Delta并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）Delta 并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)燕 山 大 學(xué)2012年 6 月 摘要I本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）Delta 并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)學(xué)院（系）： 里仁學(xué)院 專 業(yè)： 08 機(jī)電 3班 學(xué)生 姓名 學(xué) 指導(dǎo) 教師： II答辯 日期： 2012 年 6月 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)任務(wù)書學(xué)院：里仁學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：機(jī)械工程系 學(xué)號(hào) 081101011560學(xué)生姓名 專 業(yè)班 級(jí) 08機(jī)電 3班題目名稱 delta并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計(jì) （ √ ） ；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ） ；理論研究型（ ） ；計(jì)算機(jī)軟件型（ ） ；綜合型（ ） 。2.文管類（ ） ；3.外語類（ ） ；4.藝術(shù)類（ ） 。題目類型 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（ √ ） 2.論文（ ）題目題目來源 科研課題（ √ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（ ） 主要內(nèi)容確定三自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人整體方案， ；比較各種方案優(yōu)越性，并選擇一種設(shè)計(jì)，包括（機(jī)械本體結(jié)構(gòu)方案、零部件選取、控制系統(tǒng)方案） ；進(jìn)行并聯(lián)機(jī)器人三維實(shí)體設(shè)計(jì)，造型，計(jì)算，仿真模擬；搭建控制方案，設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)；機(jī)器人負(fù)載不大于 5 kg，工作空間 1 m×1 m×0.6 m基本要求設(shè)計(jì)說明書 60-70頁，繪圖工作量不小于 3張 A0機(jī)械系統(tǒng)整體裝配圖一張 A0機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社；機(jī)器人設(shè)計(jì)圖冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社；趙景山, 馮之敬, 褚福磊，機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度分析理論，科學(xué)出版社；肖南峰等，工業(yè)機(jī)器人，機(jī)械工業(yè)出版社；黃真，趙永生，趙鐵石等，高等空間機(jī)構(gòu)學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社；方承遠(yuǎn)，張振國(guó)，工廠電氣控制技術(shù)，機(jī)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(yīng)完成的內(nèi)容查閱收集資料，提交文獻(xiàn)綜述和開題報(bào)報(bào)告、外文翻譯；節(jié)點(diǎn)考核確定機(jī)構(gòu)整體方案，比較各種方案優(yōu)越性，并選取一種合理機(jī)構(gòu)；三維造型并對(duì)主要零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。繪制機(jī)械圖紙，并選取機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器、搭建控制系統(tǒng)；中期考核完善控制系統(tǒng)，繪制機(jī)械及電氣圖紙。撰寫論文制作 PPT準(zhǔn)備答辯指導(dǎo)教師：職稱： 年 月 日系級(jí)教學(xué)單位審批：年 月 日摘要近些年，delta 機(jī)器人越來越得到大多數(shù)人的關(guān)注，并逐漸開始在工業(yè)上得到成熟的應(yīng)用。與串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人有很大優(yōu)勢(shì)。其中之一就是可以把電機(jī)固定在基座上，這樣就可以減輕機(jī)器機(jī)構(gòu)上的重量。當(dāng)需要直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，把電機(jī)固定在基座上是一個(gè)必要的田間。因此，并聯(lián)機(jī)器人非常適合直接驅(qū)動(dòng)的情況。并聯(lián)機(jī)器人的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是他的剛度很高，這些特征可以得到更多的精準(zhǔn)度和更快的操作。Delta 機(jī)器人是其中非常重要的一種。在本書中，介紹了并聯(lián)機(jī)器人的產(chǎn)生特點(diǎn)及應(yīng)用。計(jì)算了機(jī)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(shè)計(jì)了 delta機(jī)器人的控制電路，并詳細(xì)介紹它的控制器功能。關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)構(gòu) 位置反解 步進(jìn)電機(jī) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）II目 錄摘要 .IAbstract.II第 1 章 緒論 .11.1國(guó)內(nèi)外串、并聯(lián)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 11.2針對(duì) DELTA機(jī)器人的研究成果 41.3 DELTA機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 51.4 論文主要完成的工作 .7第 2 章 delta 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 82.1 DELTA機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 82.2 上頂板 .82.3上臂 92.4 L形板的設(shè)計(jì) 102.5 下底板支撐架的設(shè)計(jì) .112.6 機(jī)械手的確定 .112.7 電機(jī)的選取 .132.8 減速器的選擇與計(jì)算計(jì)算 .142.9 軸承的計(jì)算 .152.10 本章小結(jié) .16第 3 章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .173.1 概述 .173.2 DELTA機(jī)器人控制系統(tǒng)模型 173.3 運(yùn)動(dòng)控制方法的選取 .173.3.1 傳統(tǒng)的控制方法 .173.3.2 基于運(yùn)動(dòng)控制器的機(jī)器人控制系統(tǒng) .183.4 DELTA機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成 183.4.1 通用 Galil DMC一 2182多軸運(yùn)動(dòng)控制器 .19III3.4.2 功率放大器 .193.4.3 增量式編碼器 .203.5 運(yùn)動(dòng)控制器和運(yùn)動(dòng)控制卡的區(qū)別 .203.6本章小結(jié) 21結(jié)論 .22參考文獻(xiàn) .39致謝 .41附錄 142附錄 248附錄 354燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）0第 1 章 緒論1.1 國(guó)內(nèi)外串、并聯(lián)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀現(xiàn)在國(guó)際上對(duì)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用比較成熟，尤其是在輻射污染大，復(fù)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(jī)器人成為最好的選擇?