Delta并聯(lián)機器人系統(tǒng)總體設計

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燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）本科畢業(yè)設計（論文）Delta 并聯(lián)機器人系統(tǒng)總體設計燕 山 大 學2012年 6 月 摘要I本科畢業(yè)設計（論文）Delta 并聯(lián)機器人系統(tǒng)總體設計學院（系）： 里仁學院 專 業(yè)： 08 機電 3班 學生 姓名 學 指導 教師： II答辯 日期： 2012 年 6月 燕山大學畢業(yè)設計 (論文)任務書學院：里仁學院 系級教學單位：機械工程系 學號 081101011560學生姓名 專 業(yè)班 級 08機電 3班題目名稱 delta并聯(lián)機器人系統(tǒng)設計題目性質1.理工類：工程設計 （ √ ） ；工程技術實驗研究型（ ） ；理論研究型（ ） ；計算機軟件型（ ） ；綜合型（ ） 。2.文管類（ ） ；3.外語類（ ） ；4.藝術類（ ） 。題目類型 1.畢業(yè)設計（ √ ） 2.論文（ ）題目題目來源 科研課題（ √ ） 生產(chǎn)實際（ ）自選題目（ ） 主要內容確定三自由度移動并聯(lián)機器人整體方案， ；比較各種方案優(yōu)越性，并選擇一種設計，包括（機械本體結構方案、零部件選取、控制系統(tǒng)方案） ；進行并聯(lián)機器人三維實體設計，造型，計算，仿真模擬；搭建控制方案，設計電氣系統(tǒng)；機器人負載不大于 5 kg，工作空間 1 m×1 m×0.6 m基本要求設計說明書 60-70頁，繪圖工作量不小于 3張 A0機械系統(tǒng)整體裝配圖一張 A0機械系統(tǒng)部件圖一張 A1主要零件圖電氣控制原理一張 A1參考資料徐灝，邱宣懷等編，機械設計手冊，機械工業(yè)出版社；機器人設計圖冊，機械工業(yè)出版社；趙景山, 馮之敬, 褚福磊，機器人機構自由度分析理論，科學出版社；肖南峰等，工業(yè)機器人，機械工業(yè)出版社；黃真，趙永生，趙鐵石等，高等空間機構學，機械工業(yè)出版社；方承遠，張振國，工廠電氣控制技術，機械工業(yè)出版社。I周 次 1—4周 5—8周 9—12周 13—16周 17—18周應完成的內容查閱收集資料，提交文獻綜述和開題報報告、外文翻譯；節(jié)點考核確定機構整體方案，比較各種方案優(yōu)越性，并選取一種合理機構；三維造型并對主要零件結構強度校核。繪制機械圖紙，并選取機器人運動控制器、搭建控制系統(tǒng)；中期考核完善控制系統(tǒng)，繪制機械及電氣圖紙。撰寫論文制作 PPT準備答辯指導教師：職稱： 年 月 日系級教學單位審批：年 月 日摘要近些年，delta 機器人越來越得到大多數(shù)人的關注，并逐漸開始在工業(yè)上得到成熟的應用。與串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人有很大優(yōu)勢。其中之一就是可以把電機固定在基座上，這樣就可以減輕機器機構上的重量。當需要直接驅動時，把電機固定在基座上是一個必要的田間。因此，并聯(lián)機器人非常適合直接驅動的情況。并聯(lián)機器人的另一個優(yōu)點就是他的剛度很高，這些特征可以得到更多的精準度和更快的操作。Delta 機器人是其中非常重要的一種。在本書中，介紹了并聯(lián)機器人的產(chǎn)生特點及應用。計算了機器人的自由度，位置正反解，并分析了它的空間奇異形位。還通過分析比較幾種控制器和方案，選擇其中最適合的方案。并設計了 delta機器人的控制電路，并詳細介紹它的控制器功能。關鍵詞：并聯(lián)機構 位置反解 步進電機 結構設計IAbstractIn recent years ,increased interest in parallel robots has been observedParallel robots possess a number of advantages when compored to serial arms, The most importantone is certainly the possibility to keep the motors fixed into the base ,thus allowing a large reduction of the robot structure’s active mobile mass.keeping the motors on the robot base is a requairment when direct-drive is used ,thus ,parallel robots are well suited to direct-drive actuation.Another advantage of parallel robots is their high rigiditg.these features allow more precise and much faster mani pulations. The delta parallel robot is very famous among them.In this paper,the historyapplication character of the parallel robots are introduced .And I compted the degree of free of the parallel