【正文】 ................................. 45 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 4 第 1 章 緒論 概述 人類的歷史就是不斷認(rèn)識世界和改造世界的歷史，是生產(chǎn)力發(fā)展的歷史。 本論文建立了并聯(lián)機(jī)器人的物理模型，詳盡探討了機(jī)器人的工作空間，給出了可達(dá)工作空間的計(jì)算方法 ， 并通過對工作空間的位置分析和運(yùn)動分析，得出了最佳的連桿長度和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動空間的關(guān)系。并聯(lián)機(jī)器人由于結(jié)構(gòu)的限制不容易實(shí)現(xiàn)靈活工作空間，針對這一特性，文中提出了并聯(lián)機(jī)器人的靈活度和靈活空間等性能指標(biāo)的概念。在生產(chǎn)力發(fā)展過程中，生產(chǎn)工具的發(fā)展起了重要的作用。早在 15 世紀(jì)霍美羅斯著的《伊利亞》一書中，就出現(xiàn)了“機(jī)器人”。 l920年捷克作家查培克所著的《萬能機(jī)器人》一書中一個(gè)強(qiáng)壯的機(jī)器人名隊(duì) Robot，幫人干了許多體力勞動。如果要移動一個(gè)很重的箱子，人們習(xí)慣用兩個(gè)手臂同時(shí)工作，這種幾個(gè)運(yùn)動鏈并行工作的概念應(yīng)用到機(jī)器人上就產(chǎn)生了另一類機(jī)器人 — 并聯(lián)機(jī)器人。 (3)沒有累積誤差，其精度較高 。 并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)、發(fā)展過程、現(xiàn)狀 并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人相比具有一些獨(dú)特的性能，如剛度高、承載能 力高、速度高、驅(qū)動電機(jī)在機(jī)架上而使活動構(gòu)件的質(zhì)量輕，它早已引起了國際上長期的關(guān)注，并給北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 予了大量的研究。 飛行模擬器 :把并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)應(yīng)用為飛行模擬器，是并聯(lián)機(jī)器人較早的應(yīng)用。 圖 11 著名的 Stewart平臺機(jī)構(gòu) 圖 12 基于 Stewart平臺的飛行模擬器 圖 13多媒體全真動態(tài)駕駛模擬器 虛擬軸數(shù)控并聯(lián)機(jī)床 :虛擬軸六自由度數(shù)控機(jī)床是并聯(lián)機(jī)器人在制造業(yè)中的一個(gè)重要應(yīng)用。 94 博覽會上推出的 VARIAX 虛擬軸機(jī)床，引起廣泛的關(guān)注，被稱為“ 21 世紀(jì)的機(jī)床”，它在國內(nèi)外已 經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。虛擬軸數(shù)控機(jī)床的可能應(yīng)用前景還有 :以螞蟻啃骨頭方式對大型構(gòu)件進(jìn)行加土或最后精整，靈活布置進(jìn)行測量或裝配和對實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或精修等等。 1962 年， Ellis 就建議采用并聯(lián)而不是串聯(lián)的壓電陶瓷驅(qū)動微動機(jī)器人，之后，為了適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，如生物工程學(xué)和微外科等，許多并聯(lián)結(jié)構(gòu)的微動機(jī)器人樣機(jī)相繼誕生。哈爾濱工業(yè)大學(xué)用六自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)研制成了壓電陶瓷驅(qū)動六自由度并聯(lián)微動機(jī)器人 。 圖 14 燕山大學(xué)高峰教授研制的臥式并聯(lián)機(jī)床 （在機(jī)構(gòu)構(gòu)型上具有我國自主的知識產(chǎn)權(quán)，清華、天大及哈工大的 機(jī)床都是采用國外已有的構(gòu)型） 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 六維力和力矩傳感器 :由于智能化機(jī)器人的“觸覺”和“力覺”可以借助于力傳感器來實(shí)現(xiàn)，因此自七十年代以來，機(jī)器人關(guān)節(jié) (主要是腕關(guān)節(jié) )用的六維力與力矩傳感器成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。 步行器的腿 :在實(shí)際應(yīng)用中，很多場合并不是需要實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度剛體的運(yùn)動，如爬壁機(jī)器人的步行執(zhí)行機(jī)構(gòu)，僅僅需要兩個(gè)或三個(gè)自由度。該實(shí)驗(yàn)室在 19901994 年研制的 NINJAI, N 工 N JAI I 系列爬壁機(jī)器人是采用的具有三個(gè)自由度的 3RPS 并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為移動實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)。