，F(xiàn)在列舉幾個(gè)在國(guó)內(nèi)流行的幾種機(jī)器人類型：1、串聯(lián)機(jī)器人串聯(lián)機(jī)器人是目前最常見的工業(yè)機(jī)器人。 他們往往有一個(gè)擬人化的機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)，即剛性連接的串行鏈，由（主要是旋轉(zhuǎn)）接頭連接，形成一個(gè)“肩” ， “肘” ， “手腕” 。 他們的主要優(yōu)勢(shì)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(diǎn)是：一個(gè)開放的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)所固有的低剛度鏈接的錯(cuò)誤的積累和放大攜帶和移動(dòng)的執(zhí)行器的重量過大他們可以操縱的有效載荷相對(duì)較低它需要至少六自由度機(jī)器人的工作空間中任意位置和方向放置在對(duì)操縱的對(duì)象。因此，許多串行機(jī)器人有 6個(gè)關(guān)節(jié)。然而，在當(dāng)今業(yè)界最流行的串行機(jī)器人的應(yīng)用是挑選和地方組裝。由于這僅需要 4個(gè)自由度，建立所謂的特殊裝配機(jī)器人 的 SCARA型。圖 1-1：SCAR 型串聯(lián)機(jī)器人第 1章 緒論 12、并聯(lián)機(jī)器人并聯(lián)機(jī)器人是一類全新的機(jī)器人，它具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精度高、自重負(fù)荷比小、動(dòng)力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點(diǎn)，與目前廣泛應(yīng)用的串聯(lián)機(jī)器人在應(yīng)用上構(gòu)成互補(bǔ)關(guān)系，因而擴(kuò)大了整個(gè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。并聯(lián)機(jī)器人可以作為航天上的飛船對(duì)接器、航海上的潛艇救援對(duì)接器；工業(yè)上可以作為大件的裝配機(jī)器人、精密操作的微動(dòng)器。近年來還研究將它用作虛擬 6軸加工中心，以及毫米級(jí)的微型機(jī)器人等，可以預(yù)見這類機(jī)器人在 21世紀(jì)將有廣闊的發(fā)展前景。它的復(fù)雜的機(jī)構(gòu)學(xué)問題屬于空間多自由度多環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)理論這一新分支，這項(xiàng)理論是隨著并聯(lián)機(jī)器人研究而發(fā)展起來的，他不僅直接針對(duì)并聯(lián)機(jī)器人，對(duì)于隨機(jī)器人高技術(shù)發(fā)展起來的多機(jī)器人協(xié)調(diào)、多足步行機(jī)、多指多關(guān)節(jié)高靈活手爪等構(gòu)成的并聯(lián)多環(huán)機(jī)構(gòu)學(xué)問題，都具有十分重要的指導(dǎo)意義。并聯(lián)機(jī)器人所具有的優(yōu)點(diǎn)：（1）與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；（2）承載能力大;（3）微動(dòng)精度高;（4）運(yùn)動(dòng)負(fù)荷小;（5）在位置求解上，串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解困難反解卻非常容易。由于機(jī)器人在線實(shí)時(shí)計(jì)算是要計(jì)算反解的，這對(duì)串聯(lián)式十分不利，而并聯(lián)式卻容易實(shí)現(xiàn)。并聯(lián)機(jī)器人的典型類型stewart型機(jī)器人。圖 1-2 并聯(lián)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)研究和開發(fā)并聯(lián)機(jī)床都非常重視。1994 年在燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)(IMTS’94)上首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機(jī)床與加工中心并引起了轟動(dòng)[。此后，各主要工業(yè)國(guó)家都投入了 大量的人力和物力進(jìn)行并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)。如美國(guó) IngersollMilling公司、Giddings&Lewis 公司和 Hexal 公司，英國(guó)GeodeticTechnology公司，俄羅斯 Lapik 公司，德國(guó) Mikromat公司、亞琛工業(yè)大學(xué)、漢諾威大學(xué)、斯圖加特大學(xué),挪威 Multicraft 公司，瑞士ETZH 和 IFW 研究所，瑞典 Neos機(jī)器人公司，意大利 Comau 機(jī)床公司，丹麥 Braun公司，日本豐田公司、日立公司、三菱公司、韓國(guó)SENATECHNOLOGIES 公司等單位相繼研制出不同結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控機(jī)床、激光加工和水射流機(jī)床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制造設(shè)備。并聯(lián)機(jī)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)動(dòng)議，1998 年在意大利召開了第一屆國(guó)際并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器專題研討會(huì)，2000年在美國(guó)召開了第二屆國(guó)際并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器專題研討會(huì)。 我國(guó)已在國(guó)家“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃和“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中對(duì)并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)予以支持。中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等單位的研究人員也在積極從事并聯(lián)機(jī)床領(lǐng)域的研究工作，并與相關(guān)企業(yè)合作研制了數(shù)臺(tái)結(jié)構(gòu)形式各異的樣機(jī).基于并聯(lián)機(jī)器人的多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床研究已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域以及機(jī)床制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外所推出的各種并聯(lián)機(jī)床大多數(shù)都是單純利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)(尤其是其中的 Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu))來構(gòu)造機(jī)床(也有一些在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上再串接一、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)以增加工具的姿態(tài)空間)。