能优劣。

国内外有许多学者把并联机构的思想引用到六维力传感器的力敏感元件结构设计上来，如Kerr,Nguyen和Ferraresi以及国内北大的陈滨、华中理工大学熊有伦[ts,t6]分别研究了Stewart平台结构六维力传感器的设计。

燕山大学首次提出用弹性铰链来替代球面副，使Stewart平台机构可设计成小尺寸，从而可使Stewart平台机构适用于机器人手腕和手指上的六维力传感器该设计思想实现了力传感器力敏感元件的一体化，即力敏感元件是非组装结构，从而提高了力传感器的灵敏度和精度。

步行器的腿:

在实际应用中，很多场合并不是需要实现六个自由度刚体的运动，如爬壁机器人的步行执行机构，仅仅需要两个或三个自由度。

由于少自由度的并联机器人机构高刚度和动态性能好等特性，可以被用做步行器或爬壁机器人的腿。

如日本Hirose&Yoneda实验室于1979年研制的PV-II四足步行器，就是采用平面两自由度五杆机构作为腿的执行机构，之后在八十年代该实验室研制的T工TAN系列四足步行器也都采用了并联机构作为步行机构。

该实验室在1990-1994年研制的NINJA-I,N工NJA-II系列爬壁机器人是采用的具有三个自由度的3-RPS并联机构作为移动实现机构。

另外并联机器人在要求力控制或者需要高速度运动的地方也得到了应用。

总之，并联机器人是在那些需要结构刚度好、高动态性能、高精度或者需要电机靠近机架的场合有广阔应用前景。

国内并联机器人的综合研究现状

并联机构的型综合问题在机构分析中是一个基本问题。

河北工业大学的高峰教授通过研究机构的数综合，即研究在满足一定要求的机构自由度前提下，机构将由多少个运动副和多少个构件来组成。

在数综合的基础上，可以获得在给定机构自由度的条件下，机构的构件数、运动副数以及具有不同运动副数的构件数目的关系，但是当已知数综合时，他们能够组成多少种机构的运动链，而这些运动链又能通过选择不同的原动件和机架而得到多少种机构，这就是机构的型综合。

国内的黄真教授也比较详细的研究了这一问题。

他从机构学的角度出发，通过研究机构的自由度、虚约束、公共约束，将并联机构的各个分支的运动副看作是单自由度的基本副，总结了各种并联空间机构。

目前并联机构国内外研究比较多的是三自由度和六自由度，如平面三自由度，球面三自由度，3RPS机构，3TPS&1RT机构，DELTA机构，6SPS机构，6RTS机构等等，其中尤其是三自由度并联机构是很有前景的一类，不仅可以直接作为机器人本体机构应用，如作为微动机器人机构的空间3-RPS并联机器人机构和平面三自由度并联机器人机构回;作为灵巧眼的球面三自由度并联机器人机构网，以及做简单拿一放运动的工业应用的DELTA并联机器人机构;也可以作为部件应用，如作为机器人的关节;也有把若干三自由度并联机构串联起来应用