河北工業(yè)大學(xué)的高峰教授通過研究機(jī)構(gòu)的數(shù)綜合，即研究在滿足一定要求的機(jī)構(gòu)自由度前提下，機(jī)構(gòu)將由多少個(gè)運(yùn)動副和多少個(gè)構(gòu)件來組成。目前并聯(lián)機(jī)構(gòu)國內(nèi)外研究比較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 機(jī)構(gòu)， 3TPSamp。也有把若干三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來應(yīng)用的，如把空間 3RPS。所以六自由度并聯(lián)機(jī)床較多，但大多精度不高，所研制的樣機(jī)大多屬于早期的探索樣機(jī)，近幾年基于六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)的樣機(jī)比較少。 近幾年人們又開始探索用平面二 、 三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)，平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的被動鉸鏈通常是轉(zhuǎn)動副，其制造技術(shù)相對比較成熟，且易達(dá)到較高精度，因此基于平面二 、 三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)床是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題并及時(shí)的解決問題，從而對并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)分析、硬件電路的 分析有了初步的了解，為以后的研究生學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。 圖 22 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖和尺寸參數(shù) 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 11 位置分析 如 2所示，建立固定坐標(biāo)系 XYO? 與固定平臺固接，原點(diǎn) O 位于固定平臺幾何中心。則在固定坐標(biāo)系下， iA 和 iB ? ?2,1i? 點(diǎn)的坐標(biāo)為： ? ?0,xA 11? ， ? ?0,xA 22? ? ?y,rxB1 ?? ， ? ?y,rxB2 ?? 由約束方程 lBA ii ? 有： ? ? 2221 lyxrx ???? (1) ? ? 2222 lyxrx ???? (2) 考慮到該機(jī)構(gòu)的奇異形位 ??11 及其如圖所示的裝配方式，由式 (3)和 (4)可得位置反解為： 221 ylrxx ???? （ 3） 222 ylrxx ???? (4) 由式 (3)和式 (4)可得位置正解為： ? ?21 ?? (5) ? ?? ?2122 ????? (6) 式 (5)和 (6)兩邊對時(shí)間取導(dǎo)數(shù)， 則有該機(jī)器人的關(guān)節(jié)空間速度向操作空間速度的映射關(guān)系為： qJp ??? (7) 式中， ? ?Ty,x ????p 為操作空間速度矢量， ? ?T21 x,x ????q 為關(guān)節(jié)空間速度矢量， J 為速度雅可比矩陣，其表達(dá)式為： ?????? ?? (8) 式中 ? ? 222 yylt ?? (9) 由文獻(xiàn) [12]可知，在靜態(tài)平衡狀態(tài)下，操作力向關(guān)節(jié)力的映射關(guān)系，即力雅可比矩陣為速度雅可比矩陣的轉(zhuǎn)置，即 TJGτ? (10) 如采用對該機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程取微分的方法，來建立驅(qū)動關(guān)節(jié)空間誤差對操作空間誤差的映射矩陣，則驅(qū)動關(guān)節(jié)與運(yùn)動平臺的誤差傳遞矩陣 eG 即為該機(jī)器人的速度雅可比矩陣，即 JG?e (11) 由文獻(xiàn) [12]可知，操作空間的力和變形之間的映射矩陣，即機(jī)器人末端的柔度矩陣 C 為： T1JJKC ?? (12) 式中 1?K 為驅(qū)動關(guān)節(jié)的剛度矩陣的逆矩陣，如設(shè)整個(gè)驅(qū)動的系統(tǒng) (包括傳動 減速機(jī)構(gòu) )的剛度系數(shù)1ki? (i=1,2)， 則有： ??????????????? 10 01k10 0k1211K (13) 將式 (13)代入式 (12)，則有 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 12 TJJC? (14) 建 立好上述的各種映射關(guān)系，接下來就可以利用這些映射矩陣，得到評價(jià)機(jī)器人各項(xiàng)性能的評價(jià)指標(biāo)。 力可操作度 如操作力矢量為一單位圓，則力雅可比矩陣將末端單位圓映射為一個(gè)橢圓，關(guān)節(jié)力橢圓的大小、形狀基本上反映了 關(guān)節(jié)力矢量的特征。