根據(jù)其相應(yīng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)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(qū)動(dòng)方式可分為兩種形式：一種形式為各分支鏈（定長(zhǎng)桿）的一端通過滑塊（或絲杠螺母副）沿固定平臺(tái)導(dǎo)軌移動(dòng)（簡(jiǎn)稱“腿滑動(dòng)” ）來改變動(dòng)平臺(tái)的位置及姿態(tài)；另一種形式為通過各分支鏈桿長(zhǎng)的伸縮（簡(jiǎn)稱“腿伸縮” ）來改變動(dòng)平臺(tái)的位置及姿態(tài)。Delta機(jī)器人是并聯(lián)機(jī)器人中的一種優(yōu)秀代表?？梢猿晒Φ脑讵M小的工作空間進(jìn)行高速抓取物體，以此做為本次課設(shè)的樣機(jī)。第 1章 緒論 31.2 針對(duì) delta 機(jī)器人的研究成果對(duì)于 delta機(jī)器人機(jī)構(gòu)控制器參數(shù)整定的方法，天津大學(xué)的王有啟，黃田教授，針對(duì) delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)，考慮隨位姿實(shí)時(shí)變化的慣性負(fù)栽對(duì)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(jī)器人控制器參數(shù)整定新方法。首先借助于矢量法導(dǎo)出 delta機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)模型，消元法建立其正解模型。在此基礎(chǔ)上，建立機(jī)電耦合控制模型，直接以機(jī)器人末端執(zhí)行器在整個(gè)工作空間運(yùn)動(dòng)軌跡的均方根值誤差作為綜合性能優(yōu)化目標(biāo)，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(jìn)行前饋補(bǔ)償，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。天津大學(xué)張利敏，梅江平，趙學(xué)滿研究廣泛用于髙速抓放操作的 delta機(jī)械手動(dòng)力尺度綜合方法。在建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和剛體動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用奇異值分解原理，提出一種基于單軸最大驅(qū)動(dòng)力矩全域最大值最小的動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。該指標(biāo)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(jī)構(gòu)尺度比、速度、精度和剛度等尺度和映射特性約束基礎(chǔ)上，利用工程實(shí)例研究映射特性約束對(duì)尺度參數(shù)和動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)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(dòng)力學(xué)性能最優(yōu)的尺度參數(shù)。認(rèn)真分析市場(chǎng)中的 delta機(jī)器人，我們不難發(fā)現(xiàn) delta機(jī)器人為滿足在狹小的工作空間高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作環(huán)境，在設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)特點(diǎn)（1） 材料選取注重經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但更要注意材質(zhì)質(zhì)量輕巧。（2） 工作手臂結(jié)構(gòu)較靈活的，減少重量均在考慮范圍之內(nèi)。（3） 電機(jī)安放位置較為固定，也是為了減少電機(jī)本身的重量產(chǎn)生較大慣性力。（4） 在電機(jī)的選取時(shí)，在滿足工作載荷的前提下，要考慮市面上質(zhì)量最輕的那種，以適應(yīng)要求。這是因?yàn)樵讵M小的環(huán)境下高速工作，在較短時(shí)間內(nèi)停止會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力。我們知道在速度一定時(shí)，若質(zhì)量越大，產(chǎn)生的慣性力就越大，而過大的慣性力是 delta機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)無法承受的。所以在設(shè)計(jì)中一定要考慮質(zhì)量的減輕。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4其他就是要注意和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，設(shè)計(jì)中注意后期維護(hù)的簡(jiǎn)單，方便工作者對(duì)機(jī)器人的保養(yǎng)。1.3 delta 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)來自中科院沈陽自動(dòng)化所專家課題組的預(yù)測(cè)表明，到 2011年，我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)保有量將增至 48 600臺(tái)，年銷售額約 9O多億元。根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展與升級(jí)的歷程和工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，到 2015年，我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)容量將達(dá)十幾萬臺(tái)套。這無疑是我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行研究開發(fā)的良好時(shí)機(jī)，特別是在某些例如本課題所面向的還沒有工業(yè)機(jī)器人涉及卻擁有極高應(yīng)用價(jià)值的生產(chǎn)領(lǐng)域中使用的工業(yè)機(jī)器人，更值得我們關(guān)注和思考。而日本、美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相對(duì)于我國(guó)有較大領(lǐng)先，這些國(guó)家在工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)上主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①性能不斷提高，單機(jī)價(jià)格不斷下降；②機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；③控制系統(tǒng)向基于 PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；④發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。這也為我國(guó)制定工業(yè)機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略和具體研制某類的機(jī)器人起到一定的啟示作用。日本工業(yè)機(jī)器人的裝備量約占世界工業(yè)機(jī)器人裝備量的 60%，日本在發(fā)展工業(yè)機(jī)器人技術(shù)上，將主要精力集中于以下幾個(gè)領(lǐng)域：①視覺傳感器；②力傳感器；③控制功能，其中包括機(jī)器人臂的柔軟控制功能、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制功能、沖突檢測(cè)功能；④離線編程系統(tǒng)；⑤實(shí)時(shí)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(jī)器人時(shí)也重視其智能型和易操作性的提高，向著工業(yè)機(jī)器人自主進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的目標(biāo)發(fā)展，盡量減少使用過程中有人來干預(yù)的成分。