【正文】 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 第 2 章 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)及性能分析 機(jī)器人系統(tǒng)自由度的分析 圖 21 二自由度平面并聯(lián)平動(dòng)機(jī)器人 由圖知機(jī)構(gòu)為四桿機(jī)構(gòu)，則連桿與機(jī)架始終保持平行，在原動(dòng)件（滑塊）的驅(qū)動(dòng)下，連桿和連架桿運(yùn)動(dòng)，則連桿的運(yùn)動(dòng)形式為沿水平方向的運(yùn)動(dòng)或沿垂直方向的運(yùn)動(dòng)或?yàn)檫@兩項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，所以此機(jī)構(gòu)為兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。在圖 2中，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 2 通過兩個(gè)相同的支鏈與固定平臺(tái) 1 相連，每一個(gè)支鏈由一個(gè)移動(dòng)副 (支鏈 1和 2中分別為滑塊 3和 7)和一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu) (支鏈 2由構(gòu)件 2構(gòu)成，支鏈 2由構(gòu)件 2構(gòu)成 )組成一個(gè) UP 副 ??10 ，連桿與滑塊 3 和 7 及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，由平行四邊形機(jī)構(gòu)的性質(zhì)可知，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)總是平行于固定平臺(tái)，其運(yùn)動(dòng)為一剛體在平面內(nèi)的平動(dòng)，這是該機(jī)器人區(qū)別于原有平面并聯(lián)或串聯(lián)機(jī)器人的一個(gè)重要特 點(diǎn)。建立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系 YXO ???? 與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)固接，原點(diǎn) O? 位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)幾何中心?；瑒?dòng)副 3和 7的位移 1x 和 2x 作為機(jī)構(gòu)的輸入，設(shè)末端 O? 點(diǎn)位移 ? ?y,x 作為機(jī)構(gòu)輸出。 性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 靈巧度 以雅可比矩陣的條件數(shù)作為機(jī)器人靈巧度的衡量指標(biāo)已經(jīng)被公認(rèn)，其定義為 ： minmaxdk ??? (13) 式中 max? 和 min? 為速度雅可比矩 陣的最大與最小奇異值。如希望工作空間內(nèi)靈巧性最好，則應(yīng)有 gdk 最小。在這里定義力可操作度作為評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)力大小的性能指標(biāo)，其反應(yīng)了關(guān)節(jié)力橢圓與負(fù)載力單位圓的面積之比，其定義為： ? ? tk 21T ??? ????? GG (15) 式中 1? 和 2? 力雅可比矩陣的兩個(gè)奇異值。 綜合誤差敏感度 如輸入誤差為一單位圓，則誤差傳遞矩陣將輸入的單位圓映射為一個(gè)橢圓，誤差橢圓的大小、形狀基本上反映了終端誤差的特征。 速度可操作度 如機(jī)器人關(guān)節(jié)速度矢量為一單位圓，則速度雅可比矩陣將 輸入的關(guān)節(jié)速度映射為一個(gè)橢圓，操作空間速度橢圓的大小、形狀基本上反映了操作空間速度矢量的特征。 綜合變形敏感度 如操作空間力矢量為一單位圓，則末端柔度矩陣將其映射為一個(gè)橢圓，末端變形橢圓的大小、形狀基本上反應(yīng)了末端變形的特征。 機(jī)器人占用面積與所需工作空間面積比 設(shè)所需工作空間為一單 位正方形，即11YXw WW ???? 。由圖 3 可得， ? ?ldYcos W??? (23) ldsin?? (24) 在這里如設(shè) ??? ?? ，我們將該機(jī)器人在極 限位置時(shí)連桿與坐標(biāo)軸方向的夾角 ? 稱為該機(jī)器人的極位夾角 ( ? ??? 45,0?? )。這時(shí)該機(jī)器人在工作空間 WW YX ? 下的行程為 ： ? ?2,1iYXxx WWm i nim a xi ???? (25) 式中 ???????????????????ma x1ma x2mi n1mi n2Wma x1Wma x1xxxxXrco slx?? (26) 這樣，可以得到機(jī)器人機(jī)構(gòu)占用面積， ? ?Wm a xir o b o t Ydx2s ??? (27) 定義機(jī)器人占用面積與所需工作空間面積比作為該機(jī)器人基于工作空間優(yōu)化設(shè)計(jì)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義為： wsk robots? (28) 如希望在給定的工作空間下，機(jī)器人機(jī)構(gòu)所占面積最小，則應(yīng)有 sk 最小。 綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 上述的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)都是從某一方面來討論機(jī)器人機(jī)構(gòu)性能的優(yōu)劣，而機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不是為了執(zhí)行特定的任務(wù)而是為了滿足普遍的性能指標(biāo)，這北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 14 就要求設(shè)計(jì)者從多方面著手，兼顧多種性能要求，綜合出綜合性能最優(yōu)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)。 尺寸設(shè)計(jì) 該平面并聯(lián)機(jī)器人待定的參數(shù)為極位夾角 ? ，連桿長度 l ，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)尺寸 r ，機(jī)器人末端參考點(diǎn) O? 點(diǎn)坐標(biāo)及關(guān)節(jié)變量 1x 和 2x 的變化范圍。 