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

1、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：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W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)生姓名田一土專業(yè)班級(jí)08機(jī)電3班題目題目名稱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)（丿）；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(yǔ)類（）；4.藝術(shù)類（）。題目類型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（V）2.論文（）題目來源科研課題（V）生

2、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5kg，工作空間1mXlmX0.6m基本要求設(shè)計(jì)說明書60-70頁(yè)，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)

3、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。周次14周58周912周1316周1718周應(yīng)完成的內(nèi)容査閱收集資確定機(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)考核指導(dǎo)教師：職稱：年月日系級(jí)教學(xué)單位審批：年月日I摘要摘要近些年，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

4、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)IAbstractInrecentye

5、ars,increasedinterestinparallelrobotshasbeenobserved.Parallelrobotspossessanumberofadvantageswhencomporedtoserialarms,Themostimportantoneiscertainlythepossibilitytokeepthemotorsfixedintothebase,thusallowingalargereductionoftherobotstructure'sactivemobilemass.keepingthemotorsontherobotbaseisarequ

6、airmentwhendirect-driveisused,thus,parallelrobotsarewellsuitedtodirect-driveactuation.Anotheradvantageofparallelrobotsistheirhighrigiditg.thesefeaturesallowmorepreciseandmuchfastermanipulations.Thedeltaparallelrobotisveryfamousamongthem.Inthispaper,thehistoryapplicationcharacteroftheparallelrobotsar

7、eintroduced.AndIcomptedthedegreeoffreeoftheparallelrobot,analysisthesingularposition.Thepositionsolutionandpositioninversesolutiontoo.Atlast,thereareseveralmethordsofcontrolling.AndIchoiceoneofthenwhichisbettersuitedtothisrobot.Thismethodwillbeintroducedlatter.Keyword:paralleldelta,positioninverseso

8、lution,singularposition目錄摘要IAbstractII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41.3DELTA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)82.1DELTA機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)82.2 上頂板82.3 上臂92.4L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173.2DELTA機(jī)器人控制系統(tǒng)模型173.3 運(yùn)動(dòng)

9、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GalilDMC2182多軸運(yùn)動(dòng)控制器183.4.2 功率放大器193.4.3 增量式編碼器20III燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3.5 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)20結(jié)論22參考文獻(xiàn)23致謝25附錄126附錄232附錄338#第1章緒論第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

10、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S

11、CARA型。圖1-1：SCAR型串聯(lián)機(jī)器人2、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

12、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?。唬?）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年在芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)（IMTS'94）上首

13、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)SENATECHNOLOG

14、IES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(yáng)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

15、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

16、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)。1.2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

17、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

18、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。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

19、保養(yǎng)。1.3 delta機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)來自中科院沈陽(yáng)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48600臺(tái)，年銷售額約90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：性能不斷提高，單機(jī)價(jià)格不斷下降；機(jī)械結(jié)

20、構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；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；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：視覺傳感器；力傳感器；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；離線編程系統(tǒng)；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

21、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

22、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chocolatFre

23、y，采用由Bosch的包裝技術(shù)公司SigpickSystemsAG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chocolatFrey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

24、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5第1章緒論機(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

25、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(gòu)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parallele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SigpackSystems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)

26、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。7第2章delta機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)：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

27、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

28、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)椋媳墼诠ぷ髦兴袚?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

29、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。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

30、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)長(zhǎng)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)。9燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）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

31、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

32、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。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

33、變化。下面是洗盤組的安裝結(jié)構(gòu)圖：1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13燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)擇吸盤是不錯(cuò)的。裝配的俯視剖面圖:圖2-

34、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)

35、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

36、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：P>P0r公式1)式中PoPr電動(dòng)機(jī)額定功率，Kw；工作機(jī)所需的電動(dòng)機(jī)功率，Kw；已知化二1061.

37、78N，L=0.4m卩=0.2F=卩F=0.2x1061.78=212.365NN所以P=F-L=212.365x0.4=84.9424w所需電動(dòng)機(jī)功率由下式計(jì)算：P=Prq所以公式2)式中Pw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)確定。q電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的總效率。PPwrqqq12n0.08490.64沁0.13kw公式3)額定功率P0=0.37Kw>0.13Kw該電動(dòng)機(jī)減速器的各項(xiàng)參數(shù)：n=21r/minT=161Nmc=1.7i=66.5922.8 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，#燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）同時(shí)也提

38、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，作用在軸上的載荷小；效率高；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

39、噪聲；沖擊震動(dòng)??；能得到很大的單級(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:z二302z二502d2二90mm,d2二150mm,第一級(jí)減速：=3,m=3,zi=10,d二30mm,第二級(jí)減速：=5,m=3,z3=10,

40、di二30mm,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：Lh1010660n(&APr由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查的eF=1311.92Nr1=0.44,s=eFrF=561.08Nr2公式1)公式2)s=0.44F=524.77Ns=0.44F=224.43N1r12r2s+F二224.43+281.68二506.11Ys二524.772a1軸承II壓緊，軸承I放松。則

41、Fa1=si=524.77NF524.77吐=0.014C39800orFa2Cor=0.44二29809二0.006e2=0.44Fa2二si-Fa4二243.09NF524.77吐=0.40eF1311.92ir1F243.77=0.43YeF561.082X=0.44，Y=1.47f二1.4P二f(XF+YF)二1888.12Nr1pr1a1NP=f(XF+YF)二807.50Mr2pr2a2NPAPr1r2只計(jì)算I壽命。106CL二(一卜二5733750(h)h1060nPr1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