在這里采用綜合誤差敏感度作為評價(jià)終端誤差大小的評價(jià)指標(biāo)，其反映了輸出誤差橢圓與輸入誤差單位圓面積之比，其定義為： ? ? e tk ETEe ?? GG (17) 其全域性能評價(jià)指標(biāo)為： dwdwkkwEwge ??? (18) 如希望在可測驅(qū)動關(guān)節(jié)變量時(shí)，運(yùn)動平臺誤差最小，則應(yīng)有 gek 最小。在這里定義綜合變形敏感度作為評價(jià)末端變形大小的性能評價(jià)指標(biāo)，其表征末端變形橢圓與操作空間力矢量單位圓面積之比，其定義為： ? ? 2cTcc ?? GG (21) 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 13 其全域性能評價(jià)指標(biāo)為： dwdwkkwcwgc ??? (22) 如希望在給定工作空間內(nèi)，對特定外力負(fù)載，末端變形最小，則應(yīng)有 gck 最小。在圖 3 所示情況下，由以上分析可得，滑塊行程? ? WYsincoslD ??? ?? ，因此，當(dāng)運(yùn)動平臺沿 y 軸方向移動 WY 時(shí)，滑塊的行程 D 也是 WY ，是一比一的關(guān)系，即 1:1D:YW ? ，從運(yùn)動學(xué)的角度出發(fā)，希望運(yùn)動輸入誤差對輸出誤差呈縮小的效果 ??13 ，即 1:1D:YW ? 。在這里，構(gòu)造一種新的綜合性能評價(jià)指標(biāo)，即 gvsgcgeggdsy n kkkkkkk ?? (30) 如希望在工作空間全域內(nèi)，該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的綜合性能最優(yōu)，則應(yīng)有 synk 最小。 由該機(jī)器人的奇異性分析可見，在 ?0?? 時(shí)，該機(jī)器人將處于奇異形位，再由圖 4 可見在 ? 接近于 ?0 附 近，該機(jī)器人的靈巧度很差；由圖 5 可見在 ? 接近于 ?45 附近，該機(jī)器人的面積將會變得很大，所以 ? 的取值，應(yīng)遠(yuǎn)離這兩個(gè)區(qū)域。由式 (14)、 (16)、 (18)、 (20)、 (22)、 (28)和 (30)可確定在最優(yōu)尺度下該機(jī)器人的各項(xiàng)性能評價(jià)指標(biāo)的值?？梢暂^驗(yàn)是否滿足設(shè)計(jì)要求，比如在設(shè)置的幾何尺寸參數(shù)下能否滿足工作空間要求；可以進(jìn)行軌跡規(guī)劃；可較驗(yàn)機(jī)構(gòu)的奇異性；模擬機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制等等。具體的裝配圖見附 錄。利用文中提出的綜合性能評價(jià)指標(biāo)，期望該機(jī)器人綜合性能最優(yōu)，得到了極為夾角的最優(yōu)值。降低到 176。此外各磁極上還有 5個(gè)均勻分布的矩形小齒。 步進(jìn)電機(jī)的控制 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，先按順序給步進(jìn)電機(jī)的繞組施加有序的脈沖電流即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而進(jìn)行數(shù)字到角度的轉(zhuǎn)換。 反轉(zhuǎn) A→ AC→ C→ CB→ B→ BA→ A。 步進(jìn)電動機(jī)及減速齒輪的選擇 ： 步距角 a mkza /360 ?? 式中 m—— 步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù) z—— 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù) k—— 與通電方式有關(guān)的系數(shù)（當(dāng)通電方式為單拍時(shí) k=1； 當(dāng)通電方式為雙拍時(shí) k=2） 步進(jìn)電動機(jī)包括永磁式電動機(jī)和功率式電動機(jī)，由于功率式電動機(jī)有點(diǎn)明顯，故本設(shè)計(jì)采用功率式電動機(jī)。 （ 2）、 根據(jù)機(jī)床的加工精度要求，選擇進(jìn)給軸的脈沖當(dāng)量，如 。 第 4 章 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 單片機(jī)概述 隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展 , 單片機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)品種多樣、功能豐富的開發(fā)工具。軟件方面發(fā)展主要為匯編語言、 C 語言、嵌入式操作系統(tǒng)。目前 , 單片機(jī)正朝著高性能和多品種方 向發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步向著 CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。按結(jié)構(gòu)形式分 , 單片機(jī)有兩種基本的 結(jié)構(gòu)形式 : 普林斯頓結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。而哈佛結(jié)構(gòu)是一種將