最佳極位夾角的確定 由式 (23)~(26)可見，只要已 知極為夾角 ? ，就可以確定機(jī)構(gòu)中其它的幾何參數(shù)和主動(dòng)關(guān)節(jié)變量的變化范圍，且各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的大小也與 ? 有著密切的關(guān)系，可見極位夾角是該機(jī)器人機(jī)構(gòu)一個(gè)極為重要的參數(shù)，它對(duì)該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的性能有著極為重要的影響。圖 6 是取步長為 ?1 ， ? ??? 41,7??范圍內(nèi)繪制的綜合性能指標(biāo) synk 與極位夾角 ? 的關(guān)系曲線，由圖 6可見在 ? ??? 30,25?? 區(qū)域，該機(jī)器人的綜合性能指標(biāo)取值最小，在圖 6中如箭頭所指示，標(biāo)出了該區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)值，可見在 ?27?? 時(shí)，該機(jī)器人的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)最小，這時(shí)該機(jī)器人綜合性能最優(yōu)，這是本文的一個(gè)重要結(jié)論。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 16 圖 27 綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo) synk 隨連桿長度 l 的變化情況 其他參數(shù)的確定及尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果 極位夾角和連桿長度確定后，由式 (23)~(26)及結(jié)合該機(jī)器人的位置正、反解式 (3)~(6)即可確定該機(jī)器人的其它參數(shù)。尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果如表 1 所示。 這里針對(duì)前敘的二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，基于 C語言平臺(tái)構(gòu)建其平面模型，通過友好的人機(jī)界面，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。 因?yàn)榇藱C(jī)構(gòu)是一種平面機(jī)構(gòu)，其仿真也就是主要觀察其在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)， C語言圖形函數(shù)正好可以處理這種問題，而且 C 語言功能強(qiáng)大，編程靈活，編程耗用內(nèi)存少，生成的可執(zhí)行文件也比較小，還可直接運(yùn)行于 Windows 和 Dos 系統(tǒng)上 ，因此這里選用此種平臺(tái)，如果想實(shí)現(xiàn)良好的可視化環(huán)境，可選用 Visual C++可視化編程語言和 OpenGL 圖形技術(shù)。首先由上述的位置分析和運(yùn)動(dòng)分析得出工作空間、極位夾角和連桿的關(guān)系定出了工作空間的大小、極位夾角的大小和連桿的長度，然后再通過具體的機(jī)構(gòu)運(yùn)算等定出各機(jī)構(gòu)的尺寸，又由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查的各標(biāo)準(zhǔn)件的裝配尺寸，從而最終應(yīng)用 Solid works 軟件進(jìn)行裝配，從而生成三維實(shí)體圖。 小結(jié) 考慮到機(jī)器人機(jī)構(gòu)的奇異形位和裝配方式，對(duì)一種二自由度平面并聯(lián)平動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的位置正、反解進(jìn)行分析，得到其封閉解析解。 為了使機(jī)器人機(jī)構(gòu)滿足普遍的性能要求，利用前面得到的各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)造出一個(gè)新的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)綜合考慮了機(jī)構(gòu)的靈巧度、力、誤差和速度傳遞性能、末端變形及機(jī)構(gòu)的占用面積 .提出了該機(jī)器人機(jī)構(gòu)極位夾角的概念，通過分析發(fā)現(xiàn) 該角度是該機(jī)器人機(jī)構(gòu)一個(gè)極為重要的幾何參數(shù)。進(jìn)而得到該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的最優(yōu)尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果。步進(jìn)電機(jī)有幾個(gè)顯著特點(diǎn)： ，而不再需要進(jìn)行數(shù) /模轉(zhuǎn)換； 、停能力 ,可以 在一剎那間實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停止； 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 19 ，步距角可由每步 90176。； ，故定位準(zhǔn)確。線圈繞過相對(duì)的兩個(gè)磁極構(gòu)成一相（ A— A′ ,B— B′以及 C— C′）。電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有繞組，它上面有 40 個(gè)矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩個(gè)小齒之間的夾角為 9176。這時(shí)如果定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒有對(duì)齊，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，從而使步進(jìn)電機(jī)向前＂走＂一步。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)的方向則與脈沖的順序有關(guān)。 即：正轉(zhuǎn) A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A。 單相三拍方式的每一拍步距角為 3176。因此在三相六拍方式下，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要平穩(wěn)柔和一些，但在同樣的運(yùn)行角度與速度下，三相六拍驅(qū)動(dòng)，脈沖的頻率需要提高一倍，對(duì)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的開關(guān)特性要求較高。根據(jù)機(jī)床加工精度選取軸的脈沖當(dāng)量為 。