的。

论文选题的意义

通过对diamond机器人机电一体化的设计，掌握它的设计发法，以便更好的应用到现代化生产中，快速提高生产率。

机器人的机构性能分析

2.1并联机构的基本概念

a.平台和机座

并联机构的平台实际上是指动平台t这是并联机构的核心构件。

每条并联的支链都把平台当作自己末端的构件。

因而它是各支链相互联系的纽结平台又是并联机构的输出构件，平台的运动就是我们希望获得的运动。

作为机器人机构，手爪固结在平台上，所以我们在运动分析上把平台和手爪看作是一个部件。

并联机构的机座与平台从结构上是类似的，但是机座是固定不动的。

b.自由度

根据设计意图．并联机构的平台可以在空间作二、三、四、五或六自由度运动。

如果平台在空间可以作D自由度的运动．我们把这种机构称为D自由度并联机构。

Hunt对各种自由度的并联机构做了研究口[2]。

考虑到低自由度并联机构在实际应用中的局限性，目前绝大部分学者其研究六自由度的并联机构。

c.腿

并联机构的支链把平台与机座联系在一起，人们形象地把它称为腿。

由前面的分析可知，Ⅳ自由度的并联机构．最多可并联Ⅳ条支链。

而且这Ⅳ条支链都应是具有Ⅳ个自由度以上的开式链。

对于六自由度的并联机构．每条支链可以是具有六自由度的开式链。

如SPC-6R、5RP、4T2P、3R3P、4RC、2R2C、3C等等（其中S代表球铰链、T代表虎克铰链、P代表精动副、R代表转动副、C代表圆柱副）。

支链的内部允许有局部自由度。

所以上述支链中含有S副的支链．其中的T（或P）剐可用S（或C）副代替。

各支链还可以是具有虚约束的运动链．这时电机不应该安装在构成虚约束的运动副上。

d.阶

当六自由度并联机构的支链少于六条时．必然有一条支链上要安装两个以上的电机。

对这个支链来讲，它具有串联驱动的性质。

为了反映机构并联的程度，我们引入并联机构阶（CLASS）的概念。

如果联结平台和机座的最多独立支链数是c，则此机构称为c阶并联机构。

这里“独立”的含义是指任何一条支链都不与另一条支链的中问环节相联结。

2阶并联机构是具有6个自由度的空间单环机构。

如果固定其中五个电机，只留一个电机作为输入，此时的机构便相当于空间一般单环机构了。

著名的空间7R机构是这类机构中最复杂的一种。

3阶并联机构是机构学者最早研究的并联机构。

Stewart在文[1]中首先阐述了这种机构，井介绍了采用这种机构设计的飞行模拟器随后的机构学者对3阶机构傲了大量研究。

4阶、5阶机构比3阶机构复杂，又没有显著的特色，很少有人问津。

6阶机构是完全的并联机构，这就是说6阶机构的平台是由6台电机分别通过6条支链并行驱动的6阶机构分析最为复杂．低阶机构往往被转化为高阶机构的特例，再由高阶机构的分析方法去处理由以上的分析可知，六自由度六阶机构是最一般、最复杂的并联机构，其包含的种类难以计数。

从实用的角度看，以SPS运动链为支链，各个支链的球铰中心分别在平台和机座平面上的一类并联机构结构比较简单．功能较强、因而应用最广．研究最多。

e.式

对于用球铰链与平台相连的并联机构，各个支链的球铰中心在平台和机座上的布局是机构的一个重要特征首先t球饺中心有无重合现象对并联机构影响很大。

为了描述机构的这一特征，我们引人机构式（TYPE）概念。

如果基座上相互分离的铰心数目是jlf．平台上是研．则此并联机构称为M—rn式。

当铰链中心重合时，出现复合铰链．这给机构零件设计和使用都带来困难。

显然，这种情况在机构设计中是应当尽量避免的。

机构的式最低是3-3式，最高是6-6式。

较低级的式可以看作是较高的式的特例来处理。

f.型

在并联机构的式已定的情况下．平台和基座上铰心连线的几何形状也是机构的一个特征。

下面我们引入机构型csHAPE）的概念。

我们约定：

如果基座上铰心连线形成的多边形的边数是Ⅳ，平台上铰心连线形成的多边形的边数是．则称为N-n型并联机构。

同时，铰心连线的形状还可以受到其它几何条件的限制，如要求六顶点（铰心）共圆、三长边与三短边交错且分别相等的机构等。

这种机构在实际设计中应用非常普遍，因而得到机构学者的广泛重视。

如果所有铰链中心共面在平台和机座上分别共面，则这种并联机构称为平台机构。

如果铰链中心不共面，则称为台体机构，台体机构是最一般的并联机构，但是平台机构已经可以满足大部分的实际应用。

g.辅人

并联机构的输^反映控制电机的运动。

对SPS机构．支链两端球铰中心的距离，即腿长．最能反映这一特征。

所以并联机构的输入就是六条腿的长度，它是六个一维变量。

这里需要讨论一下并联机构的输入形式。

从机构的角度看，电机分为两类：

旋转电机和直线电机。

所以作为机构输入的运动剐一般应该是转动副或滑动副。

用转动副作输入的特点是机构响应速度恢，输出扭矩小。

反过来，由移动副作输入的特点是输出力大，输出速度慢。

在大多数情况下，旋转电机的速度过高，需要通过减速器再传给转动副作输入。

这需要增加机器的成本。

如果用移动副作输人，旋转电机的转动可以通过一个简单的螺旋副变成直线移动，这样作可能会更经济一些。

无论机构采用郭一种输入形式，我们都很容易求得机构的输人参量——六条腿长。

h.输出

平台的位姿（位置和姿态）是设计者希望机构实现的，称为并联机l构的输出。

如何用台适的变量描述平台的位姿，对于机构位移分析至美重要。

由于平台在空间作六自由度运动，所以需要六个变量来描述其位姿通常的表示方法是在平台（相当于刚体）上确定一点，用这一点的坐标描述平台的位置。

热后采用各种各样的方法描述平台的姿态。

描述姿态的方法有：

（1）欧拉角，主要用于刚体动力学；

（2）顺序绕三个直角坐标轴的旋转角；（3）与平台周连的直角坐标系三个坐标轴的方向余弦，这类方法应用很广。

j丕有一樊描述方法把位置和姿态混合在一起，倒如r

（1）空间位移矩阵；

（2）螺旋矩阵；（3）哈登伯格一迪纳维特矩阵。

这些方法在研究串联机构或单环机构时比较方便。

对于并联机构有一种特殊的表示方法叫作完垒笛卡尔坐标表示法，即采用平台上三个点的坐标来描述平台的位安周为没有牵扯任何描述角度的变量，如角度或方向余弦，这样的描述方法不会导致三角函数，以后便没有化解超越方程的麻烦。