robot,analysis the singular position. The position solution and position inverse solution too. At last, there are several methords of controlling. And I choice one of then which is better suited to this robot. This method will be introduced latter.Key word: parallel delta, position inverse solution , singular position 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）II目 錄摘要 .IAbstract.II第 1 章 緒論 .11.1國內外串、并聯(lián)機器人的研究現(xiàn)狀 11.2針對 DELTA機器人的研究成果 41.3 DELTA機器人的發(fā)展趨勢 51.4 論文主要完成的工作 .7第 2 章 delta 機器人的結構設計 82.1 DELTA機器人的總體結構設計 82.2 上頂板 .82.3上臂 92.4 L形板的設計 102.5 下底板支撐架的設計 .112.6 機械手的確定 .112.7 電機的選取 .132.8 減速器的選擇與計算計算 .142.9 軸承的計算 .152.10 本章小結 .16第 3 章 電氣控制系統(tǒng)設計 .173.1 概述 .173.2 DELTA機器人控制系統(tǒng)模型 173.3 運動控制方法的選取 .173.3.1 傳統(tǒng)的控制方法 .173.3.2 基于運動控制器的機器人控制系統(tǒng) .183.4 DELTA機器人控制系統(tǒng)的硬件組成 183.4.1 通用 Galil DMC一 2182多軸運動控制器 .19III3.4.2 功率放大器 .193.4.3 增量式編碼器 .203.5 運動控制器和運動控制卡的區(qū)別 .203.6本章小結 21結論 .22參考文獻 .39致謝 .41附錄 142附錄 248附錄 354燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）0第 1 章 緒論1.1 國內外串、并聯(lián)機器人的研究現(xiàn)狀現(xiàn)在國際上對工業(yè)機器人的應用比較成熟，尤其是在輻射污染大，復雜難以施工和巨大沉重的工件難以使用人力的環(huán)境，往往機器人成為最好的選擇?，F(xiàn)在列舉幾個在國內流行的幾種機器人類型：1、串聯(lián)機器人串聯(lián)機器人是目前最常見的工業(yè)機器人。 他們往往有一個擬人化的機械手臂結構，即剛性連接的串行鏈，由（主要是旋轉）接頭連接，形成一個“肩” ， “肘” ， “手腕” 。 他們的主要優(yōu)勢是他們尊重自己的音量和占用地面空間大的工作空間。其主要缺點是：一個開放的運動結構所固有的低剛度鏈接的錯誤的積累和放大攜帶和移動的執(zhí)行器的重量過大他們可以操縱的有效載荷相對較低它需要至少六自由度機器人的工作空間中任意位置和方向放置在對操縱的對象。因此，許多串行機器人有 6個關節(jié)。然而，在當今業(yè)界最流行的串行機器人的應用是挑選和地方組裝。由于這僅需要 4個自由度，建立所謂的特殊裝配機器人 的 SCARA型。圖 1-1：SCAR 型串聯(lián)機器人第 1章 緒論 12、并聯(lián)機器人并聯(lián)機器人是一類全新的機器人，它具有剛度大、承載能力強、誤差小、精度高、自重負荷比小、動力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點，與目前廣泛應用的串聯(lián)機器人在應用上構成互補關系，因而擴大了整個機器人的應用領域。并聯(lián)機器人可以作為航天上的飛船對接器、航海上的潛艇救援對接器；工業(yè)上可以作為大件的裝配機器人、精密操作的微動器。近年來還研究將它用作虛擬 6軸加工中心，以及毫米級的微型機器人等，可以預見這類機器人在 21世紀將有廣闊的發(fā)展前景。它的復雜的機構學問題屬于空間多自由度多環(huán)并聯(lián)機構學理論這一新分支，這項理論是隨著并聯(lián)機器人研究而發(fā)展起來的，他不僅直接針對并聯(lián)機器人，對于隨機器人高技術發(fā)展起來的多機器人協(xié)調、多足步行機、多指多關節(jié)高靈活手爪等構成的并聯(lián)多環(huán)機構學問題，都具有十分重要的指導意義。并聯(lián)機器人所具有的優(yōu)點：（1）與串聯(lián)機構相比剛度大，結構穩(wěn)定；（2）承載能力大;（3）微動精度高;（4）運動負荷小;（5）在位置求解上，串聯(lián)機構正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機構正解困難反解卻非常容易。由于機器人在線實時計算是要計算反解的，這對串聯(lián)式十分不利，而并聯(lián)式卻容易實現(xiàn)。并聯(lián)機器人的典型類型stewart型機器人。圖 1-2 并聯(lián)機器人國內外學術界和工程界對研究和開發(fā)并聯(lián)機床都非常重視。1994 年在燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）2芝加哥國際機床博覽會(IMTS’94)上首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機床與加工中心并引起了轟動[。