聯(lián)機(jī)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(xué)的實(shí)驗(yàn)室，真正投入到生產(chǎn)實(shí)踐中的并聯(lián)機(jī)器人甚少。近年來，先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的研究和發(fā)展起著積極的促進(jìn)作用。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已從當(dāng)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(jī)器人是一類全新的機(jī)器人，它具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精度高、自重負(fù)荷比小、動(dòng)力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點(diǎn)，與目前廣泛應(yīng)用的串聯(lián)機(jī)器人在應(yīng)用上構(gòu)成互補(bǔ)關(guān)系，因而擴(kuò)大了整個(gè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。并聯(lián)機(jī)器人可以作為航天上的飛船對(duì)接器、航海上的潛艇救援對(duì)接器；工業(yè)上可以作為大件的裝配機(jī)器人、精密操作的微動(dòng)器。近年來還研究將它用作虛擬 6軸加工中心，以及毫米級(jí)的微型機(jī)器人等，可以預(yù)見這類機(jī)器人在 21世紀(jì)將有廣闊的發(fā)展前景。Delta并聯(lián)機(jī)器人最早是在 1985年由 R.clavel提出的，因其基座平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)都呈三角形形狀而得名。Delta 機(jī)器人作為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的一種，具有上述的諸多優(yōu)點(diǎn)和各種可能的應(yīng)用，是目前商業(yè)應(yīng)用最成功的機(jī)器人之一。當(dāng)初，比如，當(dāng)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上裝上適當(dāng)?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(xué)手術(shù)等也有較多應(yīng)用。在國(guó)外 Delta機(jī)器人已經(jīng)成功的應(yīng)用在大范圍的領(lǐng)域中，而且取得了不錯(cuò)的業(yè)績(jī)。例如，在瑞士，巧克力生產(chǎn)商 chocolat Frey，采用由 Bosch的包裝技術(shù)公司 Sigpick Systems AG提供的新的生產(chǎn)線，這條生產(chǎn)線上，八個(gè) Delta機(jī)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(gè)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)便易行，只需簡(jiǎn)單的修改一下操作系統(tǒng)就可以適應(yīng)新的包裝規(guī)格，這種簡(jiǎn)易性使得該公司可以快速而從容的應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的新需求。不久前，位居全球 500強(qiáng)之列的電力和自動(dòng)化 技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)廠商 ABB公司，高調(diào)宣布其進(jìn)行機(jī)器人的投資建設(shè)，并列出了投資的 10大理由，這十大理由包括降低運(yùn)營(yíng)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量和一致性、改善員工工作條件、擴(kuò)大產(chǎn)量、增強(qiáng)制造柔性、減少原料浪費(fèi)、提高良品率等。中國(guó)處在改革開放的關(guān)鍵時(shí)期，各行各業(yè)正是在高速發(fā)展的黃金階段，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)更是朝氣蓬勃。市場(chǎng)的快速發(fā)展帶來了絕佳的研究機(jī)遇，因此，我以為在我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)、大力發(fā)展現(xiàn)代化工業(yè)同時(shí)，機(jī)器人是個(gè)不可避免的話題。在我國(guó)進(jìn)入老齡化社會(huì)，勞動(dòng)力逐漸短缺之際，傳燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6統(tǒng)工業(yè)中大量危險(xiǎn)和重復(fù)性高的工作必將由越來越多的機(jī)器人來代替。但相對(duì)外國(guó)的機(jī)器強(qiáng)國(guó)而言，我國(guó)的機(jī)器基礎(chǔ)較為薄弱，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平還相對(duì)較低，難以應(yīng)對(duì)發(fā)展大潮。Delta 機(jī)器人，作為機(jī)器人行業(yè)中的佼佼者，具有很高的研究?jī)r(jià)值和解決中國(guó)實(shí)際的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。Delta機(jī)器人發(fā)明于 20世紀(jì) 80年代初，誕生在瑞士的洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院。當(dāng)時(shí)工業(yè)生產(chǎn)中迫切需要一種機(jī)器人，這種機(jī)器人可以以一個(gè)非常高的速度操縱輕小物體，delta 機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。在 1987年，Demaurex 公司為 Delta機(jī)器人購買生產(chǎn)許可證，開始時(shí) Delta機(jī)器人主要應(yīng)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(gòu)想了 4個(gè)自由度的設(shè)想，并接手了 delta機(jī)器人的研究工作。并在 1999年獲得了黃金機(jī)器人獎(jiǎng)。此外，在 1999年，ABB柔性自動(dòng)化開始出售自己的 delta機(jī)器人，F(xiàn)lexPicker。1999 年底，Delta機(jī)器人還銷往 Sigpack Systems公司。1.4 論文主要完成的工作完成 delta機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)的選取，對(duì)結(jié)構(gòu)的研究1.機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇2.針對(duì)設(shè)計(jì)要求結(jié)合所選用的電機(jī)，設(shè)計(jì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，并討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性問題 。