數(shù)控機(jī)床上大多采用功率式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（如 110BF、 130BF、 150BF）其價(jià)格低于永磁式反應(yīng)電動(dòng)機(jī)，但性能上不如永磁式電動(dòng)機(jī)。 （ 3） 、根據(jù)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角、絲杠的螺距以及所要求的脈沖當(dāng)量來計(jì)算減速齒輪的降速比。但采用減速齒輪會(huì)帶來額外的傳動(dòng)誤差，使機(jī)床的快速移動(dòng)速度降低，并且其自身又引入附加的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。它主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域和各種儀器設(shè)備 。硬件方面日趨多樣化 ,4 位、 8 位、 16 位、 32 位等型號(hào)共同并存 , 在不同的領(lǐng)域存在 , 如家電、玩具、工業(yè)設(shè)備、儀器、通訊等。速度、穩(wěn)定性特別要求的場合較多采用匯編語言和 C語言。自單片機(jī)誕生至今 ,已發(fā)展為上百種系列的近千個(gè)機(jī)種。 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 單片機(jī)的基本組成 ,是由中央處理器 (CPU) 、只讀存貯器 (ROM) 、讀寫存貯器 (RAM) 、輸入 /輸出口 (I/O) 等等組成。另外 , 還有“中斷系統(tǒng)” , 當(dāng)單片機(jī)控制對(duì)象的參數(shù)到達(dá)某項(xiàng)需要加以干預(yù)的狀態(tài)時(shí) , 就可傳達(dá)給 CPU 使 CPU 采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)付措施。普林斯頓結(jié)構(gòu) , 也稱馮程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置 , 因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同 , 如英特爾公司 (Intel) 的 8086 和 MCS51 就采用了此結(jié)構(gòu)。中央處理器 (CPU) 首先到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容 , 解碼后得到數(shù)據(jù)地址 , 然后到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù) , 進(jìn)行下一步操作 ( 通常是執(zhí)行 ) 。 單片機(jī)的應(yīng)用 單片機(jī)的品種繁多 , 按應(yīng)用范圍分為通用型和專用型。通用型單片機(jī)有總線型和非總線型或者 8 位和 16 位之分 ,總線型設(shè)有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線的引腳 , 便于擴(kuò)展外圍器件。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 23 芯片的選取原則和片腳結(jié)構(gòu) 單片機(jī)具有集成度高，功能強(qiáng)，通用性好的優(yōu)點(diǎn)，特別是具有體積小，重量輕，能耗低，價(jià)格便宜，而且可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。 系列單片機(jī) 8031 MCS51 系列單片機(jī)采用雙列直插封裝（ DIP）方式。 如圖 41 所示。 (1)、 主電源引腳 VCC： 芯片工作電源端，接 ＋ 5V。 (2)、時(shí)鐘振蕩電路引腳 XTAL1： 內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸入端。 (3)、控制信號(hào)引腳 RST —— RST為復(fù)位信號(hào)輸入端。 ALE—— ALE為地址鎖存允許信號(hào)。 PSEN — 外部程序存儲(chǔ)器 ROM的讀選通信號(hào)。 EA —— 為訪問程序存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。 (4)、 并行 I／Ｏ 端口引腳 P0口（ ～ ）； P1口（ ～ ）； P2口（ ～ ）； P3北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 24 口（ ～ ）。（見本部分 5） 8031還必須有復(fù)位和時(shí)鐘電路 。為了將它們分離出來，需要在單片機(jī)外部增加地址鎖存器，從而構(gòu)成與一般 CPU 相類似的片外三總線，地址鎖存器一般采用 74LS373，所以本設(shè)計(jì)也采用此芯片。 74LS373 是一種帶有三態(tài)門的 8D 鎖存器，對(duì)其引腳說明如下 ： D7～ D0：八位數(shù)據(jù)輸入線。 G：數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號(hào)，高電平有效。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)，輸出線為高阻態(tài)。根據(jù) 8031 引腳數(shù)目和兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用譯碼法。 本設(shè)計(jì)中譯碼器芯片采用 74LS138，有三個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，經(jīng)譯碼產(chǎn)生八種狀態(tài)。引腳功能如下： 1E 、 2E 、 E3：使能端， 1E 、 2E 低電平有效， E3 高電平有效 A、 B、 C：譯碼器的輸入端 0Y ～ 7Y ：譯碼器的輸出端，可用作片選信號(hào) 2764 是 EPROM 的典型芯片之一，也是 27 系列產(chǎn)品之一，型號(hào)名稱“ 27”后面的數(shù)字表示其位存儲(chǔ)容量。在芯片外殼上的中間位置有一個(gè)圓形窗口，通過這個(gè)窗口照射紫外線，就可擦除原有的信息。 2764 一般有五種工作方式，為讀出，編程，編程校驗(yàn)，未選中和編程禁止，由 CE、OE、 PGM 的狀態(tài)組合來確定。 6264 時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)中常用的靜態(tài) RAM 芯片之一，它采用CMOS 工藝，用單一 +5V 電源供電 ,典型存儲(chǔ)時(shí)間為 200ns，采用雙列直插封裝方式，共 28只引腳，功能如下： A0～ A12： 地址輸入線 ； D0～ D7： 雙線三態(tài)數(shù)據(jù)線； CE： 片選信號(hào)輸入線 ，低電平有效，并且 CS 當(dāng)為