此后，各主要工業(yè)國家都投入了 大量的人力和物力進行并聯(lián)機床的研究與開發(fā)。如美國 IngersollMilling公司、Giddings&Lewis 公司和 Hexal 公司，英國GeodeticTechnology公司，俄羅斯 Lapik 公司，德國 Mikromat公司、亞琛工業(yè)大學、漢諾威大學、斯圖加特大學,挪威 Multicraft 公司，瑞士ETZH 和 IFW 研究所，瑞典 Neos機器人公司，意大利 Comau 機床公司，丹麥 Braun公司，日本豐田公司、日立公司、三菱公司、韓國SENATECHNOLOGIES 公司等單位相繼研制出不同結構形式的數(shù)控機床、激光加工和水射流機床、坐標測量機等基于并聯(lián)機構的制造設備。并聯(lián)機床所涉及的基本理論問題同樣引起了許多研究單位的重視, 由美國國家科學基金會動議，1998 年在意大利召開了第一屆國際并聯(lián)運動學機器專題研討會，2000年在美國召開了第二屆國際并聯(lián)運動學機器專題研討會。 我國已在國家“九五”科技攻關計劃和“863”高技術發(fā)展計劃中對并聯(lián)機床的研究與開發(fā)予以支持。中國科學院沈陽自動化研究所、清華大學、天津大學、哈爾濱工業(yè)大學、東北大學、河北工業(yè)大學等單位的研究人員也在積極從事并聯(lián)機床領域的研究工作，并與相關企業(yè)合作研制了數(shù)臺結構形式各異的樣機.基于并聯(lián)機器人的多坐標數(shù)控機床研究已成為機器人研究領域以及機床制造領域的研究熱點。目前，國內外所推出的各種并聯(lián)機床大多數(shù)都是單純利用并聯(lián)機構(尤其是其中的 Stewart平臺機構)來構造機床(也有一些在并聯(lián)機構的動平臺上再串接一、兩個轉動關節(jié)以增加工具的姿態(tài)空間)。根據(jù)其相應的并聯(lián)機構所具有的自由度主要有 6自由度(6條腿)以及 3 自由度(3 條腿)兩類；按照各分支鏈的驅動方式可分為兩種形式：一種形式為各分支鏈（定長桿）的一端通過滑塊（或絲杠螺母副）沿固定平臺導軌移動（簡稱“腿滑動” ）來改變動平臺的位置及姿態(tài)；另一種形式為通過各分支鏈桿長的伸縮（簡稱“腿伸縮” ）來改變動平臺的位置及姿態(tài)。Delta機器人是并聯(lián)機器人中的一種優(yōu)秀代表。可以成功的在狹小的工作空間進行高速抓取物體，以此做為本次課設的樣機。第 1章 緒論 31.2 針對 delta 機器人的研究成果對于 delta機器人機構控制器參數(shù)整定的方法，天津大學的王有啟，黃田教授，針對 delta并聯(lián)機構，考慮隨位姿實時變化的慣性負栽對伺服控制系統(tǒng)的影響，提出了一類三自由度高速并聯(lián)機器人控制器參數(shù)整定新方法。首先借助于矢量法導出 delta機構的逆運動學和逆動力學模型，消元法建立其正解模型。在此基礎上，建立機電耦合控制模型，直接以機器人末端執(zhí)行器在整個工作空間運動軌跡的均方根值誤差作為綜合性能優(yōu)化目標，在無窮多 PID參數(shù)非線性組合中離線整定出一組最優(yōu)值，并通過進行前饋補償，進一步提高系統(tǒng)精度。天津大學張利敏，梅江平，趙學滿研究廣泛用于髙速抓放操作的 delta機械手動力尺度綜合方法。在建立系統(tǒng)運動學和剛體動力學模型的基礎上，利用奇異值分解原理，提出一種基于單軸最大驅動力矩全域最大值最小的動力學性能評價指標。該指標可表示為系統(tǒng)尺度和慣性參數(shù)及位形的顯函數(shù)形式，可直接用于觀察奇異位形的出現(xiàn)條件。在考慮工作空間/機構尺度比、速度、精度和剛度等尺度和映射特性約束基礎上，利用工程實例研究映射特性約束對尺度參數(shù)和動力學性能評價指標的影響規(guī)律，并據(jù)此綜合出一組在滿足上述約束條件下使得系統(tǒng)動力學性能最優(yōu)的尺度參數(shù)。認真分析市場中的 delta機器人，我們不難發(fā)現(xiàn) delta機器人為滿足在狹小的工作空間高速運轉的工作環(huán)境，在設計有以下幾個特點（1） 材料選取注重經(jīng)濟實惠，但更要注意材質質量輕巧。（2） 工作手臂結構較靈活的，減少重量均在考慮范圍之內。（3） 電機安放位置較為固定，也是為了減少電機本身的重量產(chǎn)生較大慣性力。（4） 在電機的選取時，在滿足工作載荷的前提下，要考慮市面上質量最輕的那種，以適應要求。這是因為在狹小的環(huán)境下高速工作，在較短時間內停止會產(chǎn)生較大的慣性力。我們知道在速度一定時，若質量越大，產(chǎn)生的慣性力就越大，而過大的慣性力是 delta機器人的機械結構無法承受的。所以在設計中一定要考慮質量的減輕。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）4其他就是要注意和生產(chǎn)實際相結合，設計中注意后期維護的簡單，方便工作者對機器人的保養(yǎng)。1.3 delta 機器人的發(fā)展趨勢來自中科院沈陽自動化所專家課題組的預測表明，到 2011年，我國機器人市場保有量將增至 48 600臺，年銷售額約 9O多億元。根據(jù)發(fā)達國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展與升級的歷程和工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢預測，到 2015年，我國機器人市場容量將達十幾萬臺套。