第 2章 delta 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7第 2 章 delta 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 delta 機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Delta機(jī)器人是根據(jù)前人的研究成果所設(shè)計(jì)，這些是都有些原件的，在根據(jù)前輩設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，我在一些方面有所創(chuàng)新，以下為我所設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)：圖 2-1 delta機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)2.2 上頂板為了實(shí)現(xiàn)上頂板對(duì)強(qiáng)度的要求，我在上底板之上設(shè)計(jì)了上底板軸承板如下圖 2-2：上頂板支撐板燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dá)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(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)甚至是整個(gè)機(jī)器的固定。有了支撐板，我們就可以順利的將上頂板設(shè)計(jì)成如下形狀：圖 2-3：上頂板在本設(shè)計(jì)中，上頂板設(shè)計(jì)成如同電風(fēng)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(gè)一個(gè)大實(shí)心板一般，那樣就過于浪費(fèi)材料了，而且顯得過于笨重，且不好加工。如上圖的設(shè)計(jì)不僅可以是加工變得容易，而且節(jié)省材料，減少了陳本費(fèi)。而且在其中也節(jié)約了空間，沒一個(gè)位置是沒有用的，這樣就足以完成設(shè)計(jì)的目標(biāo)。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(dá)到裝配的要求，實(shí)現(xiàn)整體和諧。2.3 上臂上臂的設(shè)計(jì)是要其既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上臂及其以下部件的支撐，又可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。因此，既要保證構(gòu)件的剛度，也要實(shí)現(xiàn)重量較輕的目的，這樣在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，不會(huì)因?yàn)檩^大的質(zhì)量而產(chǎn)生過大的慣性力，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器的不穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在設(shè)計(jì)中我才用了如下的結(jié)構(gòu):圖 2-4：上臂第 2章 delta 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9在如上的上臂中，我沒有設(shè)計(jì)成直通的圓柱形的上臂。因?yàn)?，上臂在工作中所承?dān)的力并不是一樣的，每一個(gè)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?yàn)樯媳鄢袚?dān)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的部分處，承擔(dān)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(dá)到足夠的強(qiáng)度，這樣會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。而弧形的結(jié)構(gòu)就完全可以實(shí)現(xiàn)上面所說的要求，前大，后小，可以。我們知道臂的轉(zhuǎn)矩在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中很是重要，在上臂上，受到的力是縱向的，若是將臂的兩側(cè)挖空一些，對(duì)轉(zhuǎn)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(fèi)的材料，因此在設(shè)計(jì)是，我選在在臂的兩側(cè)加工的薄一點(diǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)量，強(qiáng)度夠，對(duì)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(shí)用，這也是機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)小原則。2.4 L 形板的設(shè)計(jì)電機(jī)與上頂板的連接要保證精準(zhǔn)與穩(wěn)定，穩(wěn)定的電機(jī)才能給出完整的輸出，因此再設(shè)計(jì)上我選擇了 L形板。L形板的設(shè)計(jì)如下圖 2-5：L 形板電機(jī)在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋，因?yàn)?L形板的缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)折處，我們加入了加強(qiáng)筋，這樣就增加了在轉(zhuǎn)折處的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)板穩(wěn)定性的增強(qiáng)。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10在板的上部分一個(gè)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?yàn)闄C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是精密的，如果定位不夠準(zhǔn)確直接影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度，誤差的累積就會(huì)是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過大的錯(cuò)誤，無法達(dá)到規(guī)定的運(yùn)動(dòng)范圍。2.5 下底板支撐架的設(shè)計(jì)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(dòng)下底板以至于吸盤組的移動(dòng)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了一個(gè)如同軸肩作用的凸臺(tái)，這樣就可以達(dá)到定位的作用。四連桿機(jī)構(gòu)下半部分的軸是個(gè)通孔，無法達(dá)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(gè)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(duì)軸承的固定，除了要用下底板支架的凸臺(tái)外，還要增加一個(gè)擋圈的作用。用它可以輕松的擋住軸承的左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的固定，更是定位的作用。我的設(shè)計(jì)形狀如下：圖 2-6：下底板支撐架為了保證裝配的準(zhǔn)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(shí)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(jī)械手的確定根據(jù)老師的任務(wù)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(jī)械手抓取，結(jié)構(gòu)太過于復(fù)雜，很難以實(shí)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(gè)吸盤要求較大的吸力。第 2章 delta 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(yīng)用在自動(dòng)化設(shè)備上，并在機(jī)械手上有廣泛的應(yīng)用。在選取的過程中，應(yīng)定要計(jì)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(cè)的面積的乘積。