42、定選取的軸承代號(hào)為GB-T276-199461902。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。#第3章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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de

43、lta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

44、.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(yǔ)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

45、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。19第3章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。

46、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

47、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?、共振抑制控制、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

48、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)?？刂破魇敲钸\(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GalilDMC2182多軸運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)動(dòng)控制器，我們選擇了美國(guó)GalilDMC2100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M(fèi)CU,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)需要任意組合

49、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?？刂破髯罨镜墓δ苁菍?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IO裝置之間通信；支持Modbus通信協(xié)議。通用IO：88（1-4軸模式），16/16（58軸模式）。具有控制

50、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ADC12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62.5us/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

51、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0±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)，

52、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。21第3章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.3增量式編碼器增量式編碼器產(chǎn)生代表轉(zhuǎn)軸位置的脈沖信號(hào)，編碼器輸出兩路信號(hào)，通常稱為A、B,每轉(zhuǎn)N個(gè)脈沖，兩路信號(hào)相位產(chǎn)生互差90。，控制器能夠

53、根據(jù)兩路信號(hào)之間的相位A超前B或B超前A來判別旋轉(zhuǎn)方向，通過對(duì)兩路信號(hào)4倍頻處理還可提高傳感器檢測(cè)分辨率。即每轉(zhuǎn)N線編碼器生成4N個(gè)cts。大多數(shù)編碼器產(chǎn)生TTL示波信號(hào)，也有一些編碼器輸出正弦波或高壓示波信號(hào)。工業(yè)系統(tǒng)往往采用差分信號(hào)輸出的編碼器，即A、B信號(hào)均肖互補(bǔ)，這樣可提高系統(tǒng)抗干擾性。增量式編碼器也可產(chǎn)生第3路信號(hào)，稱之為定標(biāo)或標(biāo)志脈沖，此信號(hào)每轉(zhuǎn)出現(xiàn)一次，可用于回零。3.5 運(yùn)動(dòng)控制器和運(yùn)動(dòng)控制卡的區(qū)別MPC系列控制卡是基于PC機(jī)ISA或PCI總線的步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)的上位控制單元。采用先進(jìn)的專用控制芯片或DSP技術(shù)，具有梯形及S形升降速曲線；配備了功能強(qiáng)大、內(nèi)容豐富的運(yùn)動(dòng)控

54、制驅(qū)動(dòng)程序。MPC系列運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)用于二次開發(fā)用戶只要用VC+或VisualBasic等支持DLL調(diào)用的開發(fā)工具編制所需的用戶界面程序，并于MPC系列運(yùn)動(dòng)庫(kù)鏈接起來，就可以開發(fā)自己的控制系統(tǒng)。MPC07運(yùn)動(dòng)控制器是基于PC機(jī)PCI總線的步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)的上位控制單元，它與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)。采用FPGA作為控制核心，運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)，包括插補(bǔ)算法、脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)、限位和報(bào)警等信號(hào)的檢測(cè)等，均在MPC07控制器內(nèi)進(jìn)行。對(duì)計(jì)算機(jī)的資源占用少，系統(tǒng)兼容性好?？稍赪indows98、Windows2000及WindowsXP等操作系統(tǒng)中使用。控制器有獨(dú)立的安

55、裝面板，有的是面板式的，有的是儀表型的，還有導(dǎo)軌安裝型的！控制卡，一般是PCI插槽的，或者是104板卡的，都必須安裝在主機(jī)的主板上！在控制方式上二者也有很大的區(qū)別：雖然都是靠發(fā)脈沖來控制伺服或者步進(jìn)，但是控制器的程序?qū)懭?，大部分是在控制器上本身通過固有的編程方式，寫程序，或者靠上位計(jì)算機(jī)傳程序來執(zhí)行下面的命令?？刂瓶ū容^廣泛，只要給客戶提供底層驅(qū)動(dòng)和編程代碼，客戶可根據(jù)自己的軟件開發(fā)能力做出各種適合的界面和功能！3.6 本章小結(jié)Delta機(jī)器人的電氣控制比較復(fù)雜，我在這里只是進(jìn)行了比較簡(jiǎn)單的表述。首先將電路安裝在220V的交變電源上，通過變壓電路將電壓降至24V，這時(shí)的電路是不穩(wěn)定的，需要加入

56、橋電路進(jìn)行整流，其后通過濾波電路完成對(duì)電路的調(diào)節(jié)。在每一個(gè)的電路上安裝有電路指示燈，通過指示燈的表示來評(píng)估電路。電路的控制通過DMC2610控制卡進(jìn)行控制?？刂破魍ㄟ^26排線與伺服電機(jī)的編碼器連接，以此來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)停，進(jìn)而控制整個(gè)機(jī)器人的工作。23結(jié)論近些年，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，各個(gè)結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)與功能簡(jiǎn)介，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。當(dāng)今世界的工業(yè)生產(chǎn)生活的越來越快,所以如delta機(jī)器人這般小快靈的機(jī)器人一定會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用。25參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1B3811-83.delta機(jī)器人設(shè)計(jì)規(guī)范S.北京:中國(guó)