這無疑是我國對工業(yè)機器人進行研究開發(fā)的良好時機，特別是在某些例如本課題所面向的還沒有工業(yè)機器人涉及卻擁有極高應用價值的生產(chǎn)領域中使用的工業(yè)機器人，更值得我們關注和思考。而日本、美國、德國等發(fā)達國家的工業(yè)機器人技術相對于我國有較大領先，這些國家在工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢上主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①性能不斷提高，單機價格不斷下降；②機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展；③控制系統(tǒng)向基于 PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；④發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術。這也為我國制定工業(yè)機器人發(fā)展戰(zhàn)略和具體研制某類的機器人起到一定的啟示作用。日本工業(yè)機器人的裝備量約占世界工業(yè)機器人裝備量的 60%，日本在發(fā)展工業(yè)機器人技術上，將主要精力集中于以下幾個領域：①視覺傳感器；②力傳感器；③控制功能，其中包括機器人臂的柔軟控制功能、多機器人協(xié)調控制功能、沖突檢測功能；④離線編程系統(tǒng)；⑤實時監(jiān)視控制系統(tǒng)。[16]從中可以看出，日本在發(fā)展工業(yè)機器人時也重視其智能型和易操作性的提高，向著工業(yè)機器人自主進行生產(chǎn)活動的目標發(fā)展，盡量減少使用過程中有人來干預的成分。聯(lián)機器人雖然經(jīng)過了幾十年的研究，在理論上比較成熟，但是很大程度上是在大學的實驗室，真正投入到生產(chǎn)實踐中的并聯(lián)機器人甚少。近年來，先進制造技術的發(fā)展對并聯(lián)機器人的研究和發(fā)展起著積極的促進作用。隨著先進制造技術的發(fā)展，工業(yè)機器人已從當初的柔性上下料裝置，正在成為高度柔性、高效率和可重組的裝配、制造和加第 1章 緒論 5并聯(lián)機器人是一類全新的機器人，它具有剛度大、承載能力強、誤差小、精度高、自重負荷比小、動力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點，與目前廣泛應用的串聯(lián)機器人在應用上構成互補關系，因而擴大了整個機器人的應用領域。并聯(lián)機器人可以作為航天上的飛船對接器、航海上的潛艇救援對接器；工業(yè)上可以作為大件的裝配機器人、精密操作的微動器。近年來還研究將它用作虛擬 6軸加工中心，以及毫米級的微型機器人等，可以預見這類機器人在 21世紀將有廣闊的發(fā)展前景。Delta并聯(lián)機器人最早是在 1985年由 R.clavel提出的，因其基座平臺和運動平臺都呈三角形形狀而得名。Delta 機器人作為并聯(lián)機構的一種，具有上述的諸多優(yōu)點和各種可能的應用，是目前商業(yè)應用最成功的機器人之一。當初，比如，當在運動平臺上裝上適當?shù)哪┒藞?zhí)行器后，特別適用于電子元器件的快速裝配插接。在輕工業(yè)中的包裝，pick-and-place 操作，醫(yī)學手術等也有較多應用。在國外 Delta機器人已經(jīng)成功的應用在大范圍的領域中，而且取得了不錯的業(yè)績。例如，在瑞士，巧克力生產(chǎn)商 chocolat Frey，采用由 Bosch的包裝技術公司 Sigpick Systems AG提供的新的生產(chǎn)線，這條生產(chǎn)線上，八個 Delta機器人將巧克力放到泡沫盒里，再把泡沫盒放到紙箱里，減少了 chocolat Frey公司的工作量，最主要的是整個操作系統(tǒng)簡便易行，只需簡單的修改一下操作系統(tǒng)就可以適應新的包裝規(guī)格，這種簡易性使得該公司可以快速而從容的應對市場的新需求。不久前，位居全球 500強之列的電力和自動化 技術領導廠商 ABB公司，高調宣布其進行機器人的投資建設，并列出了投資的 10大理由，這十大理由包括降低運營成本、提升產(chǎn)品質量和一致性、改善員工工作條件、擴大產(chǎn)量、增強制造柔性、減少原料浪費、提高良品率等。中國處在改革開放的關鍵時期，各行各業(yè)正是在高速發(fā)展的黃金階段，高新技術產(chǎn)業(yè)更是朝氣蓬勃。市場的快速發(fā)展帶來了絕佳的研究機遇，因此，我以為在我國全面建設小康社會、大力發(fā)展現(xiàn)代化工業(yè)同時，機器人是個不可避免的話題。在我國進入老齡化社會，勞動力逐漸短缺之際，傳燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）6統(tǒng)工業(yè)中大量危險和重復性高的工作必將由越來越多的機器人來代替。但相對外國的機器強國而言，我國的機器基礎較為薄弱，機器人技術的發(fā)展水平還相對較低，難以應對發(fā)展大潮。Delta 機器人，作為機器人行業(yè)中的佼佼者，具有很高的研究價值和解決中國實際的現(xiàn)實價值。Delta機器人發(fā)明于 20世紀 80年代初，誕生在瑞士的洛桑聯(lián)邦理工學院。當時工業(yè)生產(chǎn)中迫切需要一種機器人，這種機器人可以以一個非常高的速度操縱輕小物體，delta 機器人應運而生。