因此真空壓力力量大也不會(huì)超過大氣壓的力，另外，大氣壓的變化也會(huì)引起吸附力的變化。下面是洗盤組的安裝結(jié)構(gòu)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(gè)好處，就是重量較輕。若使用機(jī)械手，手臂的金屬質(zhì)量會(huì)很大，而且需要電氣傳動(dòng)，附加的重量也會(huì)很大。若使用吸氣盤就可以很輕松的解決這個(gè)問題。吸盤的動(dòng)力來自于空氣壓縮機(jī)。而壓縮機(jī)可以游離在機(jī)械體之外，而不必安裝在機(jī)器本身上，這樣就減輕了機(jī)器本身的質(zhì)量，將空氣壓縮機(jī)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12便，且不會(huì)影響機(jī)器人本身的運(yùn)動(dòng)，具有很多的優(yōu)點(diǎn)。因此，在擁有足夠的拉力時(shí)，選擇吸盤是不錯(cuò)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(shí)，先設(shè)定真空壓力，設(shè)定時(shí)根據(jù)真空源的規(guī)格留出余量。根據(jù)我的任務(wù)書中規(guī)定的任務(wù)，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(gè)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(jié)構(gòu)了，完成了對(duì) delta機(jī)器人機(jī)器手的計(jì)算與設(shè)計(jì)。2.7 電機(jī)的選取電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)不需要能量轉(zhuǎn)換。對(duì)于機(jī)器人來說，控制靈活，使用方便，噪音低，啟動(dòng)力矩大是其主要的要求。目前在額定功率下的工業(yè)機(jī)器人大多采用這類驅(qū)動(dòng)。至于電機(jī)的類型我們有以下得出。永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，它具有體積小，轉(zhuǎn)矩大，輸出力矩和電流成正比，伺服性能好，反應(yīng)快速，功率重量比大，穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)。印刷繞組永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)，這種伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速反應(yīng)性能和轉(zhuǎn)換性能好，機(jī)械性能好，輸出力矩平穩(wěn)，低速運(yùn)轉(zhuǎn)性能好，壽命長(zhǎng)，適用于頻繁啟動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)工作的場(chǎng)合。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)自無繞組，由永磁體構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，他可將電脈沖信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角大小與輸入脈沖成正比，通過改變脈沖頻率來調(diào)速。其旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的相序。步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)多第 2章 delta 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13用于開環(huán)控制電路，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置和速度易于控制，起響應(yīng)速度快，輸出力矩較大，能快速啟動(dòng)，反轉(zhuǎn)和制動(dòng)，可精確定位。交流伺服電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成了交流伺服系統(tǒng)，伺服電動(dòng)機(jī)可以是異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)或同步行交流伺服電機(jī)，同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)是一臺(tái)機(jī)組，由永磁式交流同步電機(jī)，轉(zhuǎn)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(dòng)器。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)即電機(jī)與其負(fù)載直接耦合在一起，中間不需要配置任何機(jī)械減速裝置，但價(jià)格較高，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)子為較薄的圓環(huán)，放置在內(nèi)外定子之間，這樣可以減少轉(zhuǎn)子質(zhì)量，增大轉(zhuǎn)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(zhǔn)確的步進(jìn)電機(jī)。依據(jù)所選擇的電動(dòng)機(jī)額定功率應(yīng)大于工作機(jī)所需的電動(dòng)機(jī)功率即：（公式 1）rP?0式中 ——電動(dòng)機(jī)額定功率，Kw；oP——工作機(jī)所需的電動(dòng)機(jī)功率，Kw；r已知 ，L=0.4m 106.78NF?.2?所以 .21.2.365N???所以 350489wPLw所需電動(dòng)機(jī)功率由下式計(jì)算：（公式 2）rP?式中 ——工作機(jī)所需有效功率，由工作機(jī)的工藝阻力及運(yùn)行參數(shù)w確定?！妱?dòng)機(jī)到工作機(jī)的總效率。?（公式 3）kwPnwr 13.064.89.21???額定功率 =0.37Kw 0.13Kw0?該電動(dòng)機(jī)減速器的各項(xiàng)參數(shù)：n=21r/min T=161N·m c=1.7 i=66.592燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）142.8 減速器的選擇與計(jì)算計(jì)算電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機(jī)構(gòu)來降速，同時(shí)也提高了轉(zhuǎn)距。減速裝置的形式多種多樣，選擇一種合適的減速裝置對(duì)機(jī)器人的性能有著相當(dāng)重要的作用。驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械傳動(dòng)形式有多種，主要分為：鏈條傳動(dòng)；皮帶傳動(dòng)；蝸桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)等。鏈條傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)是：工況相同時(shí)，傳動(dòng)尺寸緊湊；沒有滑動(dòng)；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(diǎn)：瞬時(shí)速度不均勻，高速運(yùn)轉(zhuǎn)是傳動(dòng)不平穩(wěn)；不易在載荷變化大和急促反向的傳動(dòng)中使用；工作噪音大。皮帶傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)是：能緩和沖擊；運(yùn)行平穩(wěn)無噪音；制造和安裝精度要求低；過載時(shí)能打滑，防止其他零件的損壞。缺點(diǎn)：有彈性滑動(dòng)和打滑，效率低不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比；軸上載荷大；壽命低。蝸桿傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊；工作平穩(wěn)；無噪聲；沖擊震動(dòng)?。荒艿玫胶艽蟮膯渭?jí)傳動(dòng)比。