因而在应用上是一种先进的方法。

并联机}勾的输出变量因平台描述方法不同而有所差异。

但无论需要哪一种输出变量，我们都可以报方便地给出这些变量与其它描述方法的变换方程。

2.2机构描述

图1为由该机构组成的三自由度混联机构的定向视图，由于Z向只是简单的直线进给运动，比较容易实现，因此这里主要讨论该机构在X-Y平面的运动学方面的一些问题。

图中1为固定平台，2为驱动臂，3为从动臂，4为动平台，5为丝杠，6为导轨，其余臂为辅助臂，各臂与臂，臂与平台之间全部R副连接，机构左右为对称，用伺服电机驱动主动臂带动从动臂，从而带动动平台运动，其中辅助臂保持动平台在运动中始终是平动的。

可根据工作要求在其动平台上装上手爪或电磁铁等末端执行装置，完成拾、放等其它操作。

2.3抽象模型

为了便于分析，我们把如图所示的并联机构抽象成如图二的简图形式，参数标定如图2：

运动学分析

应用向量求解的方法，我们对机构可列如下向量方程：

其中：

由此可得如下分量表示的方程组

根据此方程组求正反解：

a.反解：

由方程组

得

解得角度值：

b.正解：

由方程组

可解得坐标值：

2.5算例

为较验运动分析中位置正反解的正确性，任取一组值代入计算：

表1.取值（单位，位移为mm，转动为度）

R

L1

L2

r

60

100

200

20

表2.正解（单位，位移为mm，转动为度）

输入

输出

α1

α2

x'

y'

326

253

277

220

表3.反解（单位，位移为mm，转动为度）

输入

输出

x'

y'

α1

α2

由算例初步验证，在允许误差内正反解都是正解的。

第三章仿真分析

3．1三维仿真

为形象的描述该机构，我们可用作图软件solidworks作出其概念设计模型（附图1），并运用插件Animator进行仿真后录制成视频文件，提供良好的机器人演示。

3．2C语言仿真

为了便于分析研究，这里针对该二自由度并联机构，基于C语言平台构建其平面模型（如图5），进行可控制仿真。

进入该仿真系统，可进行选择操作，其中第一项为手动控制，通过已设定好的控制键控制驱动臂运动，从而实现手动模拟电机驱动，带动末端O'点移动，驱动角度和末端位移将随控制时动态显示，在控制的过程中，可通过控制热键随时显示运动轨迹（如图5）和在此时配制参数下的最大工作空间（如图4），除了手动控制外，还可切换到自动控制下，通过键盘输入目标精确值，系统将模拟机构自动控制动态的运动至目的地，此操作也可在开始菜单下直接进入。

在开始菜单或操作的同时，随时可以进入到配置菜单下，进行参数配制，配制完系统将按新的参数工作。

b.预期功用：

可以较验设计要求，比如在设计尺寸下能否达到工作位置；可以进行轨迹规划；可较验机构的奇异性；可间接用于工作空间分析。

c.程序流程概要：

其它函数及说明：

工作空间函数的实现是对极限角度内的末端位置遍历，步进值随意设定，值越小，显示越细腻，越精确。

原程序设置的是步进值为1.

轨迹描绘函数的实现是在控制运动的候记录每个末端位置存入设定好的数组中，当调用该函数的时候，用画点函数将存入的值描绘在屏幕上。

.电机控制

（一）功能说明

1.送电时，步进电机停止。

2.按PB7时，步进电机正转；按PB6时，步进电机逆转。

3.按PB1时，步进电机停止运转。

（二）程序

ORG00H；定义接下来一段程序的起始存放地址

STOP:

ORLP2,#0FFH；步进电机停止

LOOP:

JNBPB7,FOR2；是否按PB7,是则正转

JNBPB6,REV2；是否按PB6，是则逆转

JNBPB1,STOP1；是否按PB1，是则停止

JMPLOOP

FOR:

MOVR0,#00H；正转至TABLE取码指针初值

FOR1:

MOVA,R0；至TABLE取值

MOVDPTR,#TABLE

MOVCA,@A+DPTR

JZFOR；是否取到结束码（00H）？

CPLA；将ACC反向

MOVP2，A；输出至P2，正转

JNBPB1,STOP1；是否按PB1，是则停止运转

JNBPB6,REV2；是否按PB6,是则逆转

CALLDELAY；步进电机转速

INCR0；取下一个码

JMPFOR1

REV:

MOVR0,#05H；逆转至TABLE取码指针初值

REV1:

MOVDPTR,#TABLE；至TABLE取码

MOVCA,@A+DPTR

JZREV；是否取到结束码（00H）？

CPLA；将ACC