在 1987年，Demaurex 公司為 Delta機器人購買生產(chǎn)許可證，開始時 Delta機器人主要應用于包裝行業(yè)。1991 年，雷蒙 Clavel介紹來自 parallèle的 Rapide和他的博士論文，在他的論文中，他構想了 4個自由度的設想，并接手了 delta機器人的研究工作。并在 1999年獲得了黃金機器人獎。此外，在 1999年，ABB柔性自動化開始出售自己的 delta機器人，F(xiàn)lexPicker。1999 年底，Delta機器人還銷往 Sigpack Systems公司。1.4 論文主要完成的工作完成 delta機器人總體結構設計，對電機的選取，對結構的研究1.機械結構部分包括機器人構成方案選擇、機器人本體機構設計和驅動電機的選擇2.針對設計要求結合所選用的電機，設計電機的驅動模塊，并討論系統(tǒng)設計的可靠性問題 。第 2章 delta 機器人的結構設計 7第 2 章 delta 機器人的結構設計2.1 delta 機器人的總體結構設計Delta機器人是根據(jù)前人的研究成果所設計，這些是都有些原件的，在根據(jù)前輩設計的基礎之上，我在一些方面有所創(chuàng)新，以下為我所設計的總體結構：圖 2-1 delta機器人總體結構2.2 上頂板為了實現(xiàn)上頂板對強度的要求，我在上底板之上設計了上底板軸承板如下圖 2-2：上頂板支撐板燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）8在安裝中，將支撐飯安放在上底板之上，通過其中的肋板可以達到將上頂板加固的作用。這樣就可以防止由于上頂板板面過于寬廣，而是板的安裝不夠穩(wěn)定，無法實現(xiàn)對電機甚至是整個機器的固定。有了支撐板，我們就可以順利的將上頂板設計成如下形狀：圖 2-3：上頂板在本設計中，上頂板設計成如同電風扇的扇葉，形狀是比較美觀的。而且也較為節(jié)省材料。沒有如同整個一個大實心板一般，那樣就過于浪費材料了，而且顯得過于笨重，且不好加工。如上圖的設計不僅可以是加工變得容易，而且節(jié)省材料，減少了陳本費。而且在其中也節(jié)約了空間，沒一個位置是沒有用的，這樣就足以完成設計的目標。但是，僅僅這樣還不夠，上底板必須要保證一定的平面度和粗糙度，這樣才能達到裝配的要求，實現(xiàn)整體和諧。2.3 上臂上臂的設計是要其既可以實現(xiàn)對上臂及其以下部件的支撐，又可以實現(xiàn)電機的轉矩傳動。因此，既要保證構件的剛度，也要實現(xiàn)重量較輕的目的，這樣在高速運轉中，不會因為較大的質量而產(chǎn)生過大的慣性力，導致整個機器的不穩(wěn)定運行。因此，在設計中我才用了如下的結構:圖 2-4：上臂第 2章 delta 機器人的結構設計 9在如上的上臂中，我沒有設計成直通的圓柱形的上臂。因為，上臂在工作中所承擔的力并不是一樣的，每一個部分的作用也不是一致的，所以圓柱形是愚蠢的。我在臂的下緣做成弧形。因為上臂承擔電動機轉矩的部分處，承擔著更大的支撐力，而在與小連桿接觸的部分，這部分力是很小的，因此，力小的部分一定要把尺寸做小一些，過大完全沒有必要。在力大的部分一定要經(jīng)尺寸做大，過小的尺寸很難達到足夠的強度，這樣會發(fā)生危險。而弧形的結構就完全可以實現(xiàn)上面所說的要求，前大，后小，可以。我們知道臂的轉矩在機器人的設計中很是重要，在上臂上，受到的力是縱向的，若是將臂的兩側挖空一些，對轉矩的影響是微乎其微的，但是此舉可以很明顯的減少上臂的重量耗費的材料，因此在設計是，我選在在臂的兩側加工的薄一點，這樣就實現(xiàn)了輕質量，強度夠，對于形狀的選取，我選擇那種較為容易加工的形狀。雖不美觀，但是實用，這也是機械設計的一個小原則。2.4 L 形板的設計電機與上頂板的連接要保證精準與穩(wěn)定，穩(wěn)定的電機才能給出完整的輸出，因此再設計上我選擇了 L形板。L形板的設計如下圖 2-5：L 形板電機在設計上要采用懸掛的方式，因此在接觸的穩(wěn)定上一定要有較大的接觸面積。而 L形板就可以滿足如上的要求。上表面設計的足夠平整，這樣有助于接觸的穩(wěn)定，增加鏈接的剛度。在板上我設計了加強筋，因為 L形板的缺點就是轉折處過于窄小，容易產(chǎn)生力的集中，使 L板斷裂開。因此在轉折處，我們加入了加強筋，這樣就增加了在轉折處的強度，實現(xiàn)板穩(wěn)定性的增強。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）10在板的上部分一個加工有定位銷孔，且具有 1:50的斜度，孔的加工要有足夠的的精度。因為機器人的運動是精密的，如果定位不夠準確直接影響機器人的運動精度，誤差的累積就會是機器人的運動實現(xiàn)過大的錯誤，無法達到規(guī)定的運動范圍。2.5 下底板支撐架的設計下底板支撐架是用來固定下四連桿與下底板的，通過它來帶動下底板以至于吸盤組的移動，設計精度是其中不可缺少的要求。為了保證下底板的安裝精度，我在支撐架的中間設計了一個如同軸肩作用的凸臺，這樣就可以達到定位的作用。四連桿機構下半部分的軸是個通孔，無法達到精確定位的目的，因此，我們現(xiàn)在軸上加工出擋圈槽，這個槽的精度一定要高，這樣才可以保證下底板支撐架處于中間的部位。對軸承的固定，除了要用下底板支架的凸臺外，還要增加一個擋圈的作用。用它可以輕松的擋住軸承的左右移動，實現(xiàn)對軸承的固定，更是定位的作用。我的設計形狀如下：圖 2-6：下底板支撐架為了保證裝配的準確與安裝的順利，一定要將支撐架的下底板加工平整，保證一定的平面度，這樣才可以實現(xiàn)裝配的順利。為了使支架與下底板固定安穩(wěn)，需要在螺絲孔上涂抹固定膠，這樣才可以做到足夠的安裝平穩(wěn)與精度。