缺點(diǎn)是：傳動(dòng)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(dòng)：工作可靠，使用壽命長(zhǎng)；易于維護(hù)；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度使用范圍很廣。缺點(diǎn)是：制造復(fù)雜成本高；不宜用于軸間距的傳動(dòng)。比較以上傳動(dòng)形式，結(jié)合本設(shè)計(jì)中機(jī)器人的要求：輸出轉(zhuǎn)矩大傳動(dòng)效率高噪音小等條件，我們采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，減速比為 15。電機(jī)軸直接作為輸入軸安裝主動(dòng)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(jí)減速： , m=3, , mm, , mm,31?i10z3?d302z92?d第二級(jí)減速： , m=3, , mm, , mm,53 51根據(jù)設(shè)計(jì)需要大傳動(dòng)比的減速器，所設(shè)計(jì)的減速器傳動(dòng)比為 5.17，為三級(jí)齒輪減速器，第一級(jí)傳動(dòng)比為 1.654，第二級(jí)傳動(dòng)比為 3.125。 2.9 軸承的計(jì)算由于 delta機(jī)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(duì)深溝球軸承的演算：（公式 1）ε)(601hrPCnL?由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查的 e = 0.44 ,第 2章 delta 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中進(jìn)行查詢，在保證壽命的同時(shí)，盡量減少軸承的外徑，最后決定選取的軸承代號(hào)為 GB-T 276-1994 61902。2.10 本章小結(jié)Delta機(jī)器人是一種比較成熟的機(jī)器人，在方案設(shè)計(jì)上沒有太多的其他的構(gòu)想。但是在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上力求精致，可以達(dá)到加工和安裝的要求。在每一個(gè)部件的選取上，都盡量以較輕的質(zhì)量和強(qiáng)度為基準(zhǔn)。這也是 Delta機(jī)器人快速抓取物體，完成預(yù)定目標(biāo)的要求。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16第 3章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)17第 3 章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 概述并聯(lián)式 delta機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用的是少自由度并聯(lián)極構(gòu)，與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，雖然并聯(lián)機(jī)構(gòu)有著許多潛在的“天生”優(yōu)點(diǎn)，但是由于其機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性及運(yùn)動(dòng)學(xué)的非線性所造成的困難，使得并聯(lián)就夠的優(yōu)點(diǎn)不能充分的體現(xiàn)出來并達(dá)到預(yù)期的性能。為了解決并聯(lián)式 delta機(jī)器人控制過程中的問題，本文不僅在如何設(shè)計(jì)踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機(jī)器入機(jī)構(gòu)上做了大量的工作，也在如何更好地控制并聯(lián)式 delta機(jī)器人方面做了努力。本章針對(duì) delta并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)建立的控制系統(tǒng)是基于運(yùn)動(dòng)學(xué)控鍘，主要依靠 delta機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系和驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)模型，而不考慮少自由并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型。delta 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的各個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)欄互獨(dú)立，可以使得并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制器設(shè)計(jì)相對(duì)的簡(jiǎn)單明了，容易實(shí)現(xiàn)。由于采用了中間被動(dòng)約束分支，所以主動(dòng)關(guān)節(jié)上驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)載可以近似成定常的；由于 delta機(jī)器人在高速下進(jìn)行，所以離心力和科里奧利等非線性項(xiàng)的作用可以忽略不計(jì)，按照這種方式設(shè)計(jì)的控制器能夠很好地。3.2 delta 機(jī)器人控制系統(tǒng)模型delta機(jī)器人的控制系統(tǒng)模型可以分成 3部分：踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人、控制器、環(huán)境和任務(wù)，如圖 5-1所示。3-SPS／S 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人由機(jī)座、移動(dòng)副、關(guān)節(jié)(球鉸鏈、回轉(zhuǎn)副)和末端執(zhí)行裝置(動(dòng)平臺(tái)及踝關(guān)節(jié)固定裝置)構(gòu)成。環(huán)境指的是機(jī)器人所處的周圍環(huán)境，它包括幾何條件及其相互關(guān)系。任務(wù)是踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人要完成的操作，也就是動(dòng)平臺(tái)所要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)曲線、速度、加速度等信息，首先要根據(jù)踝關(guān)節(jié)康復(fù)的需要建立起各種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并使用適當(dāng)?shù)某绦蛘Z言來描述，并把它們存入控制計(jì)算機(jī)當(dāng)中，控制器相當(dāng)于踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的大腦，記憶計(jì)算機(jī)程序的形式來完成給定的運(yùn)動(dòng)，選擇何種形式的控制策略是控制器的核心問題。3.3 運(yùn)動(dòng)控制方法的選取3.3.1 傳統(tǒng)的控制方法在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，傳統(tǒng)的機(jī)器人控制方法采用的是專用的計(jì)算機(jī)加多單片機(jī)——多回路的封閉式體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的控制器在高速、高精度和多軸的同步運(yùn)動(dòng)控制等方面存在技術(shù)瓶頸；此外，還存在著制造和使用成本高、開發(fā)周期長(zhǎng)、升級(jí)換代困難、無法添加系統(tǒng)的新功能等缺點(diǎn)，在一定程度上限制了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18傳統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由 PC機(jī)、電源、鍵盤、狀態(tài)顯示設(shè)備、上位機(jī)、通訊接口、單片機(jī)、放大器、電機(jī)、傳感器、外圍電路和其它一些外部設(shè)備組成，系統(tǒng)構(gòu)成十分復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy、故障率商、一般僅針對(duì)專門被控對(duì)象，可重用性較差。