2.6 機械手的確定根據(jù)老師的任務書，我是給與我們的要求是要可以抓取 5KG的物品，而并沒有要求具體的拾取方法，如果采用機械手抓取，結構太過于復雜，很難以實現(xiàn)。就如同吸鐵石可以吸起鐵物品一樣，我們可以通過吸盤來吸取物品，只不過這個吸盤要求較大的吸力。第 2章 delta 機器人的結構設計 11經(jīng)過多方面的比較，我決定采用 PA系列真空吸盤這種吸盤越來越多的應用在自動化設備上，并在機械手上有廣泛的應用。在選取的過程中，應定要計算好所需的壓力。圖 2-7：吸盤壓力的產(chǎn)生，是大氣壓和真空壓的壓差與大氣壓與大氣所施加給真空壓測的面積的乘積。因此真空壓力力量大也不會超過大氣壓的力，另外，大氣壓的變化也會引起吸附力的變化。下面是洗盤組的安裝結構圖：圖 2-8 吸盤組的裝配示意圖1：吸盤，2：氣管，3：三通，4：吸盤支撐板，5：M6 螺釘，6：M4 螺釘。使用吸盤還有一個好處，就是重量較輕。若使用機械手，手臂的金屬質量會很大，而且需要電氣傳動，附加的重量也會很大。若使用吸氣盤就可以很輕松的解決這個問題。吸盤的動力來自于空氣壓縮機。而壓縮機可以游離在機械體之外，而不必安裝在機器本身上，這樣就減輕了機器本身的質量，將空氣壓縮機與地板上的吸盤組連接可以有較大的柔性，安裝方燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）12便，且不會影響機器人本身的運動，具有很多的優(yōu)點。因此，在擁有足夠的拉力時，選擇吸盤是不錯的。裝配的俯視剖面圖：圖 2-9 吸盤組的俯視圖在選擇吸盤時，先設定真空壓力，設定時根據(jù)真空源的規(guī)格留出余量。根據(jù)我的任務書中規(guī)定的任務，需要抓起大概 5KG重物，我選取了 40cm直徑的吸盤，共需四組吸盤，這樣就可以得到足夠的拉扯力，每個吸盤均是通過三通來與其他的吸盤聯(lián)系，其中靠氣管來連接。這樣就確定了吸盤組的結構了，完成了對 delta機器人機器手的計算與設計。2.7 電機的選取電動機驅動不需要能量轉換。對于機器人來說，控制靈活，使用方便，噪音低，啟動力矩大是其主要的要求。目前在額定功率下的工業(yè)機器人大多采用這類驅動。至于電機的類型我們有以下得出。永磁式直流伺服電動機，它具有體積小，轉矩大，輸出力矩和電流成正比，伺服性能好，反應快速，功率重量比大，穩(wěn)定性能好等優(yōu)點。印刷繞組永磁直流伺服電動機，這種伺服電機轉動慣量小，快速反應性能和轉換性能好，機械性能好，輸出力矩平穩(wěn)，低速運轉性能好，壽命長，適用于頻繁啟動，制動，正反轉工作的場合。步進電動機，步進電動機轉自無繞組，由永磁體構成轉子磁場，他可將電脈沖信號直接轉化為轉角。轉角大小與輸入脈沖成正比，通過改變脈沖頻率來調速。其旋轉方向取決于輸入脈沖的相序。步進電機伺服系統(tǒng)多第 2章 delta 機器人的結構設計 13用于開環(huán)控制電路，因此結構簡單，位置和速度易于控制，起響應速度快，輸出力矩較大，能快速啟動，反轉和制動，可精確定位。交流伺服電動機，交流伺服電動機和伺服驅動器組成了交流伺服系統(tǒng)，伺服電動機可以是異步型交流伺服電動機或同步行交流伺服電機，同步型交流伺服電動機是一臺機組，由永磁式交流同步電機，轉子位置傳感器和速度傳感器組成。還可以配置提供位置反饋信息的位置傳感器和安全制動器。直接驅動電機即電機與其負載直接耦合在一起，中間不需要配置任何機械減速裝置，但價格較高，其結構特點轉子為較薄的圓環(huán)，放置在內外定子之間，這樣可以減少轉子質量，增大轉矩。通過以上比較，并考慮系統(tǒng)的控制精度，控制方式及其成本和難易程度，決定采用易于控制，定位準確的步進電機。依據(jù)所選擇的電動機額定功率應大于工作機所需的電動機功率即：（公式 1）rP?0式中 ——電動機額定功率，Kw；oP——工作機所需的電動機功率，Kw；r已知 ，L=0.4m 106.78NF?.2?所以 .21.2.365N???所以 350489wPLw所需電動機功率由下式計算：（公式 2）rP?式中 ——工作機所需有效功率，由工作機的工藝阻力及運行參數(shù)w確定?！妱訖C到工作機的總效率。?（公式 3）kwPnwr 13.064.89.21???額定功率 =0.37Kw 0.13Kw0?該電動機減速器的各項參數(shù)：n=21r/min T=161N·m c=1.7 i=66.592燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）142.8 減速器的選擇與計算計算電機輸出轉速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機構來降速，同時也提高了轉距。減速裝置的形式多種多樣，選擇一種合適的減速裝置對機器人的性能有著相當重要的作用。驅動輪機械傳動形式有多種，主要分為：鏈條傳動；皮帶傳動；蝸桿傳動和齒輪傳動等。鏈條傳動：優(yōu)點是：工況相同時，傳動尺寸緊湊；沒有滑動；不需要很大的張緊力，作用在軸上的載荷?。恍矢?；能在惡劣的環(huán)境中使用。缺點：瞬時速度不均勻，高速運轉是傳動不平穩(wěn)；不易在載荷變化大和急促反向的傳動中使用；工作噪音大。皮帶傳動：優(yōu)點是：能緩和沖擊；運行平穩(wěn)無噪音；制造和安裝精度要求低；過載時能打滑，防止其他零件的損壞。缺點：有彈性滑動和打滑，效率低不能保證準確的傳動比；軸上載荷大；壽命低。蝸桿傳動：優(yōu)點：結構緊湊；工作平穩(wěn)；無噪聲；沖擊震動??；能得到很大的單級傳動比。缺點是：傳動比相同下效率比齒輪低；需要用貴重的減磨材料制造。