3.3.2 基于運(yùn)動(dòng)控制器的機(jī)器人控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器是以中央邏輯控制單元為核心，以傳感器為信號(hào)敏感元件，以電機(jī)／動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元為控制對(duì)象的一種控制裝置。它的主要任務(wù)是根據(jù)作業(yè)的要求和傳感器件信號(hào)進(jìn)行必要的邏輯／數(shù)學(xué)運(yùn)算，為電機(jī)或其他執(zhí)行裝置提供正確的控制信號(hào)。運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)其所能控制獨(dú)立運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)目，成為單軸或多軸運(yùn)動(dòng)控制器。躁關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人就是典型的多軸實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比，運(yùn)動(dòng)控制器具有以下特點(diǎn)：技術(shù)更新，功能更加強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)孰跡的控制，是傳統(tǒng)數(shù)控裝置的換代產(chǎn)品；結(jié)構(gòu)形式模塊化，可以方地相互組合，建立適用于不同場(chǎng)合、不同功能需求的控制系統(tǒng)；操作簡(jiǎn)單，在 PC上經(jīng)簡(jiǎn)單編程即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了軟件化伺服控制。在微處理或運(yùn)動(dòng)控制板中，可以采用各種先進(jìn)算法，除了常規(guī)的 PID控制外，可采用前饋控制、速度實(shí)時(shí)監(jiān)視控制、可變?cè)鲆婵刂啤⒐舱褚种瓶刂?、模型參考控制、重?fù)控制、預(yù)測(cè)控制、在線自動(dòng)修正控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、可操作性達(dá)到了很高的水平。3.4 delta 機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成控制系統(tǒng)中的各個(gè)元件的工作原理類似于人體，電機(jī)和功率放大器的結(jié)合類似于使人的四肢活動(dòng)的肌肉。電機(jī)是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的元件，功率放大器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的電流。例如，放大器取得小電流信號(hào)并將其放大成大電流高電壓信號(hào)。控制器是命令運(yùn)動(dòng)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(hào)，稱作運(yùn)動(dòng)命令。位置傳感器的功能類似于人的眼睛，它檢測(cè)電機(jī)的位置并將結(jié)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(jì)算機(jī)，命令源產(chǎn)生命令，經(jīng)常要求狀態(tài)報(bào)告。用其它方式如 PLC，終端或開關(guān)組亦可產(chǎn)生命令。3.4.1 通用 Galil DMC 一 2182 多軸運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)動(dòng)控制器，我們選擇了美國(guó) Galil DMC——2100多軸運(yùn)動(dòng)控制器。DMC2182數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器采用 32位高速 MCU，提供了許多運(yùn)動(dòng)控制方式，該數(shù)字控制器同時(shí)提供與伺服、步進(jìn)及液壓電機(jī)的接口，可以根據(jù)需要任第 3章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)19意組合使用，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的最佳配置。多任務(wù)功能可以同時(shí)執(zhí)行 8個(gè)應(yīng)用程序。控制器本身具有程序、參數(shù)、變量、陣列元素存儲(chǔ)功能，即使脫離主計(jì)算機(jī)亦能正常工作。運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行系統(tǒng)的智能任務(wù)，它的基本任務(wù)有：對(duì)位置反饋?zhàn)g碼；產(chǎn)生想要的位置(輪廓)；位置閉環(huán)；穩(wěn)定性補(bǔ)償。控制器最基本的功能是對(duì)電機(jī)位置進(jìn)行譯碼并進(jìn)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(tái)計(jì)算機(jī)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(qiáng)大控制功能，可以同時(shí)執(zhí)行 8個(gè)應(yīng)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(jìn)行速度控鍘、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位，輪廓、直線、圓弧插補(bǔ)、電子齒輪和凸輪、連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)等先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)模式：接受 12MHZ伺服編碼器反饋信號(hào)，3MHZ 步進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(guān)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(qiáng)的容錯(cuò)處理功能。提供定位、速度、扭力、錯(cuò)誤及輸入的狀態(tài)報(bào)告。3.4.2 功率放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(diào)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(shí)使用；PWM 放大器非常有效率。功率放大器接受命令信號(hào)，一般是 O～±IOV 模擬信號(hào)，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(dāng)用速度反饋時(shí)則為速度方式；功率放大器一般以電流方式構(gòu)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(hào)，并使它與命令信號(hào)成比例關(guān)系，電流放大器用表示每 lV命令信號(hào)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(gòu)成，此時(shí)，放大器包含有輸入電壓與電機(jī)速度相比較的電壓放大級(jí)，在送到電流環(huán)之前對(duì)這個(gè)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(diào)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(dāng)需要小功率時(shí)，通常用線性放大器。我們已講了電機(jī)和放大器，現(xiàn)在我們將進(jìn)一步討論位置傳感器，最常用的傳感器是增量式編碼器。