齒輪傳動：工作可靠，使用壽命長；易于維護；瞬時傳動比為常數(shù)；傳動效率高；結構緊湊；功率和速度使用范圍很廣。缺點是：制造復雜成本高；不宜用于軸間距的傳動。比較以上傳動形式，結合本設計中機器人的要求：輸出轉矩大傳動效率高噪音小等條件，我們采用兩級齒輪傳動，減速比為 15。電機軸直接作為輸入軸安裝主動齒輪，不是用聯(lián)軸器，既提高了精度又減輕了重量。齒輪參數(shù)如下:第一級減速： , m=3, , mm, , mm,31?i10z3?d302z92?d第二級減速： , m=3, , mm, , mm,53 51根據(jù)設計需要大傳動比的減速器，所設計的減速器傳動比為 5.17，為三級齒輪減速器，第一級傳動比為 1.654，第二級傳動比為 3.125。 2.9 軸承的計算由于 delta機器人的下半部分并不是很重，并不需要軸承去承受較多的力，因此軸承采用深溝球軸承。下面是對深溝球軸承的演算：（公式 1）ε)(601hrPCnL?由機械設計手冊查的 e = 0.44 ,第 2章 delta 機器人的結構設計 15（公式 2）reF?sN9.13Fr?Nr08.5612sr7.5240 r43.24?75.8.1112 ??? sa ?∴軸承Ⅱ壓緊，軸承Ⅰ放松。則 sF.?N09.243?1.39807.51oraC4.1?e624?r .0211.9.375eFra?22408.6r ?X = 0.44 ，Y = 1.474.1f?pN1.8)(1??arrFPN50722pf∵ 21r?∴只計算Ⅰ壽命。 )(3)(6011 hPCnLrh?ε由此可以得到，深溝球軸承的壽命足夠，這樣在機械設計手冊中進行查詢，在保證壽命的同時，盡量減少軸承的外徑，最后決定選取的軸承代號為 GB-T 276-1994 61902。2.10 本章小結Delta機器人是一種比較成熟的機器人，在方案設計上沒有太多的其他的構想。但是在設計細節(jié)上力求精致，可以達到加工和安裝的要求。在每一個部件的選取上，都盡量以較輕的質量和強度為基準。這也是 Delta機器人快速抓取物體，完成預定目標的要求。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）16第 3章 電氣控制系統(tǒng)設計17第 3 章 電氣控制系統(tǒng)設計3.1 概述并聯(lián)式 delta機器人機構采用的是少自由度并聯(lián)極構，與串聯(lián)機構相比，雖然并聯(lián)機構有著許多潛在的“天生”優(yōu)點，但是由于其機構的復雜性及運動學的非線性所造成的困難，使得并聯(lián)就夠的優(yōu)點不能充分的體現(xiàn)出來并達到預期的性能。為了解決并聯(lián)式 delta機器人控制過程中的問題，本文不僅在如何設計踝關節(jié)康復并聯(lián)機器入機構上做了大量的工作，也在如何更好地控制并聯(lián)式 delta機器人方面做了努力。本章針對 delta并聯(lián)機器人機構建立的控制系統(tǒng)是基于運動學控鍘，主要依靠 delta機器人機構的運動學關系和驅動裝置的動態(tài)模型，而不考慮少自由并聯(lián)機構的動力學模型。delta 機器人機構的各個主動關節(jié)欄互獨立，可以使得并聯(lián)機構的控制器設計相對的簡單明了，容易實現(xiàn)。由于采用了中間被動約束分支，所以主動關節(jié)上驅動裝置的負載可以近似成定常的；由于 delta機器人在高速下進行，所以離心力和科里奧利等非線性項的作用可以忽略不計，按照這種方式設計的控制器能夠很好地。3.2 delta 機器人控制系統(tǒng)模型delta機器人的控制系統(tǒng)模型可以分成 3部分：踝關節(jié)康復機器人、控制器、環(huán)境和任務，如圖 5-1所示。3-SPS／S 踝關節(jié)康復機器人由機座、移動副、關節(jié)(球鉸鏈、回轉副)和末端執(zhí)行裝置(動平臺及踝關節(jié)固定裝置)構成。環(huán)境指的是機器人所處的周圍環(huán)境，它包括幾何條件及其相互關系。任務是踝關節(jié)康復機器人要完成的操作，也就是動平臺所要實現(xiàn)的運動軌跡、運動曲線、速度、加速度等信息，首先要根據(jù)踝關節(jié)康復的需要建立起各種運動規(guī)劃，并使用適當?shù)某绦蛘Z言來描述，并把它們存入控制計算機當中，控制器相當于踝關節(jié)康復機器人的大腦，記憶計算機程序的形式來完成給定的運動，選擇何種形式的控制策略是控制器的核心問題。3.3 運動控制方法的選取3.3.1 傳統(tǒng)的控制方法在運動控制領域，傳統(tǒng)的機器人控制方法采用的是專用的計算機加多單片機——多回路的封閉式體系結構。這種結構的控制器在高速、高精度和多軸的同步運動控制等方面存在技術瓶頸；此外，還存在著制造和使用成本高、開發(fā)周期長、升級換代困難、無法添加系統(tǒng)的新功能等缺點，在一定程度上限制了機器人的應用范圍。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）18傳統(tǒng)的機器人運動控制系統(tǒng)由 PC機、電源、鍵盤、狀態(tài)顯示設備、上位機、通訊接口、單片機、放大器、電機、傳感器、外圍電路和其它一些外部設備組成，系統(tǒng)構成十分復雜，調試困難、故障率商、一般僅針對專門被控對象，可重用性較差。3.3.2 基于運動控制器的機器人控制系統(tǒng)運動控制器是以中央邏輯控制單元為核心，以傳感器為信號敏感元件，以電機／動力裝置和執(zhí)行單元為控制對象的一種控制裝置。它的主要任務是根據(jù)作業(yè)的要求和傳感器件信號進行必要的邏輯／數(shù)學運算，為電機或其他執(zhí)行裝置提供正確的控制信號。運動控制器根據(jù)其所能控制獨立運動軸的數(shù)目，成為單軸或多軸運動控制器。躁關節(jié)康復機器人就是典型的多軸實時控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比，運動控制器具有以下特點：技術更新，功能更加強大，可以實現(xiàn)多種運動孰跡的控制，是傳統(tǒng)數(shù)控裝置的換代產(chǎn)品；結構形式模塊化，可以方地相互組合，建立適用于不同場合、不同功能需求的控制系統(tǒng)；操作簡單，在 PC上經(jīng)簡單編程即可實現(xiàn)運動控制，而不一定需要專門的數(shù)控軟件。在全數(shù)字環(huán)境下，伺服擦制器實現(xiàn)了軟件化伺服控制。在微處理或運動控制板中，可以采用各種先進算法，除了常規(guī)的 PID控制外，可采用前饋控制、速度實時監(jiān)視控制、可變增益控制、共振抑制控制、模型參考控制、重復控制、預測控制、在線自動修正控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、以及 H無窮大控制等算法，通過這些功能算法，使系統(tǒng)響應性、穩(wěn)定性、準確性、可操作性達到了很高的水平。3.4 delta 機器人控制系統(tǒng)的硬件組成控制系統(tǒng)中的各個元件的工作原理類似于人體，電機和功率放大器的結合類似于使人的四肢活動的肌肉。電機是產(chǎn)生運動的元件，功率放大器產(chǎn)生驅動電機所需要的電流。例如，放大器取得小電流信號并將其放大成大電流高電壓信號?？刂破魇敲钸\動的智能元件，辦即系統(tǒng)的大腦。它產(chǎn)生用于功率放大器的信號，稱作運動命令。位置傳感器的功能類似于人的眼睛，它檢測電機的位置并將結果告知控制器，即形成閉環(huán)。閉環(huán)系統(tǒng)接收來自外部的命令，通常是主計算機，命令源產(chǎn)生命令，經(jīng)常要求狀態(tài)報告。用其它方式如 PLC，終端或開關組亦可產(chǎn)生命令。3.4.1 通用 Galil DMC 一 2182 多軸運動控制器運動控制器，我們選擇了美國 Galil DMC——2100多軸運動控制器。DMC2182數(shù)字運動控制器采用 32位高速 MCU，提供了許多運動控制方式，該數(shù)字控制器同時提供與伺服、步進及液壓電機的接口，可以根據(jù)需要任第 3章 電氣控制系統(tǒng)設計19意組合使用，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的最佳配置。多任務功能可以同時執(zhí)行 8個應用程序。控制器本身具有程序、參數(shù)、變量、陣列元素存儲功能，即使脫離主計算機亦能正常工作。運動控制器執(zhí)行系統(tǒng)的智能任務，它的基本任務有：對位置反饋譯碼；產(chǎn)生想要的位置(輪廓)；位置閉環(huán)；穩(wěn)定性補償。控制器最基本的功能是對電機位置進行譯碼并進行位置閉環(huán)。DMC+2182的主要特征：快速的通訊方式 Ethemet(10Base-T和 10Base選件)，2xRS232／422、115kb；Ethernet 支持多主、多從，允許與多臺計算機及 I／O 裝置之間通信；支持 Modbus通信協(xié)議。通用 I／O：8／8(1-4軸模式)，16／16(5—8 軸模式)。具有控制 1-8軸的強大控制功能，可以同時執(zhí)行 8個應用程序。8 通道通用模擬輸入 ADCl2位(16 位可選)，16 位DAC速度指令輸出?？梢赃M行速度控鍘、點對點定位，輪廓、直線、圓弧插補、電子齒輪和凸輪、連續(xù)路徑運動等先進的運動模式：接受 12MHZ伺服編碼器反饋信號，3MHZ 步進電規(guī)命令(脈沖+方向)。帶速度及加速度前饋、積分限制、階梯形及精巧的 PID低通濾波器及速度／加速度立即控制功能，提供最佳的運動精度，采樣周期為 62．5μs／軸。以 32位專用處理器及特制微米網(wǎng)關數(shù)綴，提供高性能。100-pin 高密度連接起可以減少電磁干擾。程序編寫容易，支持軟件豐富。較強的容錯處理功能。提供定位、速度、扭力、錯誤及輸入的狀態(tài)報告。3.4.2 功率放大器驅動電機的電流是由功率放大器產(chǎn)生的。功率放大器有兩種：線性發(fā)大器和脈沖調制型(PWM)放大器。線性放大器的效率不高，因此只有在需要低功率時使用；PWM 放大器非常有效率。功率放大器接受命令信號，一般是 O～±IOV 模擬信號，并將其放大成所需要的電流，這種放大器有電流、速度兩種方式。當用速度反饋時則為速度方式；功率放大器一般以電流方式構成。在電流方式下，放大器產(chǎn)生與輸入電壓直接成比例的電流，通過監(jiān)視電流大小的電流反饋回路得到電流反饋信號，并使它與命令信號成比例關系，電流放大器用表示每 lV命令信號的電流安培的電流增益 Ka來代表。放大器能夠以速度方式構成，此時，放大器包含有輸入電壓與電機速度相比較的電壓放大級，在送到電流環(huán)之前對這個差值加以放大。放大器利用下面其中一種方式來產(chǎn)生所需電壓或電流：產(chǎn)生恒定輸出電壓的線性放大器或脈寬調制(PwM)放大器，PWM 放大器產(chǎn)生在高、低電平之間切換的電壓，大多數(shù)放大器尤其是功率在 100W左右，均采用 PWM方法以減少功率損耗。當需要小功率時，通常用線性放大器。我們已講了電機和放大器，現(xiàn)在我們將進一步討論位置傳感器，最常用的傳感器是增量式編碼器。